基于SMPTE 2022-6技术的广电IP化系统延时研究

　　【摘要】 2012年，SMPTE出台了SMPTE 2022-6标准，该指定了通过IP技术传输高比特率无压缩信号的规范。近两年，业界厂商都纷纷推出了支持SMPTE 2022-6标准的设备。本文使用草谷公司推出的一系列IP化设备，对IP化后的系统延迟量进行了测试和研究。

　　【关键词】 SDI-over-IP  SMPTE 2022-6  HBRMT  Timing Analysis

1.绪论

　　1.1.电视节目制作和播出系统构架现状及发展趋势

　　随着互联网时代的到来，传统的广播电视行业也随之进入了新的时代。从标清、高清到3D、4K、8K（UHD-1、UHD-2），广播电视技术的信号处理能力越来强，对于信号传输链路的要求也越来越高。目前传统广播电视广泛采用的同轴电缆，其数据传输量已经不能满足目前4K分辨率下的信号传输要求。

　　作为现代科学技术之一的数字技术，目前已经成为广播电视技术的核心部分，推动着电视广播技术发生变革。随着数字技术的发展，新媒体的兴起也对传统广播电视内容采集和制作、信号处理、用户接受模式提出了更高的要求。传统广播电视产业正面临许多挑战，很多技术都是来自于互联网领域。

　　2012年，SMPTE出台了SMPTE 2022系列的标准，规范了如何通过IP方式传输高质量视频信号。其中《Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT) , :. ST 2022-6:2012》指定了一种方式，可以传输高比特率信号（包括3Gbps 1080p视频信号）而不把信号压缩为MEPG-2流传输。

　　该标准的出现打破了两种技术之间的壁垒，使得在现有广播电视基础上通过IP网络传输未压缩的视频信号成为可能。

2.基于SMPTE2022-6的SDI-IP和IP-SDI转换延迟研究

　　为满足目前现行直播电视节目制作的技术需求，基于IP的制作系统及SDI-IP和IP-SDI转换应满足低延迟的技术特性。本节对SDI-IP和IP-SDI转换延迟的理论值进行了分析。

　　在现有SDI信号系统中，高清1080iSDI信号通过同轴电缆传输时，每100米同轴电缆会产生约600纳秒的延迟，通过矩阵则会产生约300纳秒的延迟。以下图中SDI信号系统信号链路所示，摄像机采集输出的信号源，通过SDI传输至高清视频矩阵后接入切换台，此时估算系统会产生约1.5微秒的延迟：

图1  SDI信号系统延迟

　　根据SMPTE 259M标准，可以知道高清视频信号在1080i59.94和1080i50信号的一些信息，如下表：

表1高清视频信号格式

根据SMPTE2022-6标准，可以计算出IP信号相关的数据包参数，如下表：

表2高清视频IP信号相关的数据包参数

　　当使用SMPTE2022-6标准将1080i50高清视频的SDI信号转化为IP信号时，每个数据包包含550.4个像素点的视频信号，信号发送端首先需要缓存550.4个像素点，再将这些缓存的像素点转化成一个IP数据包，这样在高清视频SDI信号转化为IP信号时，相比使用基带信号直接传输就产生了一个约为7.41微秒的延时。

　　而当使用SMPTE2022-6标准将高清视频的IP信号转换为SDI信号时，考虑到网络可能存在的延迟，需要至少提前缓存3个数据包以上，再将数据包中的信号转换为SDI信号，所以该缓存至少会产生约为22.23微秒的延时，并且该延时会根据缓存的数据包数量而增大。

图2 SDI-IP-SDI信号链路延迟

　　如上图所示，所以整个SDI-IP-SDI信号链路会产生约为29.64微秒的延迟量。但是一般情况下IP信号都会通过万兆光纤交换机进行信号路由，根据思科公司的测试研究，现有COTS万兆交换机的延迟应当为1-3.5微秒不等，总体延时量接近1行。

　　综上所述，SDI及IP信号转换的SDI-IP-SDI信号链路中，总体将产生接近1行的延迟，该延迟量完全可以满足目前现行直播电视节目制作的技术需求，具有可行性。

3.基于SMPTE2022-6的系统延迟测试

　　目前针对SMPTE 2022-6标准，业界厂商相继推出了符合该标准的设备与解决方案。草谷（Grass Valley）公司针对目前市场上IP化传输的需求，推出了一系列支持SMPTE 2022-6标准的专业广播电视设备，包括摄像机、切换台、矩阵、服务器和画面分割器等。这些设备同时支持基带信号处理，客户可以根据需求轻松迁移到IP化系统。

　　本文使用草谷公司新推出的高码率视频IP化传输系列设备，设计了测试系统，并对系统延时进行了测试。测试系统中使用的设备如下表所示：

表3测试系统中设备清单

　　本测试中核心系统连接图如下图：

图3测试系统连接图

　　其中紫色线缆为使用同轴电缆传输的SDI信号，绿色线缆为使用SC光纤传输的IP视频信号，蓝色线缆为5类网线传输的控制信号。

　　3.1.切换台输入延时测试（帧级）

　　该测试目的是测试IP信号相对于SDI信号的帧级延时情况。前文中计算了SDI-IP-SDI链路的理论延迟量，本测试用来测试切换台SDI输入信号与IP输入信号比较从而确定是否延时了一帧或以上。

　　通过HMP-1801板卡播放一个带时码的高清视频信号，将SDI信号分别接入切换台输入和IPG-3901板卡输入，通过切换台内置画面分割器输出至监视器，通过相机照相，比较每个画面的时码，可以确定两路信号是否在同一帧。

　　测试结果如下图：

图4切换台输入延时测试结果图

　　在图中我们可以看到HMP信号和HMP-IP信号的时码完全一致，说明HMP通过SDI接入切换台的信号和通过IPG-3901转换为IP信号后接入切换台的信号延时量小于一帧。

　　3.2.切换台输入延时测试（行级）

　　该测试目的是测试IP信号相对于SDI信号的行级延时情况。前文中计算了SDI-IP-SDI链路的理论延迟量，本测试用来测试切换台SDI输入信号与HD输入信号来计算实际延时量和交换机产生的延迟。

　　摄像机使用SDI链路和IP链路通过万兆交换机分别接入切换台，HMP-1801高清播放板卡信号使用SDI链路，和通过IPG-3901将SDI信号转换成为IP信号后，通过万兆交换机接入切换台，通过切换台Timing Analysis功能观察每路信号延时情况，是否可以正常进行切换。

　　其中切换台在高清1080i50格式下，SDI输入信号Timing Window为±8.68微秒，IP输入信号Timing Window为+0~-35.56微秒。测试结果见下表：

　　表4切换台输入延时测试结果表

　　由表6可以看出无论是切换台SDI信号输入小于切换台Timing Window，信号可以正常进入切换台进行切换，而切换台IP信号输入，由于将SDI信号转换为IP信号时产生了信号延迟，超出了切换台Timing Window，但是由于切换台IP信号使用了切换台Moudle I/O接口，所以SDI信号和IP信号可以进行混合切换，在切换台操作上并无区别。

　　根据测试1和测试2，可以看出摄像机使用IP方式通过万兆交换机传送信号相比传统SDI信号延迟4微秒，根据思科公司的调研测试，现有COTS万兆交换机的路由交换延迟应当为1~3.5微秒不等，所以可以知道摄像机生成符合SMPTE 2022-6标准的IP信号的延迟约为1微秒左右。由于摄像机本身生成信号，所以摄像机可以通过调整输出的Timing来降低延迟。

　　根据测试3和测试4，可以知道使用IPG-3901板卡将SDI信号转换成符合SMPTE 2022-6标准的IP信号再转换回SDI信号进行处理的延迟约为35微秒，在高清1080i50格式下一行的时间是35.56微秒，所以使用IPG-3901板卡将SDI信号转换成符合SMPTE 2022-6标准的IP信号延迟约为1行，符合SDI-IP-SDI信号流程的理论延迟量。

　　根据测试4和测试5，可以知道HMP-1801板卡信号通过交换机后比不通过交换机延迟了约2微秒，可以证明思科交换机交换信号所产生的延迟约为2微秒，符合思科公司调研产生的数据。

4.总结

　　本文使用现有设备进行了测试系统的搭建及测试。测试表明，现有系统可以基于IP完成电视节目制作的信号传输及路由切换，其信号转换及处理延时小于一帧，可以满足目前节目处理的实时性需求，具有应用价值及可行性。

　　本文只是针对现有基于SMPTE2022-6标准的部分设备，后续草谷公司还会推出更多支持该标准的设备，所以后续仍有大量的后续工作需要完成，随着基于该标准的IP设备的不断发展，该系统会更加成熟和灵活。

参考文献

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