【摘要】 以系統設計與運維人員視角，從高清總控系統總體架構設計、SDI高清總控矩陣配置、基帶無壓縮IP高清總控矩陣配置、高清播出分控系統設備配置等方面，介紹揚州廣電總臺基于IP+SDI架構的高清播總控系統設計與建設情況。

【關鍵詞】 IP+SDI架構  高清總控系統  高清播出分控系統  SDI高清總控矩陣  IP高清總控矩陣

為了滿足未來五年本臺高清播總控業務應用需求，揚州廣電總臺遵循安全可靠、高效實用、開放兼容、先進、可擴展等設計原則，于2021年下半年新建了一套基于IP+SDI架構的5頻道高標清同播系統，系統具備完善的冗余備份體系，無單一潰點，應急手段豐富，為IP+SDI架構時代廣電中心技術系統提供了嶄新的基礎架構支撐。

一．高清總控系統總體架構設計

高清總控系統以一套Imagine48×48/SDI高清總控矩陣和一套SDN 24×24HD-SDI/IP高清總控矩陣為核心，輔以Imagine HD-SDI周邊設備和Miranda（GV）HD-SDI/IP周邊設備，負責調度高清演播室、轉播車、央視、分控等全臺高清信號。

高清總控系統配置：SDN 24×24/X-Y遙控面板、SDN 24×1單母線遙控面板各一只，SDI 48×48X-Y遙控面板、SDI 48×1單母線遙控面板各一只，遙控面板通過以太網連接矩陣。一只24口千兆交換機作為IP總控矩陣的系統管理交換機，2臺系統管理服務器作為IP總控矩陣的主備系統管理服務器（含IP矩陣管理控制軟件），3只Miranda（GV）高清/4K超高清IPG網關設備采用輸入/輸出多功能IP網關卡，每只IP網關卡自帶：4個UHD/12G-SDI雙向接口或16個HD/1.5G-SDI雙向接口，4個25G SFP接口，支持HD/1.5G-SDI信號8入8出、UHD/12G-SDI信號2入2出等模式。1臺總控矩陣管理工作站兼作與監控服務器對應的監控工作站，負責總控矩陣的控制、管理和全臺高清信號的路由調度并展現各類監控數據信息。

總控工位處配置6塊55英寸大屏和5臺高清多畫面分割器，用于監看總控系統輸入/輸出信號，高清多畫面分割器支持不少于16路HD-SDI（兼容SD-SDI）信號輸入和2路HDMI信號輸出，1臺TEK WFM7200高清數字視頻測試儀和1臺Wohler高清音頻檢測儀結合總控矩陣和高清監視器，對高清總控矩陣技監母線輸出的HD-SDI信號進行技術監測和監看、監聽，可完成眼圖、物理抖動、音頻信號電平與響度等參數的測量。

高清總控系統周邊設備選用Imagine、Miranda（GV）及奧視等產品，信號鏈路無一單潰點，關鍵設備支持掉電直通，在各個設備的輸入、輸出處配有跳線裝置，關鍵節點與線路信號全部送至多畫面大屏進行監看。

圖1 基于IP+SDI架構的高標清同播系統操控機房照片

二．SDI高清總控矩陣配置

采用48×48SDI高清矩陣，機箱配置主備冗余電源，矩陣支持交叉點斷電狀態數據保存，輸入/輸出板卡高標清信號自適應，支持3G-SDI /HD-SDI /SD-SDI/DVB-ASI，支持4K信號（4路3G-SDI）捆綁調度，支持輸入電纜均衡，輸出支持Re-Clock功能。矩陣支持主備以太網控制和串口控制，支持SNMP協議、外部BB同步和日志記錄等。

高清總控矩陣的高清輸入信號有：主備2路CCTV信號、主備2路新聞演播室信號、主備2路綜藝演播室信號、主備4路光纖信號、主備2路衛星車信號、分控PGM和CLEAN信號、墊片信號、測試信號等，其中，2路CCTV信號、4路演播室信號、3路光纖信號、1路衛星車信號先經過高清幀同步器再進入高清總控矩陣。

高清總控矩陣的高清輸出信號有：4路總控信號上電視墻、4路信號去分控SDI切換器、2路信號去新聞演播室、2路信號去綜藝演播室、2路信號去制作網、2路信號去新媒體節點機房等。

高清總控矩陣的環通信號有：2路高清延時、2路上變換、2路下變換、2路高清幀同步等。

三．基帶無壓縮IP高清總控矩陣配置

1．采用基于25G交換機的SDN架構

IP高清總控矩陣采用SDN架構，支持SMPTE ST 2110，兼容無壓縮4K-IP信號，硬件以主備2臺H3C 25G SDN交換機為路由核心，交換容量4Tbps，轉發率2000Mpps，接口具有48個SFP28端口（25G端口），8個QSFP28端口（100G端口），冗余配置2個電源模塊和5個風扇模塊。支持基于端口的VLAN、基于協議的VLAN、基于MAC的VLAN，最大VLAN數為4094個。支持主備和Equal模式多控制器，支持Openflow多模式切換。支持VxLAN二層互通和VxLAN集中式網關互通、EVPN分布式網關二/三層互通。支持PTP BC模式、3層協議和IGMPv3，具備SDN控制軟件授權和SDN組播NAT功能授權。

2.IP信號調度軟件

IP信號路由網管調度管理軟件可實現軟件定義網絡、IP信號調度、矩陣切換調度功能，支持SDI OVER IP、TS OVER IP類型信號。采用BS操作模式，中文操作界面，可按傳統使用習慣對網絡信號數據流進行智能化調度管理，信號全流程圖形化、可視化便捷操作。支持全端口組播NAT管理，管理軟件基于Linux操作系統+微服務架構。

圖2 SDN-IP路由調度管理軟件配置與操作流程圖

（1）路由管理

可對SDN交換機進行端口帶寬、連接設備位置、線號、連接狀態管理，可修改端口屬性、VLAN ID、PVID、FEC，可顯示接收帶寬、發送帶寬、接收錯誤、接收丟包等信息。可對矩陣輸入輸出流名稱、屬性、端口號、發送設備、發送設備IP、帶寬、連接時間、連接時長、即時帶寬、連接狀態等信息進行管理，支持流的新建、修改、刪除?？蓪P矩陣實現交叉點模式信號切換控制，可在軟件界面上監看切換節點信號畫面，可對切換點和面板進行鎖定保護，區別于傳統交叉點矩陣切換操作模式，輸入、輸出信號以資源模式進行切換。同一IP矩陣上可以分為多個邏輯矩陣，便于靈活快速信號切換?？勺远x遙控面板，可配置軟件控制面板對信號源進行調度，支持不同矩陣配置不同軟面板、同一矩陣配置多個軟面板，預切時軟面板支持畫面顯示。配置監看布局時，選擇相應的監看資源，可以拖拽方式實現快速監看。支持以邏輯圖和物理連線圖形式，對IP總控系統進行拓撲、路由和信號節點顯示。

（2）系統管理

基于圖形化對SDN交換機進行PTP（精確時間協議）設置，全局設置包括PTP使能、PTP模式、Profile類型、Domain、Priority，端口級設置包括端口PTP使能、Announce interval、sync interval、Min Delayreq interval、timeout、clock-step、Delay等，可顯示端口PTP角色?？蓪ο到y硬件設備進行添加、修改、刪除管理，錄入設備相關參數信息，便于系統使用和管理，支持軟、硬件矩陣控制面板的新增、參數配置。網絡拓撲管理支持繪制物理拓撲、邏輯拓撲、業務邏輯拓撲及其參數設置，可指定一個范圍的SDN交換機端口，將一個矩陣分為多個邏輯矩陣，各邏輯矩陣內資源相互獨立、不共享。支持IP流自發現并對輸入流數量、參數自識別，自發現的流可一鍵添加到輸入流資源中使用?？筛鶕娨晧Σ季钟蒊P總控管理系統靈活便捷配置、或調整電視墻被監信號及其參數。

（3）策略管理

可對基于SMPTE ST 2110的多流信號進行邏輯打包配置，可對輸入和輸出信號流進行主備配對，切換時主備流同步切換，可對多個切換操作進行群組切換綁定，綁定后群組可以一鍵切換一組操作，或一鍵切換多組操作。

（4）用戶管理

可對系統使用人員新增、修改、刪除、賦予角色和權限，人員可以賦予一個或多個角色?？筛鶕ぷ?、崗位、業務需要設置系統的相關角色，每個應用系統都有各自權限項，不同角色賦予不同的操作權限，再將角色賦予相關人員，實現人員與權限的關聯。

3.高清/4K超高清IPG網關設備配置

（1）輸入/輸出多功能IPG網關設備

采用4K超高清IP至SDI雙向轉換器（IP網關卡），支持SQD/2SI，12G-SDI或4×3G-SDI 4K超高清接口及IP接口。單卡具有12個3G通道的SDI I/O接口、4個12G通道的SDI I/O接口，單卡支持4通道UHD處理，具有軟件授權的2-4個25Gbps SFP28速率接口。通過JT-NM聯盟互聯測試，支持SMPTE ST 2110-10/-20/-21/-30/-31/-40和ST 2022-6/-7無壓縮IP，每個通道均可單獨選擇封裝標準。支持NMOS協議和IS-04/05，支持IGMPv3及PTP SMPTE 2059 v1/v2。

支持用戶自設置選擇基帶幀同步、雙倍帶寬靜凈切換等功能，采用第三代FPGA芯片，可通過軟件授權變更工作模式，如：由網關功能變更為分割器功能。支持HDR和WCG，支持HLG、PQ等曲線。支持視頻和音頻內容的顯示和狀態監控。內置信號發生器，可產生多種SMPTE測試信號，支持16聲道音頻。應用程序中可使用REST API或SNMP協議實現遠程監控或控制。支持采用冗余雙電源通用周邊設備機箱，可與基帶周邊板卡、分割器板卡等混插和熱插拔。

圖3 GV UCP-3901高清/4K超高清IPG網關功能示意圖

（2）IPG網關設備機箱

選用周邊設備通用的4RU/19英寸24個槽位冗余雙電源機箱，機箱自帶LCD觸摸屏顯示控制面板，可顯示機箱狀態及每個槽位內板卡狀態信息，能通過觸摸屏調整機箱內所有板卡的參數。機箱具備10/100M自適應以太網接口，主備雙網口，可通過網絡對所有板卡進行管理，查看板卡狀態，調整板卡參數，可將板卡參數保存在板卡本地、機箱控制卡、網絡管理工作站三處，更換板卡后能夠自動恢復參數設置。具備同步輸入接口，可為機箱內總線提供統一的同步信號。機箱作為多功能統一平臺，支持SNMP監控，支持視頻高清/標清處理、音頻處理和信號完整性檢測切換等多種規格板卡。組件采用前裝載模式，所有板卡、無源后接口和電源都可以熱插拔，便于在線檢修和維護。

四.高清播出分控系統設備配置

5個頻道高清播出分控視音頻系統采用主備切換器架構，主備服務器信號、直播/轉播信號、應急/墊片信號以及總控調度信號同時接入主備切換器，形成2條獨立的信號主備路由，采用主備鍵混器，末級采用主備高清4×1切換開關，同時接入主鏈路、備鏈路和墊片信號，實現3路信號的應急切換功能。高清主備鍵混器的輸出信號下變換后作為標清播出主備PGM信號，接入主備2×1切換開關。

1.高清主備切換器和高清鍵混器

配置8臺（4主4備）16×2高清SDI凈靜切換器，負責4個主頻道主備播出HD-SDI信號切換。8臺高清4×1SDI凈靜切換開關，用于4個主頻道主備播出HD-SDI信號的倒換。8臺高清（用作標清）2×1SDI凈靜切換開關，用于4個主頻道主備播出HD-SDI信號下變換后SD-SDI信號的倒換。5臺松下AJ-PD500高清P2放像機作為應急播出介質設備，主要供前3個主頻道在線共享控制和應急播出。

每個頻道分控視音頻系統輸入的HD-SDI信號有：主備2路視頻服務器信號、1路第三備視頻服務器信號、2路高清P2放像機應急播出信號、主備2路高清新聞（或專題、或綜藝）演播室信號、主備2路高清光纖外場直播信號、4路來自總控矩陣調度的高清信號、主備2路光纖高清CCTV信號、1路高清測試信號，每個頻道分控視音頻系統的輸入信號分別進入主備切換器和分控高清多畫面分割器。

主備16×2高清SDI切換器的PGM輸出信號經主備響度控制器板卡后，輸出給主備高清鍵混器，4個主頻道共配置8塊高清鍵混器板卡，每塊高清鍵混器板卡具備3層內鍵和2層外鍵，能通過內鍵完成臺標、高清字樣、整點半點時鐘疊加，并通過外鍵完成字幕疊加。4個主頻道的4臺高清字幕機輸出的鍵控和填充信號在經過高清視分后再鍵入主備８塊高清鍵混器。主備8塊高清響度控制器板卡用于對4個主頻道的主備8路末級高清PGM/SDI信號進行音頻響度實時自動控制。將每個頻道主備2路高清鍵混器的輸出PGM信號經過主備高清視分板卡后，與1路高清墊片信號一道作為高清4×1SDI切換開關的輸入信號。

第5頻道高清播出通道主路切換器配置1臺進口16×2高清SDI凈靜切換器和1只遙控切換面板，機箱配置冗余雙電源，在該16×2高清SDI切換器的4個主要輸入端和2個輸出端設置跳線。1臺進口高清SDI鍵混器板卡，具備3層內鍵和2層外鍵，可通過內鍵完成臺標、高清字樣、整點半點北京時間時鐘疊加，并通過外鍵完成字幕疊加。備路切換器由48×48SDI高清總控矩陣加上其第18路輸出母線擔任，在主路切換器出現故障時，可將SDI高清總控矩陣第18路輸出母線后的跳線12.18的上跳線跳至主路切換器PGM輸出母線后的跳線9.10的下跳線，即可由備路切換器進行應急切換，并且可以省去主備切換器PGM輸出信號的2×1切換開關。

2.高清、標清視音頻檢測、監看、監聽設備

配置5臺Wohler高清音頻檢測儀，用于對5個頻道末級主路PGM/SDI信號進行音頻檢測、監聽。高清音頻檢測儀環出的1路HD-SDI信號進入分控操作臺上的1臺17英寸高清監視器A路監看，而末級備路PGM/SDI信號進入其B路監看。1臺HDE-101 HD-SDI信號自動監測報警器、6臺DVE-101 SD-SDI信號自動監測報警器和對應的網絡服務器，對高清、標清播控末級主路PGM/HD/SD-SDI信號進行自動檢測、自動報警和記錄日志（可檢索、查看）。

5個頻道分控工位處配置7臺7寸帶AB路高清雙聯監視器，3臺用于監看5臺高清P2放像機的5路HD-SDI應急播出信號，4臺用于監看4路預播（播前審看）通道的4路HD-SDI信號。12塊55英寸大屏和6臺高清多畫面分割器用于5個頻道在播輸入/輸出信號的監看，高清多畫面分割器支持16路HD-SDI（兼容SD-SDI）信號輸入，2路HDMI信號輸出。

圖4 高清播出分控系統HD-SDI信號技術監測截圖

3.高清、標清編碼器

4個主頻道配置：4主、4備共8塊（8路）高清HD-SDI至H.264/ASI編碼器板卡，高清編碼器板卡對輸入的高清HD-SDI信號進行H.264標準編碼，并支持HD-SDI IN（嵌入音頻）、ASI OUT、IP OUT。編碼器機箱自帶復用器，支持4路SPTS輸入流、2路MPTS輸出流；4主、4備共8塊（8路）標清SD-SDI至MPEG-2/ASI編碼器板卡，標清編碼器板卡對輸入的標清SD-SDI信號進行MPEG-2標準編碼，并支持SD-SDI IN（嵌入音頻）、ASI OUT、IP OUT。編碼器機箱自帶復用器，支持4路SPTS輸入流、2路MPTS輸出流；4只帶主備熱備雙電源的1U高/19英寸寬編碼器/復用器機箱，分別用于承載4主高清編碼器及其復用器板卡和4主標清編碼器及其復用器板卡、4備高清編碼器及其復用器板卡和4備標清編碼器及其復用器板卡。

2臺harmonic高清編碼器和2臺裕寬標清編碼器，分別用于第5頻道主備高清播出通道的HD-SDI至H.264/ASI編碼、主備標清播出通道的SD-SDI至MPEG-2/ASI編碼。

4.高清解碼器和高清SDI光端機

配置7臺國產高清解碼器，支持H.264/ASI至高清HD-SDI解碼。1臺國產高清ASI/TS碼流分析儀，用于高/標清SPTS/MPTS碼流的分析與檢測，支持4K/8K的TS碼流分析，支持ASI IN、IP IN、HD/SD-SDI OUT（嵌入音頻）。4套高清SDI光端機和4個冗余雙電源獨立機箱，用于江都廣電大樓電視播控機房與揚州廣電總臺本部電視播控機房之間雙向傳輸江都頻道高清播出主備PGM/HD-SDI信號，兩個機房之間建設有4根（2根上行+2根下行）光纖傳輸通道。采用一根光纖傳輸一路HD/SD-SDI/ASI信號，光發射機一路輸入，一路環出，光接收機二路輸出，兼容HD/SD-SDI和ASI信號，且HD-SDI、SD-SDI、ASI信號自適應，對HD-SDI信號的傳輸距離可達80KM，并通過了SDI病理碼測試。

五.結語

揚州廣電總臺新建的基于IP+SDI架構的高標清同播系統，為IP+SDI架構時代廣電中心技術系統提供了嶄新的基礎架構支撐，該系統配置的IP高清總控矩陣采用SDN架構，支持SMPTE ST 2110，兼容無壓縮4K-IP信號，支持4K-IP UHD/12G-SDI信號的調度與切換，并可根據臺內4K UHD制播業務需求進行4K UHD/12G-SDI信號調度與切換規模的無縫擴展。為實現高標清同播，采取將每個高清頻道主備播出信號下變換成標清信號，作為對應標清頻道的主備播出信號，確保了主備播出信號切換控制系統和傳輸鏈路的簡潔可靠。本文以系統設計與運維人員視角，所介紹的基于IP+SDI架構的高清播總控系統設計與建設情況，希望能夠給兄弟臺同行帶來啟發。