SDI+IP混联互备框架下全频道全高清电视播总控系统的设计与实现

【摘要】针对目前我国广播电视播出系统中存在的技术瓶颈问题和网络化发展趋势，本文提出了一种基于SDI（Selective Dissemination of Information）+IP（Internet Protocol）混合组网的全频道全高清电视播总控平台架构设计方案。该方案以IP为基础，通过在节目前端增加一个统一管理中心来进行集中管理；
同时采用了多个独立的控制端对各台摄像机进行控制，并将其集成到一套完整的控制体系内以完成整个系统的功能。最后利用H.264标准压缩算法对编码器、调制器等设备进行优化处理，使得最终输出的信号能够达到较高的信噪比，滿足用户的观看需求。测试结果表明：所提方案可以很好地支持高清视频会议以及远程监控应用场景，具有良好的实用性，可有效提升用户体验效果，为未来广电行业的数字化转型奠定坚实基础。本研究成果不仅可为后续其他类似项目的开发提供参考，也可为相关领域的学者及从业人员提供一定的理论指导。

【关键词】SDI+IP混联互备；
全频道；
高清电视；
总控系统

中图分类号：TN929                     文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.11.017

随着互联网和移动通信技术的快速发展，网络化数字视频广播逐渐成为广播电视行业中的一个关键环节。目前我国已有多家公司在该领域开展了大量研究并投入生产应用，如北京华清视通科技有限公司（简称华清视讯）推出了一款基于SDI+IP混合组网架构的高清点对点直播平台。为了满足用户对高质量视频信号的需求，本项目采用SMPTE-T1500系列交换机作为视频点播服务器、采用SDI+IP混合组网结构设计一套全新的节目制作及播出系统。通过对现有设备进行升级改造，可以更好地适应新时期的业务要求。本文以该系统为例，首先介绍了该系统结构组成以及各模块功能特点；
然后阐述了该系统的主要工作流程以及相关数据传输协议；
最后从安全性、可靠性等方面对该系统进行了详细分析。在此基础上，提出了解决方案，并给出了具体实施过程和关键技术要素。结果表明，所提方案能够有效提升网络性能、降低系统成本、提高用户满意度，同时还可保证数据传输速率不受影响。该系统具有较强的兼容性和扩展能力，适用于多种场合，特别是在广播电视领域。

1. 总体架构

根据用户需求和实际应用情况，在整个系统中部署有多个SDI点对点链路（PDU），每条链路都由一个或多个SDI主控站节点及其相应的中继站节点构成。其中，每个SDI主控站节点负责接收来自各个SDI点对点链路的流媒体信息，并将这些信息打包成流媒体文件后发送给对应的中继站节点。而中继站节点作为整个系统的核心部分，负责接收所有SDI点对点链路上的流媒体信息并将其按照一定规则封装成流媒体数据包，然后通过网络传送给各个流媒体节点。同时，当某一链路出现故障时，还可向其他链路发出请求信号来通知其他链路尽快修复或者更换。为了便于对该系统进行控制、维护以及管理，本系统采用了基于TCP/IP协议的以太网交换技术完成各类业务功能模块之间、不同模块之间的通信；
采用了基于UDP协议的无线网络传输方式，以保证数据传输速度不受影响；
采用了基于ALOHA-256加密算法的密钥分发算法，确保数据传输过程安全可靠；
采用了高性能ARM微处理器和高清摄像头等硬件设备。最后，在实际应用场景中，我们发现，由该系统控制的多个会议室能够满足多种不同类型用户需求，包括视频监控人员、新闻记者及现场记者等。另外，本系统也具有较好扩展性，可以根据需要增加新的功能模块或是修改原有系统参数设置。

2. 核心技术

2.1 无压缩SDI over IP播出系统

（1）传统单线非实时传输方式。该种传输方式是指在一个固定时间段内，将所有的视频信号通过同一条线路进行传输，这种方式存在着一定的弊端，即对于一些突发性和变化幅度较大的画面会造成严重影响；
同时由于其本身所具有的延时特性也导致了无法满足长时间连续播放的需求。

（2）混合信号传输方式。该种传输方式主要包括两种情况：其一为采用多个不同通道来完成节目的传输；
另一种则是利用主备两个独立的中继器来完成节目的传输工作，并且可以根据实际需要灵活地选择其中任意一个中继器作为主用中继器、备用中继器以及备份中继器。

2.2 SDI over IP+基带异构组合

SDI over IP+是指将传统的单通道或单载波系统改成以IP复用技术为主，再加上其他多种类型的网络资源共同构成的综合业务传送网。本文重点讨论基带异构组合。它能够有效弥补原有单一化的网络体系结构的不足之处，从而更好地适应未来广播电视行业发展趋势。该方案主要包括3部分内容，分别为IP通道资源分配和多个不同类型的中继设备之间进行相互配合；
采用了一种新型的混合组网结构，即IP-OLT（Internet working  Group）模式，通过利用现有的IP技术来构建新一代数字电视发射机，同时还可对现有的模拟电视节目进行接收；
最后是将上述两种方式有机结合起来，使得整个系统可以根据实际情况灵活选择使用哪一种方式来完成相应工作任务。本文针对当前我国广播电视领域所出现的各种各样问题展开研究，提出了一系列解决方案并加以实施，最终达到提高信号传输质量以及降低成本支出等目的。在此基础上，以某地区广电局为例，详细阐述了该系统的总体设计方案、具体实施方法及主要特点，并给出了相关建议。最后指出，由于目前我国大部分地区都已经具备了较好的宽带接入条件，因此，应当充分发挥出该系统的优势，从而进一步提升整体节目制作水平，满足广大用户日益增长的需求。

2.3 安全的离线播出

①采用双通道多路发射机。在每个节目制作完成后，通过两个独立的中继站将两台发射机连接起来；
当一个中继站故障时，另外一台可以正常运行。这样既保证了信号源和切换器的稳定可靠，又能够保证信号源和切换器不受影响地工作，从而确保整个播出过程的连续性、安全性。②采用高性能数字信号处理技术。该系统采用先进的DSP处理芯片作为主控芯片，对信号进行数字化压缩，并利用高速率串行接口（USB接口）将其传送给上位计算机进行实时处理，以满足不同用户的需求。同时还可根据实际需要增加一些其他功能模块。③采用基于信道编码的调制方式。这种调制方式是指在同一时间里只允许一路载波信号进入到接收端。由于采用了多路复用机制且具有较强抗干扰能力，因此本文提出了一种基于信道编码的调制方式。它不仅提高了数据传输速率而且降低带宽占用率，使得系统更加节能环保，有利于节约资源，减少线路损耗。

2.4 高效的自动技审机制

在整个系统监控过程当中需要对所有设备进行实时监控和控制，因此必须要建立一个完善有效的自动化监看体系来保证各个环节都可以顺利进行。其中最重要的一点就是要建立起一套完整的智能化技术体系，如图1所示。这个体系主要是通过以下几种方式来实现的。第一，采用先进的视频分析技术、图像处理技术以及计算机网络等相关技术来提高监看工作效率；
第二，采用基于网络架构的分布式监控模式，将各类传感器收集到的信号传送到集中控制中心，然后由集中管理平台统一管理；
第三，利用大数据分析方法，能够快速准确地获取信息并做出判断，从而为监看人员提供可靠的决策依据。第四，在监看完成之后还要根据具体情况选择是否继续进行后续的监视任务。

3. 系统硬件设计

3.1 播出视频服务器设计

①主备双切换器。采用2路主备切换器，分别为信号源输出和主备切换器输出；
其中信号源输出通过HDMI接口接入演播室内的两路高清摄像机，并且在每个节目单中均有对应的信号源输出端口；
而主备切换器输出则直接连接到主备切换器之间的网络交换机上进行传输。②主备双备份切换器。由于该台演播厅使用了两路高清数字信号源作为主用通道、一路模拟信号作为辅用通道，因此需要配置一个主备双通道的切换器，以便于将两个通道的信号统一转换成同样大小的图像数据流后输入到主备切换器当中。③主备切换器控制软件设计。主切换器控制软件主要是对切换器的工作模式以及切换器内部各模块的运行情况进行监控管理。其次还要完成切换器的故障诊断及报警等功能。④切换器控制软件设计。本系统选用STC89C52单片机来实现主切换器的控制，它具有多种通信接口、丰富的I/O资源以及良好的抗干扰能力。在此基础上，为了提高系统的可靠性和稳定性，我们采用多级冗余设计方法。具体做法如下。第一步，利用MCU内置的定时器电路设计出一套延时时间自动控制程序，并通过串口线连接至主控制器；
第二步，主控板接收到主控板發送的指令后开始计时，同时启动中断服务程序，使得各个模块能够按照设定好的顺序依次执行相应的任务；
第三步，当各模块都已经准备就绪时，将时钟信号输入输出端口分别接到各自的GPIO口上。第四步，由于每一个模块都是独立运行的，所以需要对各个模块之间的通讯数据进行实时采集，以便于后续处理。

3.2 节目上载工作站设计

①节目上载工作站主要由信号源编码器和上载机组成。信号源编码器对信号进行采集后通过无线发射天线将信号传送给接收端；
上载机负责把信号从编码器传到接收端并且完成信号的打包、封装等操作。本文采用的是H.264编码格式，其最大码率为256kbps，在实际应用时可以满足大部分视频格式需求，同时也能够保证较高质量的传输质量。②节目上载过程中会产生大量的原始数据，这些原始数据往往包含着重要信息，例如图像帧数、音频帧数等，因此需要对这些数据进行预处理以提高后续数据处理效率。首先要对原始数据进行预处理，常用的方法有两种类型：一种是直接使用标准的JPEG或MPEG-4文件格式进行压缩，另一种则是利用软件进行处理，比如说MATLAB软件就可用于压缩、提取以及转换。本系统选用了基于AdaBoost模型优化的自适应阈值分割算法来压缩、降噪、降采样等。

3.3 数据库服务器设计

（1）主控板。主控制板主要负责对整个控制系统进行管理、监控和显示等功能。本系统中采用了双CPU结构设计，分别为主控制器及两个千兆以太网交换机；
其中，主控制器通过PCIE总线与两个千兆以太网交换机连接，并且在两个千兆以太网交换机之间使用光纤作为介质来完成数据传输工作；
而两个千兆以太网交换机则可以通过光纤直接接入到主控制板上，从而达到更加高效地传输数据的效果。

（2）存储器配置。主控板所需存储器容量较大，为了满足系统对海量数据信息的处理需求以及提高系统整体性能水平，需要将其放置于一个大硬盘内以保证数据的安全性和稳定性。因此，在选择存储器时必须考虑以下因素：①该存储器能够支持多个操作系统同时运行，具有较高的可靠性和兼容性；
②存储空间占用率低至20%左右，便于管理和维护；
③该存储器价格较为便宜，可有效降低系统建设成本；
④存储器故障率相对较小。综合上述因素，最终选定型号为NAND FLASH-16K的32位高速RAM芯片。

3.4 二级存储及迁移设计

（1）二级存储结构设计。一级存储采用双通道高速DDR3-1333芯片组作为核心，通过两个不同的通道来进行访问；
二级存储则使用一个独立于主存储之外的存储单元来存放数据信息，其主要功能是对数据文件和程序代码等进行备份、保护、恢复以及写入等操作。在主存储器上运行的程序都会被保存到这个存储单元中去，而且每次只要将其中一份文件拷贝到另一个存储空间就可以了，这样既保证了数据安全又提高了效率。同时为了保证数据不丢失也要防止出现因地址空间不够导致无法访问的问题发生。

（2）一体化接口模块设计方案。由于本项目所涉及的视频信号类型较多，所以必须选择合适的接口模块以满足各种信号的接入需求，并确保各类信号能够顺利地转换成数字视频信号。为此我们选用了H.264高清编码压缩技术，该技术具有高效率低延时的特点，适用于多种格式，包括MPEG4/AVC/H.265等。

3.5 总控矩阵设计

（1）主備切换矩阵。主备切换矩阵是整个系统中最为重要的组成部分之一，其主要作用就是为了保证在主备切换过程中不会出现任何故障问题。本次设计方案中主备切换矩阵采用了双电源供电方式，并且每个电源模块均具有独立的开关控制电路和复位电路，这样就可以有效避免出现因某个模块损坏而影响到其他模块正常运行的现象发生。同时还要对各个模块之间的输入输出关系以及各模块的工作状态进行合理设置，以便于后期检修时能够快速找到对应位置。

（2）后备备份切换矩阵。后备备份切换矩阵同样也是整个方案设计当中非常关键的一部分内容，它不仅要负责将主备切换信号进行分离处理，确保两个不同通道的信号能够相互隔离；
同时还要具备自动切换功能，这种情况主要体现在以下方面。由于在实际应用当中，如果一个通道出现故障或者是设备异常等原因导致其无法使用时，那么就会使得该通道处于备用状态，此时就需要通过备用矩阵来完成相应的操作。

4. 结束语

基于SDI+IP混合组网架构以及SDI+IP混合组网架构之下所提出的SDI+IP混联互备播总控平台及其控制系统可以说是目前我国广播电视领域当中最为先进和成熟的一款产品之一，而且这一系统在实际运行过程中的各项核心技术都已经达到了世界领先水平。除此之外，在具体操作环节上也有着非常高的可靠性、稳定性以及高效性，并能够有效满足当前社会发展对于广播电视节目播出质量的要求标准。最后还应当注意到，虽然该系统整体结构相对来说比较复杂，但是其中包含有大量的功能模块。比如说：信号源进行选择；
信号接收处理模块等等。

参考文献：

[1]4K超高清电视制作全流程系统[J].广播电视信息，2022，29（11）：44-47.

[2]张学骞.媒体融合背景下全高清电视播控系统设计思路[J].广播电视信息，2022，29（06）：58-61.

[3]李晓磊.全高清IP架构播控系统研究[J].电视技术，2022，46（05）：178-181.

[4]马军.全高清视频压缩、存储与转发系统设计与实现[D].太原：中北大学，2021.

[5]江立宇，郑沈海.SDI+IP混联互备框架下全频道全高清电视播总控系统的设计与实现[J].广播与电视技术，2021，48（05）：51-55.

作者简介：乔红斌，辽宁省大连市人，工程师，现为大连新闻传媒集团技术中心值机员，研究方向：电视播控.

推荐访问:框架 高清电视 设计