广播级系统摄像机信号传输方式.pdf

关键词广播级系统摄像机 物理连接方式 基带传输 IP 传输广播级系统摄像机信号传输方式 作者 中央广播电视总台徐梦本文根据广播电视制作视频信号格式的发展迭代，信号传输介质、方式等多元化的发展，浅谈广播级系统摄像机信号传输与通信的物理连接方式，其中包括基站对摄像机单一环节物理连接和系统摄像机信号传输多环节物理连接两种方式。摘要随着对广播电视节目观感体验的要求不断提高，广电技术一定要不断创新，跟上时代发展的步伐。系统摄像机所提供的视频格式在短短 15 年间，完成了从过去传统的信号质量低、功耗较高的模拟信号到标清数字信号，到高清、4K 再到 8K 的更迭，广播电视已经全面进入数字化时代，在数字化背景下，传输带宽由270Mb增加到12Gb（4K）甚至到了48Gb（8K）。因此广播级系统摄像机的信号传输方式从多芯综合电缆过渡到三同轴，再到 SMPTE 的复合光缆，完成一次又一次的飞跃。广播电视节目的制作规模不断扩大，采用适合应用场景的传输方式成为技术方案制定时的重要环节。摄像机技术的不断迭代，信号传输的介质或是方式也在随之多元化发展，下面我们将浅谈一下广播级系统摄像机各种信号传输与通信的物理连接方式。一 基站对摄像机单一环节物理连接 在早期的系统中，摄像机技术基于当时相关技术的限制，并不能采用物理通道复用的方式进行传输，物理介质并行传输成为当时的选择，这里提到的物理介质称为多芯综合电缆。多芯综合电缆利用多根不同的电缆传输不同的信号，解决了摄像机多信号传输问题，这种传输方式存在着很多固有的不足，如易损耗，传输距离致使信号衰减和劣化，各不同电信号互相容易产生干扰等。新的摄像机信号处理技术的出现，模拟多芯传输的替代技术也随之出现“模拟”三同轴。模拟三同轴是利用模拟调制频分复用的方式，把多种信号调制在同一根电缆内传输，为了避免外界的干扰在结构上进行加强，增加屏蔽层等技艺处理。广播电视的信号格式从模拟向数字过渡，摄像机端的信号处理也完成了数字化转变，标清的数字视频信号为 270MHz,同时把音频、通话和控制信号也嵌入其中，进行传输，三同轴的传输带宽完全可以满足综合信号传输带宽的需求，因此又被称为“数字”三同轴。随着摄像机信号的传输带宽需求不断地增大，主要是清晰度由数字标清向高清、3G、4K 迭代，视频信号带宽由270MHz 向 1.45GHz、3GHz、12GHz 不断增长，三同轴的传输带宽日渐不足。越高带宽信号在电介质中传输损耗越高，信号的传输距离越短。SMPTE 复合（6 芯）光/电缆的出现满足了高清晰度的系统摄像机对传输介质的高传输带宽、低信号损耗、长距离传输和物理重量较轻的需求。后方基站通过复合光缆内部的一对金属铜线对系统摄像机进行供电，同时光缆中的一对光纤用于视频信号传输、一对弱电电芯用于摄像机初始控制。这种 6 芯综合缆虽然在一定程度上解决了传输距离和传输带宽的问题，可以应对一般规模的电视制作，比如羽毛球、乒乓球、足球等规模的赛事转播，其优越性和通用性不言而喻。但是系统摄像机的数量一旦增加，铺设和回收光缆的工作量将是巨大的，将增加设备回收周期。同样转播区的基站和系统摄像机的距离超出一定范围，6 芯综合缆的供电将出现问题，这也是 6 芯综合缆的短板。中心技术SYSTEM TECHNOLOGY092 二 系统摄像机信号传输多环节物理连接 随着电视转播规模的不断扩大和比赛场地 6 芯综合缆铺设条件不具备的原因，单一环节物理连接和基站供电的方式就不再是最优选择了，比如冬季两项的电视转播、高山滑雪的电视转播、高尔夫的转播、赛艇的转播等。这种情况可以采用中继传输，即采用系统摄像机欺骗器的连接方式（见图 1）。这种方式支持将讯道摄像机与 CCU 之间的摄像机光缆转换为单模单纤完成系统连接功能，实现和摄像机光缆直连一样的效果，无压缩，无延时，视音频信号、控制信号、Tally、通话、返送等完全一致，高清讯道可支持约 80 公里或 4K 讯道可支持约 60 公里传输距离。匹配摄像机端的转换设备，内部设计校验模块、供电模块、信号转换处理模块等多个模块单元，校验模块完成与摄像机之间的信号校验，模拟 CCU 与摄像机的实时校验，在完成信号校验的基础上通过供电模块完成对摄像机的供电功能，并通过信号转换处理模块完成光信号的收发、放大、复用、级联等功能，完成摄像机光缆到单模单根光纤的转换。匹 配 CCU 端 的转换设备，内部同样设计校验模块、取电模块、信号转换处理模块等多个模块单元，校验模块完成与CCU 之间的信号校验，模拟 CCU 与摄像机的实时校验，在完成信号校验的基础上通过取电模块完成CCU 对转换设备的供电，也同样通过信号转换处理模块完成光信号的收发、放大、复用、级联等功能，完成 CCU 光缆到单模单根光纤的转换。通过建立这条延长的物理光链路，让 CCU 和摄像机之间完成正常的视音频、控制、Tally、通话、返送等信号的交互。为了进一步在外场转播活动时降低链路使用成本，这种传输方式支持采用多讯道级联，单纤与制作系统多台 CCU 连接，且任何一台设备出现断电等故障不影响其他设备正常工作，在实际应用中能减少光纤资源的使用（如图 2）。这种中继方式就是在以波分复用的方式通过预铺的低成本的光纤进行全信号的远距离传输链路。欺骗器的方式适用于摄像机分布很散、相对不集中的情形。如果一个电视转播的赛事现场和转播区距离很远同时摄像机分布相对很集中的情况，我们就可以换个方式去解决这个问题，比如 2022 年残奥会的田径转播，体育场距转播区有七八百米，如果再加上到摄像机机位的距离，将超过 1000 米，而且残奥会的转播机位达到将近40个，试算如果全用6芯综合缆，那简直太壮观了。1中继传输一2多讯道级联摄像机光缆摄像机光缆2080km摄像机光缆摄像机光缆摄像机光缆摄像机光缆摄像机光缆摄像机光缆摄像机光缆摄像机光缆2080kmAdvanced Television Engineering093如果采用 CCU 全部前置，视音频信号和控制信号以光的形式与转播区交互，那七八百米的 40 根 6 芯光缆将被两个多芯光纤取代，工作量将骤减（见图3）。这种传输方式是摄像机与 CCU 之间正常的完成信号校验，并使CCU和摄像机进行包括视音频、控制、Tally、通话等信号的交互，同时我们要建立 CCU 到转播系统的信号传输链路。当然这种方式的中继传输目前针对不同架构的系统，采取的策略有所不同。基带架构的 CCU 我们需要把其信号用基带光传输的方式或是 IP 化的传输方式去传输，而 IP 架构的系统，我们只需要进行透传。控制、Tally、通话目前最简单的解决方式是 IP 化，通过网络传输的方式进行远距离交互，在信号到达转播区的制作系统时转换为匹配的信号格式参与制作。以上两种中继传输方式，可以很好地应对区域内远距离的系统摄像机的信号传输。随着 IT 相关技术的发展和基础公共网络资源的建设，广播电视制作系统从基带架构过渡到 IP 架构，一种真正意义上的远程系统摄像机信号传输也随之形成。实现了系统摄像机的信号，以 IP-JPEG-XS 编码流的方式在 OTN 专线或绑定 SD-WAN+互联网在省内国内甚至国际传输（如图 4）。SD-WAN（Software Defined Wide Area Network，软件定义的广域网），它可以将多地、多分支和多云互联，可应用在不同的混合链路中之间选择最优进行传输，例如 MPLS 专线、Internet、5G 等，同时SD-WAN 支持动态调整数据包转发的路径，允许跨WAN 连接进行负载分担。OTN 专线（光传送网，Optical Transport Network）是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网，是下一代骨干传送网。相对于 OTN 专线使用 SD-WAN+互联网可以快速灵活地提供两地组网连接，成本更加低廉。SD-WAN网络架构由业务呈现层、管理层、控制层、网络层组成，其中管理层是整个 SD-WAN 的“大脑”负载整个 SD-WAN 网络中的网络控制器的网络编排及功能管理，同时具有 SD-WAN 网元的告警和日志等故障信息采集功能，可基于链路、应用、网络的性能数据采集、统计和分析，并可以将统计和分析结果多维度、直观地呈现出来。使用SD-WAN+互联网这种IP架构的中继传输，IP 架构中数据包传输路径为双向的，由于数据包在互联网中到达目标路径与返回源端路径不一致，数据包间传输时间抖动过大，造成了前后两端的 PTP 时钟无法保持稳定的相互锁定状态，所以使用 IP 架构的中继传输需要两端进行独立的同步时钟授时服务，后端接收业务信号后需要对业务信号进行“帧同步”处理。摄像机/CCU 的控制信号、Tally 信号、NMOS注册信号均以 IP 的方式在前后两端相互传输。由于摄像机的 2110-20 视频信号带宽过大，常规互联网链路带宽一般在 10G 以下，无法承担多讯道的 2110-20视频业务流量的传输，所以在使用 SD-WAN+互联网的 IP 架构中继传输时，选择传输浅压缩的 JPEG-XS 信号，既节省传输带宽又有效地控制传输延时，在前后两端使用 JPEG-XS 编解码器进行 2110-20 信号与 2110-22 信号的互相转换工作，或者前端使用可以直接输出 JPEG-XS 信号的机头/CCU，后端使用JPEG-XS 解码器进行解码，以满足前后两端视频信号的相互传输。由于 2110-30 的音频业务流量及通话的流量带宽非常小，所以可以直接在 SD-WAN+互联网的中继网络中传输。每种连接方式都有其适合的应用场景，根据实际情况选择合适的连接方式，事半功倍，用科技的力量推动电视转播技术的发展。3中继传输二4中继传输三本地核心处理系统业务及控制远程制作采集端业务及控制中心技术SYSTEM TECHNOLOGY094