概述
在当前4K/UHD迅猛发展大背景下，阜阳广播电视台转播车采用超高清广播电视标准，对应大型现场节目制作的目标应用需求，设计为12+4讯道,即12个有线超高清讯道和4个无线讯道，制作核心平台为4K/UHD系统，满足HDR和BT.2020；车内系统设计包含视频、音频、通话、时钟和TALLY系统及系统集成，高清同播时采用4K下变换方式，满足SDR和BT.709，在动态范围及色域上根据流程进行管理。
视频信号传输链路采用UHD无压缩12G基带技术，具有无信号质量损耗、延时量低的优点, 系统构架清晰，安全可靠，信号即插即用，调配灵活，操作直观简捷，维护管理方便。
本车不仅可以单独完成节目制作工作，还可以与信号传输保障车制作系统进行级联，能够承担新闻类直播、体育赛事、综艺晚会、竞技娱乐、专题制作等节目的现场录制和直播等任务,并具有新媒体发布的功能。未来考虑通过增加ST.2110 IP网关的方式可以实现4K/UHD节目IP流的输出。
图1 全车结构图
一．设计原则
1．安全性可靠
转播车的系统构架安全可靠，主要系统不存在单一崩溃点，主要设备配置留有冗余，系统信号具有自动恢复能力，具有合理的监测和排查手段。
2．技术先进性
系统设计着眼于未来几年广播电视事业的发展，并结合本台节目制作、节目发展需求，功能和性能设计上保持与国际视频、音频发展潮流同步，即参考国际大型广播电视制作机构的生产环境、流程和系统配置，保持系统架构技术设计的先进性。
3．网络性
在系统各个环节都采用具备网络功能的设备，无论切换台、矩阵、调音台，还是周边模块都具备本身自己的 Ethernet 或其它网络协议，设计理念符合未来广电中心的集中调度、集中分配、互为备份的设计思路。
4．易用性
系统设计兼顾转播车的操作习惯和使用特点，信号调配灵活，通过计算机界面直观地设置各种设备的参数，操作界面直观简易，使用方便。
5．可扩展可升级性
系统设计具有可扩展可升级性，在保证基本配置的前提下，预留充分的扩展空间，在保证初期系统功能的前提下，预留升级能力，保证在将来相关技术标准统一以后可以进行系统升级。
二．具体设计方案
1．转播车车体
考虑到整个转播车承重、设备安全及驾驶舒适性，车头采用奔驰1842车头，车身采用拖挂式双侧拉箱体结构设计，总长达16米,分技术区、导演制作区、音频区、慢动作区、新媒体制作区等5个功能区。
图2 视频系统框架图
车内装饰材料全部选用阻燃环保型材料，做到“三无”—无污染、无 变形、无异味；“五防”—防尘、防水、防磨、防静电、防电磁干扰。
2．视频部分
视频系统采用4K超高清技术，制作核心设备采用12G-SDI切换台和视频矩阵，工作在4K/UHD模式。
超高清切换台采用Panasonic的Live Production Suite分体架构切换台，通过网关、交叉点、混像切换、管理这四类模块的组合，该切换台拥有2级M/E、4K/12G-SDI信号20入和12出的处理能力，同步基准支持高清三电平同步或模拟黑场。4K节目制作环境下，每级M/E均支持2个高性能键控器和2个PinP功能键，视频输入及输出母线全部支持彩色校正功能。操作面板为冗余电源配置，菜单显示触控面板也可以通过电脑连接切换台WEB页面进行备份。切换台具备两条独立的DSK PGM母线，可以对ME和DSK进行分组及面板分配，同时制作两版节目。
矩阵是系统信号调度的中心，负责应急、录像、监看、辅助输出等信号调配和切换，采用80×80的多码流矩阵，兼容12G/3G/1.5G-SDI等格式。输入信号包括全部UHD和HD信号源，满足节目的应急及录像机录制的输入选择，通过矩阵环接交叉变换设备满足外部4K、高清信号的需求，矩阵还可以通过与跳线器配合,给指定通道提供信号。
系统采用稳定可靠的4K周边系统和高清周边系统。4K的周边功能模块配置主要是12G视分、12G帧同步、12G音频加嵌、12G音频解嵌、12G和3G Quad Link的互转；高清的周边功能模块将参数提高到3G标准，可以方便系统共用，主要模块包括视分、帧同步、音频加嵌、音频解嵌。其它如4K/UHD和HD之间的转换、HDR/SDR转换、BT.2020/709转换，采用独立通道的转换器，分别由矩阵进行路由指派，能够对每个转换的信号进行精细调整，方便信号的灵活调度和输出，具备4个4K 3G QUADLINK外来或4个12G外来或4个高清外来的输入信号处理能力，能够输出4K 3G QUADLINK或12G信号,还可对应高清输出。
输出通道为主备双链路设计，系统无论工作在直播还是录播模式，末级链路无须倒换或重新路由，两种模式下均具备应急倒换及键控器功能，应急通道2选1切换板，具备帧同步、加嵌及键混功能。配置了1台4K字幕机，键源信号和键填充信号分别进行分配后送给切换台和应急通道键混器。车内的主记录系统采用4K/UHD 3840x2160@50p方式，同时也设计了辅助记录系统，能够对讯道信号进行单挂收录，放像机为2台4K单通道，录像机配置为2台4K 4通道和1台4K单通道，可输出4K测试信号。
车内技术区、导播区和音频区的讯道监看采用高清系统（BT.709，SDR，-10dB增益差设置），信号的技术监看采用示波器和4K/UHD（HDR）监视器配合监看PGM信号的播出效果，既可以监看波形和矢量等客观技术指标，还可以监看图像效果等主观感受，同样讯道的光圈调整参考以波形监视器的电平值和监视器的图像输出为共同依据，在制作信号输出策略上，能够根据播出平台的需求，在多种分辨率、色域和动态范围标准中选择2种独立的组合输出。
图3 视频系统
导演区和第二制作区大屏都采用多画面分屏器输出功能，能够最大支持8面大屏和62路子画面输出。
3．音频部分
转播车音频系统采用5.1声道标准设计，满足二级调音及一级调音制作两套节目的需求，满足单声道、立体声以及环绕声节目制作要求。音频系统具备处理足够数量模拟、数字、视频中嵌入的音频信号接入能力，实现转播车与现场之间的话筒拾音、音频信号 返送和音频车级联问题，摄像机话筒通道也可作为信号传输(拾音)的重要补充。
整个音频系统由主备调音台、音频周边设备（音频播放机、音分、模数转换、跳线盘等）及监听设备组成。主调音台采用雅马哈DM2000、备调音台采用雅马哈DM1000，都有足够数量的输入/输出连接到车尾接口板，能同时输出多套节目的信号，主备调音台组成的两个相对独立的制作系统并行的工作方式，接口板上重要音频信号源通过分离器分离后分别输送给主备调音台处理，由主备调音台分别提供相应的PGM信号，主备PGM信号经二选一选择切换送给播出、接口面板和录像机。主调音台可与备用调音台联机实现音频资源共享或二级调音。
整个音频区具有独立的操作空间，与导演制作用断墙区隔。断墙上开设一个双层玻璃观察窗，以便于音频区与导演制作区工作人员的手势交流，音频区右墙壁设有 一个出入门（向内开），方便音频区工作人员的出入同时不会干扰其它人员进出车内。
4．内部通话及TALLY部分
内部通话系统采用clear-com数字矩阵式系统，采用4线式的通话标准，配置 16 个四线和 32 个 IP 端口，2 个两线端口，10 通道四线混合放大器，每通道配备独立电平调节旋钮，可对通道输入输 出电平进行调节。内部通话系统支持手机或平板电脑应用。在车内为导播、备播、二排导播、技术监控、调度、录像、音频和车尾板工位都配置了通话面板，在与车外工作人员的联络上，采用无线半双工对讲方式，将无线对讲基站接入通话矩阵中，车外人员携带对讲机即可与车内工作人员进行通话。内部通话系统支持手机或平板电脑应用。
图4 内部通话系统
为提高系统的可扩展性和制作灵活性，各区域监视器的视频源名显示、Tally指示实现动态管理。通过矩阵和切换台的互联，进入矩阵的源名信息可由切换台跟随显示，信源名称可在所有监视系统上显示出来。Tally系统可实现导演切换提示、应急切换提示等功能，从显示方式上可分为独立显示单元、屏幕分割器及摄像机系统三种方式。
系统中导演区、技术区、音频区和慢动作区监视系统的Tally指示由画面分割器自带UMD功能来实现，主要功能包括信号源名称的显示和字符双色状态的变化，指示主监状态和预监状态。
摄像机系统通过摄像机管理单元，获取Tally指示，将切换台的ME的交叉点信息传输给摄像机，摄像机系统的Tally可以与监视系统Tally同步变化，显示红绿色不同的切换状态。
与外系统级联时，本车支持TSL协议，提供网口对应。作为主车时，这个网口用于指派输出切换台和矩阵的Tally信息；作为从车时，这个网口将联通到Tally服务器，接收主车Tally信息。为了考虑其它子从系统的配置的兼容性，还预留了8组GPI OUT。
5．同步与时钟系统
同步系统采用主备同步加自动倒换的设计方案，主备同步机具有模拟/数字黑场，高清三电平信号的提供能力。主同步机具备数字高清、标清测试信号及音频测试信号模块，自动同步倒换器可以自动切换BB （BLACK BURST黑场同步）信号、TRI-LEVEL高清三电平、Wordclock同步等同步信号。
系统选用BB信号作为主同步源，经过分配提供给系统中的全部设备。考虑到系统的级联使用，预留1路同步基准输入端口，并提供2路同步信号输出到车外接口板，以实现级联时的同步应用。
在4K电视制作系统，由于视频切换台、特技处理、同步机、分割画面显示系统、4K/高清变换等设备对视频信号的处理时间比数字音频的处理时间长，经过不同的处理环节，会造成不同的延时量。为了保证播出/录像、监视/监听的视音频信号的同步对位，可利用数字调音台的数字音频延时功能或在音频系统的适当环节中“插入数字音频延时器” 来对音频进行延时处理，以达到视音频信号的同步。
图5 同步系统图
时钟系统采用GPS时钟信号发生器的设计方案，GPS时钟信号发生器可自动寻找并接收两颗以上的卫星GPS信号进行自动北京时间校时。当遇到阴雨天气或转播车停靠地点无法接收卫星信号时系统时钟由GPS时钟发生器的高频本机振荡器提供，可支持一周以上的稳定精确的时间输出。
GPS时钟信号发生器提供子钟驱动输出和标准EBU时间码输出两种方式。
各个工作区都有相应时钟显示，具备EBU时码输出，导演区、技术区、音频区时钟都具备标准时间、倒计时显示功能。
GPS时钟信号发生器输出的EBU时间码信号经时间码分配器分配到系统的各录像机及音频系统中，以实现绝对时码的记录功能；标准时钟信号、倒计时信号可输出至车外板，用于向转播区、现场导演等有需要的区域提供。
图6 时钟系统图
6．新媒体部分
转播车还配置了一台多铁克流媒体推流服务器，可通过车尾部接口盘上的光纤接入互联网参与网络播出，同时在新媒体区配置 2 台 55 英寸广播级工业屏，用于新媒体推送节目时的制作监看。
7．车内外接口
在转播车的尾部，安装有内外接口盘，内外接口盘都有足够的接口，方便各类视频、音频信号以及通讯、互联网、同步、光纤、电源、控制、天线、TALLY 等信号与车外系统之间迅速地连接；在外接口板上配置矩阵面板、通话面板及小型监视器等，实现对输入输出信号的确认，同时接口板上配置了1台双联数字监视器，输入通道可由矩阵控制面板选择不同的输入源，用来监看进出转播车各种信号。内外接口盘同时具有级联其他 EFP 系统或电视转播车的能力，为系统扩展级联提供预留端口。
8．供电及空调
转播车采用三相五线接入方式，外部供电通过隔离变压器转为单相输出，同时进入3个10KW的UPS和稳压器， UPS采用并机方式。
空调采用4台空调，一台负责机柜和设备冷却，另三台负责整个工作区内的降温，保证车内温度适宜。
三．系统工艺特色
1．4K HDR BT.2020和HD SDR BT.709同播
视频系统能够进行4K/UH D和H D节目的同播制
作，视频制作的主要格式采用4K/U HD，分辨率达到3840x2160@50p，HD格式的同播制作采用4K/UHD的信号下变换。支持HDR（高动态范围）/SDR（标准动态范围），和HDR/SDR转换。HDR采用适合现场制作的HLG标准（混合LOG GAMMA方式），动态范围可达1200%。同时在色域上支持BT.709和BT.2020，以及色域之间的转换。
在4K HDR和HD SDR同播时，采用增益差（8－12dB）的设置。这样可以保证4K/HD同播时，在HDR和SDR显示屏上看到的图像亮度接近。摄像机CCU可以同时输出4K/HDR和HD/SDR的图像，4K/HDR图像接入到切换台和矩阵，进入核心制作系统。为了在技术调整区对HDR图像进行准确的光圈调整，最好的方案是在HDR监视器上直接观看图像效果，但是HDR监视器本身的外形尺寸偏大（24寸以上，无法在技术调整区内进行机架安装）、亮度高（容易造成用眼疲劳）、成本高，因此还不适宜在讯道调整环节直接应用。在技术调整区采用SDR监视器监看光圈调整效果时，需要在SDR监视器上看到的SDR图像效果，与在HDR监视器上看到的HDR图像在亮度感觉上接近。这样就要CCU设定HDR和SDR图像输出的增益差。根据多次实验结果，最终选定10dB增益差的设定，在技术调整区，以这个 -10dB的SDR图像作为亮度参考。
HLG模式可以充分发挥4K摄像机高动态范围的表现力，扩展了拍摄创作的空间，在SDR时代那些尽力避免出现的逆光拍摄等，现在HDR模式下变为可以尝试的新的应用场景。在拍摄强反差图像时，可以利用摄像机提供的可变HLG模式，对固定HLG曲线的暗部GAMMA和亮部拐点做调整，使得图像的动态范围进一步扩展。
可变HLG模式提供了丰富的渐变效果，可以在黑暗图像区域渲染对比度，颜色和阴影，在高亮图像区域增加亮度的过渡控制，还原更真实的图像效果，而这些区域之前无法再现还原。
视频系统的UHD HDR采用BT.2020色域，HD SDR采用BT.709色域，色彩还原的一致性在UHD和HD同播时非常重要。一开始的时候，HD下变换的图像总感觉偏红，我们检查了通道下变换的参数设置，并没有问题。经过和厂家工程师的沟通才发现在摄像机CCU的输出设定中关于色域的选择，而一开始的时候忽略了这个细节，选择的是NORMAL。N0RMAL的色域设定在系统格式选为UHD HDR时，色域空间转换为了BT.2020，但电平值是和709是一样的，这样的结果就使得色彩饱和度高于709。这样在下变换通道出来的HD信号出现了颜色偏红的现象。根据厂家工程师对参数设定的说明，已及在实践中的反复尝试，我们最终在NORMAL、WIDE_G和WIDE_G2中选择了WIDE_ G的色域设定。
这个设定保证了2020和709色彩的一致，最终确保UHD和HD图像观看的基本一致。在我们台主要播出通道还是高清的情况下，这个设定非常合适。
2．4K/UHD 12G-SDI信号传输
车内视频信号传输采用12G-SDI标准，能够以基带信号传输无压缩的4K/UHD信号。在系统级联和信号扩展方面，充分考虑4K/UHD信号标准的多样性，保留12G、3G Quad Link接口。
12G-SDI信号接口与现在通用的3G/HD-SDI信号接口相同，主流的线缆和接插件供应商CANARE和BELDEN都已经拥有成熟的12G-SDI产品。以CANARE产品为例，12G的超低损耗电缆可以传输102米。在多段连接的信号测试中，
经过40段输入再输出的信号眼图仍能清晰分辨。这样采用12G-SDI信号传输标准的视频系统，在集成中可以沿用视频基带系统多年积累的链路设计和使用经验。
视频信号从采集到处理、分配和传输时，会通过多段线缆和多个设备，要对信号质量进行保证。我们在如下的多段线缆的连接测试中，将信号发生器输出的12G-SDI信号，采用1米电缆从矩阵的输出连接到输入，经过40段后接到示波器上进行观测，这时的12G-SDI信号眼图仍能清晰分辨。
12G-SDI信号在通过无源的线缆、双通和跳线盘的设备时，会发生信号衰减，衰减后线缆的传输距离会变短。通过如下的测试，可以看到对应各种传输路径时，通过无源设备和线缆的衰减后，总的信号增益仍然可以控制在正值，即信号质量没有影响。为了让UHD输出通道尽量减少跳线盘和双通等环节带来的信号衰减，我们特意只保留了12G DA的1个跳线通路用于检测板卡的状态，而用其它不经过跳线的端口进行输出。
四．综述
整个转播车的设计是一个复杂系统工程，涉及到广电节目制作各环节，整个项目经过多方论证修改，根据我台实际情况，最终确定设计方案。整车与2020年7月底完成集成、测试，并投入使用，目前转播车工作稳定，画面质量较佳，达到设计要求。B&P