【摘要】 以系统设计与运维人员视角，从高清总控系统总体架构设计、SDI高清总控矩阵配置、基带无压缩IP高清总控矩阵配置、高清播出分控系统设备配置等方面，介绍扬州广电总台基于IP+SDI架构的高清播总控系统设计与建设情况。

【关键词】 IP+SDI架构  高清总控系统  高清播出分控系统  SDI高清总控矩阵  IP高清总控矩阵

为了满足未来五年本台高清播总控业务应用需求，扬州广电总台遵循安全可靠、高效实用、开放兼容、先进、可扩展等设计原则，于2021年下半年新建了一套基于IP+SDI架构的5频道高标清同播系统，系统具备完善的冗余备份体系，无单一溃点，应急手段丰富，为IP+SDI架构时代广电中心技术系统提供了崭新的基础架构支撑。

一．高清总控系统总体架构设计

高清总控系统以一套Imagine48×48/SDI高清总控矩阵和一套SDN 24×24HD-SDI/IP高清总控矩阵为核心，辅以Imagine HD-SDI周边设备和Miranda（GV）HD-SDI/IP周边设备，负责调度高清演播室、转播车、央视、分控等全台高清信号。

高清总控系统配置：SDN 24×24/X-Y遥控面板、SDN 24×1单母线遥控面板各一只，SDI 48×48X-Y遥控面板、SDI 48×1单母线遥控面板各一只，遥控面板通过以太网连接矩阵。一只24口千兆交换机作为IP总控矩阵的系统管理交换机，2台系统管理服务器作为IP总控矩阵的主备系统管理服务器（含IP矩阵管理控制软件），3只Miranda（GV）高清/4K超高清IPG网关设备采用输入/输出多功能IP网关卡，每只IP网关卡自带：4个UHD/12G-SDI双向接口或16个HD/1.5G-SDI双向接口，4个25G SFP接口，支持HD/1.5G-SDI信号8入8出、UHD/12G-SDI信号2入2出等模式。1台总控矩阵管理工作站兼作与监控服务器对应的监控工作站，负责总控矩阵的控制、管理和全台高清信号的路由调度并展现各类监控数据信息。

总控工位处配置6块55英寸大屏和5台高清多画面分割器，用于监看总控系统输入/输出信号，高清多画面分割器支持不少于16路HD-SDI（兼容SD-SDI）信号输入和2路HDMI信号输出，1台TEK WFM7200高清数字视频测试仪和1台Wohler高清音频检测仪结合总控矩阵和高清监视器，对高清总控矩阵技监母线输出的HD-SDI信号进行技术监测和监看、监听，可完成眼图、物理抖动、音频信号电平与响度等参数的测量。

高清总控系统周边设备选用Imagine、Miranda（GV）及奥视等产品，信号链路无一单溃点，关键设备支持掉电直通，在各个设备的输入、输出处配有跳线装置，关键节点与线路信号全部送至多画面大屏进行监看。

图1 基于IP+SDI架构的高标清同播系统操控机房照片

二．SDI高清总控矩阵配置

采用48×48SDI高清矩阵，机箱配置主备冗余电源，矩阵支持交叉点断电状态数据保存，输入/输出板卡高标清信号自适应，支持3G-SDI /HD-SDI /SD-SDI/DVB-ASI，支持4K信号（4路3G-SDI）捆绑调度，支持输入电缆均衡，输出支持Re-Clock功能。矩阵支持主备以太网控制和串口控制，支持SNMP协议、外部BB同步和日志记录等。

高清总控矩阵的高清输入信号有：主备2路CCTV信号、主备2路新闻演播室信号、主备2路综艺演播室信号、主备4路光纤信号、主备2路卫星车信号、分控PGM和CLEAN信号、垫片信号、测试信号等，其中，2路CCTV信号、4路演播室信号、3路光纤信号、1路卫星车信号先经过高清帧同步器再进入高清总控矩阵。

高清总控矩阵的高清输出信号有：4路总控信号上电视墙、4路信号去分控SDI切换器、2路信号去新闻演播室、2路信号去综艺演播室、2路信号去制作网、2路信号去新媒体节点机房等。

高清总控矩阵的环通信号有：2路高清延时、2路上变换、2路下变换、2路高清帧同步等。

三．基带无压缩IP高清总控矩阵配置

1．采用基于25G交换机的SDN架构

IP高清总控矩阵采用SDN架构，支持SMPTE ST 2110，兼容无压缩4K-IP信号，硬件以主备2台H3C 25G SDN交换机为路由核心，交换容量4Tbps，转发率2000Mpps，接口具有48个SFP28端口（25G端口），8个QSFP28端口（100G端口），冗余配置2个电源模块和5个风扇模块。支持基于端口的VLAN、基于协议的VLAN、基于MAC的VLAN，最大VLAN数为4094个。支持主备和Equal模式多控制器，支持Openflow多模式切换。支持VxLAN二层互通和VxLAN集中式网关互通、EVPN分布式网关二/三层互通。支持PTP BC模式、3层协议和IGMPv3，具备SDN控制软件授权和SDN组播NAT功能授权。

2.IP信号调度软件

IP信号路由网管调度管理软件可实现软件定义网络、IP信号调度、矩阵切换调度功能，支持SDI OVER IP、TS OVER IP类型信号。采用BS操作模式，中文操作界面，可按传统使用习惯对网络信号数据流进行智能化调度管理，信号全流程图形化、可视化便捷操作。支持全端口组播NAT管理，管理软件基于Linux操作系统+微服务架构。

图2 SDN-IP路由调度管理软件配置与操作流程图

（1）路由管理

可对SDN交换机进行端口带宽、连接设备位置、线号、连接状态管理，可修改端口属性、VLAN ID、PVID、FEC，可显示接收带宽、发送带宽、接收错误、接收丢包等信息。可对矩阵输入输出流名称、属性、端口号、发送设备、发送设备IP、带宽、连接时间、连接时长、即时带宽、连接状态等信息进行管理，支持流的新建、修改、删除。可对IP矩阵实现交叉点模式信号切换控制，可在软件界面上监看切换节点信号画面，可对切换点和面板进行锁定保护，区别于传统交叉点矩阵切换操作模式，输入、输出信号以资源模式进行切换。同一IP矩阵上可以分为多个逻辑矩阵，便于灵活快速信号切换。可自定义遥控面板，可配置软件控制面板对信号源进行调度，支持不同矩阵配置不同软面板、同一矩阵配置多个软面板，预切时软面板支持画面显示。配置监看布局时，选择相应的监看资源，可以拖拽方式实现快速监看。支持以逻辑图和物理连线图形式，对IP总控系统进行拓扑、路由和信号节点显示。

（2）系统管理

基于图形化对SDN交换机进行PTP（精确时间协议）设置，全局设置包括PTP使能、PTP模式、Profile类型、Domain、Priority，端口级设置包括端口PTP使能、Announce interval、sync interval、Min Delayreq interval、timeout、clock-step、Delay等，可显示端口PTP角色。可对系统硬件设备进行添加、修改、删除管理，录入设备相关参数信息，便于系统使用和管理，支持软、硬件矩阵控制面板的新增、参数配置。网络拓扑管理支持绘制物理拓扑、逻辑拓扑、业务逻辑拓扑及其参数设置，可指定一个范围的SDN交换机端口，将一个矩阵分为多个逻辑矩阵，各逻辑矩阵内资源相互独立、不共享。支持IP流自发现并对输入流数量、参数自识别，自发现的流可一键添加到输入流资源中使用。可根据电视墙布局由IP总控管理系统灵活便捷配置、或调整电视墙被监信号及其参数。

（3）策略管理

可对基于SMPTE ST 2110的多流信号进行逻辑打包配置，可对输入和输出信号流进行主备配对，切换时主备流同步切换，可对多个切换操作进行群组切换绑定，绑定后群组可以一键切换一组操作，或一键切换多组操作。

（4）用户管理

可对系统使用人员新增、修改、删除、赋予角色和权限，人员可以赋予一个或多个角色。可根据工作、岗位、业务需要设置系统的相关角色，每个应用系统都有各自权限项，不同角色赋予不同的操作权限，再将角色赋予相关人员，实现人员与权限的关联。

3.高清/4K超高清IPG网关设备配置

（1）输入/输出多功能IPG网关设备

采用4K超高清IP至SDI双向转换器（IP网关卡），支持SQD/2SI，12G-SDI或4×3G-SDI 4K超高清接口及IP接口。单卡具有12个3G通道的SDI I/O接口、4个12G通道的SDI I/O接口，单卡支持4通道UHD处理，具有软件授权的2-4个25Gbps SFP28速率接口。通过JT-NM联盟互联测试，支持SMPTE ST 2110-10/-20/-21/-30/-31/-40和ST 2022-6/-7无压缩IP，每个通道均可单独选择封装标准。支持NMOS协议和IS-04/05，支持IGMPv3及PTP SMPTE 2059 v1/v2。

支持用户自设置选择基带帧同步、双倍带宽静净切换等功能，采用第三代FPGA芯片，可通过软件授权变更工作模式，如：由网关功能变更为分割器功能。支持HDR和WCG，支持HLG、PQ等曲线。支持视频和音频内容的显示和状态监控。内置信号发生器，可产生多种SMPTE测试信号，支持16声道音频。应用程序中可使用REST API或SNMP协议实现远程监控或控制。支持采用冗余双电源通用周边设备机箱，可与基带周边板卡、分割器板卡等混插和热插拔。

图3 GV UCP-3901高清/4K超高清IPG网关功能示意图

（2）IPG网关设备机箱

选用周边设备通用的4RU/19英寸24个槽位冗余双电源机箱，机箱自带LCD触摸屏显示控制面板，可显示机箱状态及每个槽位内板卡状态信息，能通过触摸屏调整机箱内所有板卡的参数。机箱具备10/100M自适应以太网接口，主备双网口，可通过网络对所有板卡进行管理，查看板卡状态，调整板卡参数，可将板卡参数保存在板卡本地、机箱控制卡、网络管理工作站三处，更换板卡后能够自动恢复参数设置。具备同步输入接口，可为机箱内总线提供统一的同步信号。机箱作为多功能统一平台，支持SNMP监控，支持视频高清/标清处理、音频处理和信号完整性检测切换等多种规格板卡。组件采用前装载模式，所有板卡、无源后接口和电源都可以热插拔，便于在线检修和维护。

四.高清播出分控系统设备配置

5个频道高清播出分控视音频系统采用主备切换器架构，主备服务器信号、直播/转播信号、应急/垫片信号以及总控调度信号同时接入主备切换器，形成2条独立的信号主备路由，采用主备键混器，末级采用主备高清4×1切换开关，同时接入主链路、备链路和垫片信号，实现3路信号的应急切换功能。高清主备键混器的输出信号下变换后作为标清播出主备PGM信号，接入主备2×1切换开关。

1.高清主备切换器和高清键混器

配置8台（4主4备）16×2高清SDI净静切换器，负责4个主频道主备播出HD-SDI信号切换。8台高清4×1SDI净静切换开关，用于4个主频道主备播出HD-SDI信号的倒换。8台高清（用作标清）2×1SDI净静切换开关，用于4个主频道主备播出HD-SDI信号下变换后SD-SDI信号的倒换。5台松下AJ-PD500高清P2放像机作为应急播出介质设备，主要供前3个主频道在线共享控制和应急播出。

每个频道分控视音频系统输入的HD-SDI信号有：主备2路视频服务器信号、1路第三备视频服务器信号、2路高清P2放像机应急播出信号、主备2路高清新闻（或专题、或综艺）演播室信号、主备2路高清光纤外场直播信号、4路来自总控矩阵调度的高清信号、主备2路光纤高清CCTV信号、1路高清测试信号，每个频道分控视音频系统的输入信号分别进入主备切换器和分控高清多画面分割器。

主备16×2高清SDI切换器的PGM输出信号经主备响度控制器板卡后，输出给主备高清键混器，4个主频道共配置8块高清键混器板卡，每块高清键混器板卡具备3层内键和2层外键，能通过内键完成台标、高清字样、整点半点时钟叠加，并通过外键完成字幕叠加。4个主频道的4台高清字幕机输出的键控和填充信号在经过高清视分后再键入主备８块高清键混器。主备8块高清响度控制器板卡用于对4个主频道的主备8路末级高清PGM/SDI信号进行音频响度实时自动控制。将每个频道主备2路高清键混器的输出PGM信号经过主备高清视分板卡后，与1路高清垫片信号一道作为高清4×1SDI切换开关的输入信号。

第5频道高清播出通道主路切换器配置1台进口16×2高清SDI净静切换器和1只遥控切换面板，机箱配置冗余双电源，在该16×2高清SDI切换器的4个主要输入端和2个输出端设置跳线。1台进口高清SDI键混器板卡，具备3层内键和2层外键，可通过内键完成台标、高清字样、整点半点北京时间时钟叠加，并通过外键完成字幕叠加。备路切换器由48×48SDI高清总控矩阵加上其第18路输出母线担任，在主路切换器出现故障时，可将SDI高清总控矩阵第18路输出母线后的跳线12.18的上跳线跳至主路切换器PGM输出母线后的跳线9.10的下跳线，即可由备路切换器进行应急切换，并且可以省去主备切换器PGM输出信号的2×1切换开关。

2.高清、标清视音频检测、监看、监听设备

配置5台Wohler高清音频检测仪，用于对5个频道末级主路PGM/SDI信号进行音频检测、监听。高清音频检测仪环出的1路HD-SDI信号进入分控操作台上的1台17英寸高清监视器A路监看，而末级备路PGM/SDI信号进入其B路监看。1台HDE-101 HD-SDI信号自动监测报警器、6台DVE-101 SD-SDI信号自动监测报警器和对应的网络服务器，对高清、标清播控末级主路PGM/HD/SD-SDI信号进行自动检测、自动报警和记录日志（可检索、查看）。

5个频道分控工位处配置7台7寸带AB路高清双联监视器，3台用于监看5台高清P2放像机的5路HD-SDI应急播出信号，4台用于监看4路预播（播前审看）通道的4路HD-SDI信号。12块55英寸大屏和6台高清多画面分割器用于5个频道在播输入/输出信号的监看，高清多画面分割器支持16路HD-SDI（兼容SD-SDI）信号输入，2路HDMI信号输出。

图4 高清播出分控系统HD-SDI信号技术监测截图

3.高清、标清编码器

4个主频道配置：4主、4备共8块（8路）高清HD-SDI至H.264/ASI编码器板卡，高清编码器板卡对输入的高清HD-SDI信号进行H.264标准编码，并支持HD-SDI IN（嵌入音频）、ASI OUT、IP OUT。编码器机箱自带复用器，支持4路SPTS输入流、2路MPTS输出流；4主、4备共8块（8路）标清SD-SDI至MPEG-2/ASI编码器板卡，标清编码器板卡对输入的标清SD-SDI信号进行MPEG-2标准编码，并支持SD-SDI IN（嵌入音频）、ASI OUT、IP OUT。编码器机箱自带复用器，支持4路SPTS输入流、2路MPTS输出流；4只带主备热备双电源的1U高/19英寸宽编码器/复用器机箱，分别用于承载4主高清编码器及其复用器板卡和4主标清编码器及其复用器板卡、4备高清编码器及其复用器板卡和4备标清编码器及其复用器板卡。

2台harmonic高清编码器和2台裕宽标清编码器，分别用于第5频道主备高清播出通道的HD-SDI至H.264/ASI编码、主备标清播出通道的SD-SDI至MPEG-2/ASI编码。

4.高清解码器和高清SDI光端机

配置7台国产高清解码器，支持H.264/ASI至高清HD-SDI解码。1台国产高清ASI/TS码流分析仪，用于高/标清SPTS/MPTS码流的分析与检测，支持4K/8K的TS码流分析，支持ASI IN、IP IN、HD/SD-SDI OUT（嵌入音频）。4套高清SDI光端机和4个冗余双电源独立机箱，用于江都广电大楼电视播控机房与扬州广电总台本部电视播控机房之间双向传输江都频道高清播出主备PGM/HD-SDI信号，两个机房之间建设有4根（2根上行+2根下行）光纤传输通道。采用一根光纤传输一路HD/SD-SDI/ASI信号，光发射机一路输入，一路环出，光接收机二路输出，兼容HD/SD-SDI和ASI信号，且HD-SDI、SD-SDI、ASI信号自适应，对HD-SDI信号的传输距离可达80KM，并通过了SDI病理码测试。

五.结语

扬州广电总台新建的基于IP+SDI架构的高标清同播系统，为IP+SDI架构时代广电中心技术系统提供了崭新的基础架构支撑，该系统配置的IP高清总控矩阵采用SDN架构，支持SMPTE ST 2110，兼容无压缩4K-IP信号，支持4K-IP UHD/12G-SDI信号的调度与切换，并可根据台内4K UHD制播业务需求进行4K UHD/12G-SDI信号调度与切换规模的无缝扩展。为实现高标清同播，采取将每个高清频道主备播出信号下变换成标清信号，作为对应标清频道的主备播出信号，确保了主备播出信号切换控制系统和传输链路的简洁可靠。本文以系统设计与运维人员视角，所介绍的基于IP+SDI架构的高清播总控系统设计与建设情况，希望能够给兄弟台同行带来启发。