廣播電視同步系統(tǒng)研究

李軼瑋

（上海東方傳媒技術(shù)有限公司，上海 200072）

0 引言

對于傳統(tǒng)廣播電視系統(tǒng)，系統(tǒng)的定時與同步直接決定了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。以數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）等信號交互方式為主的基帶系統(tǒng)，通常采用建立獨(dú)立的同步參考信號分發(fā)鏈路的方式。例如，由主、備同步信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬黑場或高清三電平等同步參考信號，經(jīng)同步信號倒換器進(jìn)行主、備倒換后，送入多級同步信號分配器進(jìn)行分配放大，供各終端設(shè)備接入，以實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的同步鎖定[1]。

隨著SMPTE ST2022-6 以及SMPTE ST2110 系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，廣播電視系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)開始逐漸向IP 化演進(jìn)。IP 系統(tǒng)引入了高精度時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）時鐘作為系統(tǒng)同步參考信號進(jìn)行分發(fā)，其同步運(yùn)作機(jī)制與傳統(tǒng)基帶系統(tǒng)的同步機(jī)制有較大區(qū)別[2]。特別是當(dāng)前大量SDI與IP 共存的混合架構(gòu)系統(tǒng)，需要混合使用傳統(tǒng)的同步參考信號分發(fā)機(jī)制和PTP 時鐘參考分發(fā)機(jī)制。為確保該類廣電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)工程師需要充分理解兩種不同同步參考信號分發(fā)機(jī)制的原理，規(guī)避兩種同步機(jī)制交互時容易產(chǎn)生的問題。

基于以上原因，通過梳理目前廣播電視系統(tǒng)使用的同步參考信號類型，本文研究各類同步信號鎖定機(jī)制的原理，分析同步系統(tǒng)實(shí)踐中可能出現(xiàn)的問題，為建設(shè)穩(wěn)定、可靠的廣播電視系統(tǒng)提供技術(shù)保障。

1 廣播電視對同步的要求

在電視系統(tǒng)的早期階段，為了確保能夠正確地重現(xiàn)圖像，要求圖像信號的接收端與信號發(fā)送端同步進(jìn)行圖像掃描，引入了同步的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了圖像行、場掃描的同步[3]。廣播電視系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)字化時代以后，不同數(shù)字系統(tǒng)間的信號采樣頻率同步也成為系統(tǒng)當(dāng)中重要的一部分。

與大多數(shù)其他領(lǐng)域的時鐘鎖定需求一致，廣播電視系統(tǒng)對同步鎖定也同時存在頻率參考和相位參考兩方面的要求，不同形式的參考信號在頻率參考和相位參考兩個維度提供了不同程度的鎖定精度。

（1）頻率鎖定。需要確保系統(tǒng)不同設(shè)備運(yùn)行在一個統(tǒng)一的采樣時鐘頻率，如幀頻、場頻、行頻以及數(shù)字音頻采樣頻率等。而且，需要確保數(shù)字音頻采樣頻率與視頻幀頻互相鎖定。

（2）相位鎖定。需要確保系統(tǒng)同步設(shè)備具有統(tǒng)一的視頻相位參考點(diǎn)以及音頻相位參考點(diǎn)，如視頻的幀參考點(diǎn)、行參考點(diǎn)等[4]。

2 同步參考信號分類

2.1 頻率與相位參考信號

2.1.1 模擬黑場信號

模擬黑場同步又稱為“BB（Black Burst）同步”，如圖1 所示，它是一種有效視頻信號均為消隱電平（PAL 制為0 mV）的復(fù)合模擬視頻信號，分為PAL和NTSC 兩種制式類型，分別由ITU BT.470 標(biāo)準(zhǔn)和SMPTE ST170 標(biāo)準(zhǔn)所定義。

圖1 模擬黑場同步信號

模擬黑場信號主要攜帶了行同步脈沖、場同步脈沖以及彩色副載波這三種為視頻設(shè)備提供頻率和相位參考的信號類型。

（1）行同步脈沖。行同步脈沖為視頻設(shè)備提供行頻率和相位參考，位于PAL 和NTSC 視頻信號每一行的行消隱期[5]。行同步脈沖是幅度為300 mV的負(fù)極性脈沖，脈沖寬度4.7 μs，10%到90%幅度的基準(zhǔn)沿建立時間不超過210 ns。

（2）場同步脈沖。場同步脈沖為視頻設(shè)備提供場/幀頻率和相位參考，位于視頻信號場消隱期，是幅度為300 mV 的負(fù)極性脈沖，脈沖寬度較大，也稱為“寬脈沖”。

（3）彩色副載波。彩色副載波也稱為“色同步”，為復(fù)合模擬彩色電視信號提供彩色副載波頻率參考和色相位參考。色同步信號位于行同步脈沖之后，在PAL 制中頻率為4.433 618 75 MHz，在NTSC 制中頻率為3.579 545 MHz。根據(jù)SMPTE ST318 標(biāo)準(zhǔn)的描述，在數(shù)字系統(tǒng)環(huán)境中，模擬黑場同步信號可以不攜帶彩色副載波信號。

2.1.2 數(shù)字黑場信號

數(shù)字黑場同步信號又稱為“數(shù)字BB”，如圖2所示，是一種不攜帶有效視頻音頻數(shù)據(jù)、僅攜帶同步參考標(biāo)志位的SDI 信號。數(shù)字黑場采用特定的編碼字序列來代表有效視頻的開始（Start of ActiveVideo，SAV），而以另一種特定的編碼字序列來表示有效視頻的結(jié)束（End of Active Video，EAV）。

圖2 數(shù)字黑場信號

2.1.3 高清三電平信號

高清三電平信號（Tri-level）又稱為“模擬三電平信號”，如圖3 所示，是一種模擬高清視頻信號，同步脈沖為正負(fù)300 mV 的雙極性脈沖。同步的基準(zhǔn)點(diǎn)位于消隱期的脈沖上升沿，該基準(zhǔn)點(diǎn)高度為三電平行同步高度的一半[6]。高清三電平信號有較快的上升沿，可以改善抖動的狀況和同步分離的性能。

圖3 高清三電平信號

每一種高清視頻格式都有一個對應(yīng)的三電平信號，行頻、場頻與視頻格式一一對應(yīng)。因此，采用三電平同步，能獲得更加精準(zhǔn)的定時。而模擬黑場信號的行頻與高清視頻信號無法對應(yīng)。在高清系統(tǒng)中使用模擬黑場同步時，設(shè)備需要對參考信號進(jìn)行多次倍頻與分頻操作來進(jìn)行鎖定，會引入一定的定時誤差和抖動。

2.1.4 字時鐘信號

字時鐘信號又稱為“Word Clock 信號”，是一種頻率為系統(tǒng)音頻采樣頻率、電平為5 V TTL 電平、占空比為50%的方波信號[7]。

字時鐘接口采用75 Ω 阻抗的BNC 接口，在專業(yè)數(shù)字音頻設(shè)備上十分常見，可作為數(shù)字音頻信號48 kHz 采樣的頻率參考，又可以作為AES3 信號的相位參考。

由于TTL 電平信號的分配放大存在一定的技術(shù)難度，因此，字時鐘信號在實(shí)際使用中多為LOOP OUT 形式，且字時鐘信號至今未被標(biāo)準(zhǔn)化。

2.1.5 數(shù)字音頻參考信號

數(shù)字音頻參考信號簡稱“DARS”（Digital Audio Reference Signal，DARS），是一種不含有效音頻采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、僅包含同步標(biāo)志位的AES3 數(shù)字音頻信號。與數(shù)字黑場信號原理類似，DARS 信號一般通過75 Ω 同軸線纜進(jìn)行傳輸，可以使用傳統(tǒng)AES3信號的分配鏈路進(jìn)行同步信號的分發(fā)。

2.2 時間參考信號

2.2.1 GPS 時鐘

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是一種能達(dá)到納秒級授時精度的衛(wèi)星授時系統(tǒng)。GPS 能實(shí)現(xiàn)高精度的頻率和時間信號輸出，全球范圍的時鐘均可用這種方式鎖定在相同的基準(zhǔn)時間上。因此，GPS 時鐘在廣播電視時鐘系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。

GPS 時間起算的原點(diǎn)定義在1980 年1 月6 日世界協(xié)調(diào)時UTC 00:00:00，啟動后不跳秒，以保證時間的連續(xù)。

2.2.2 PTP 時鐘

精確時間協(xié)議（Precise Time Protocol，PTP）是一種可以達(dá)到亞微秒級別時間同步精度的網(wǎng)絡(luò)授時系統(tǒng)。PTP 標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議編號為IEEE 1588，于2002年發(fā)布版本1，2008 年發(fā)布版本2，2019 年發(fā)布版本2.1。目前廣播電視系統(tǒng)使用的PTP 協(xié)議多為版本2，即IEEE 1588-2008[10]。PTP 時間起算的原點(diǎn)定義在1970 年1 月1 日國際原子時TAI 00:00:00，即世界協(xié)調(diào)時UTC 1969 年12 月31 日23:59:52。

PTP 時鐘系統(tǒng)在運(yùn)行時，首先根據(jù)最佳主時鐘算法從多個PTP設(shè)備中選舉出一個系統(tǒng)主時鐘設(shè)備。在系統(tǒng)同步過程中，主時鐘周期性地發(fā)布PTP 時間同步信息數(shù)據(jù)包，從屬時鐘端口接收主時鐘端口發(fā)來的時間戳信息，系統(tǒng)據(jù)此計算出主從線路時間延遲及主從時間差，并利用該時間差調(diào)整本地時間，使從設(shè)備的時間保持與主設(shè)備時間一致的頻率和相位。PTP 可以同時實(shí)現(xiàn)頻率同步和時間同步。

2.2.3 NTP 時鐘

網(wǎng)絡(luò)時鐘協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）是一種同步精度在毫秒級別的網(wǎng)絡(luò)授時系統(tǒng)。以世界協(xié)調(diào)時UTC 為時間源標(biāo)準(zhǔn)，NTP 時間同步報文中包含的時間是格林威治時間，是從1900 年開始計算的秒數(shù)。

由于NTP 協(xié)議的時間同步精度在1 毫秒到幾十毫秒，無法滿足廣播電視系統(tǒng)的定時精度要求，因此NTP 在廣播電視系統(tǒng)中僅作為“日期-時間”的同步使用，不用作系統(tǒng)定時。

2.2.4 時間碼

時間碼（Time Code）是系統(tǒng)中的一種為設(shè)備提供定時和定位控制信息的重要的基準(zhǔn)信號。時間碼用來描述時間的方式是“時、分、秒、幀”，其格式為HH:MM:SS:FF，其標(biāo)準(zhǔn)化文件為SMPTE ST12 標(biāo)準(zhǔn)，因此也被稱為“SMPTE 時碼”。本文所討論的時碼均為SMPTE 格式的時碼，其余的如音頻領(lǐng)域使用的MTC 時碼等不在本文討論范圍。

時間碼有多種傳輸形式，常見的有線性時間碼（Linear Time Code，LTC）、場消隱時間碼（Vertical Internal Time Code，VITC）以及輔助數(shù)據(jù)空間時間碼（Ancillary Time Code，ATC）三種。

（1）LTC。線性時間碼LTC 是一種低頻模擬信號，信號幅度在1～4.5 V。SMPTE 時間碼信息被編碼進(jìn)80 bit，由于LTC 的信號頻譜在模擬音頻信號的范圍之內(nèi)，因此，在系統(tǒng)中，可以將LTC 時間碼信號視為模擬音頻信號進(jìn)行傳輸和分發(fā)。這也是LTC 時碼是應(yīng)用范圍最廣的SMPTE 時間碼形式的原因所在。

（2）VITC。場消隱時間碼VITC 是將SMPTE 時間碼信息插入到625 行（PAL 制式）或525 行（NTSC制式）模擬視頻信號的場消隱期間，與模擬視頻信號一起傳送的時間碼信號。在PAL 制式中，VITC 可以插入到每一場的第6 行到第22 行之間，首選第19行和21 行。在NTSC 制式中，VITC 可以插入到每一場的第10 行到20 行之間，首選第14 行和第16 行。

VITC 能夠插入到模擬黑場信號中，隨同步參考信號一起在系統(tǒng)中分發(fā)。

（3）ATC。輔助數(shù)據(jù)空間時間碼ATC，是將LTC 或VITC 時間碼編碼格式按照SMPTE ST12-2標(biāo)準(zhǔn)[8-9]的定義，作為附屬數(shù)據(jù)包插入到SDI 信號場消隱區(qū)內(nèi)。SDI 接收設(shè)備可直接讀取該時間碼。

由于時間碼信號本身僅僅提供了每一個視頻幀的標(biāo)簽，因此只是作為視頻音頻信號的位置參考信息存在于系統(tǒng)中。如果要將時間碼信號作為系統(tǒng)的頻率和相位參考使用，需要確保LTC 或VITC 時間碼信號與某種頻率、相位參考信號相互鎖定，此時的時間碼信號才能被視為攜帶了頻率和相位信息。

3 視音頻信號的同步過程

3.1 頻率與相位參考信號下的同步

3.1.1 視頻信號同步

對于視頻系統(tǒng)而言，參考信號同步的目標(biāo)是要讓所有的設(shè)備都知道什么時候是視頻信號一行的開始、一場的開始、一幀的開始，以便讓所有設(shè)備能夠同步運(yùn)行，這就是相位參考點(diǎn)。

視頻設(shè)備鎖定外來參考信號，從中提取出行（H）、場（V）相位參考信息，并讓自身輸出信號與之鎖定的過程稱為“GenLock”（Generator Locking）。

以高清攝像機(jī)為例，如圖4 所示，將Bi-level（模擬黑場）或Tri-level（高清三電平）同步參考信號輸入設(shè)備Reference 接口后，同步信號分離器將從同步參考信號中分離出行同步（H）、場同步（V）信號。其中行同步信號用于鎖定設(shè)備內(nèi)部時鐘振蕩器，用于生成像素采樣時鐘信號。對于高清系統(tǒng)而言，像素亮度（Y）采樣脈沖信號為74.25 MHz 或74.25/1.001 MHz（1/1.001 幀率系統(tǒng)）。

圖4 高清視頻信號同步過程

當(dāng)輸入的同步參考信號為Bi-level（模擬黑場）信號時，設(shè)備時鐘振蕩器PLL 內(nèi)部的H 行同步脈沖與需要合成的像素采樣時鐘的頻率之間有著非常大的分頻比，PLL 極容易受到同步參考信號中H 行同步脈沖抖動的影響，從而影響輸出的像素采樣時鐘的精度。而當(dāng)輸入的同步參考信號為Tri-level（高清三電平）信號時，由于每一種高清格式都對應(yīng)了相應(yīng)行頻和場頻的Tri-level 信號，PLL 鎖相環(huán)中，H 行同步的頻率與輸出的像素采樣時鐘頻率之間有著非常簡單的分頻比，受行同步脈沖抖動的影響很小，因此能生成精度較高的像素采樣時鐘信號用于視頻畫面處理。

定時同步振蕩器生成的像素采樣時鐘信號直接用于攝像機(jī)內(nèi)部的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于對圖像信號進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)字化過程。同時，像素采樣時鐘信號也會用于SDI 串行處理器，用于SDI 信號傳輸。

由此，系統(tǒng)中的所有視頻設(shè)備都運(yùn)行在相同的頻率基準(zhǔn)和視頻相位基準(zhǔn)。

3.1.2 音頻信號同步

對于數(shù)字音頻系統(tǒng)，需要從同步參考信號獲得音頻采樣頻率參考以及音頻采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的相位參考。如果是與視頻系統(tǒng)的同步，還需要獲得視頻的場和行參考點(diǎn)信息。

音頻的同步問題是廣播電視系統(tǒng)中最為復(fù)雜的問題之一，因?yàn)槿硕鷮σ纛l時鐘抖動產(chǎn)生的噪聲（類似于“咯噠”聲）非常敏感，敏感程度要遠(yuǎn)高于視頻時鐘抖動產(chǎn)生的結(jié)果。因此，充分理解音頻同步鎖相的原理，對于在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)施中減少音頻時鐘的抖動至關(guān)重要。

根據(jù)AES11-2009 標(biāo)準(zhǔn)，所有的數(shù)字音頻設(shè)備應(yīng)該具備鎖定到一個數(shù)字音頻參考信號（DARS）的能力。音頻系統(tǒng)接受同步參考信號一般有以下幾種形式。

（1）使用數(shù)字音頻參考信號。此方法可以確保所有輸入/輸出設(shè)備的取樣時鐘鎖定在該參考信號上。這種方法通常在演播室使用。

（2）數(shù)字音頻輸入信號中使用嵌入的取樣時鐘，使輸入/輸出取樣時鐘鎖定。這種方法會增加級聯(lián)系統(tǒng)的定時誤差。

（3）使用可提取數(shù)字音頻參考信號的視頻參考信號，把視頻和音頻信號鎖定在同精度取樣頻率上。

不同種類的同步參考信號與數(shù)字音頻信號之間的鎖定關(guān)系如圖5 所示。

圖5 數(shù)字音頻信號鎖定關(guān)系

在視頻和音頻相結(jié)合的環(huán)境中，數(shù)字音頻參考信號源需要與視頻保持鎖定關(guān)系，如表1 所示。

表1 音頻采樣點(diǎn)與視頻幀對應(yīng)關(guān)系

對于每一視頻幀包含整數(shù)個AES3 數(shù)字音頻幀周期的系統(tǒng)，AES3 音頻信號可以與視頻幀保持同步鎖定。例如，對于25 Hz 幀率系統(tǒng)，每個視頻幀包含1 920 個音頻采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)（48 kHz 采樣率下），因此25 Hz 的視頻與音頻樣值有著直接的對應(yīng)關(guān)系。

對于每一視頻幀包含非整數(shù)個AES3 數(shù)字音頻幀的系統(tǒng)，需要視頻參考信號帶有相應(yīng)的指示信號，標(biāo)識出場的序號。如果沒有特殊的指示信號，視頻與音頻輸出不可能達(dá)到所需要的相位鎖定要求。

對于1/1.001 幀率系統(tǒng)而言，假設(shè)幀頻為29.97 Hz、場頻為59.94 Hz，每一視頻幀包含的音頻樣值數(shù)不是整數(shù)，而是每5 個視頻幀包含8 008 個音頻采樣點(diǎn)。按照SMPTE ST318 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，使用一種十場識別序列（Ten-field identification sequence），如圖6 所示。該序列通過脈沖形式，以每5 幀進(jìn)行分組標(biāo)記，以提供給音頻設(shè)備5 個視頻幀的參考，以便音頻設(shè)備能夠?qū)?shù)字音頻信號與視頻信號進(jìn)行鎖定。在日常的系統(tǒng)實(shí)施中，對于29.97 Hz 或59.94 Hz 幀頻系統(tǒng)的音頻同步問題，需要格外留意。

圖6 SMPTE ST318 十場識別序列

3.2 時間參考信號下的同步

能夠在廣電系統(tǒng)中作為同步參考信號使用的時間信號，一般只有GPS 時鐘和PTP 時鐘信號。這兩種授時系統(tǒng)都能夠提供精度達(dá)到納秒級別的精確時間。但若要在廣電系統(tǒng)中用它們作為同步參考信號，還需要進(jìn)一步分析。

（1）在系統(tǒng)的頻率鎖定方面，由于GPS 和PTP都是納秒級的精準(zhǔn)時間信號，可以直接用于鎖定同步脈沖發(fā)生器中的10 MHz 時鐘，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與GPS 或PTP 的頻率鎖定。

（2）在系統(tǒng)的相位鎖定方面，由于GPS 和PTP是時間信號，不含有任何視頻幀和音頻數(shù)據(jù)相位信息，因此GPS 和PTP 時鐘需要一種相位鎖定機(jī)制來對廣播電視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相位鎖定。

解決時間信號的相位鎖定問題的機(jī)制如下：為各種信號（包括視頻、音頻以及各種制式的信號）定義一個統(tǒng)一的計時原點(diǎn)，在該時間點(diǎn)，所有信號的相位全部實(shí)現(xiàn)對齊；之后根據(jù)不同種類信號的周期特性，計算出任一時間點(diǎn)該信號的相位狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)通過日期-時間信號完成系統(tǒng)的相位鎖定。這個統(tǒng)一的計時原點(diǎn)被稱為“SMPTE Epoch”。

在IP 系統(tǒng)出現(xiàn)以前，SMPTEEpoch一直使用國際原子時TAI1958年1月1日00:00:00，所 有信號的相位均與該時間點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，這是《SMPTE 404M Draft》標(biāo)準(zhǔn)草案的定義，并未正式發(fā)表。IP 系統(tǒng)出現(xiàn)以后，PTP 時鐘被引入廣播電視系統(tǒng)。2015年，在SMPTE ST2059-1標(biāo)準(zhǔn)[11]中，SMPTE Epoch被正式定義為國際原子時TAI 1970 年1 月1 日00:00:00，與IEEE Std 1588-2008 標(biāo)準(zhǔn)所定義的PTP 時鐘的計時起點(diǎn)（PTP Epoch）一致，簡化了系統(tǒng)鎖相過程。目前，SMPTE Epoch 均使用1970 年1 月1 日。SMPTE ST2059-1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同格式制式的視頻、音頻、時間碼、同步信號與SMPTE Epoch 之間的相位校準(zhǔn)關(guān)系以及同步相位參考點(diǎn)的計算方法，如圖7 所示。

圖7 SMPTE ST2059-1 信號相位計算

GPS 與PTP 本質(zhì)上都是精確的時間信號，只是授時方式不同。GPS 通過衛(wèi)星授時，PTP 通過網(wǎng)絡(luò)授時，但其實(shí)現(xiàn)相位同步的原理都是一樣的，即對所有信號相位在SMPTE Epoch 時間點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.3 系統(tǒng)對外來信號的鎖定

3.3.1 外來視頻信號鎖定

未與本系統(tǒng)進(jìn)行同步鎖定的視頻和音頻信號稱為“外來信號”。對于一個數(shù)字視頻外來信號，一般使用幀同步處理手段，將其與本系統(tǒng)進(jìn)行同步鎖定。

如圖8 所示，幀同步器將輸入的SDI 視頻信號首先執(zhí)行去串行化操作。在該過程中，提取出外來SDI 信號的行H、場V、幀F(xiàn) 的定時，該數(shù)據(jù)會在時序控制單元中作為輸入定時使用。該過程也被視為提取輸入同步信息。

圖8 視頻幀同步器原理

系統(tǒng)本地同步參考信號輸入幀同步器同步分離單元，提取出本地系統(tǒng)的H、V、F 定時數(shù)據(jù)，在時序控制單元中作為輸出定時使用。

幀同步器的核心是一個幀緩存單元，輸入信號在時序控制單元的指揮下，將數(shù)據(jù)按照輸入信號的H、V、F 定時寫入幀緩存單元。同時，時序控制單元控制輸出級按照本地系統(tǒng)H、V、F 定時，從幀緩存單元中讀取數(shù)據(jù)，串行化為SDI 信號后輸出。此時的視頻信號已經(jīng)被本系統(tǒng)同步信號鎖定。幀同步技術(shù)也因此被稱為“幀緩存同步技術(shù)”。

如果外來信號的時鐘頻率與本系統(tǒng)有一定差別，當(dāng)緩存器中信號的緩存行數(shù)超過1 幀時，幀同步器輸出丟棄1 幀；當(dāng)緩存器中的信號緩存行數(shù)不足時，幀同步器的輸出復(fù)制1 幀之前的畫面。由于人眼的視覺惰性，人眼不會覺察到幀同步器所做的視頻幀偶爾的增加或者減少。但這樣的操作會對嵌入式音頻產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這將在本文后續(xù)討論。

3.3.2 外來音頻信號鎖定

由于人耳對于聲音信號的采樣點(diǎn)增減操作有著非常靈敏的反應(yīng)，因此，對于數(shù)字音頻外來信號而言，無法參照視頻幀同步器的工作原理，僅簡單采取采樣點(diǎn)緩存的方式來完成。目前，對外來數(shù)字音頻信號的鎖定均采用音頻異步采樣頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)（Sample Rate Conversion，SRC）。

音頻異步采樣頻率轉(zhuǎn)換用于兩個異步時鐘的音頻系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻信號交互。傳統(tǒng)的SRC采用跟蹤檢測發(fā)送端和接收端的時鐘頻率比值，經(jīng)過插值-濾波-抽取方法進(jìn)行處理。但目前大部分的數(shù)字音頻設(shè)備所采用的SRC 處理方法是在每個輸出采樣時刻選擇對應(yīng)相位的多相FIR 濾波器組進(jìn)行卷積運(yùn)算完成。這種SRC 處理方法具有更好的性能和更低的延遲，使得多通道串行多通道音頻數(shù)字接口（serial Multi-channel Audio Digital Interface，MADI）的SRC 成為可能。

有部分音頻設(shè)備還提供了Output SRC。這種SRC 一般出現(xiàn)在MADI 輸入輸出上。音頻設(shè)備通過對方的Output 抽取出對方的時鐘，在信號輸出端按照對方時鐘對音頻信號做SRC。由此，對方接收到的信號已經(jīng)是與接收方系統(tǒng)同步鎖定的信號。但在使用帶有Output SRC 的音頻設(shè)備時需要特別注意，由于其是根據(jù)對方的輸出信號鎖定對方時鐘，如果雙方均開啟Input SRC 和Output SRC，將會導(dǎo)致雙方信號全部失鎖，信號傳輸無法完成。

3.3.3 視頻幀同步對嵌入式音頻的影響

上文提到，視頻幀同步器在對外來視頻信號進(jìn)行鎖相的過程中，當(dāng)遇到幀緩存溢出或清空時，會通過增加一幀或減少一幀畫面來進(jìn)行填補(bǔ)，這樣的操作并不會被人眼所察覺，因?yàn)槿搜蹖σ粠嬅娴淖兓⒉皇置舾小５?dāng)輸入的視頻信號中帶有嵌入式音頻時，隨著視頻幀的重復(fù)或丟棄，聲音也會跟著按照40 ms（25 Hz 幀率）一幀重復(fù)或丟棄，將會產(chǎn)生明顯的聲音失真和噪聲，這樣的聲音無法使用。

目前，視頻幀同步器對于嵌入式音頻的處理有以下兩種方式：一種常見于切換臺自帶的輸入幀同步，即當(dāng)開啟輸入幀同步功能后，直接丟棄輸入信號中的嵌入式音頻數(shù)據(jù)，相當(dāng)于做了靜音處理；另外一種是更為普遍的做法，如圖9 所示，在幀同步器的輸入端進(jìn)行嵌入式音頻的解嵌操作，將視頻畫面與聲音進(jìn)行分離，然后視頻畫面通過幀緩存器進(jìn)行同步鎖相，音頻信號單獨(dú)進(jìn)行SRC 采樣率轉(zhuǎn)換處理，最后在輸出端將鎖相后的視頻和經(jīng)過采樣頻率轉(zhuǎn)換的音頻數(shù)據(jù)重新進(jìn)行加嵌，作為幀同步器的輸出。

4 IP 系統(tǒng)的鎖相

4.1 IP 系統(tǒng)的同步機(jī)制

現(xiàn)階段的IP 廣播電視系統(tǒng)均包含IP 設(shè)備以及部分傳統(tǒng)基帶設(shè)備。IP 設(shè)備能夠僅通過PTP 時鐘信號就完成頻率和相位的鎖定，而基帶設(shè)備則必須通過傳統(tǒng)相位參考信號如模擬黑場、高清三電平信號等來進(jìn)行頻率和相位的鎖定。

圖10 是一個典型的IP 系統(tǒng)同步架構(gòu)。

圖10 IP 系統(tǒng)同步架構(gòu)

系統(tǒng)主同步脈沖發(fā)生器鎖定在GPS 時鐘，同時產(chǎn)生模擬黑場BB、高清三電平、SDI 測試信號、Word Clock時鐘、DARS信號、PTP網(wǎng)絡(luò)時鐘、LTC時間碼、VITC 時間碼，并且可以確保這些參考信號之間已經(jīng)互相鎖定。這些參考信號進(jìn)入系統(tǒng)后，會按照以下兩條路徑進(jìn)行分發(fā)。

（1）路徑A。傳統(tǒng)參考信號（模擬黑場、三電平、Word Clock 等）從同步脈沖發(fā)生器或同步倒換器輸出之后，經(jīng)過不同種類的多級同步分配放大器，最終到達(dá)設(shè)備參考信號輸入口。設(shè)備以此作為媒體信號相位和頻率參考。

（2）路徑B。同步脈沖發(fā)生器按照PTP 時鐘協(xié)議規(guī)則，作為一個PTP 時鐘源接入IP 核心網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過IP 網(wǎng)絡(luò)的多級Boundary Clock（邊界時鐘）交換機(jī)，IP設(shè)備按照PTP 時鐘協(xié)議規(guī)則，將本地時鐘與主PTP時鐘的時間進(jìn)行校準(zhǔn)。設(shè)備再根據(jù)經(jīng)過校準(zhǔn)的時間信息，結(jié)合媒體信號格式（通常需要手動設(shè)定），按照SMPTE ST2059-1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信號校準(zhǔn)點(diǎn)的計算，從而恢復(fù)出媒體時鐘，用于媒體信號的相位和頻率參考。

4.2 同步脈沖發(fā)生器的工作機(jī)制

同步脈沖發(fā)生器工作機(jī)制如圖11 所示。廣播電視系統(tǒng)常用的同步脈沖發(fā)生器內(nèi)部主要有Genlock引擎、時間引擎、幀引擎以及作為兩個引擎之間的橋梁的Epoch 引擎等幾個最為重要的功能部件。

圖11 同步脈沖發(fā)生器工作機(jī)制

Genlock 引擎是整個同步系統(tǒng)最核心的組件，承擔(dān)了實(shí)現(xiàn)同步脈沖發(fā)生器與外來參考信號之間頻率鎖定的任務(wù)，使得整個同步系統(tǒng)運(yùn)行在一個相同的基準(zhǔn)時鐘頻率。

時間引擎負(fù)責(zé)處理時間信號，包括接收GPS 時鐘、PTP 時鐘、VITC 及LTC 等，進(jìn)行重新鎖定、處理、偏置等操作，向系統(tǒng)輸出PTP 時鐘、NTP 時鐘、LTC 時碼及VITC 時碼等時間參考信號。

幀引擎負(fù)責(zé)處理相位參考信號，包括接收Black Burst信號、Tri-level信號以及由Epoch 引擎生成的相位參考信號等，進(jìn)行重新鎖定等操作，產(chǎn)生新的不同格式的相位脈沖信號，向系統(tǒng)輸出Black Burst、Tri-level 等相位參考信號。

Epoch 引擎在輸入?yún)⒖夹盘枮镚PS 或PTP 信號時，根據(jù)SMPTE ST2059-1 標(biāo)準(zhǔn)的計算方法，計算出不同格式參考信號的相位參考點(diǎn)，用于生成時間碼數(shù)據(jù)，還用于幀引擎進(jìn)行相位參考信號合成。

同步脈沖發(fā)生器的簡要工作過程如下。

（1）當(dāng)無外來參考信號時，同步脈沖發(fā)生器處于內(nèi)同步狀態(tài)，使用Internal Time 模塊自行生成時間信號進(jìn)入時間引擎。時間引擎生成LTC，VITC，PTP 信號，同時將時間數(shù)據(jù)送入Epoch 引擎。Epoch引擎計算生成視頻、音頻相位參考信號，進(jìn)入幀引擎進(jìn)行相位同步參考信號的合成，最終在輸出端與時間碼信號合成進(jìn)入系統(tǒng)。這種模式下，同步脈沖發(fā)生器輸出的所有參考信號之間均互相鎖定。

（2）當(dāng)外來參考信號為GPS 時鐘或PTP 時鐘，同步脈沖發(fā)生器會將頻率與外來時鐘進(jìn)行鎖定；時間引擎會將內(nèi)部時鐘與GPS 或PTP 時鐘的時間進(jìn)行精確鎖定；時間引擎生成LTC，VITC，PTP 信號，同時將時間數(shù)據(jù)送入Epoch 引擎。Epoch 引擎計算生成視頻、音頻相位參考信號，進(jìn)入幀引擎進(jìn)行相位同步參考信號的合成，最終在輸出端與時間碼信號合成進(jìn)入系統(tǒng)。這種模式下，同步脈沖發(fā)生器輸出的所有參考信號之間均互相鎖定。

（3）當(dāng)外來參考信號為Black Burst 或Tri-level等相位參考信號時，同步脈沖發(fā)生器將會使Genlock引擎與外來參考信號頻率保持鎖定，并使用幀引擎合成新的同步相位參考信號，不會再根據(jù)時間信號由Epoch 引擎重新計算相位。對于時間引擎，如果外來參考信號中含有時間信息，如VITC 或者LTC時間碼，時間引擎將會鎖定在外來時間參考上，時間引擎生成PTP 時鐘信號和時間碼信號進(jìn)入系統(tǒng)。如果沒有外來時間參考信號供時間引擎鎖定，同步發(fā)生器將利用Internal Time 模塊自行生成時間信號進(jìn)入時間引擎，生成PTP 時鐘和時間碼信號。該種模式下，同步脈沖發(fā)生器輸出的各種參考信號之間無法確保互相鎖定。

4.3 IP 系統(tǒng)鎖定外來相位參考信號

上文提到，當(dāng)IP 系統(tǒng)的同步脈沖發(fā)生器鎖定在外來相位參考信號（BB、Tri-level 等）時，同步脈沖發(fā)生器輸出進(jìn)系統(tǒng)的Black Burst 或Tri-level 等相位參考信號，與PTP 時鐘信號是從兩個不同的外部參考源經(jīng)由兩個不同的引擎分別提供的。相位參考信號是經(jīng)由Genlock 引擎和幀引擎鎖定外部BB 或Tri-level 信號得到，PTP 時鐘是時間引擎鎖定外部LTC 或VITC 得到。這有可能造成4.1 章節(jié)中路徑A 和路徑B 分別得到的參考信號之間發(fā)生失鎖。這種參考信號間的失鎖分以下兩種情況。

（1）當(dāng)外來的LTC或VITC時間碼與Black Burst 或Tri-level 參考信號之間已經(jīng)被互相鎖定，即它們之間有著一致的時鐘頻率和固定的相位關(guān)系，此時，路徑A 與路徑B 得到的參考信號具有一致的時鐘頻率，但可能會出現(xiàn)固定的相位差。這種情況下，可以通過同步脈沖發(fā)生器提供的輸出信號相位偏置（Timing Offset）調(diào)整，使得兩者相位一致，從而解決相位失鎖問題。

（2）當(dāng)外來的LTC或VITC時間碼與Black Burst 或Tri-level 參考信號之間沒有被互相鎖定，即兩者有著不同的基準(zhǔn)時鐘頻率。這種情況下，同步脈沖發(fā)生器的時間引擎和幀引擎之間將會完全失鎖，無法通過相位偏置設(shè)定進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)同步無法正常工作。這種情況下，可將同步脈沖發(fā)生器鎖定在Black Burst 或Tri-level 信號上，然后使用內(nèi)部時間Internal Time Set 模塊為時間引擎提供時間，最終的輸出參考信號能確保頻率互相鎖定。而相位的失鎖可以通過同步脈沖發(fā)生器提供的輸出信號相位偏置（Timing Offset）調(diào)整進(jìn)行矯正，使得整個系統(tǒng)處于頻率和相位鎖定狀態(tài)。

4.4 1/1.001 幀率下可能發(fā)生的問題

當(dāng)IP 系統(tǒng)鎖定外來相位參考信號時，同時需要鎖定與外來相位參考信號相互鎖定了的時間碼信號，從而為IP 系統(tǒng)提供PTP 時鐘信號。但對于1/1.001幀率系統(tǒng)下的外來LTC和VITC時間碼信號，需要特別考察。

時間碼的記錄格式為“小時:分:秒:幀”的形式（HH:MM:SS:FF）。由于時間碼中的每個數(shù)值均為整數(shù)值，因此，對于整數(shù)幀率（如每秒24幀、25幀、30幀、50幀、60幀）的系統(tǒng)而言，每秒含有整數(shù)個幀，時間碼記錄沒有問題。但是，對于幀率為1/1.001（如每秒23.98 幀、29.97 幀、59.94 幀）的系統(tǒng)而言，每秒的幀數(shù)不是整數(shù)，而時間碼中的“時:分:秒”是實(shí)際時間（Real Time），如果幀數(shù)按照整數(shù)計數(shù)，將導(dǎo)致實(shí)際時間發(fā)生偏離。

為了解決1/1.001 幀率系統(tǒng)的時間碼誤差問題，研究人員開發(fā)了時間碼信號計數(shù)法的“丟幀”（Drop Frame）機(jī)制。除了“分”計時為00、10、20、30、40 及50 之外，當(dāng)分計時為其他值時，每秒的前兩幀（計數(shù)為00 和01）的計數(shù)被略過。這種機(jī)制將1/1.001 幀率系統(tǒng)的時間碼計數(shù)與實(shí)際時間偏離為每小時3.6 ms，每24 小時86 ms。

由于1/1.001 幀率時碼的Drop Frame 機(jī)制以及其始終與實(shí)際時間之間存在偏離，因此，將這種時間碼信號（包括LTC 和VITC）用于同步脈沖發(fā)生器的時間引擎鎖定時，將會造成系統(tǒng)PTP 時鐘抖動，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在實(shí)際使用中，如果不能確保同步脈沖發(fā)生器對于1/1.001 幀率時碼信號有較為完備的鎖相機(jī)制，建議對時間鎖相不要采用“跟隨”模式，以確保系統(tǒng)時鐘不會因?yàn)橥鈦頃r間碼而產(chǎn)生抖動。

4.5 SMPTE ST2110-10 系統(tǒng)定時模型

SMPTE ST2110 是目前主流的廣播電視IP 系統(tǒng)技術(shù)，其中ST2110-10 協(xié)議[12]對采用SMPTE ST2110架構(gòu)的系統(tǒng)的定時模型進(jìn)行了描述，如圖12 所示。

圖12 SMPTE ST2110 系統(tǒng)定時模型

不同視音頻媒體流間的同步依賴于RTP 數(shù)據(jù)包標(biāo)頭中的RTP 時間戳值。RTP 時間戳由鎖定在公共參考時鐘的各發(fā)送方傳輸。公共參考時鐘通過IEEE 1588-2008 精確時間協(xié)議分發(fā)給系統(tǒng)中所有發(fā)送端與接收端設(shè)備。通過比較公共參考時鐘及其相關(guān)相位計算，在接收設(shè)備上實(shí)現(xiàn)跨多個基本媒體流的同步。

設(shè)備本地時鐘需與公共參考時鐘同步，每個設(shè)備都應(yīng)維護(hù)一個設(shè)備本地時鐘。系統(tǒng)通過IEEE 1588-2008 精確時間協(xié)議（PTP）在網(wǎng)絡(luò)上提供和分發(fā)公共參考時鐘。如果設(shè)備處于PTP 從屬狀態(tài)，則設(shè)備本地時鐘應(yīng)與公共參考時鐘同步。如果設(shè)備處于PTP 主時鐘狀態(tài)，則設(shè)備本地時鐘是公共參考時鐘的源，設(shè)備本地時鐘可以直接同步到可跟蹤的時鐘同步源。且所有符合此標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都應(yīng)支持SMPTE ST 2059-2 PTP 規(guī)范。

媒體時鐘的頻率應(yīng)鎖定到上文指定的設(shè)備本地時鐘。媒體時鐘應(yīng)按照為特定媒體類型指定的準(zhǔn)確頻率遞增。當(dāng)使用PTP 時鐘作為同步參考時，媒體時鐘在SMPTE ST 2059-1 中規(guī)定的SMPTE Epoch處應(yīng)具有零值。

用于數(shù)字視音頻信號重建的采樣時鐘可以從媒體時鐘中導(dǎo)出。RTP 時鐘應(yīng)與每個特定媒體類型的媒體時鐘進(jìn)行頻率鎖定。

5 結(jié)語

目前，在電視轉(zhuǎn)播領(lǐng)域，基于IP 架構(gòu)的系統(tǒng)越來越多，PTP 時鐘同步協(xié)議的引入，簡化了同步系統(tǒng)的復(fù)雜性的同時，也帶來了一些新的問題，如時鐘的微小擾動可能會造成整個系統(tǒng)的失鎖以及IP系統(tǒng)鎖定外來同步信號時所面臨的各種問題。很多問題的出現(xiàn)都是源于很小的技術(shù)細(xì)節(jié)。因此，只有明白同步系統(tǒng)中各個模塊的工作原理，工程師才能在日常的系統(tǒng)運(yùn)營中更加得心應(yīng)手，而不至于被蒙蔽在“黑盒”之中。