AoIP+基带架构广播播控技术的应用

王相增

（泰安市广播电视台，山东 泰安 271000）

0 引言

随着广播电视业数字化、网络化、高清化进程不断推进，传统模拟音视频技术逐渐显露出传输容量有限、抗干扰能力差等弊端，已经很难适应当代广播电视制作和传输对高质量、高可靠性的需求。在这种背景下，网际互连协议（Internet Protocol，IP）化技术为广播电视传输系统提供了新的应用方向。基于IP 的数据包传输方式IP 化音频（Audio over IP，AoIP），具有容量大、抗干扰强等优势，可实现不同格式音视频信号的传输与处理，非常适合在广播电视环境下使用。尤其是在广播电视基带架构层，AoIP 技术可充分发挥作用，完成从采集端到发射端各环节的音视频传输任务。文章拟通过阐释AoIP 技术原理、分析基带架构特征，重点探讨AoIP 在基带架构中的具体应用效果，以期为行业推广AoIP 技术提供参考借鉴。

1 AoIP 技术概述

1.1 AoIP 定义及通行标准

AoIP 技术在国内外均没有统一的标准。业界组织和企业纷纷制定和推广各自的AoIP 技术规范，形成多元化的技术生态。国际上AoIP 技术标准主要有AES67 和RAVENNA 两大类。AES67 是美国音频工程学会（Audio Engineering Society，AES）推出的公开标准，用于以太网音频流互，定义了音频信号在IP 网络上传输的通用模式，使得不同厂家的网络音频设备可以互联互通。AES67 标准采用通用的IP 包结构，支持各种音频信号格式，可直接在标准以太网交换机上运行，非常适合在专业音频系统中使用。RAVENNA 是ALC NetworX 公司推出的实时数字媒体网络技术规范，利用IP 标准封装音视频流，实现低延时稳定传输，可应用于要求高可靠性和灵活性的专业广播系统。目前，AES67 标准和RAVENNA 规范广受行业认可，成为广播电视传输IP 化改造的首选技术方案[1]。

1.2 AoIP 的应用优势

相较于传统依赖专用线缆的模拟音视频传输方式，AoIP 技术具有明显的技术优势，在广播电视播出系统中具有广阔的应用前景。首先，AoIP 系统基于标准以太网构建，可提供10 Gb·s-1的巨大网络信道容量，完全满足高清甚至更高规格制作信号的传输需求，可利用优先级与时延控制等机制实现毫秒级的传输延迟，基本达到广播级别的超低延迟要求。其次，AoIP 支持AES67、RAVENNA 等公开协议的AoIP 设备直接互联互通，实现多厂商设备无缝衔接和兼容共用，大大简化了系统集成过程。IP网络可构建备份冗余架构，AoIP 关键设备也可配置热备机制，从根本上提高系统可靠性，还可实现基于标准网络对音视频流进行灵活分布式处理，打破传统集中矩阵的限制，部署更加灵活。AoIP 系统可按需扩充网络带宽、节点数量等，同时IP 化也可降低设备成本，减少布线，是建设灵活高效、可靠可扩展的未来广播系统的理想技术选择。

2 基带架构的广播播控系统

2.1 系统架构概述

基带架构是当前广播电视系统中应用最广的技术方案，系统架构可划分为制作层、基带核心层和发射层3 个层面。制作层主要包括摄影棚、导播控制室等，通过各类摄像机、录播机及视频路由器等设备完成节目制作和导播功能，最终输出多路高清串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）视频信号和音频工程协会（Audio Engineering Society，AES）/欧洲广播联盟（European Broadcasting Union，EBU）标准数字音频信号到基带层。基带核心层是整个系统的关键，主要包含信号采集编码设备、流媒体传输交换设备、制播自动化系统以及信号编码转换设备等。采集编码设备负责对制作层输出的SDI/AES信号进行数字化采集和实时编码压缩，以降低信号传输带宽需求。流媒体传输交换设备在编码器和解码器之间提供多路信号的传输和交换功能。制播自动化系统实现对信号流程的预编排和自动控制，编码转换设备完成信号格式如编码标准、接口类型等的转换。经基带层处理后的信号被送到发射层的发射机房进行数模转换和频率调制，形成射频信号后通过发射天线发送。制作层源信号通过基带层的采集编码、流媒体传输和转换处理，最终以无线电信号形式覆盖发射，其中基带层处理起着“源汇转换”的关键作用。

2.2 基带采集和分发

基带架构中，对源制作信号的数字化采集处理和对压缩编码后流媒体的分发传输是两个关键过程。在采集端，系统需要使用专业编码器对高清SDI 视频信号和AES/EBU 数字音频信号进行数字捕获和实时编码压缩处理。视频信号一般采用MPEG-2 或H.264 等影视编码标准进行压缩编码，以减少视频数据量。音频信号则采用高级音频编码（Advanced Audio Coding，AAC）、动态影像专家压缩标准音频层面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III，MP3）等数字音频编码算法编码。采集端编码器输出的多路压缩音视频码流经过流媒体传输交换设备进行集中和信号流程处理，然后进行对应分发。在分发端，流媒体交换设备根据信号流预配置，将不同编码器输出的视频、音频码流分发到对应解码设备。解码器对压缩码流进行解码还原，最终转换并输出为SDI 视频和AES/EBU 数字音频信号，供各类播出系统使用。基带层采集和分发系统需要确保源信号在编码传输全过程中质量无损，编码处理引入的视频音频延迟控制在百毫秒级以内，满足广播制作的超低延迟需求[2]。

3 AoIP+基带架构在广播播控中的技术应用

3.1 广播环境AoIP 的部署

在广播电视环境下部署AoIP 系统，需要打造高带宽的骨干网络，建议核心层使用40 Gb·s-1以上设备，采用冗余结构，确保有足够带宽资源传输高清音视频业务，充分利用IP 系统的优势，在核心交换机、时间同步服务器等关键节点设备实现双机热备机制，并在网络层面建立多条线路异步冗余，实现单点故障的冗余容错。还要利用访问控制列表（Access Control Lists，ACL）策略、虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）隔离及流量控制等方式实现服务质量（Quality of Service，QoS）保障，为关键业务划分优先级，防止非关键报文对关键流的竞争影响。系统要具有良好的可扩展性，可按需逐步扩充带宽、节点数量，平滑过渡到全IP 系统，选择兼容公开标准的设备与软件，保证不同厂家系统之间互联互通，提供统一的控制管理接口，实现与上层自动化系统、下层监控系统的无缝连接[3]。

3.2 音视频流分发处理

在AoIP+基带架构系统中，对源站输出的数字化音视频流进行智能化分发处理是整个系统的核心功能之一。系统可支持SDI 视频信号和AES 数字音频信号向流媒体进行编码转换，实现不同接口信号向IP 格式的无缝融合。转换后的音视频IP 流可进行按需复制分发，一路流源可以多通道服务，按1 ∶N 形式分发至多个终端用户。系统还可对流媒体内容进行智能分析，处理版权保护、敏感信息过滤等工作。流数据的IP 网络传送一般选择符合行业标准的流媒体传输协议，以获得高效、稳定的传输服务质量，在转发流数据的同时，系统可插入增值处理，对视频图像进行裁切、叠加等处理，提供个性化的媒体体验。考虑到用户终端的多样性，系统可按需对音视频流进行多屏服务，转换编码标准、分辨率和码率。在流量传输中，系统还会实时监控分发链路状态，保证传输的质量指标，并可根据网络流量情况，对流媒体进行智能调度和路径优化，平衡网络资源分配[4]。

3.3 系统同步方案

在基于IP 网络的新型广播系统中，为了实现各类设备之间的精准同步，可以考虑采取以下技术方案。第一，采用电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）1588精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP）进行网络级别的同步。该协议通过在网络设备之间交换特殊的时钟同步报文，实现对时间和频率的快速锁定。PTP 协议可以达到微秒级的时钟精度，完全满足广播对高精度同步的要求。第二，采用电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定的2059 标准。该标准为一整套面向媒体行业IP 系统同步的技术规范，定义了同步的协议格式，规定了同步网络的拓扑、设备类型及管理机制等，可以使不同厂家设备在IP 系统中实现同步。第三，同步以太网是一种主要在物理层实现同步的技术，通过对以太网信号进行编码，在物理连接上携带精准时钟信息，以达到网络设备之间的频率同步。该技术可以与PTP 协议配合使用。第四，全球定位系统（Global Positioning System，GPS）卫星接收。GPS 提供了一种非常精准和统一的时间频率基准，许多广播系统会综合利用GPS 时钟进行大范围的系统同步[5]。也可以与PTP 等其他时钟信号进行组合，实现更高可靠性的同步效果。

4 结语

AoIP 作为一种先进的音视频传输技术，与基带系统在技术特点和应用场景上高度契合。AoIP 技术在基带系统各层面的运用，使得音视频流的处理更加智能化和精细化，有力推动了基带系统功能的扩展和升级。现阶段，还需进一步推动不同系统之间的兼容互通，深入总结用户应用反馈。相关技术和产品虽尚未成熟，但其运用已经展现出改造提升传输系统的积极效果。这为业内提供了宝贵的技术积累和应用经验，有助于找到切实可行的系统IP 化途径。