高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)分析和應(yīng)用

宋小劍

（蘭陵縣融媒體中心，山東 臨沂 276000）

0 引 言

我國(guó)廣播電視事業(yè)經(jīng)歷了從模擬電視到數(shù)字電視、從數(shù)字標(biāo)清到數(shù)字高清的發(fā)展階段，如今隨著信息技術(shù)的發(fā)展和普及，有線(xiàn)電視高清化技術(shù)也在隨之提升，有效滿(mǎn)足了廣大觀眾的觀看需求。當(dāng)前，中央廣播電視總臺(tái)和省級(jí)衛(wèi)視等行業(yè)領(lǐng)軍電視臺(tái)，對(duì)高、標(biāo)清同播技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和提升，帶給觀眾更強(qiáng)的收視體驗(yàn)。這其中離不開(kāi)高清信號(hào)源的接收和傳輸技術(shù)的支持。因此，如何保證高清直播信號(hào)的質(zhì)量，做好技術(shù)環(huán)節(jié)的規(guī)劃和實(shí)施，是廣電技術(shù)人員所要思考的問(wèn)題。本文對(duì)高清直播信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)手段進(jìn)行研究，希望能夠?yàn)榈厥屑?jí)電視臺(tái)的建設(shè)提供有價(jià)值的參考。

1 高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)

目前，我國(guó)電視臺(tái)的高清直播技術(shù)應(yīng)用，主要通過(guò)相關(guān)設(shè)備獲取、處理現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，再利用高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)返送到電視臺(tái)直播間。雖然這種信號(hào)獲取方式較為復(fù)雜，但卻充分保證了信息的安全性與實(shí)時(shí)性。就現(xiàn)有實(shí)踐來(lái)看，前述高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)主要有衛(wèi)星傳輸技術(shù)、數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）光傳輸技術(shù)、多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（Multi-Service Transport Platform，MSTP）傳輸技術(shù)以及萬(wàn)兆IP以太環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)4種。

1.1 衛(wèi)星傳輸技術(shù)

在高清直播信號(hào)衛(wèi)星傳輸模式中，高清直播車(chē)對(duì)HD-SDI的標(biāo)準(zhǔn)基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮，生成了MPEG-2，H.264，AVS制式的數(shù)字壓縮信號(hào)，并且根據(jù)圖像的清晰度要求控制碼率。然后通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)播車(chē)進(jìn)行調(diào)制，最后變成C波段或者Ku上行高頻波段的信號(hào)，定向傳送到衛(wèi)星。衛(wèi)星接收到信號(hào)后進(jìn)行相關(guān)的處理，變?yōu)镃波段或者Ku波段的下行信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)有線(xiàn)電視的衛(wèi)星接收基站。電視臺(tái)進(jìn)行解碼后再生成HD-SDI信號(hào)，傳送到演播室進(jìn)行播放。

衛(wèi)星傳輸技術(shù)下，高清直播信號(hào)將被高效、便捷、穩(wěn)定地傳輸，其不再只依靠電視臺(tái)直播現(xiàn)場(chǎng)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋支持，也不受限于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀況是否良好[1]。因此，中央電視臺(tái)、省級(jí)電視臺(tái)在進(jìn)行跨區(qū)直播時(shí)，經(jīng)常會(huì)選用這種傳輸技術(shù)以保障電視直播信號(hào)的穩(wěn)定輸出。然而，衛(wèi)星傳輸技術(shù)并非是完美無(wú)缺的，其缺點(diǎn)也較為突出，如受我國(guó)衛(wèi)星頻帶數(shù)量影響，衛(wèi)星傳輸技術(shù)的應(yīng)用需要耗費(fèi)較高的成本；另外衛(wèi)星直播通道備份機(jī)制受限，安全性沒(méi)有有線(xiàn)模式高。

1.2 SDI光傳輸技術(shù)

SDI光傳輸通過(guò)光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其降低了壓縮、編碼SDI基帶數(shù)字信號(hào)的煩瑣性。相較于其他信號(hào)傳輸技術(shù)，該傳輸技術(shù)輸送的高清直播信號(hào)質(zhì)量更高，還原度也更優(yōu)，更能滿(mǎn)足電視臺(tái)輸出高清視頻與畫(huà)面的需要。此外，依托光纖通信運(yùn)作的SDI光傳輸技術(shù)擁有豐富的資源條件，比如其可利用本地廣播電臺(tái)構(gòu)建的光纖專(zhuān)網(wǎng)，安全、穩(wěn)定、可靠地傳輸高清直播信號(hào)，使電視臺(tái)直播間能夠?yàn)橛^眾提供清晰的視頻或者畫(huà)面[2]。然而，SDI光傳輸技術(shù)也有其難以改進(jìn)的缺點(diǎn)，如必須獲得本地有線(xiàn)電視信號(hào)傳輸單位的支持方能建構(gòu)光纖專(zhuān)網(wǎng)，且搭建專(zhuān)網(wǎng)時(shí)，部分直播場(chǎng)地還要尋求前期技術(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)才能操作臨時(shí)布線(xiàn)，光纖傳輸?shù)男逝c距離成正比等。此外，受光纖遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纳?wèn)題影響，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，必須增加色散容納度較高的光發(fā)設(shè)備，否則容易出現(xiàn)信號(hào)傳輸問(wèn)題。因此，SDI光傳輸技術(shù)也存在一定的弊端[3]。

1.3 MSTP傳輸技術(shù)

依托SDH環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)創(chuàng)建MSTP環(huán)網(wǎng)以傳輸高清直播信號(hào)的技術(shù)即是MSTP傳輸技術(shù)。相比其他傳輸技術(shù)，此技術(shù)延續(xù)了SDH的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。首先，MSTP環(huán)網(wǎng)采用的是雙向環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，一旦某個(gè)方向上的信號(hào)傳輸斷纖抑或出現(xiàn)設(shè)備故障，高清直播信號(hào)都能從另外一方向進(jìn)行環(huán)回，且信號(hào)環(huán)回的切換速度控制在毫秒級(jí)別，安全性與穩(wěn)定性都較強(qiáng)；其次，與互聯(lián)網(wǎng)的IP傳輸技術(shù)不同，MSTP使用的是同步數(shù)字體系，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，基本不會(huì)發(fā)生丟包風(fēng)險(xiǎn)或者延時(shí)風(fēng)險(xiǎn)，非常利于高清直播信號(hào)的精準(zhǔn)傳輸。目前，諸多省地縣廣播電視臺(tái)都傾向于架設(shè)MSTP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)進(jìn)行信號(hào)間的互聯(lián)互通，從而使這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍變得更加廣泛。然而，MSTP傳輸技術(shù)也有諸多待改進(jìn)之處，比如信號(hào)處理環(huán)節(jié)復(fù)雜，涵蓋編碼環(huán)節(jié)、信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)等，以致信號(hào)的傳播質(zhì)量經(jīng)常受到影響；技術(shù)所在系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，所涉設(shè)備較多，包括光發(fā)光收設(shè)備、編解碼網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等，進(jìn)而使整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的維護(hù)需要耗費(fèi)較高成本[4]。

1.4 萬(wàn)兆IP以太環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)

現(xiàn)階段，我國(guó)各省、各地廣播電視臺(tái)都已建構(gòu)大規(guī)模的萬(wàn)兆IP骨干環(huán)網(wǎng)，以為點(diǎn)播業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)提供支持。與普通直播信號(hào)不同，高清直播信號(hào)的傳輸要求具備安全性、穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性，然而IP組播技術(shù)是在用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）方式基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)傳送的，一旦網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不良，正在傳輸?shù)母咔逯辈バ盘?hào)或?qū)G包，進(jìn)而大幅降低高清視頻的質(zhì)量。為此，我國(guó)各地廣播電視臺(tái)非常注重優(yōu)化IP以太網(wǎng)視頻傳播技術(shù)。經(jīng)過(guò)調(diào)整與優(yōu)化，IP以太環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)日漸成熟，完全能穩(wěn)定、安全地傳輸當(dāng)前的高清直播信號(hào)。此外，IP環(huán)網(wǎng)類(lèi)似于MSTP，均為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與安全性。加上其靈活通用，只要設(shè)備集成IP協(xié)議適用，即便配置較為簡(jiǎn)單，也能實(shí)現(xiàn)高清直播信號(hào)的傳輸與接收。

1.5 其他高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)

除上述4種使用率較高的高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)外，近些年，我國(guó)還創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一些新興的高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)，如4G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、數(shù)字微波傳輸技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)VPN傳輸技術(shù)等。相比以往的傳輸技術(shù)，這些技術(shù)多被用于傳輸移動(dòng)電視視頻信號(hào)和互聯(lián)網(wǎng)視頻信號(hào)，而極少被用于傳遞高清電視直播信號(hào)[5]。

通過(guò)對(duì)上述高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，每種傳輸技術(shù)都有其優(yōu)、劣勢(shì)。因此，要穩(wěn)定、安全、高效地傳輸高清直播信號(hào)，必須適當(dāng)?shù)貙?duì)兩種或者多種不同傳輸技術(shù)進(jìn)行融合，使之優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。例如，光纖技術(shù)與MSTP技術(shù)結(jié)合、光纖技術(shù)與衛(wèi)星傳輸技術(shù)結(jié)合、光纖與IP傳輸技術(shù)結(jié)合、衛(wèi)星技術(shù)與MSTP技術(shù)結(jié)合等，從而使高清信號(hào)能被更安全、更穩(wěn)定地傳輸。

2 高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)的應(yīng)用

2.1 衛(wèi)星傳輸技術(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用衛(wèi)星傳輸技術(shù)傳輸高清直播信號(hào)時(shí)，須進(jìn)行如下操作。首先，將高清直播車(chē)開(kāi)至現(xiàn)場(chǎng)，由高清直播車(chē)依據(jù)HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)壓縮、編碼所獲取的基帶數(shù)字信號(hào)，生成可用于衛(wèi)星傳輸?shù)腗PEG2，H264，ANS數(shù)字壓縮信號(hào)。其次，按照?qǐng)D像清晰度標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合衛(wèi)星帶寬資源條件，將上述生成的信號(hào)寬帶壓縮，以便數(shù)字信號(hào)能直接上傳到衛(wèi)星轉(zhuǎn)播車(chē)進(jìn)行調(diào)整，生成可在C波段或者Ku上行高頻波段傳輸?shù)男盘?hào)，進(jìn)而定向發(fā)送給相應(yīng)的衛(wèi)星。最后，衛(wèi)星接收信號(hào)，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行變頻、濾波等處理，形成可在C波段或者Ku下行波段傳輸?shù)男盘?hào)，再傳遞至有線(xiàn)電視臺(tái)的衛(wèi)星接收基站，使有線(xiàn)電視臺(tái)的機(jī)房能能夠順利獲取高清直播衛(wèi)星信號(hào)以解碼，轉(zhuǎn)化為高清視頻HD/SD信號(hào)，確保電視臺(tái)演播室輸出高清視頻。

2.2 SDI光傳輸技術(shù)的應(yīng)用

SDI光傳輸技術(shù)的應(yīng)用比衛(wèi)星傳輸技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)單。首先，將高清直播車(chē)開(kāi)至現(xiàn)場(chǎng)，將接收的SDI基帶信號(hào)轉(zhuǎn)入到HD/SD光發(fā)機(jī)內(nèi)；其次，利用現(xiàn)場(chǎng)所在區(qū)域的光纖專(zhuān)網(wǎng)，向接收高清直播信號(hào)的路由器分發(fā)信號(hào)，使信號(hào)進(jìn)入電視臺(tái)；最后，電視臺(tái)利用HD/SD光收設(shè)備獲取路由器傳輸過(guò)來(lái)的高清直播信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)碼為可直接輸出的高清視頻或者畫(huà)面，使直播節(jié)目能實(shí)時(shí)播出。

2.3 MSTP傳輸技術(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用MSTP傳輸技術(shù)傳輸高清直播信號(hào)的過(guò)程較為復(fù)雜。首先，開(kāi)至現(xiàn)場(chǎng)的高清直播車(chē)需要先對(duì)外輸出HD/SD高清直播信號(hào)，再利用短距HD/SD光發(fā)機(jī)設(shè)備將信號(hào)傳遞到MSTP中繼站。其次，中繼站裝配的光收機(jī)獲取光信號(hào)之后，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成便于被高清編碼器接收的HD/SD電信號(hào)。高清編碼器依照?qǐng)D像質(zhì)量要求、通道帶寬要求等，將HD/SD電信號(hào)所對(duì)應(yīng)的高清視頻壓縮成MPEG-2格式、H264格式以及AVS+格式，同時(shí)將HD/SD電信號(hào)所對(duì)應(yīng)的高清音頻轉(zhuǎn)換成Dby-E格式和PCM格式。這就要求高清編碼器應(yīng)具備識(shí)別、編碼上述兩款音頻格式以及輸出時(shí)常用的杜比AC3格式、MPEG1格式以及MPG2格式的功能。部分情況下，可將Doby-E信號(hào)、PCM信號(hào)進(jìn)行直接透?jìng)鳌５侵苯油競(jìng)鳂O易發(fā)生音畫(huà)不同步的情況，非必要不建議使用。最后，編碼完成，形成ASI傳輸信號(hào)，再由上適配器將ASI信號(hào)轉(zhuǎn)變成滿(mǎn)足MSTP傳輸條件的DS3信號(hào)，利用MSTP網(wǎng)絡(luò)向電視臺(tái)機(jī)房傳遞高清信號(hào)，機(jī)房安裝的下適配器及高清解碼器將DS3信號(hào)轉(zhuǎn)換成能被演播室直接輸出的HD-SDI高清直播信號(hào)，使電視觀眾接收到高清視頻畫(huà)面。

2.4 萬(wàn)兆IP以太環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)的應(yīng)用

IP以太環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)的應(yīng)用基本類(lèi)似于MSTP模式。首先，高清直播車(chē)獲取現(xiàn)場(chǎng)高清直播信號(hào)，利用HD-SDI光發(fā)和光收設(shè)備將信號(hào)傳送到IP中繼站；其次，由中繼站內(nèi)設(shè)置的高清編碼器對(duì)高清直播信號(hào)進(jìn)行重新編碼，形成可被IP骨干環(huán)網(wǎng)接收并傳輸?shù)腎P組播信號(hào)源；最后，由IP骨干環(huán)網(wǎng)主導(dǎo)，將高清直播信號(hào)傳輸?shù)诫娨暸_(tái)的機(jī)房，由機(jī)房?jī)?nèi)置的解碼器將接收到的IP組播信號(hào)還原成穩(wěn)定的HD/SD信號(hào)，使演播室能及時(shí)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成高清視頻畫(huà)面。

3 高清直播信號(hào)傳輸技術(shù)的選擇要點(diǎn)

選擇傳輸高清直播信號(hào)的技術(shù)時(shí)，首先需要考慮的是穩(wěn)定性、可靠性以及有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)方式[6]。這就要求廣播電視臺(tái)在選擇信號(hào)傳輸技術(shù)時(shí)要嚴(yán)謹(jǐn)和慎重。在這方面需注意以下兩點(diǎn)。

3.1 明確信號(hào)傳輸距離

信號(hào)傳輸距離不同，所選用的信號(hào)傳輸技術(shù)也不同。若信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)與廣播電視臺(tái)直播室機(jī)房間的距離在15 km以?xún)?nèi)，可采用光端機(jī)設(shè)備與數(shù)字微波技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行高清直播信號(hào)傳輸；若信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)與廣播電視臺(tái)直播室機(jī)房間的距離在15～100 km，微波直傳技術(shù)不再適用，可在光端機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)上加裝4G設(shè)備，利用兩種設(shè)備的優(yōu)勢(shì)共同傳輸高清直播信號(hào)；若信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)與廣播電視臺(tái)直播室機(jī)房間的距離超過(guò)100 km，且現(xiàn)場(chǎng)地形過(guò)于復(fù)雜，難以使用光端機(jī)設(shè)備與微波傳輸技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，則在VPN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上聯(lián)合4G設(shè)備進(jìn)行傳輸。

3.2 明確信號(hào)傳輸條件

信號(hào)傳輸條件會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生極大程度的影響。若采用光端機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸，則需分析現(xiàn)場(chǎng)有無(wú)光纖網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)與直播室機(jī)房間是否存在遮擋的障礙物，微波傳輸要求能否實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)周邊是否設(shè)立了4G通信基站以及能否采用4G技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)葘?shí)際情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以保障電視臺(tái)高清直播信號(hào)的安全傳輸為出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)了4類(lèi)主流的直播信號(hào)傳輸技術(shù)模式，并對(duì)每種模式的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析和探討，對(duì)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中需要考慮的因素進(jìn)行了提煉和總結(jié)，希望能給各廣播電視臺(tái)的高清直播信號(hào)傳輸提供一定的借鑒。