AoIP+基帶架構廣播播控技術的應用

王相增

（泰安市廣播電視臺，山東 泰安 271000）

0 引言

隨著廣播電視業數字化、網絡化、高清化進程不斷推進，傳統模擬音視頻技術逐漸顯露出傳輸容量有限、抗干擾能力差等弊端，已經很難適應當代廣播電視制作和傳輸對高質量、高可靠性的需求。在這種背景下，網際互連協議（Internet Protocol，IP）化技術為廣播電視傳輸系統提供了新的應用方向?；贗P 的數據包傳輸方式IP 化音頻（Audio over IP，AoIP），具有容量大、抗干擾強等優勢，可實現不同格式音視頻信號的傳輸與處理，非常適合在廣播電視環境下使用。尤其是在廣播電視基帶架構層，AoIP 技術可充分發揮作用，完成從采集端到發射端各環節的音視頻傳輸任務。文章擬通過闡釋AoIP 技術原理、分析基帶架構特征，重點探討AoIP 在基帶架構中的具體應用效果，以期為行業推廣AoIP 技術提供參考借鑒。

1 AoIP 技術概述

1.1 AoIP 定義及通行標準

AoIP 技術在國內外均沒有統一的標準。業界組織和企業紛紛制定和推廣各自的AoIP 技術規范，形成多元化的技術生態。國際上AoIP 技術標準主要有AES67 和RAVENNA 兩大類。AES67 是美國音頻工程學會（Audio Engineering Society，AES）推出的公開標準，用于以太網音頻流互，定義了音頻信號在IP 網絡上傳輸的通用模式，使得不同廠家的網絡音頻設備可以互聯互通。AES67 標準采用通用的IP 包結構，支持各種音頻信號格式，可直接在標準以太網交換機上運行，非常適合在專業音頻系統中使用。RAVENNA 是ALC NetworX 公司推出的實時數字媒體網絡技術規范，利用IP 標準封裝音視頻流，實現低延時穩定傳輸，可應用于要求高可靠性和靈活性的專業廣播系統。目前，AES67 標準和RAVENNA 規范廣受行業認可，成為廣播電視傳輸IP 化改造的首選技術方案[1]。

1.2 AoIP 的應用優勢

相較于傳統依賴專用線纜的模擬音視頻傳輸方式，AoIP 技術具有明顯的技術優勢，在廣播電視播出系統中具有廣闊的應用前景。首先，AoIP 系統基于標準以太網構建，可提供10 Gb·s-1的巨大網絡信道容量，完全滿足高清甚至更高規格制作信號的傳輸需求，可利用優先級與時延控制等機制實現毫秒級的傳輸延遲，基本達到廣播級別的超低延遲要求。其次，AoIP 支持AES67、RAVENNA 等公開協議的AoIP 設備直接互聯互通，實現多廠商設備無縫銜接和兼容共用，大大簡化了系統集成過程。IP網絡可構建備份冗余架構，AoIP 關鍵設備也可配置熱備機制，從根本上提高系統可靠性，還可實現基于標準網絡對音視頻流進行靈活分布式處理，打破傳統集中矩陣的限制，部署更加靈活。AoIP 系統可按需擴充網絡帶寬、節點數量等，同時IP 化也可降低設備成本，減少布線，是建設靈活高效、可靠可擴展的未來廣播系統的理想技術選擇。

2 基帶架構的廣播播控系統

2.1 系統架構概述

基帶架構是當前廣播電視系統中應用最廣的技術方案，系統架構可劃分為制作層、基帶核心層和發射層3 個層面。制作層主要包括攝影棚、導播控制室等，通過各類攝像機、錄播機及視頻路由器等設備完成節目制作和導播功能，最終輸出多路高清串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）視頻信號和音頻工程協會（Audio Engineering Society，AES）/歐洲廣播聯盟（European Broadcasting Union，EBU）標準數字音頻信號到基帶層?；鶐Ш诵膶邮钦麄€系統的關鍵，主要包含信號采集編碼設備、流媒體傳輸交換設備、制播自動化系統以及信號編碼轉換設備等。采集編碼設備負責對制作層輸出的SDI/AES信號進行數字化采集和實時編碼壓縮，以降低信號傳輸帶寬需求。流媒體傳輸交換設備在編碼器和解碼器之間提供多路信號的傳輸和交換功能。制播自動化系統實現對信號流程的預編排和自動控制，編碼轉換設備完成信號格式如編碼標準、接口類型等的轉換。經基帶層處理后的信號被送到發射層的發射機房進行數模轉換和頻率調制，形成射頻信號后通過發射天線發送。制作層源信號通過基帶層的采集編碼、流媒體傳輸和轉換處理，最終以無線電信號形式覆蓋發射，其中基帶層處理起著“源匯轉換”的關鍵作用。

2.2 基帶采集和分發

基帶架構中，對源制作信號的數字化采集處理和對壓縮編碼后流媒體的分發傳輸是兩個關鍵過程。在采集端，系統需要使用專業編碼器對高清SDI 視頻信號和AES/EBU 數字音頻信號進行數字捕獲和實時編碼壓縮處理。視頻信號一般采用MPEG-2 或H.264 等影視編碼標準進行壓縮編碼，以減少視頻數據量。音頻信號則采用高級音頻編碼（Advanced Audio Coding，AAC）、動態影像專家壓縮標準音頻層面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III，MP3）等數字音頻編碼算法編碼。采集端編碼器輸出的多路壓縮音視頻碼流經過流媒體傳輸交換設備進行集中和信號流程處理，然后進行對應分發。在分發端，流媒體交換設備根據信號流預配置，將不同編碼器輸出的視頻、音頻碼流分發到對應解碼設備。解碼器對壓縮碼流進行解碼還原，最終轉換并輸出為SDI 視頻和AES/EBU 數字音頻信號，供各類播出系統使用?；鶐硬杉头职l系統需要確保源信號在編碼傳輸全過程中質量無損，編碼處理引入的視頻音頻延遲控制在百毫秒級以內，滿足廣播制作的超低延遲需求[2]。

3 AoIP+基帶架構在廣播播控中的技術應用

3.1 廣播環境AoIP 的部署

在廣播電視環境下部署AoIP 系統，需要打造高帶寬的骨干網絡，建議核心層使用40 Gb·s-1以上設備，采用冗余結構，確保有足夠帶寬資源傳輸高清音視頻業務，充分利用IP 系統的優勢，在核心交換機、時間同步服務器等關鍵節點設備實現雙機熱備機制，并在網絡層面建立多條線路異步冗余，實現單點故障的冗余容錯。還要利用訪問控制列表（Access Control Lists，ACL）策略、虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）隔離及流量控制等方式實現服務質量（Quality of Service，QoS）保障，為關鍵業務劃分優先級，防止非關鍵報文對關鍵流的競爭影響。系統要具有良好的可擴展性，可按需逐步擴充帶寬、節點數量，平滑過渡到全IP 系統，選擇兼容公開標準的設備與軟件，保證不同廠家系統之間互聯互通，提供統一的控制管理接口，實現與上層自動化系統、下層監控系統的無縫連接[3]。

3.2 音視頻流分發處理

在AoIP+基帶架構系統中，對源站輸出的數字化音視頻流進行智能化分發處理是整個系統的核心功能之一。系統可支持SDI 視頻信號和AES 數字音頻信號向流媒體進行編碼轉換，實現不同接口信號向IP 格式的無縫融合。轉換后的音視頻IP 流可進行按需復制分發，一路流源可以多通道服務，按1 ∶N 形式分發至多個終端用戶。系統還可對流媒體內容進行智能分析，處理版權保護、敏感信息過濾等工作。流數據的IP 網絡傳送一般選擇符合行業標準的流媒體傳輸協議，以獲得高效、穩定的傳輸服務質量，在轉發流數據的同時，系統可插入增值處理，對視頻圖像進行裁切、疊加等處理，提供個性化的媒體體驗?？紤]到用戶終端的多樣性，系統可按需對音視頻流進行多屏服務，轉換編碼標準、分辨率和碼率。在流量傳輸中，系統還會實時監控分發鏈路狀態，保證傳輸的質量指標，并可根據網絡流量情況，對流媒體進行智能調度和路徑優化，平衡網絡資源分配[4]。

3.3 系統同步方案

在基于IP 網絡的新型廣播系統中，為了實現各類設備之間的精準同步，可以考慮采取以下技術方案。第一，采用電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）1588精確時間協議（Precision Time Protocol，PTP）進行網絡級別的同步。該協議通過在網絡設備之間交換特殊的時鐘同步報文，實現對時間和頻率的快速鎖定。PTP 協議可以達到微秒級的時鐘精度，完全滿足廣播對高精度同步的要求。第二，采用電影和電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定的2059 標準。該標準為一整套面向媒體行業IP 系統同步的技術規范，定義了同步的協議格式，規定了同步網絡的拓撲、設備類型及管理機制等，可以使不同廠家設備在IP 系統中實現同步。第三，同步以太網是一種主要在物理層實現同步的技術，通過對以太網信號進行編碼，在物理連接上攜帶精準時鐘信息，以達到網絡設備之間的頻率同步。該技術可以與PTP 協議配合使用。第四，全球定位系統（Global Positioning System，GPS）衛星接收。GPS 提供了一種非常精準和統一的時間頻率基準，許多廣播系統會綜合利用GPS 時鐘進行大范圍的系統同步[5]。也可以與PTP 等其他時鐘信號進行組合，實現更高可靠性的同步效果。

4 結語

AoIP 作為一種先進的音視頻傳輸技術，與基帶系統在技術特點和應用場景上高度契合。AoIP 技術在基帶系統各層面的運用，使得音視頻流的處理更加智能化和精細化，有力推動了基帶系統功能的擴展和升級?，F階段，還需進一步推動不同系統之間的兼容互通，深入總結用戶應用反饋。相關技術和產品雖尚未成熟，但其運用已經展現出改造提升傳輸系統的積極效果。這為業內提供了寶貴的技術積累和應用經驗，有助于找到切實可行的系統IP 化途徑。