【摘要】 隨著北京廣播電視臺《冬奧紀實》4K超高清頻道的上星開播，我臺首個4K超高清演播室也正式的投入了使用。該演播室承擔著北京冬奧會賽事轉播、體育新聞等體育節(jié)目直播任務，從2020年12月30日正式使用到2022年4月底，該演播室已經安全運行16個月時間，在此期間完成各類直播任務1000余次，錄播節(jié)目100余場，經過實踐檢驗，演播室的使用效果和安全性都達到了設計目標，圓滿地完成了我臺首個4K超高清演播室建設及北京冬奧會賽事轉播任務。

根據北京廣播電視臺4K超高清演播室系統的建設實踐，本文闡述了如何構建一個基于IP化，滿足SMPTE 2110標準的4K超高清視頻系統，對系統的建設目標，整體設計思路，基礎架構進行了分析，對視頻系統架構、IP系統架構、同步系統、監(jiān)看系統及視頻系統應急等方面做了詳細介紹。

【關鍵詞】 IP+12G-SDI混合基礎架構 葉脊網絡架構 同播監(jiān)看 視頻系統應急

一.引言

隨著超高清時代的來臨，廣播電視行業(yè)正面臨一場劇烈的技術變革，這就是基礎架構的IP化?；A架構IP化在解決了4K帶寬和靈活性的同時也帶來了一些問題。IP系統內，交換機將成為核心，交換機如何合理的配置網絡參數，各個節(jié)點的IP地址管理以及大量的交換機維護工作等新型工作內容，對技術人員形成了新的挑戰(zhàn)。

本文介紹了IP+12G-SDI的混合基礎架構，在《冬奧紀實》直播演播室的實際應用，通過長時間、高頻次、常態(tài)化的直播，實踐檢驗了Ip+12G-SDI混合基礎架構的靈活性和穩(wěn)定性，彌補了IP化后出現的一些問題及技術人員在IP技術方面的不足，有效提高了播出安全，為從SDI架構平滑過渡到IP架構提供了穩(wěn)妥的解決方案。

二.業(yè)務需求和系統設計目標

1.業(yè)務需求

《冬奧紀實》4K頻道定位為北京冬奧組委官方發(fā)布平臺和全新體育節(jié)目頻道，作為直接為該頻道提供信號的4K直播演播室，設計之初就明確了該演播室需要完成新聞類直播、冬奧會賽事直播和一些冬奧專題節(jié)目的錄制工作。根據臺里要求，《冬奧紀實》4K頻道還將與《冬奧紀實》高清、標清頻道實現三頻道同播，因此在演播室節(jié)目制作階段還需要兼顧各信號的技術指標。

2.系統設計目標

該項目作為我臺首個4K超高清IP化演播室，在系統的設計上主要從以下幾個方面考慮。

（1）系統的先進性：系統建設將把4K超高清和IP化相結合，以IP交換機為核心進行信號交換，實現視頻、音頻、同步等系統的IP化的。

（2）系統穩(wěn)定可靠：系統設計上即要考慮先進性，又必須采用相對成熟的技術，確保技術可靠。此外還應考慮到系統的冗余備份機制，確保系統鏈路的安全性。

（3）技術標準：符合國家廣電總局和北京廣播電視臺制定的4K HDR超高清演播室制作相關標準規(guī)范，建設一套完整的支持4K HDR信號節(jié)目制作和直播的演播室視頻系統。

（4）建立簡單有效的應急處理機制，保證高頻次直播播出安全。

（5）對同播技術指標進行監(jiān)控，保證同播三個頻道信號質量。

（6）技術系統可以應對未來技術發(fā)展和業(yè)務不斷增長的需求。

三.視頻系統整體架構及機房布局

1.視頻系統整體架構

本演播室視頻系統采用了IP與12G-SDI的混合架構。主路：以交換機作為數據交換核心，以IP切換臺作為制作中心，以LSM IP控制服務器為IP調度核心；備路：以12G-SDI矩陣架構作為備份系統核心。主路IP信號最終經網關卡轉換為12G-SDI信號與備路矩陣信號一同進入應急切換器實現主備路的導換。部分核心設備同時具備IP和12G兩種接口，信號可同時接入兩種架構；另一部分只有12G-SDI輸入輸出單一接口的設備，通過網關卡轉換為IP信號實現同時接入兩種架構。演播室與總控之間采用12-SDI信號作為主通路、IP信號作為備份通路的方式。為了實現超高清頻道與高清頻道的同播，在系統架構中還增加原高清系統沒有的體現同播特色的同播指標監(jiān)控環(huán)節(jié)。IP+12G-SDI的混合基礎架構信號流程如圖1所示。

視頻系統 IP架構采用SMPTE 2110無壓縮標準進行信號傳輸，并符合SMPTE 2022-7的IP信號冗余機制和無縫倒換標準；12G-SDI架構采用SMPTE 2082標準的進行信號傳輸。視頻系統內采用的信號格式為：分辨率為3840x2160，幀率為50P，BT.2020寬色域和HLG/1000nit高動態(tài)范圍。文件化設備采用XAVC-I Intra Class300 500Mbps的編碼格式，MXF的封裝方式進行節(jié)目記錄和素材播放。

2.機房布局

考慮到4K系統設備的噪音和散熱比高清系統要高許多，所以將控制室與設備機柜隔開，并在設備機柜區(qū)加大空調的送風量?？刂剖也季秩鐖D2所示，主機房布局如圖3所示。

四.各分系統架構及設備構成情況

1.核心切換設備

（1）4K IP切換臺

本系統選用SONY XVS-8000系列切換臺進行信號切換，該切換臺系統是一個可擴展的高性能、多功能性的切換臺，模塊化的設計讓控制面板的各部分可以靈活布局，還可以根據實際情況，配置不同功能IP/SDI的輸入輸出板卡來適應不同的系統需求，同時還內置MV畫分和FC格式轉換器。本系統切換臺配置規(guī)模為：10塊100G的IP輸入板卡可以支持40路4K IP輸入，2塊100G的IP輸出板卡可以支持8路4K IP輸出，2塊基帶輸出板卡可以支持8路12G-SDI輸出。該切換臺作為IP制作中心，IP輸入輸出均接入100G脊交換機，基帶輸出接入矩陣及監(jiān)看。具體接入IP輸入有6臺攝像機、4路HDD信號、1路VGA信號、8路EXT信號、3路CG V和3路CG K、4路延時器信號、4路服務器信號、4G信號2路、VTR錄像機2路、IPG網關卡3路。IP輸出8路（FC1、PGM4K、AUX1、ME1、FC2、PGM4K、ME2、CLEAN），基帶輸出10路（FC3、PGM4K、PVW4K、ME1、FC4、ME2、AUX2、AUX3、MV1、MV2）。

（2）12G-SDI矩 陣

在本系統中的矩陣是12G-SDI架構應急備份和信號調度的核心設備。矩陣采用的是EVERTZ的EQXUHD系列，該矩陣支持12G-SDI輸入輸出，同時兼容3G/HD-SDI信號輸入輸出，且矩陣所有輸入具備幀同步功能，輸出具備凈切換及外置矩陣畫分功能。本系統矩陣配置規(guī)模為：5塊輸入板卡支持80路SDI輸入，4塊輸出板卡支持64路SDI輸出，還配備了8個32鍵帶LCD顯全功能可編程面板，可以將矩陣所有的目的和源信號進行編組，設置在面板上，極大的方便了矩陣的操作。

2.IP系統

（1）葉脊網絡架構

IP系統采用索尼IP Live解決方案中認證過的華為CE8850和CE6865交換機，這兩款交換機在演播室建設中得到廣泛使用，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

其中華為CE8850作為葉脊架構的脊交換機，用于接入100G帶寬的IP設備，分別為8路CE6865交換機100GE接口；切換臺10路IP輸入板卡；2路輸出板卡；8通道IP轉換器1臺；IP畫面分割器1臺。

華為CE6865作為葉脊架構的葉交換機，用于接入25G以下帶寬的IP設備，分別為6臺攝像機；20塊雙通道IP網關卡；3臺在線包；4臺延時器；1臺示波器；音頻IP信號2路；LSM管理控制系統1路；PTP同步接入1路；PTP最佳時鐘算法連接1路；音頻IP PGM 1路；總控1路。除此之外還有8路100GE接口上聯至CE8850脊交換機實現IP信號的交互。未來可根據CE8850脊交換機空余端口及帶寬，相應增加CE6865交換機數量即可實現對IP系統的擴充。

由于演播室為直播系統，考慮直播的安全性，數據交互系統采用主、備調度IP信號，整個系統支持SMPTE 2022-7協議。直播演播室葉脊網絡結構如圖6所示。

（2）SONY LSM IP管理系統

LSM管理系統作為SONY IP Live直播系統的核心。可以完成對IP設備的發(fā)現、注冊、管理、信號調度、切換面板設置等功能。為了滿足直播安全，系統采用主備雙LSM服務器，數據實時同步，全面支持ST2022-7主備無縫倒換管理。

在本系統中LSM通過以下3種協議對設備進行管理：

SMPTE NDCP：SONY HDCU3500攝像機、SONY XVS8000切換臺、SONY IP51Y網關卡。

AMWA NOMS：新奧特的“石墨”在線包裝、波視BD30AV-UHD4 4K系列延時器、TEK PRISMIP MPX2 4K示波器、Imagine SNP GW3GX32多格式變換器。

N S - B U S：S O N Y MKS1620、MKS1630、MKS4020控制面板。

LSM IP矩陣管理系統為統一的單一界面。通過網絡拓撲界面、儀表盤界面、矩陣界面、設備管理界面，可實現設備的IP地址、組播地址、矩陣的管理，實時的狀態(tài)監(jiān)控、報警等功能，確保了直播安全，如圖7所示。

3.監(jiān)看系統

（1）矩陣畫分

矩陣畫分是由矩陣的監(jiān)看信號的交叉點板卡和外置EVERTZ畫面分割器構成的，該交叉點板具有獨特的“X-LINK”技術，用原廠連接線與矩陣畫分相連，使得畫面分割器的輸入在不占用額外矩陣的物理端口的前提下，可以調用矩陣內所有的輸入和輸出信號。矩陣的任意輸入、輸出信號均可在畫分墻的任意位置顯示。在源名服務器的配合下，畫面分割器可以顯示矩陣中所有源和目的提示信號，提高了畫面內容的辨識度。該矩陣畫分有4個輸出板卡，每個輸出卡可為2個監(jiān)看大屏提供4*3G SDI的畫分信號。本系統的監(jiān)視墻由6（中間）+2（兩側）塊55寸Tvlogic監(jiān)視器組成，畫分布局根據具體工位的需求進行設置，可通過矩陣面板快速調取。具體工位與畫分屏分配如圖8、9所示。

中間6塊屏主要為導播及播控人員服務，分別是外來信號屏，應急監(jiān)看屏、硬盤+ME監(jiān)看屏、播控服務器+攝像機+PVW屏、播控服務器+攝像機+PGM屏、錄制+CG屏。

下圖9分別為調音師畫分監(jiān)看屏和字幕員畫分監(jiān)看屏。

（2）切換臺內置畫分

由于切換臺所有輸入和主輸出均為I P流，而EVERTZ畫分監(jiān)看的是進入矩陣的12G-SDI信號，無法做到所看即所得。所以在導播位置配備了2臺17寸監(jiān)視器，利用切換臺的內置畫分，可以對20路切換臺內部輸入輸出信號進行監(jiān)看，與EVERTZ矩陣畫分形成了主備關系。切換臺內置畫分如圖10所示。

（3）IP畫分

系統內還配備了一臺Imagine SNP 8通道IP畫分和1臺65寸OLED電視，通過LSM調度可以實時監(jiān)看一些沒有進入到切換臺的IP信號，作為是矩陣畫分的補充。圖11最右側大屏為IP畫分監(jiān)看。

（4）同播監(jiān)看

因為本演播室同時為《冬奧紀實》超高清、高清、標清三個頻道提供信號，所以系統設計時增加了4K HDR下變換為HD SDR進行同步高清信號的技術指標的監(jiān)控，并且采用與總控同品牌、同型號、同參數的下變換器，保證了在發(fā)揮超高清技術優(yōu)勢的基礎上，充分兼顧高清、標清格式收視效果，如圖12所示。

4.同步系統

為保證直播安全，本系統采用了TEK SPG8000A主、備同步機及ECO8000同步信號自動倒換器的配置。視頻系統內只處理12G基帶信號的設備使用BB信號進行鎖相（如PESA板卡、HDRC4000，WFM5200等），IP信號設備同時接入BB和PTP信號，使用PTP信號進行同步鎖相（如切換臺、攝像機、4K示波器等）。25G帶寬IP設備通過25G葉交換機獲得PTP信號，100G帶寬切換臺通過100G脊交換機獲得PTP信號。同步系統框圖如圖13所示。

五.視頻應急系統

1.應急系統特點

視頻系統由IP架構和12G SDI架構組成主備信號通路：IP架構的PGM信號經網關卡轉換為12G-SDI信號，與12G矩陣的應急輸出信號和硬盤備播信號共同進入雙應急3選1加嵌板卡切換開關進行切換，輸出的兩路12G-SDI信號送播出，除此之外還將切換臺的IP流和調音臺的IP流也送至播出，整個信號流程中無單節(jié)點設備。

系統中IP架構是主信號通路，采用ST.2110無壓縮標準和ST.2022-7雙鏈路冗余備份標準，切換臺是IP架構內的主切換設備，交換機可作為備份設備替代切換臺實現應急切換。除此之外，通過對3選1加嵌板卡的設置，當切到第3路硬盤墊播備片時，素材的加嵌音頻信號可以直接通過3選1板卡送至播出，有效提高了視音頻應急處理速度。應急系統流程框圖如圖14所示。

圖中藍色線為I P信號、黑色線為12G-SDI信號、橙色線為GPI信號

2.應急系統關鍵節(jié)點可視化監(jiān)看

在應急系統流程框圖14中，①-⑥這幾個關鍵節(jié)點信號都進入12G矩陣，再通過矩陣畫分，進行實時監(jiān)看，通過此方法，可以有效提高故障判斷及應急處理的速度。

①為送播出12G-SDI主路加嵌信號。

②為送播出12G-SDI備路加嵌信號。

③為IP系統送主3選1加嵌板卡第一路切換臺PGM信號。

④為IP系統送備3選1加嵌板卡第一路切換臺PGM信號。

⑤為矩陣應急輸出+DSK板卡送主備3選1第二路信號。

⑥為送主備3選1加嵌板卡第三路，硬盤墊播信號。

六.結論

通過此次4K演播室的設計與搭建，使我們對IP系統的優(yōu)點和架構思維有了更深層次的認識，在系統建設方面積累了寶貴經驗，爭取在以后的建設中將IP化的優(yōu)勢發(fā)揮到最大；同時我們還將不斷摸索4K節(jié)目制播的特點，改進針對同播的工作流程和對應設備參數的設置，用新理念、新技術應對持續(xù)發(fā)展的4K節(jié)目制播業(yè)務對演播室技術系統的新需求。BP

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