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SDI Over IP 相關標準及技術簡介

  • 詳細介紹

    1、電視中心基礎架構IP化背景

    伴隨業務的發展、新媒體的不斷拓展、高清化網絡制播的發展,廣播電視中心從節目制作播出到節目傳輸中的以SDI基帶視頻接口和專用SDI數字視頻矩陣為基礎的技術架構,已難以滿足未來技術和業務擴展的發展需求,實現基礎架構IP化,將IP與SDI技術架構相互融合,勢在必行。

    電視中心IP化主要分為三個階段:

    第一個階段:傳輸級IP化,即業務控制流和壓縮編碼音視頻的IP化;

    第二個階段:無壓縮音視頻IP化,即總控交換級的IP化,SDI矩陣將被替代;

    第三個階段:全流程無壓縮音視頻IP化,即采集、制作、播出、存儲、傳輸、分發全流程的無壓縮音視頻IP化,節目質量、制播流程將出現重大變化。

    目前第一個階段已經在現有系統中得到廣泛應用,第二個階段的標準化工作也有長足進展,但還面臨著鏈路帶寬不足、系統交換能力瓶頸、可用設備少等問題,在第三個階段則需要更強大的IT基礎設施的支持。

    IP化框架技術標準兩大陣營:

        IBC2014展會,IP框架下兩個技術標準呈現以SMPTEAVB為代表的兩個陣營,并已經進入產品化階段。

    SMPTE為代表的廣電設備制造商包括Sony、Grass Valley、Evertz、Imagine、Harmonic、Snell、Panasonic、ROSS、NEC、EVS等。

    AVB為代表的廣電設備制造商包括Axon、Avid、BARCO、Dolby、YAMAHA、SENNHEISER、SHURE、RIEDEL等。

    各設備廠商IBC2014展會上都不同程度推出了他們的相關產品。AVB偏重于電視制作領域,而SMPTE在廣電播出傳輸領域更具優勢,以下我們將介紹關于SMPTE ST2022標準及相應SDI over IP實現方法。

     

    2、IP化封裝標準

    過去在IP層的解決方案中,并未對SDI信號封裝做處理,僅僅把以太網絡作為數據的傳輸通道來使用,在SMPTE ST2022標準系列中,對IP傳輸標準進行了相關定義。

    SMPTE ST 2022-1:2007:IP網絡實時視頻/音頻前向糾錯

    Forward Error Correction for Real-Time Video/Audio Transport Over IP Networks)

    定義行/列前向糾錯包的IP視頻流。行/列前向糾錯包通過分組IP視頻數據包到邏輯行和列,然后在每一行和每一列添加一個前向糾錯包。如果在一行或一列中一個包丟失,數據包中的數據,可以使用前向糾錯包的內容完全重新創建。這種方法允許冗長的數據包丟失。

     

    SMPTE ST 2022-2:2007:IP網絡恒定碼率MPEG TS流單向傳輸

    Unidirectional Transport of Constant Bit Rate MPEG-2 Transport Streams on IP Networks)

    定義恒定碼率CBR的MPEG TS流視頻壓縮編碼信號的IP封裝格式。這個標準涵蓋傳輸層(RTP和UDP)并注釋實時緩沖區大小。

     

    SMPTE ST 2022-3:2010:IP網絡可變碼率MPEG TS流單向傳輸

    Unidirectional Transport of Variable Bit Rate MPEG-2 Transport Streams on IP Networks) 

    定義可變碼率VBR的MPEG TS流視頻壓縮編碼信號的IP封裝格式,但受限于分段常數變量信息。

     

    SMPTE ST 2022-4:2011:IP網絡非分段常數可變碼率MPEG TS流單向傳輸

    Unidirectional Transport of Non-Piecewise Constant Variable Bit Rate MPEG-2 Streams on IP Networks)

    定義可變碼率VBR的MPEG TS流視頻壓縮編碼信號的IP封裝格式,并不受限于分段常數變量信息。

     

    SMPTE ST 2022-5:2012:IP網絡高碼率媒體信號傳輸前向糾錯

    Forward Error Correction for High Bit Rate Media Transport Over IP Networks) 

    定義了一種可以在發生網絡傳輸錯誤時進行前向糾錯恢復的方法。這些方法是經過專門選擇,用于高碼率視頻信號(Gb/s或更高碼率)。

     

    SMPTE ST 2022-6:2012:IP網絡高碼率媒體信號傳輸

    Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT)) 

    定義了一個統一的數據映射格式,依據實時傳輸協議、精確時鐘同步協議、用戶數據包協議、網絡分組管理協議等協議構成的元數據,定義SDI信號的IP封裝格式協議,支持多種HD-SDI和3G-SDI視頻信號格式。采用這一標準,不同廠商的產品可以發送或接收通過IP網絡分發的高碼率視頻信號。

     

    SMPTE ST 2022-7:2013:IP數據報信號無縫路由切換保護

    Seamless Protection Switching of SMPTE ST 2022 IP Datagrams(approval pending)

        定義兩個流數據包,源到目的地接收者之間自動切換方法(尚待批準)。

     

    3、SDI over IP技術實現及需要解決的問題

    以往我們在電視中心播出、制作中的的VIDEO over IP傳輸,僅僅把網絡作為傳輸通道來使用,對視頻沒有進行IP化封裝,也沒有涉及到SDI信號IP化傳輸。SMPTE ST2022則定義了專業基帶視頻信號IP封裝格式及傳輸標準。要實現SDI over IP技術,需要對SDI信號進行數據化、網絡化改造,并建立完善的網絡傳輸、數據糾錯機制。

    首先要將SDI信號數據化,形成媒體數據段,然后根據SMPTE ST2022-6SMPTE ST2022-5分別形成數據塊文件基于SDI信號編碼數據塊FEC糾錯編碼數據塊,再兩類數據塊封裝成IP數據包,通過以太網傳輸。在接收端進行IP解包、FEC解碼、數據校驗及糾錯、數據文件序列化等,最終完成SDI信號恢復輸出。流程如下圖

    3.1 SMPTE ST2022-6中的SDI信號的IP包分層模型

    數據包封裝層從內到外依次為:以太網SDI信號載荷、HBRMT、RTP、UDP、IP、MAC。

    3.2 SMPTE ST2022 Row/Column FEC(前向糾錯

    FEC前向糾錯,也叫前向糾錯碼,其可增加數據通信的可信度。在單向通訊信道中,一旦錯誤,接收端將無法再請求傳輸。通過FEC就可利用數據進行冗長信息的傳輸,當傳輸中出現錯誤,允許接收端建數據。在SMPTE ST2022-5引入了對文件數據塊的FEC編碼機制,加強對SDI信號編碼數據的恢復能力,從而降低了系統數據錯誤重傳概率。

    如下圖所示,當SDI信號數據化形成媒體數據段,根據SMPTE ST2022-6標準形成數據塊文件:P1、P2、P3、......,同時根據SMPTE ST2022-5標準形成相應編碼數據塊FEC糾錯編碼數據塊FR1(Row FEC)、FC1(Colunb FEC),FR2(Row FEC)、FC2(Colunb FEC),FR3(Row FEC)、FC3(Colunb FEC)......。以P1數據塊文件為例,如果其丟失或錯誤,接收端便可根據其FEC碼FR1、FC1進行數據恢復。此種方法,對于長數據包丟失仍然有效。

    3.3 傳輸帶寬及網絡

    常見SDI信號速率、速率與以太網承載關系


    網絡發展

     綜合以上表格,我們可以看出,新技術需要開發符合SDI數據IP化網絡傳輸的交換設備和接口設備。對于標清信號IP化傳輸,目前網絡狀況基本可以實現,設備成本也已經不高,但技術和設備還有待發展和提高。對于高清和3G信號需要10G以太網絡帶寬,而10G以太網由于價格因素并沒有大規模開始商用,不過價格已經降到可以和SDI傳輸設備相當的水平。以太網發展來看,10G以太網商用普及已為期不遠,最終還要取決于用戶的接口帶寬、價格、網絡可靠綜合因素,而對于100G以太網的應用還有待進一步的發展。

     

    4、信號無縫切換

        SDI信號封裝成IP包后,能方便的從RTP包頭中獲取幀頭的位置,同時從HBRMT的包頭獲取SDI的格式,從而可以通過計數器從幀頭找到切換位置并且同時做信號切換。因此可以針對現有的各種SDI格式做好查詢表并存儲在切換設備中,每行的SDI數據封裝在多個IP包內,因此需要在每行設置切換點且切換點不應跨IP包操作,這種方法僅僅需要在包頭做定義,交換設備無需對整個IP包做數據復制,從而簡化系統軟硬件設計,減少設備硬件動作。

     

    5、信號同步

        除了SMPTE2022標準外,關于IP視頻傳輸網絡另外一個重要內容是全部網元素的時間同步,這對于所有的攝像機和視頻源的同時混合直播十分重要,SMPTE最新發布的SMPTE2059-1,-2標準負責對視頻生產時使用的IEEE 1588 PTP(精密時間協議)標準進行匹配,這些標準是實現全IP視頻廣播網絡的關鍵。

    5.1 IEEE1588的應用

    IEEE 1588主要應用于相對本地化、網絡化的系統,內部組件相對穩定,其優點是標準非常具有代表性,并且是開放式的。由于它的開放性,特別適合于以太網的網絡環境。與其他常用于Ethernet TCP/IP網絡的同步協議SNTP或NTP相比,主要區別是PTP是針對更穩定和更安全的網絡環境設計的,所以更為簡單,占用的網絡和計算資源也更少。

    NTP協議是針對于廣泛分散在互聯網上的各個獨立系統的時間同步協議。GPS(基于衛星的全球定位系統)也是針對于分散廣泛且各自獨立的系統。PTP定義的網絡結構可以使自身達到很高的精度,與SNTP和NTP相反,時間戳更容易在硬件上實現,并且不局限于應用層,這使得PTP可以達到納秒精度。此外,PTP模塊化的設計也使它很容易適應各種高中低端設備。

    IEEE1588標準所定義的精確網絡同步協議實現了網絡中的高度同步,使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信,從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作,使以太網技術所固有的數據傳輸時間波動降低到可以接受的、不影響控制精度的范圍。

    IEEE1588是網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準,采用PTP(精密時鐘同步)協議,其可精確至納秒級別,并且解決了通用以太網延遲時間長和同步能力差瓶頸問題,更加適合用于SDI over IP中解決信號同步問題。

        本例提供一個應用,將一個SMPTE檔用于(IEEE 1588-2008),提供可接受的鎖定時間、抖動和精度,同時提供允許時間碼發生器對如閏秒和從夏時制時間轉到標準時間這樣的時間中斷進行調整的元數據。

    如下圖所示:傳統基帶信號同步采用BB鎖相方式對視頻信號進行同步處理,對于IP網絡高碼率媒體信號則要考慮更適合IP網絡傳輸的網絡同步方式。


    5.2 SMPTE2059簡介

    2015年最新發布的SMPTE2059-1,-2標準IEEE1588協議為基礎,并衍生到廣電領域進行應用。標準定義如下:

    SMPTE ST 2059-1:2015Generation and Alignment of Interface Signals to the SMPTE Epoch 

    定義了從檔行為,為SMPTE定義的各種高標清模擬、數字接口信號生成和校準,允許它們產生任何SMPTE Epoch(1970-01-01T00:00:00TAI)同步的視頻、音頻或時間碼(SMPTE ST 12-1)信號。

    SMPTE ST 2059-2:2015SMPTE Profile for Use of IEEE-1588 Precision Time Protocol in Professional Broadcast Applications 

    定義了主檔行為,為IEEE-1588時間和頻率同步的精確時間協議應用于專業廣環境中進行了SMPTE PTP定義。

        兩個文檔以IEEE-1588為基礎,下圖進行了網絡同步操作的示意。一個PTP消息是一個特殊的包含發送時間戳或接收時間戳的網絡包,這些定義的PTP消息在PTP主時鐘和從時鐘之間周期性的進行交換,從時鐘得到這些時間戳(t1,t2,t3,t4)之后通過計算后能夠實現和主時鐘的同步,同步時間精度在1us之內。由于AV信號的相位起始于一個特殊的時間(SMPTE Epoch),與從PTP進行比較可以產生一個確定相位的AV同步信號,由此可以實現IP網絡傳輸中時鐘和相位的同步。實際應用中可使用單獨網線作為同步線和數據網線一起進行傳輸。

    6、SDI over IP產品

        在這里向大家介紹幾款SDI over IP產品。

    ARTEL DLC450:

    HD-SDI Video Over IP Gateway

    依據SMPTE ST2022-5IP網絡高碼率媒體信號傳輸前向糾錯)和SMPTE ST2022-6 IP網絡高碼率媒體信號封裝傳輸)標準;具有靈活的前向糾錯用戶配置方案和靈活的接受緩沖機制,能夠承受超過3ms信號中斷;支持單播流或多播流;外部SFP光收發接口及RJ45 以太網接口;可通過本地或SNMP協議進行設置及監控。

     

    EVERTZ 3080IPG-HD

    6/12 HD/SD-SDI IP 10GbE Gateway

    基于硬件,非壓縮,支持HD / SD / 3G信號IP封裝和從IP3G / HD / SD SDI解碼。支持以太網接口和10G SFP光接口。640Gb / s組播通道交換結構,允許用戶構建大規模分布式IP路由解決方案。

    另外還有HARRISSEL-4J2KE1-EOS、SEL-4J2KD1-EOS,Multichannel JPEG2000 Compression Over IP(多通道JPEG2000壓縮IP封裝)。

     

    國內SDI over IP網關設備:

        國內生產廠商格非公司的SDI over IP網關設備已研發成功,投入生產,產品可支持多路SDI信號封裝成IP信號,支持信號光纖傳輸。產品符合SMPTE ST2022相關協議標準。

     

     

    結束語:

    SDI over IP技術及產品,對于電視臺在高清化、超高清網絡制播發展及與新媒體融合發展的局面中,必將起到至關重要的作用。另外,結合私有云技術,對異構分布式網絡的效率提升、系統可靠性傳輸等方面也必將發揮其強大的作用。SDI over IP必將成為廣電系統又一次重大技術性變革。







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