王世娜

（中央廣播電視總臺(tái)，北京 100040）

0 引言

串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）技術(shù)作為一種基于串行數(shù)字信號(hào)的傳輸技術(shù)，具有高帶寬、高可靠性和高質(zhì)量的特點(diǎn)。隨著4K、8K 超高清電視快速普及，5G、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等信息技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，廣電行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入媒體深度融合、新技術(shù)應(yīng)用層出不窮的高速發(fā)展階段。廣電網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）化被視為實(shí)現(xiàn)廣電行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。2021 年11 月，《廣播電視和網(wǎng)絡(luò)視聽 “十四五” 科技發(fā)展規(guī)劃》正式印發(fā)，規(guī)劃提出要 “建設(shè)新平臺(tái)” ，這個(gè) “新” 體現(xiàn)在廣電媒體平臺(tái)的IP 化、云化、融合化、智慧化上，標(biāo)志著廣電行業(yè)從傳統(tǒng)技術(shù)布局向全面向IP 化戰(zhàn)略格局轉(zhuǎn)變。

1 SDI 技術(shù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及在廣播電視行業(yè)的優(yōu)勢(shì)和局限性

1.1 SDI 技術(shù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

SDI 是廣播電視行業(yè)常用的數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)，采用串行傳輸方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的音視頻信號(hào)傳輸。SDI 技術(shù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要包括信號(hào)源、編碼器、傳輸介質(zhì)、解碼器和顯示設(shè)備等幾個(gè)關(guān)鍵組成部分。信號(hào)源是指廣播電視行業(yè)中產(chǎn)生音視頻信號(hào)的設(shè)備，如攝像機(jī)、錄音機(jī)等。這些設(shè)備將采集到的音視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過編碼器進(jìn)行壓縮編碼，以便更好地傳輸和儲(chǔ)存。編碼器是將信號(hào)源產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼的設(shè)備，主要采用一些先進(jìn)的視頻編碼算法，如H.264、MPEG-2等，將數(shù)字信號(hào)壓縮成更小的數(shù)據(jù)量，從而減少傳輸帶寬和存儲(chǔ)空間的占用。傳輸介質(zhì)是指?jìng)鬏擲DI信號(hào)所使用的物理媒介，一般采用同軸電纜或光纖等。同軸電纜具有良好的抗干擾能力和傳輸距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，適用于短距離傳輸；光纖具有更高的帶寬和更遠(yuǎn)的傳輸距離，適用于長(zhǎng)距離傳輸。解碼器是將傳輸過來的SDI 信號(hào)進(jìn)行解碼還原的設(shè)備，能夠?qū)嚎s編碼后的數(shù)字信號(hào)解碼成原始的音視頻信號(hào)，并通過顯示設(shè)備進(jìn)行播放或顯示。顯示設(shè)備是將解碼后的音視頻信號(hào)進(jìn)行播放或顯示的設(shè)備，如電視、顯示器等，能夠?qū)⒔獯a后的信號(hào)還原成人眼可識(shí)別的圖像和聲音。

1.2 SDI 技術(shù)在廣播電視行業(yè)的優(yōu)勢(shì)

SDI 技術(shù)在廣播電視傳輸中具有高清晰度和高質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。通過使用數(shù)字信號(hào)傳輸，SDI 能夠保證視頻和音頻的高保真?zhèn)鬏敚苊饬四M信號(hào)傳輸過程中的損耗和干擾，能夠保證視頻的清晰度和準(zhǔn)確性。這對(duì)于廣播電視行業(yè)來說非常重要，因?yàn)橛^眾對(duì)于高清晰度的視頻有著越來越高的要求。

SDI 技術(shù)在廣播電視傳輸中具有穩(wěn)定性和可靠性。SDI 接口技術(shù)采用差分信號(hào)傳輸，能夠有效地抵抗傳輸過程中的噪聲。SDI 技術(shù)還支持糾錯(cuò)功能，能夠自動(dòng)檢測(cè)和修復(fù)信號(hào)中的錯(cuò)誤，提高傳輸?shù)目煽啃?。這對(duì)于廣播電視行業(yè)來說非常關(guān)鍵，因?yàn)閺V播電視節(jié)目需要長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)傳輸，對(duì)于傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性要求較高。特別是在直播和實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱?chǎng)景下，SDI 技術(shù)更顯優(yōu)勢(shì)。

1.3 SDI 技術(shù)在廣播電視行業(yè)的局限性

SDI 線纜傳輸距離有限制，其傳輸距離一般不超過100 m。這對(duì)于一些需要長(zhǎng)距離傳輸?shù)膱?chǎng)景來說是一個(gè)限制。SDI 信號(hào)是單向傳輸?shù)?，傳?00路信號(hào)需要200 根線纜，導(dǎo)致線纜過多。電視臺(tái)的播出機(jī)房?jī)?nèi)會(huì)有幾百甚至上千條SDI 線纜，增加了布線和維護(hù)難度。SDI 線纜故障時(shí)，處理方式通常是增加一條新線而不是替換掉故障線纜。

SDI 接口缺乏網(wǎng)絡(luò)化的特性。在當(dāng)今信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，廣播電視行業(yè)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化的需求越來越高。SDI 接口并不支持網(wǎng)絡(luò)傳輸，限制了其在一些網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用場(chǎng)景中的應(yīng)用。

SDI 線纜傳輸高清數(shù)字電視信號(hào)沒有問題，但是隨著廣播電視行業(yè)的發(fā)展，SDI 很難勝任超高清電視信號(hào)的傳輸。傳統(tǒng)SDI 逐漸成為超高清內(nèi)容生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。特別是在4K 電視節(jié)目制播流程中，傳輸一路4K 超高清信號(hào)需要4 根3G-SDI 線纜，對(duì)設(shè)備接口要求太高，且電纜過多會(huì)造成維護(hù)困難。盡管單根12G-SDI 線纜已經(jīng)出現(xiàn)，但是高昂的價(jià)格使其距離實(shí)用階段還遙遙無期。SDI 技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展緩慢，制播網(wǎng)和分發(fā)網(wǎng)技術(shù)不統(tǒng)一，難以應(yīng)用虛擬化、云化等先進(jìn)的技術(shù)來提升節(jié)目?jī)?nèi)容的生產(chǎn)制作效率[1]。

因此，要發(fā)展4K 超高清數(shù)字電視，只能放棄SDI 架構(gòu)從而轉(zhuǎn)向IP 技術(shù)。

2 廣播電視行業(yè)中的IP 技術(shù)以及應(yīng)用

2.1 IP 技術(shù)簡(jiǎn)介

IP 是一種用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議。IP 信號(hào)雙向傳輸，有利于提高端口利用率，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備硬件小型化。IP 信號(hào)采用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)匯聚轉(zhuǎn)發(fā)，使得系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，邏輯架構(gòu)更靈活。一對(duì)光纖傳輸信號(hào)帶寬由光模塊決定，單鏈路能承載多路信號(hào)，能有效地提高線路利用率，系統(tǒng)集成和維護(hù)起來更簡(jiǎn)單。光信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制作，多系統(tǒng)級(jí)聯(lián)更加方便。

2.2 IP 技術(shù)在廣播電視中所具備的優(yōu)勢(shì)

不同于傳統(tǒng)SDI，IP 技術(shù)帶來了全新的信號(hào)傳輸和信號(hào)調(diào)度方式，同時(shí)兼容壓縮與非壓縮信號(hào)，無論是無壓縮的超高清、高清、標(biāo)清視頻信號(hào)，還是壓縮的MPEG-2、H.264 等信號(hào)都能正常傳輸[2]，有利于進(jìn)一步利用現(xiàn)有運(yùn)營商的基礎(chǔ)干線和傳輸資源。IP 信號(hào)雙向傳輸，可以提高端口利用率，節(jié)省資源，促使設(shè)備硬件可以逐步小型化。采用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)匯聚轉(zhuǎn)發(fā)，采用數(shù)據(jù)中心堆疊的方式，使得系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定且邏輯構(gòu)架相對(duì)靈活，擴(kuò)展以及升級(jí)非常方便。傳輸信號(hào)由光模塊帶寬決定，單鏈路承載多路信號(hào)，有效提高線路利用率，使得系統(tǒng)集成和維護(hù)起來相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.3 IP 技術(shù)在廣播電視中的應(yīng)用

SDI over IP 路由矩陣完全可以替代傳統(tǒng)SDI矩陣。這種IP 化矩陣是建立在IP 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的SDI 矩陣，采用IP 交換機(jī)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN），在SDN 的控制和管理下，通過IP 交換機(jī)來完成傳統(tǒng)SDI 矩陣的切換功能。SDN 能夠?qū)鹘y(tǒng)基帶矩陣和IP 矩陣統(tǒng)一管理，讓它們看上去就如同一個(gè)矩陣系統(tǒng)一樣運(yùn)行[3]。SDI over IP 路由矩陣具有SDI 輸入與輸出接口，可以將SDI 基帶信號(hào)實(shí)時(shí)打包為IP 數(shù)據(jù)包，在以太網(wǎng)中進(jìn)行傳輸。IP 矩陣可以實(shí)現(xiàn)所有的信號(hào)在任意輸入輸出間的調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)帶寬可以支持傳輸多路SDI over IP 數(shù)據(jù)。SDI over IP 路由矩陣能夠同時(shí)支持對(duì)于SDI 信號(hào)和IP 信號(hào)的管理，工作人員并不需要關(guān)心信號(hào)的類型，只需要依照以往的操作模式進(jìn)行操作[4]。

通過IP 化制播網(wǎng)，傳統(tǒng)媒體可以彌補(bǔ)自身短板，與新媒體融合，實(shí)現(xiàn)信息交互和多屏；同時(shí)可以充分利用新興技術(shù)，共享資源，吸收互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。IP 化制播網(wǎng)的核心是IP 化交換矩陣。IP 化交換矩陣主要由Spine 和Leaf 這兩個(gè)交換層組成，Leaf 層由訪問交換機(jī)組成，匯聚來自服務(wù)器的流量，并直接連接到Spine。Spine 交換機(jī)在全網(wǎng)格拓?fù)渲谢ミB所有Leaf 交換機(jī)。首先，IP 化交換矩陣更加扁平化，能有效縮短服務(wù)器之間的通信路徑，從而降低延遲，可以顯著提高應(yīng)用程序和服務(wù)性能；其次，它更易擴(kuò)展，可以通過增加Spine 節(jié)點(diǎn)數(shù)，解決Spine 交換機(jī)的帶寬不足；再次，可以通過增加Leaf 節(jié)點(diǎn)數(shù)，解決接入連接不足；最后，可以在無環(huán)路環(huán)境中使用全網(wǎng)格中的每個(gè)鏈路并進(jìn)行負(fù)載平衡。這種等價(jià)多路徑設(shè)計(jì)，在使用SDN 等集中式網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)時(shí)處于最佳狀態(tài)。SDN 允許在發(fā)生堵塞或鏈路故障時(shí)簡(jiǎn)化流量的配置，管理和重新分配路由，使得智能負(fù)載均衡的全網(wǎng)狀拓?fù)涑蔀橐粋€(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的配置和管理方式。在Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的助力下，IP 化交換矩陣因其可擴(kuò)展性、高可靠性和高性能備受青睞。

3 IP 化對(duì)廣播電視行業(yè)的挑戰(zhàn)以及解決策略

傳統(tǒng)的SDI 系統(tǒng)中，SDI 的信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，從一端到另一端，僅需要簡(jiǎn)單的連接就能連通。在故障排查方面遵循簡(jiǎn)單邏輯，能快速排查到故障點(diǎn)。但是在IP 系統(tǒng)中，信號(hào)都是以交換機(jī)作為傳輸核心，除了保證線纜連通外，還需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。在排查故障時(shí)，如果故障涉及交換機(jī)、終端設(shè)置錯(cuò)誤，需要具備一定網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的人員完成。同樣，在IP 化以前，系統(tǒng)的應(yīng)急手段在理論上易于理解，在邏輯上明確清晰，應(yīng)急流程可規(guī)范化，從而可降低操作難度，并且在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證后證明有效，如以備路代替主路或者備份設(shè)備代替在用設(shè)備、物理跳線、設(shè)備重啟等。系統(tǒng)IP 化后，上述措施大部分失效，取而代之的是需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路和設(shè)備進(jìn)行流量分析、端口分析、路徑分析及數(shù)據(jù)包分析等，進(jìn)行一系列互聯(lián)網(wǎng)層面的分析和排查。當(dāng)面臨緊急情況，廣播電視行業(yè)安全播出保障人員必須具備很強(qiáng)的排除故障能力、有效應(yīng)急能力，因此需要培訓(xùn)一批懂網(wǎng)絡(luò)、懂IP 的廣播電視行業(yè)從業(yè)人員。此外，基于大數(shù)據(jù)和AI 技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控、故障判斷以及定位[5]。

4 結(jié)語

廣播電視行業(yè)正逐步實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的SDI 到IP的轉(zhuǎn)變。IP 化的精髓是，不同的信號(hào)可以共享同一個(gè)IP 平臺(tái)，不同的信號(hào)可以共享同一個(gè)鏈路。與傳統(tǒng)線性的、從左到右的SDI 不同，IP 化系統(tǒng)是非線性的，使得系統(tǒng)能更加靈活，有助于提升傳輸效率，降低成本。IP 技術(shù)以其多樣的兼容性、靈活的數(shù)據(jù)交換方式、龐大的帶寬，為廣播電視行業(yè)全媒體融合平臺(tái)提供了有效的解決方案。