【摘要】 2012年，SMPTE出臺(tái)了SMPTE 2022-6標(biāo)準(zhǔn)，該指定了通過IP技術(shù)傳輸高比特率無壓縮信號(hào)的規(guī)范。近兩年，業(yè)界廠商都紛紛推出了支持SMPTE 2022-6標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。本文使用草谷公司推出的一系列IP化設(shè)備，對(duì)IP化后的系統(tǒng)延遲量進(jìn)行了測(cè)試和研究。

　　【關(guān)鍵詞】 SDI-over-IP  SMPTE 2022-6  HBRMT  Timing Analysis

1.緒論

　　1.1.電視節(jié)目制作和播出系統(tǒng)構(gòu)架現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，傳統(tǒng)的廣播電視行業(yè)也隨之進(jìn)入了新的時(shí)代。從標(biāo)清、高清到3D、4K、8K（UHD-1、UHD-2），廣播電視技術(shù)的信號(hào)處理能力越來強(qiáng)，對(duì)于信號(hào)傳輸鏈路的要求也越來越高。目前傳統(tǒng)廣播電視廣泛采用的同軸電纜，其數(shù)據(jù)傳輸量已經(jīng)不能滿足目前4K分辨率下的信號(hào)傳輸要求。

　　作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)之一的數(shù)字技術(shù)，目前已經(jīng)成為廣播電視技術(shù)的核心部分，推動(dòng)著電視廣播技術(shù)發(fā)生變革。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，新媒體的興起也對(duì)傳統(tǒng)廣播電視內(nèi)容采集和制作、信號(hào)處理、用戶接受模式提出了更高的要求。傳統(tǒng)廣播電視產(chǎn)業(yè)正面臨許多挑戰(zhàn)，很多技術(shù)都是來自于互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

　　2012年，SMPTE出臺(tái)了SMPTE 2022系列的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了如何通過IP方式傳輸高質(zhì)量視頻信號(hào)。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(hào)（包括3Gbps 1080p視頻信號(hào)）而不把信號(hào)壓縮為MEPG-2流傳輸。

　　該標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)打破了兩種技術(shù)之間的壁壘，使得在現(xiàn)有廣播電視基礎(chǔ)上通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸未壓縮的視頻信號(hào)成為可能。

2.基于SMPTE2022-6的SDI-IP和IP-SDI轉(zhuǎn)換延遲研究

　　為滿足目前現(xiàn)行直播電視節(jié)目制作的技術(shù)需求，基于IP的制作系統(tǒng)及SDI-IP和IP-SDI轉(zhuǎn)換應(yīng)滿足低延遲的技術(shù)特性。本節(jié)對(duì)SDI-IP和IP-SDI轉(zhuǎn)換延遲的理論值進(jìn)行了分析。

　　在現(xiàn)有SDI信號(hào)系統(tǒng)中，高清1080iSDI信號(hào)通過同軸電纜傳輸時(shí)，每100米同軸電纜會(huì)產(chǎn)生約600納秒的延遲，通過矩陣則會(huì)產(chǎn)生約300納秒的延遲。以下圖中SDI信號(hào)系統(tǒng)信號(hào)鏈路所示，攝像機(jī)采集輸出的信號(hào)源，通過SDI傳輸至高清視頻矩陣后接入切換臺(tái)，此時(shí)估算系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生約1.5微秒的延遲：

圖1  SDI信號(hào)系統(tǒng)延遲

　　根據(jù)SMPTE 259M標(biāo)準(zhǔn)，可以知道高清視頻信號(hào)在1080i59.94和1080i50信號(hào)的一些信息，如下表：

表1高清視頻信號(hào)格式

根據(jù)SMPTE2022-6標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出IP信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)包參數(shù)，如下表：

表2高清視頻IP信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)包參數(shù)

　　當(dāng)使用SMPTE2022-6標(biāo)準(zhǔn)將1080i50高清視頻的SDI信號(hào)轉(zhuǎn)化為IP信號(hào)時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含550.4個(gè)像素點(diǎn)的視頻信號(hào)，信號(hào)發(fā)送端首先需要緩存550.4個(gè)像素點(diǎn)，再將這些緩存的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化成一個(gè)IP數(shù)據(jù)包，這樣在高清視頻SDI信號(hào)轉(zhuǎn)化為IP信號(hào)時(shí)，相比使用基帶信號(hào)直接傳輸就產(chǎn)生了一個(gè)約為7.41微秒的延時(shí)。

　　而當(dāng)使用SMPTE2022-6標(biāo)準(zhǔn)將高清視頻的IP信號(hào)轉(zhuǎn)換為SDI信號(hào)時(shí)，考慮到網(wǎng)絡(luò)可能存在的延遲，需要至少提前緩存3個(gè)數(shù)據(jù)包以上，再將數(shù)據(jù)包中的信號(hào)轉(zhuǎn)換為SDI信號(hào)，所以該緩存至少會(huì)產(chǎn)生約為22.23微秒的延時(shí)，并且該延時(shí)會(huì)根據(jù)緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量而增大。

圖2 SDI-IP-SDI信號(hào)鏈路延遲

　　如上圖所示，所以整個(gè)SDI-IP-SDI信號(hào)鏈路會(huì)產(chǎn)生約為29.64微秒的延遲量。但是一般情況下IP信號(hào)都會(huì)通過萬兆光纖交換機(jī)進(jìn)行信號(hào)路由，根據(jù)思科公司的測(cè)試研究，現(xiàn)有COTS萬兆交換機(jī)的延遲應(yīng)當(dāng)為1-3.5微秒不等，總體延時(shí)量接近1行。

　　綜上所述，SDI及IP信號(hào)轉(zhuǎn)換的SDI-IP-SDI信號(hào)鏈路中，總體將產(chǎn)生接近1行的延遲，該延遲量完全可以滿足目前現(xiàn)行直播電視節(jié)目制作的技術(shù)需求，具有可行性。

3.基于SMPTE2022-6的系統(tǒng)延遲測(cè)試

　　目前針對(duì)SMPTE 2022-6標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界廠商相繼推出了符合該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備與解決方案。草谷（Grass Valley）公司針對(duì)目前市場(chǎng)上IP化傳輸?shù)男枨?，推出了一系列支持SMPTE 2022-6標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)廣播電視設(shè)備，包括攝像機(jī)、切換臺(tái)、矩陣、服務(wù)器和畫面分割器等。這些設(shè)備同時(shí)支持基帶信號(hào)處理，客戶可以根據(jù)需求輕松遷移到IP化系統(tǒng)。

　　本文使用草谷公司新推出的高碼率視頻IP化傳輸系列設(shè)備，設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)延時(shí)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)中使用的設(shè)備如下表所示：

表3測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)備清單

　　本測(cè)試中核心系統(tǒng)連接圖如下圖：

圖3測(cè)試系統(tǒng)連接圖

　　其中紫色線纜為使用同軸電纜傳輸?shù)腟DI信號(hào)，綠色線纜為使用SC光纖傳輸?shù)腎P視頻信號(hào)，藍(lán)色線纜為5類網(wǎng)線傳輸?shù)目刂菩盘?hào)。

　　3.1.切換臺(tái)輸入延時(shí)測(cè)試（幀級(jí)）

　　該測(cè)試目的是測(cè)試IP信號(hào)相對(duì)于SDI信號(hào)的幀級(jí)延時(shí)情況。前文中計(jì)算了SDI-IP-SDI鏈路的理論延遲量，本測(cè)試用來測(cè)試切換臺(tái)SDI輸入信號(hào)與IP輸入信號(hào)比較從而確定是否延時(shí)了一幀或以上。

　　通過HMP-1801板卡播放一個(gè)帶時(shí)碼的高清視頻信號(hào)，將SDI信號(hào)分別接入切換臺(tái)輸入和IPG-3901板卡輸入，通過切換臺(tái)內(nèi)置畫面分割器輸出至監(jiān)視器，通過相機(jī)照相，比較每個(gè)畫面的時(shí)碼，可以確定兩路信號(hào)是否在同一幀。

　　測(cè)試結(jié)果如下圖：

圖4切換臺(tái)輸入延時(shí)測(cè)試結(jié)果圖

　　在圖中我們可以看到HMP信號(hào)和HMP-IP信號(hào)的時(shí)碼完全一致，說明HMP通過SDI接入切換臺(tái)的信號(hào)和通過IPG-3901轉(zhuǎn)換為IP信號(hào)后接入切換臺(tái)的信號(hào)延時(shí)量小于一幀。

　　3.2.切換臺(tái)輸入延時(shí)測(cè)試（行級(jí)）

　　該測(cè)試目的是測(cè)試IP信號(hào)相對(duì)于SDI信號(hào)的行級(jí)延時(shí)情況。前文中計(jì)算了SDI-IP-SDI鏈路的理論延遲量，本測(cè)試用來測(cè)試切換臺(tái)SDI輸入信號(hào)與HD輸入信號(hào)來計(jì)算實(shí)際延時(shí)量和交換機(jī)產(chǎn)生的延遲。

　　攝像機(jī)使用SDI鏈路和IP鏈路通過萬兆交換機(jī)分別接入切換臺(tái)，HMP-1801高清播放板卡信號(hào)使用SDI鏈路，和通過IPG-3901將SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換成為IP信號(hào)后，通過萬兆交換機(jī)接入切換臺(tái)，通過切換臺(tái)Timing Analysis功能觀察每路信號(hào)延時(shí)情況，是否可以正常進(jìn)行切換。

　　其中切換臺(tái)在高清1080i50格式下，SDI輸入信號(hào)Timing Window為±8.68微秒，IP輸入信號(hào)Timing Window為+0~-35.56微秒。測(cè)試結(jié)果見下表：

　　表4切換臺(tái)輸入延時(shí)測(cè)試結(jié)果表

　　由表6可以看出無論是切換臺(tái)SDI信號(hào)輸入小于切換臺(tái)Timing Window，信號(hào)可以正常進(jìn)入切換臺(tái)進(jìn)行切換，而切換臺(tái)IP信號(hào)輸入，由于將SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換為IP信號(hào)時(shí)產(chǎn)生了信號(hào)延遲，超出了切換臺(tái)Timing Window，但是由于切換臺(tái)IP信號(hào)使用了切換臺(tái)Moudle I/O接口，所以SDI信號(hào)和IP信號(hào)可以進(jìn)行混合切換，在切換臺(tái)操作上并無區(qū)別。

　　根據(jù)測(cè)試1和測(cè)試2，可以看出攝像機(jī)使用IP方式通過萬兆交換機(jī)傳送信號(hào)相比傳統(tǒng)SDI信號(hào)延遲4微秒，根據(jù)思科公司的調(diào)研測(cè)試，現(xiàn)有COTS萬兆交換機(jī)的路由交換延遲應(yīng)當(dāng)為1~3.5微秒不等，所以可以知道攝像機(jī)生成符合SMPTE 2022-6標(biāo)準(zhǔn)的IP信號(hào)的延遲約為1微秒左右。由于攝像機(jī)本身生成信號(hào)，所以攝像機(jī)可以通過調(diào)整輸出的Timing來降低延遲。

　　根據(jù)測(cè)試3和測(cè)試4，可以知道使用IPG-3901板卡將SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合SMPTE 2022-6標(biāo)準(zhǔn)的IP信號(hào)再轉(zhuǎn)換回SDI信號(hào)進(jìn)行處理的延遲約為35微秒，在高清1080i50格式下一行的時(shí)間是35.56微秒，所以使用IPG-3901板卡將SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合SMPTE 2022-6標(biāo)準(zhǔn)的IP信號(hào)延遲約為1行，符合SDI-IP-SDI信號(hào)流程的理論延遲量。

　　根據(jù)測(cè)試4和測(cè)試5，可以知道HMP-1801板卡信號(hào)通過交換機(jī)后比不通過交換機(jī)延遲了約2微秒，可以證明思科交換機(jī)交換信號(hào)所產(chǎn)生的延遲約為2微秒，符合思科公司調(diào)研產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

4.總結(jié)

　　本文使用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試系統(tǒng)的搭建及測(cè)試。測(cè)試表明，現(xiàn)有系統(tǒng)可以基于IP完成電視節(jié)目制作的信號(hào)傳輸及路由切換，其信號(hào)轉(zhuǎn)換及處理延時(shí)小于一幀，可以滿足目前節(jié)目處理的實(shí)時(shí)性需求，具有應(yīng)用價(jià)值及可行性。

　　本文只是針對(duì)現(xiàn)有基于SMPTE2022-6標(biāo)準(zhǔn)的部分設(shè)備，后續(xù)草谷公司還會(huì)推出更多支持該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，所以后續(xù)仍有大量的后續(xù)工作需要完成，隨著基于該標(biāo)準(zhǔn)的IP設(shè)備的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)會(huì)更加成熟和靈活。

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