【精品】城市电视台超高清频道技术系统设计与实现

本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2020年第9期。

作者：黎泳（广州市广播电视台技术管理部，广东 510310）

【摘 要】

为适应 4K 超高清电视技术的发展和根据现有技术基础和频道开播需求，广州市广播电视台在 4K 超高清电视频道技术系统方案的制定过程中，通过在质量、效率和成本等方面的综合考量，采用成熟、可靠、高扩展性的 IP 化技术体系，构建了超高清电视频道技术系统框架，实现了全链路 IP 化超高清播控。

【关键词】

4K 超高清，技术体系，IP 化

０引言

在媒体融合变革时代，4K 超高清频道的推出将给受众带来新媒体难以比拟的高品质视听体验，将成为传统媒体发展的机遇。广州市广播电视台(后称 ：广州台)积极抓住开办 4K 超高清频道的契机，根据 4K 超高清产业发展现状，借鉴中央广播电视总台、广东广播电视台 4K 超高清频道的建设经验， 结合自身现有频道资源和设备力量，运用 4K 超高清新技术，制定 4K 超高清频道建设总体方案，通过开办 4K 超高清频道， 为受众带来更高品质视听体验，推动 4K 产业发展。

经过全台人员的努力，广州台 4K 超高清电视频道已于2020 年 6 月 8 日正式开播。下面，本人就开播 4K 超高清电视频道的技术系统设计与实现方案作出归纳总结。

１广州台超高清电视频道需求

在频道开播时，每天新增节目 4 小时，具备每天 24 小时循环播出能力。其中，4 小时节目中自制新节目不少于 1 小时， 其他节目采用外购方式。频道需具备 1 小时自制超高清节目的制作能力设备和拥有完整的播出和总控系统。在后续的两年中， 频道将提升具备日均 4 小时自制节目内容生产的直播频道技术能力，并完成整体 4K 制播系统的建设，包括 4K 制作及媒资系统、转播车、演播室等技术系统，能实现转播大型国际会议、体育赛事、综艺活动，具备制作高质量宣传片、专题片、影视剧的制作能力，以及 5G+4K+AI+VR/AR 内容的制作能力。新技术系统在支撑超高清业务的同时，更能吸纳台内现有资源， 实现统一平台上的超高清、高清协同制作、播放能力。

２超高清电视频道技术体系选择

4K超高清电视比高清电视有更高的分辨率、帧率、量化精度、动态范围和更宽广的色域，从而提供更具沉浸感及更好视音频体验。4K 超高清电视的分辨率是高清电视的 4 倍，高动态范围、高色域的应用都使超高清制作、设备及系统要求与高清电视有很大的不同。基于上述方面的差异，广州台在推动4K 超高清技术应用时采取分步实施、循序渐进，在质量、效率和成本的相互制衡中选择了相对应的可发展技术体系。

2.1 广州台超高清技术现状

为迎接超高清时代的到来，提前了解和掌握超高清节目制作，广州台已购有 4K 摄像机 3 台和非编制作单机设备 6 台， 采用单机编辑方式实现节目 4K 超高清节目制作。因频道开播任务时间紧，结合实际情况，再配置摄像机、EFP 制作系统和非编工作站用于节目制作，方案规划以播控优先进行超高清技术系统的建设。故本次设计上着重考虑超高清播控方面技术选择。

2.2 设计原则

系统应具备足够的先进性，探索行业先进技术同时兼顾系统稳定安全及可满足业务生产的有序进行。

2.3 相关技术标准

本次超高清频道技术系统建设严格依据相关广电技术标准。主要以国家广播电视总局 2018 年 8 月颁布的《4K 超高清电视技术应用实施指南》(2018 版)[1] 为指导。该实施指南适用于 3840×2160 分辨率、50 帧 / 秒帧率、10 比特量化精度、BT.2020 色域、高动态范围(HDR)的 4K 超高清电视节目制作、播出、编码、传输系统与终端的适配。其引用的我国己发布的关于 4K 超高清电视技术的国家标准和行业标准等规范性文件如下 ：

1. GY / T 299.1-2016 高效音视频编码第 1 部分：视频(简称 AVS2 标准)

2. GY / T 307-2017 超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值

3. GY / T 315-2018 高动态范围电视节目制作和交换图像参数值

4. GY / T 316-2018 用于节目制作的先进声音系统

2.4 技术体系规划思路

随着技术体系的不断发展，超高清领域在播控链路方面技术也不断涌现，使用 4 路 3G-SDI 信号、12G-SDI 信号、IP 化 SMPTE 2022-6 及 SMPTE 2110 信号已经逐步落地。在中央台及广东台超高清项目里，4 路 3G-SDI 信号及 IP 化信号均初步用于业务应用范畴。虽然 IP 化已越来越多的在高清系统使用，逐渐被看作是趋势，但在中央台及广东台的超高清播出系统主、备、第二备中多数链路仍使用基带信号。根据上述情况，广州台在以下方面进行了综合考量。

2.4.1 关键技术参数

关键技术参数见表 1。

2.4.2 技术体系的选择

目前，较为成熟的 4K 超高清信号传输的技术有三种：1、通过四路 3Gbps 高清基带信号并行传输 ;2、一路 12Gbps 超高清基带信号传输 ;3、通过 IP 信号传输。IP 技术在广电行业现有高清系统中已普遍使用，超高清 IP 化相关技术标准SMPTE 2022-6、SMPTE 2022-7、SMPTE 2110 已相对完善。

市面上主流广电设备厂商已逐步支持这一新标准，摄像机、核心交换机、切换台、视频服务器、图文字幕机等设备已有产品问世，超高清IP 化系统已可实现。超高清IP 化系统的特点如下：

1. 线材大量减少

4 X 3G 信号的线材量大，传输一路超高清信号需要 4 条线缆，播控系统中有矩阵调度、播出切换、监看等环节，需要大量线材，系统复杂度增加。支持12Gbps 信号的设备相对较少。IP 化系统使用网线即可，线材数量大大减少，利于系统安装及维护，详见图 1。

2. 信号传输距离限制

使用传统线缆传输 3Gbps 高清基带信号实际可传输距离有一定限制，传输 12Gbps 的 4K 基带信号，由于带宽更大， 传输距离有更大限制，所以依靠铜缆传输 UHDTV 会有很大局限。因此，目前广电业界转向考虑采用 IP 技术取代基带信号传输。

3. IP 化技术已经进入具体应用阶段

经过 2018 年至 2019 年的 SMPTE 组织在 2110 协议方面的完善，2022-6 及 2110 两种 SDIOVERIP 信号处理模式已经趋于完善，在央视的播出系统及转播车上已投入使用，超高清IP 化技术已经进入具体应用阶段。

4. 技术架构灵活

传统基带信号播出是一个串行、单向的链路，整条链路相对固化、僵硬，在建设完成后很难进行扩容和升级。并且，对于传统播出来说，其多条链路间的并行逻辑是非常复杂、繁琐的。IP 化的播出系统架构，采用的多是星型 Spine+Leaf 的架构， 由于 SDN(软件定义网络)的特征，决定了它的信号链路是全联通的，并且规模无限，可支持N 条入出通道。因此在系统链路和架构方面，IP 化播出系统有着更加灵活更加弹性的扩展空间。

5. 技术架构扩展性好

传统的 SDI 播出系统的建设周期很长，并且属于一次性建设，一次建设完成后整个系统的能力和规模固化。IP 化的播出系统采用的是通用 IT 设备，由于 IT 领域的成熟，也为我们带来了更为便捷的建设和使用方式，建设完成后整个系统的能力和规模依然拥有弹性拓展的空间。

6. IP 化系统更易于维护，维护成本低

传统播出设备的维护，对厂商的依赖度很高，而且几乎没有可靠的自动化维护手段。IP 化的系统由于运用了 IT 设备， 就有了智能运维手段，而且平台本身又提供了统一的管理和维护，也拥有了高可用的漂移备份的方式，这样就大大提高了整个系统的安全程度，和维护的便捷度。很重要的是，IP 化在专业设备投入上几乎没有。相比传统的专业化设备系统构建， 其采购成本及后续的维护成本都极高。而采用通用 IP 化模式可以有效的降低两个环节的成本。同时随着市场发展，通用化的产品会遵循摩尔定律提供性能更好价格更优惠的替代品。台方不用承担因为专用设备停产而导致业务无法正常使用的尴尬。

7. 选择 IP 化需考虑的问题

目前通用交换机还无法对信号实现广播级的静净切换能力，因为该问题 IP 化系统的建设需要根据系统具体架构进行设计。例如总控系统，总控系统为播出及台内其他业务系统提供具体的信号源，但因为是提前切换提供，故针对具体信号播出环境并没有静净切换的要求。IP 化在总控系统中应用相对更加能体现 IP 化的优势。同时对未来各种信号的格式，如 4K(12Gb/s)、8K(96Gb/s)等大码率视频流有更好的适应性。总控一次性 IP 化建设，未来在不用更换设备的情况下通过设备　　扩展即可完成对更高质量和分辨率型号调度的支持。

基于以上考虑，广州台总控系统选择使用 IP 化系统架构， 播出系统使用为 IP 化建设主备系统。考虑到目前为止，在各种应用场景中，基带信号仍然是重要的传输手段，尤其是对定时同步要求苛刻的实时直播、切换场景，SDI 能保证极低的信号延迟和没有损失的图像质量，为保障播出安全，采用 4 X 3G 基带信号链路为第二备播出系统。

３IP化超高清电视频道技术系统框架设计

3.1 总控系统框架设计

总控信号调度子系统主要完成外来信号接受、处理以及台内演播室信号综合调度处理、信号收录等功能。从需求出发，可以归结其设计原则为 ：高可用且可扩展，详见图 2。

因此，采用高可用、可扩展 IP 化的系统框架，框架具体包括 ：设备层、控制层、应用层、接口、监控、SDN，每个里面又分为若干个小功能模块，详见图 3。

该框架既能自成体系统独立工作，同时也能与 SDN 系统互联工作，通过接口发任务给SDN 系统，能够收集相关数据在前台进行分析和展现。

核心调度设备可采用 SDN 交换机，在总体规划中应由SDN 交换机和 SDN 控制器组成。为了满足快速上线要求，结合现阶段选型实际，仍保留传统矩阵控制器，通过 SDN 控制器和矩阵控制器隔离后，在“路由管理 / 展现”模块提供统一北向接口。

总控信号调度子系统规划为两大部分，包括 ：总控传输执行系统和总控传输业务管理系统，详见图 4。

3.1.1 总控传输业务管理系统

主要负责与总控相关的业务管理以及设备资源管理等，具体来讲包括信号质量监测、延时处理、设备资源管理、系统资源管理、带宽资源管理、链路监控、系统监控。

3.1.2 总控传输执行系统

负责实现信号调度、路由控制和管理、信号格式处理及信号分发。

3.2 播控系统框架设计

考虑到播出环节 IP 化信号的静净切换需求，在播出信号的切换环节采用 IP 切换台方式，通过一次输入 8 路超高清信号至切换台的方式实现信号的静净切换功能，详见图 5 所示。

系统中 IP 链路统一采用 PTP 信号实现信号相位校准同步， 从而实现切换台帧精度切换能力。源端播放及终端接收均采用主备输入无缝切换方式。当链路上某个 IP 交换设备故障或单路信号故障情况下，信号在接收设备端均可以实现无缝切换。

上述链路设计如下 ：

1. 本次系统设备主要包括播出视频服务器、基带总矩阵、IP 总控矩阵，4K IP 切换台、基带 IP 切换台、IP 末级倒换器、4×1 倒换器及监看、监测等设备。链路设计上采用主备 IP + 基带业务运行方式。

2. 考虑到外来 4K 信号接入的需求，本次系统设计上配备2 台具备 4K 信号接受能力的卫星接收机。接收的 CCTV 超高清频道信号及 GDTV 超高清频道信号通过 4×3G 方式实现信号的输出至基带 64×64 总控矩阵。基带总控矩阵通过 IPG 设备实现与 IP 化总控矩阵间的信号交互。系统内部所有 IP 信号均使用 2110 的传输协议。

3. 基带矩阵配备延时器 2 台，可实现 2 路外来 4K 信号 30秒的延时。

4. IP 化总控矩阵采用主备两台高性能 IP 化业务交换机， 提供 32 路 100G 接入。同时每个 100G 可向下兼容为 4 个 25G 接入。

5. 主路 IP+ 切换台链路通过 IP 超高清切换台实现播出服务器信号与 IP 总控外来信号间的切换以及台标、字幕信号的叠加。

6. 备路 IP 播出服务器通过 all in one 方式通过 IP 总控获得外来信号，通过服务器内部处理方式实现图文字幕叠加及信号的切换。

7. 二备路基带链路通过基带超高清切换台实现播出服务器信号与外来信号间的切换以及台标、字幕信号的叠加。

8. 所有播出及外来信号主路均通过转换设备进入 IP 总控矩阵，通过 IP 总控矩阵统一调度 ;备路均通过转换设备信号分配进入 4K 基带切换台。

9. 播出系统末级采用主备末级切换方式，主路采用基带切割方式，各链路信号均统一为基带信号入末级切换器。末级切换器支持受一致性比对控制进行自动信号倒换。备路末级切换采用 IP 化切换后转基带方式。末级 IPG 通过 IGMP 方式实现信号的倒换，配备控制面板，可实现与常规末级切换相同效果的末级信号倒换功能，其最终输出基带信号输送至编码器。该设计方式主要考虑到目前市场上的编码器在 IP 化 2110 超高清信号编码方面的不完善性，故预留接口，当 IP 化 2110 超高清信号编码产品成熟后，可将编码器跳过末级 IPG 接入 IP 总控矩阵实现全链路 IP 化超高清播出。

4结束语

超高清视频技术还在不断进步，超高清制播系统的建设可以使用的新技术新产品也不断涌现，本文以广州台的案例为同行提供借鉴，与大家共勉。

目前超高清视频产业发展仍处于探索阶段，超高清电视频道已开播的只有三个频道，频道运营尚无明确的盈利模式， 超高清技术如何支撑和服务频道运营、到底能给广电带来什么变化，充满了未知和广阔的空间。面对这样的挑战，广电技术人员必须积极投身其中，争取出新出彩，为广电创造新机。

参考文献

[1] 国家广播电视总局 . 4K 超高清电视技术应用实施指南 [S].2018-8.

第一作者简介

黎泳，女，1971 年 12 月出生，大学本科学历，大学毕业以来在广州市广播电视台技术部门工作，现任技术管理部主任，高级工程师，主要从事广播电视工程技术方面的工作。

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