SDI+IP 混合架构的播总控系统设计

吴 超

（海口广播电视台，海南 海口 570000）

0 引言

近年来，广电行业各方面技术转型速度加快，电视视频信号开始向超高清4K 发展，电视制作和直播向多内容跨平台应用转型。传统串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）基带技术因其单向传输、传输带宽和距离不足以及系统灵活性差等缺点开始成为广电技术发展的瓶颈。随着通用信息技术（Information Technology，IT）不断发展，网际互连协议（Internet Protocol，IP）化传输可以达到100 Gb·s-1的高带宽传输速度。电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）ST 2110 系列标准的完善，使得广电行业传统基带SDI 信号IP 化已经消除了技术障碍[1]。IP 系统可扁平化部署，资源共享，可分配、共享和高效管理，能在技术上解决SDI 架构在超高清时代的发展瓶颈，还能在内容运营方面整合互联网和广播电视行业资源，在时效性、实时性、交互性及吸引用户等角度找到新的突破口[2]。本文主要论述以互联网协议网关（Internet Protocol Gateway，IPG）取代传统的SDI 矩阵作为关键设备，搭建SDI+IP 混合播总控系统的一种设计思路。

1 SDI+IP 混合系统的定义和意义

为了兼顾传统SDI 信号和设备的使用，近年来，很多电视系统使用了IPG 网关进行SDI 和IP互转，建设SDI 与IP 的混合系统。但是这些系统只是应用IPG 来完成系统连接任务，IPG 网关仅仅作为SDI/IP 信号接口。本文探讨的SDI+IP 混合系统指的是以16×16 的IPG 网关堆叠组合取代传统的SDI 矩阵搭建播总控系统，以此为基础完成SDI和IP 信号的相互转换以及信号调度。这种播总控系统支持下的任何一个应用系统既可以具有完整的SDI 信号流程，也可以具有完整的IP 工作流程。无论通过SDI 流程还是IP 流程，都可以完成应用任务。

按照这个思路，在全台范围建立SDI-IP 混合总控系统进行SDI 和IP 信号的转换和调度，具有很强的实用意义。首先，将SDI 信号通过IP 网络连接起来，在保证信号传输低延时的同时，可以保证各系统连接可获得高质量保证信号，可以支撑全台采编播所有应用。其次，各系统使用什么格式的信号，是由应用面向的对象决定的，可以根据不同应用需求选择信号格式。最后，SDI-IP 用于各类系统连接的优势还体现在作为资源的信号可灵活调度、灵活管理，视音频处理能力可以在全网分配，提高生产能力和管理效率。

2 SDI+IP 混合播总控系统设计

新技术的应用可能引起相关人员对安全播出的担心。而SDI 链路为线性物理可跟踪设计，通常技术人员认为其安全性比IP 系统更高，应尽量采取平滑过渡的方式实现SDI 系统向IP 系统转换。因而在播总控设计SDI+IP 的混合系统是必要的。

根据本文对SDI+IP 混合系统的定义，播总控功能应该能够在一个平台上，既可以完成SDI 信号流程的构建，也可以完成IP 信号流程的构建。虽然SDI 和IP 之间具有部分链路的主备关系，但作为独立的链路，SDI 和IP 本身都应可以独立地完成总控和播出信号的调度和切换。这样设计，现阶段可以完全兼容既有SDI 系统，也可以保证将来平滑过渡到全面的IP 系统，因而有助于全台范围内逐步完成IP 基础架构建设[3]。

SDI 和IP 混用的关键设备是具有视音频处理功能，同时具有SDI 输入和输出，也具有IP 输入和输出的IPG 网关设备。目前，市场上大多数IPG 均具有这类功能。IPG 作为网关设备，具有帧同步、上下变换、多画面、加解嵌功能（ST2110 音视频分开传输）。本文以16 路输入+16 路输出的IPG 网关为例（目前市场上很多品牌具有这个规模的产品），讨论如何通过堆叠组合IPG 来取代传统SDI 矩阵，完成较大规模SDI 信号调度，为播出域提供SDI 信号；IP 输入输出如何独立切换，作为当前安全播出的提升手段，及过渡到未来全面IP 播出的意义。

2.1 SDI 信号调度功能的实现

一个独立的具有16 路输入和16 路输出的IPG模块，当作为SDI 输入和输出使用时，可以视作一个具有独立交叉点的16×16 矩阵。可以将两个这样独立的模块设置为上下游关系，并且让上游16×16 矩阵仅输出一路给下游的16×16。若需要将下游的所有16 路输入都占满，则上游需要16 个16×16 规模的IPG 模块，这个思路如图1 所示。

图1 上下游IPG 16×1 路由

利用上游的16×16 的IPG 模块，每个输出1路，总共有16 个这样的模块，因而可以得到总数为16×16=256 路SDI 输入信号，输出总数为16 路SDI信号的矩阵，这个矩阵的路由是分散在16+1=17 个独立模块完成的[4]。现在通用化这个例子的应用。假设IPG 具有X个SDI 输入接口、并具有Y个输出接口，在设置N个模块后（N≤X，Y≤X），将N个IPG 放置在上游，对应到播出通道，可以获得N×X个输入、Y个输出的SDI 规模矩阵。Y个SDI信号输出到播出频道IPG 的输入。如果存在主备SDI 通道，则将IPG 模块数设置为2（N+1），如图2所示。

图2 上下游IPG X×Y 路由

如果是多个频道（比如数量为S个频道），且在总控和播出均有主备通道，则IPG 模块数量应设置为2（N+S）。按此配置：总控到播出信号调度的规模为主备各N×X路，每个播出频道具有主备Y路信号输出。也可以这样理解，如果播出频道需要Y路信号，则应配置不少于Y路的X路（Y≤X）SDI输入IPG。在考虑主备通道播出情况下，S个频道需要调度的路数为N×X路信号，IPG 配置数量为2（N+S）。这种方式利用了IPG 的SDI 输入输出通道和物理交叉点叠加的特点，完成了总控和播出域的SDI 信号路由和切换。

2.2 IP 信号调度功能的实现

IPG 具有SDI 接口，也有IP 接口，可以利用IPG 的IP 输入输出和IPG 虚拟交叉点特性，结合控制软件，更容易完成IP 域的切换和播出。虚拟交叉点具有更多的灵活性，可以和物理交缠点一致，也可以是多个物理交叉点的叠加融合，也可能根据应用的需要创建不同的虚拟交叉点规模[5]。比如，可以创建256×256 的总控交叉点，也可以将每经过一次处理的信号作为新的信号源（如上下变换、延时前后的信号）作为虚拟交叉点的输入信号源，从而完成更多的信号调度应用；也可以为每个播出频道创建不同规模的交叉点应用；可能根据实际使用需要，比如在信号测试时创建测试应用的交叉点，在信号直播时主备信号创建直播应用的交叉点，在SDI 和IP 混合播出域为重要信号播出创建不同的备播场景等。将物理交叉点和虚拟交叉点结合使用，可以充分发挥SDI 和IP 信号在各自领域的优势，也可以融合SDI 和IP 的混合使用，更好地为安全播出和可定义信号流程服务。

3 SDI+IP 混合播总控管理

SDI+IP 混合播总控管理，既要完成对SDI 信号和设备的管理，也完成对IP 设备和信号的管理，SDI 和IP 之间也有流程关联的需要[6]。因而，SDI+IP 混合播总控管理必须涵盖需要管理的所有设备、所有信号以及与业务流程相关的信号流程和监控的融合管理。融合管理应主要包括如下功能。

第一，设备管理。对系统中全部设备，包括IP设备、IPG 设备及SDI 设备的管理，定义信号源等。第二，切换控制。目的通道完全可自定义分级分组，一个目的通道可在多个分组中，并可从默认分组中复制分组，可实现按应用需要的切换控制。第三，多画面管理。操作人员面向对象操作时，“所见即所得”将大大提高操作的可视性和安全性。多画面监视可实现系统中所有的画分信号源切换。第四，系统监控。为保证操作人员随时知道系统的在用状态，特别是信号或者链路的在用状态，可在信号源列表中指定信号源，实时分析该信号在整个系统中被哪些通道使用，列出相应的使用链路图；系统建立了通用协议监控平台，可通过简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）、安全外壳协议（Secure Shell，SSH）、WebSocket等协议，实现自定义的数据级别监控。第五，集成控制。结合设备管理、通道定义，可以将与协议相关的设备管理集中到统一的控制平台，将信号和需求虚拟化为操作对象，操作人员只关心如何对对象执行操作系统自定义模式设置。可将系统中设备参数的修改、信号调度、画分布局切换及备份数据等功能设置到模式中，只需一键就能执行模式内所有功能[7]。

4 SDI+IP 混合系统的优势

本文所述的SDI+IP 混合架构播总控系统在实现传统SDI 信号链路调度功能的同时，也利用IPG设备的基本功能，完成对系统内全部SDI 信号的IP化。结合主备核心交换机，就可以实现完全独立的IP 架构应用链路。这种混合架构的播总控系统能够取代传统SDI 矩阵，仍然保留SDI 信号链路功能。基于平稳过渡的目的，可以在这种架构下使用传统SDI 播控通道，保持SDI 信号播控链路清晰直观，在主备链路模式下单一设备故障点对系统影响较小的特点；也能利用IPG 设备本身自带的帧同步、上下变换、多画面及加解嵌（ST2110 音视频分开传输）等功能，省去大量繁杂的周边设备。同时，由于系统中的信号已经实现了IP 化，就可以在本系统的支持下以较小成本实现IP 化的制播流程[8]。

5 结语

目前，对大多数电视台来说，采取SDI+IP 混合核心架构的制播系统虽然略显复杂，但是能够保证电视生产的安全性，又能兼顾系统发展升级前景，同时帮助技术人员熟悉和掌握IP 化技术，为下一步电视技术系统的超高清化和IP 化做好充分准备。