【摘要】 2012年，SMPTE出臺了SMPTE 2022-6標準，該指定了通過IP技術傳輸高比特率無壓縮信號的規范。近兩年，業界廠商都紛紛推出了支持SMPTE 2022-6標準的設備。本文使用草谷公司推出的一系列IP化設備，對IP化后的系統延遲量進行了測試和研究。

　　【關鍵詞】 SDI-over-IP  SMPTE 2022-6  HBRMT  Timing Analysis

1.緒論

　　1.1.電視節目制作和播出系統構架現狀及發展趨勢

　　隨著互聯網時代的到來，傳統的廣播電視行業也隨之進入了新的時代。從標清、高清到3D、4K、8K（UHD-1、UHD-2），廣播電視技術的信號處理能力越來強，對于信號傳輸鏈路的要求也越來越高。目前傳統廣播電視廣泛采用的同軸電纜，其數據傳輸量已經不能滿足目前4K分辨率下的信號傳輸要求。

　　作為現代科學技術之一的數字技術，目前已經成為廣播電視技術的核心部分，推動著電視廣播技術發生變革。隨著數字技術的發展，新媒體的興起也對傳統廣播電視內容采集和制作、信號處理、用戶接受模式提出了更高的要求。傳統廣播電視產業正面臨許多挑戰，很多技術都是來自于互聯網領域。

　　2012年，SMPTE出臺了SMPTE 2022系列的標準，規范了如何通過IP方式傳輸高質量視頻信號。其中《Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT) , :. ST 2022-6:2012》指定了一種方式，可以傳輸高比特率信號（包括3Gbps 1080p視頻信號）而不把信號壓縮為MEPG-2流傳輸。

　　該標準的出現打破了兩種技術之間的壁壘，使得在現有廣播電視基礎上通過IP網絡傳輸未壓縮的視頻信號成為可能。

2.基于SMPTE2022-6的SDI-IP和IP-SDI轉換延遲研究

　　為滿足目前現行直播電視節目制作的技術需求，基于IP的制作系統及SDI-IP和IP-SDI轉換應滿足低延遲的技術特性。本節對SDI-IP和IP-SDI轉換延遲的理論值進行了分析。

　　在現有SDI信號系統中，高清1080iSDI信號通過同軸電纜傳輸時，每100米同軸電纜會產生約600納秒的延遲，通過矩陣則會產生約300納秒的延遲。以下圖中SDI信號系統信號鏈路所示，攝像機采集輸出的信號源，通過SDI傳輸至高清視頻矩陣后接入切換臺，此時估算系統會產生約1.5微秒的延遲：

圖1  SDI信號系統延遲

　　根據SMPTE 259M標準，可以知道高清視頻信號在1080i59.94和1080i50信號的一些信息，如下表：

表1高清視頻信號格式

根據SMPTE2022-6標準，可以計算出IP信號相關的數據包參數，如下表：

表2高清視頻IP信號相關的數據包參數

　　當使用SMPTE2022-6標準將1080i50高清視頻的SDI信號轉化為IP信號時，每個數據包包含550.4個像素點的視頻信號，信號發送端首先需要緩存550.4個像素點，再將這些緩存的像素點轉化成一個IP數據包，這樣在高清視頻SDI信號轉化為IP信號時，相比使用基帶信號直接傳輸就產生了一個約為7.41微秒的延時。

　　而當使用SMPTE2022-6標準將高清視頻的IP信號轉換為SDI信號時，考慮到網絡可能存在的延遲，需要至少提前緩存3個數據包以上，再將數據包中的信號轉換為SDI信號，所以該緩存至少會產生約為22.23微秒的延時，并且該延時會根據緩存的數據包數量而增大。

圖2 SDI-IP-SDI信號鏈路延遲

　　如上圖所示，所以整個SDI-IP-SDI信號鏈路會產生約為29.64微秒的延遲量。但是一般情況下IP信號都會通過萬兆光纖交換機進行信號路由，根據思科公司的測試研究，現有COTS萬兆交換機的延遲應當為1-3.5微秒不等，總體延時量接近1行。

　　綜上所述，SDI及IP信號轉換的SDI-IP-SDI信號鏈路中，總體將產生接近1行的延遲，該延遲量完全可以滿足目前現行直播電視節目制作的技術需求，具有可行性。

3.基于SMPTE2022-6的系統延遲測試

　　目前針對SMPTE 2022-6標準，業界廠商相繼推出了符合該標準的設備與解決方案。草谷（Grass Valley）公司針對目前市場上IP化傳輸的需求，推出了一系列支持SMPTE 2022-6標準的專業廣播電視設備，包括攝像機、切換臺、矩陣、服務器和畫面分割器等。這些設備同時支持基帶信號處理，客戶可以根據需求輕松遷移到IP化系統。

　　本文使用草谷公司新推出的高碼率視頻IP化傳輸系列設備，設計了測試系統，并對系統延時進行了測試。測試系統中使用的設備如下表所示：

表3測試系統中設備清單

　　本測試中核心系統連接圖如下圖：

圖3測試系統連接圖

　　其中紫色線纜為使用同軸電纜傳輸的SDI信號，綠色線纜為使用SC光纖傳輸的IP視頻信號，藍色線纜為5類網線傳輸的控制信號。

　　3.1.切換臺輸入延時測試（幀級）

　　該測試目的是測試IP信號相對于SDI信號的幀級延時情況。前文中計算了SDI-IP-SDI鏈路的理論延遲量，本測試用來測試切換臺SDI輸入信號與IP輸入信號比較從而確定是否延時了一幀或以上。

　　通過HMP-1801板卡播放一個帶時碼的高清視頻信號，將SDI信號分別接入切換臺輸入和IPG-3901板卡輸入，通過切換臺內置畫面分割器輸出至監視器，通過相機照相，比較每個畫面的時碼，可以確定兩路信號是否在同一幀。

　　測試結果如下圖：

圖4切換臺輸入延時測試結果圖

　　在圖中我們可以看到HMP信號和HMP-IP信號的時碼完全一致，說明HMP通過SDI接入切換臺的信號和通過IPG-3901轉換為IP信號后接入切換臺的信號延時量小于一幀。

　　3.2.切換臺輸入延時測試（行級）

　　該測試目的是測試IP信號相對于SDI信號的行級延時情況。前文中計算了SDI-IP-SDI鏈路的理論延遲量，本測試用來測試切換臺SDI輸入信號與HD輸入信號來計算實際延時量和交換機產生的延遲。

　　攝像機使用SDI鏈路和IP鏈路通過萬兆交換機分別接入切換臺，HMP-1801高清播放板卡信號使用SDI鏈路，和通過IPG-3901將SDI信號轉換成為IP信號后，通過萬兆交換機接入切換臺，通過切換臺Timing Analysis功能觀察每路信號延時情況，是否可以正常進行切換。

　　其中切換臺在高清1080i50格式下，SDI輸入信號Timing Window為±8.68微秒，IP輸入信號Timing Window為+0~-35.56微秒。測試結果見下表：

　　表4切換臺輸入延時測試結果表

　　由表6可以看出無論是切換臺SDI信號輸入小于切換臺Timing Window，信號可以正常進入切換臺進行切換，而切換臺IP信號輸入，由于將SDI信號轉換為IP信號時產生了信號延遲，超出了切換臺Timing Window，但是由于切換臺IP信號使用了切換臺Moudle I/O接口，所以SDI信號和IP信號可以進行混合切換，在切換臺操作上并無區別。

　　根據測試1和測試2，可以看出攝像機使用IP方式通過萬兆交換機傳送信號相比傳統SDI信號延遲4微秒，根據思科公司的調研測試，現有COTS萬兆交換機的路由交換延遲應當為1~3.5微秒不等，所以可以知道攝像機生成符合SMPTE 2022-6標準的IP信號的延遲約為1微秒左右。由于攝像機本身生成信號，所以攝像機可以通過調整輸出的Timing來降低延遲。

　　根據測試3和測試4，可以知道使用IPG-3901板卡將SDI信號轉換成符合SMPTE 2022-6標準的IP信號再轉換回SDI信號進行處理的延遲約為35微秒，在高清1080i50格式下一行的時間是35.56微秒，所以使用IPG-3901板卡將SDI信號轉換成符合SMPTE 2022-6標準的IP信號延遲約為1行，符合SDI-IP-SDI信號流程的理論延遲量。

　　根據測試4和測試5，可以知道HMP-1801板卡信號通過交換機后比不通過交換機延遲了約2微秒，可以證明思科交換機交換信號所產生的延遲約為2微秒，符合思科公司調研產生的數據。

4.總結

　　本文使用現有設備進行了測試系統的搭建及測試。測試表明，現有系統可以基于IP完成電視節目制作的信號傳輸及路由切換，其信號轉換及處理延時小于一幀，可以滿足目前節目處理的實時性需求，具有應用價值及可行性。

　　本文只是針對現有基于SMPTE2022-6標準的部分設備，后續草谷公司還會推出更多支持該標準的設備，所以后續仍有大量的后續工作需要完成，隨著基于該標準的IP設備的不斷發展，該系統會更加成熟和靈活。

參考文獻

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