2024年6月3日发(作者：)
中
心
技
术
中央电视台
周学东
摘 要
机，即SDI over IP技术。
本文主要介绍了无压缩视音频IP技术协议标准的发展
历程和基本内容，以CCTV 4K 超高清播出系统（混合SDI
SDI over Cable链路：继承传统基带理念和技术，采用
和IP系统）中IP链路的基础架构展开分析，用实际的线路
2SI技术，用传统的4根3G基带线缆传输1路UHD超高
清信号，即4×3G。
信号为例来阐述无压缩视音频IP技术在系统中的具体应用，
并就IP链路的技术监测指标来分析信号和链路的状态。
SDI/IP
SMPTE ST 2110
关键词
信号网关 SDI over IP
标准 无压缩视音频IP流
1
SDI over Cable技术架构
SDI over IP 链路：核心设备是SDI/IP信号网关，基于
CCTV 4K超高清频道已于2018年10月1日正式开播，
SMPTE ST 2110标准，将基带超高清信号封装为无压缩视
作为国内首个上星超高清电视频道，注定就要集万千宠爱
音频IP流信号，进入IP信号调度核心交换机，同时系统也
于一身，如被网友称为“每一帧都美到想唱国歌”的《航
能够将无压缩视音频IP流信号解封装为基带SDI信号，IP
拍中国》，拍出了震撼人心的画面，高山大河、四季轮转，
流信号供各终端设备通过加入组播组的方式调用。
在4K超高清画质的呈现下绝对是动人心魄的美；《记住乡愁》
在4K超高清频道的呈现下，能够很好地还原最真实状态下
的人文景观，让你拥有身临其境般的观看体验和人生感悟；
“您有一条来自国宝的留言，请注意查收！”，《如果国宝
会说话》细致传神的4K超高清画面，让人有种从自家客厅
瞬间穿越到国家历史博物馆，近距离观赏文物的感觉……
总之在4K超高清的视角下，一草一叶、一物一景都显得格
外清晰、色泽鲜亮。4K超高清以更高清晰度、更宽色域、
更高动态范围视频和5.1环绕声音频体验，给观众带来更具
2
SDI over IP技术架构
冲击力的视听享受。
CCTV 4K超高清播出系统的视音频链路按照混合基带
SDI和IP流的链路设计，两条链路不同技术架构，一条链
一 无压缩视音频IP技术的发展和标准
路采用传统基带SDI技术，用4根3G线缆传输一路UHD
近年来伴随着广电业务的飞速发展，用户对视频画面
信号，即SDI over Cable技术；另一链路采用IP化网络技
的超高清画质、音频环绕声的沉浸感需求，以及各种智能
术，核心设备为SDI/IP信号网关和IP信号调度核心交换
终端、4G网络的普及和5G网络技术逐渐成熟并开始商用，
现代电视技术
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中心技术
广播电视系统的节目制作、播出以及节目传输等业务，都
且每个基本数据流可独立分开封装、传送、同步并在终端
对传统基带SDI信号的基础架构提出挑战，传统业务流程
重新组合。
渐渐难以满足未来技术和业务扩展的发展需求，因此实现
截至2018年9月份，SMPTE共颁布以下几个ST 2110
广播电视播出系统基础架构IP化、网络化、基带SDI信号
标准，SMPTE ST 2110-10/-20/-30、SMPTE ST 2110-21、
和IP流信号相互融合、甚至“采集、制作、存储、播出、
SMPTE ST 2110-31
、SMPTE ST 2110-40，其中SMPTE ST
传输、分发”全链条无压缩视音频IP化，将势在必行。
2110-10用于定时和定义，SMPTE ST 2110-20用于无压缩
在无压缩视音频技术发展的道路上，出现了以SMPTE
的有效视频，SMPTE 2110-30用于无压缩的有效音频，
（美国电影电视工程协会）与AVB（IEEE802.1音视频桥
SMPTE ST 2110-21用于无压缩视频的业务量控制和传输定
接标准）为代表的两大技术标准阵营，因AVB偏重于电视
时，SMPTE 2110-40用于映射辅助数据到实时传输协议包
节目制作领域，而SMPTE在广电播出、传输领域则更具明
内并使它们能够与相应的视频和音频实体流同时传输，其
显优势，故目前SMPTE相关技术标准被各广电厂商广泛采
中每个基本数据流可实现同步，因此实体流在保持独立的
用，并逐渐成为各大电视台播出和传输系统IP化进程中较
同时又能实现精确同步。
为主流的技术标准。
无论是SMPTE ST 2022标准还是SMPTE ST 2110标
过去的传统基带信号技术架构中，在IP网络层并未对
准，都是通过SMPTE ST2059-2协议标准来实现IP网络中
SDI基带信号的视频、音频和辅助数据等做任何封装处理，
的PTP同步。精准时间协议（PTP）通过IEEE 1588标准
仅仅是把以太网络作为数据的传输和分发通道来使用，但
来同步以太网上不同网络节点的实时时钟，最新的版本是
是在SMPTE ST 2022和SMPTE ST 2110各系列技术标准
IEEE 1588-2008，也称为PTP版本2，SMPTE开发了一个
中，就针对基带信号的IP化封装、IP流信号的解封装和传
基于PTP版本2的用于广播视频应用领域的协议标准，称
输标准进行了相关定义，从而使SDI over IP技术的应用得
为SMPTE ST 2059-2。基于SMPTE ST 2059-2协议及其最
到质的飞跃和提升。
优主时钟算法，可以将系统精确在纳秒量级的同步，从而
要实现SDI over IP技术，首先应解决IP网络中传输数
可解决IP化、网络化广电系统不同网络节点同步问题。此
据包的格式问题，确保各网络节点说同一种语言（即遵循
外该协议同时支持视频切换台对IP流数据报的无缝保护静
同样的协议标准），从而使各网络设备能够畅通地对数据包
净切换。
进行识别和处理。但是在各广电设备厂商和各大电视台不
断的实践中发现SMPTE ST 2022标准存在着一些弊端：
z
SMPTE ST 2022并不是4K演播室、4K转播车、4K
二
播出系统搭建的最优协议标准，因为此标准并不支持在IP
无压缩视音频
应用
IP化在播出系统中的
层对4K超高清信号的封装处理。
CCTV 4K超高清播出系统链路核心设备由4K信号处
z
此标准封装的IP流信号，在信号传输方面占用的带
理平台SDI/IP信号网关、IP信号调度核心交换机以及技术
宽也比较大，在当下网络数据量激增的大浪潮中，对数据传
监听监看等模块构成，其中SDI/IP信号网关负责UHD基带
输所占用的带宽是衡量其标准优劣性的一个重要技术指标。
SDI信号和无压缩视音频IP流信号双向间的信号格式转换，
z
SMPTE ST 2022
标准并不对视频、音频和辅助数据
并采用100G光接口对接IP信号调度核心交换机，IP信号
等基本数据流分离封装和传输，从而使音频工程师在仅需
调度核心交换机实现组播数据流的复制和转发，技术监听监
要对音频进行编辑时效率非常低，需要终端接收1.5Gbps或
看负责多种格式信号的监看和技术指标的监测，多画面分割
3Gbps的混合组播数据流，然后再解嵌出音频使用。
器和技监示波器均采用了能兼具无压缩IP流信号和UHD基
鉴于以上几点，SMPTE ST 2110协议标准具有明显的
带SDI信号的接入技术，从而实现混合信号的整体监听监
优势，也是目前各大电视台搭建4K超高清“采、编、存、
看。各终端设备基于IGMP和IGMP Snooping协议，通过加
播、传”系统所广泛采用的技术协议标准。
入不同的组播组来实现组播IP流信号的路由调度。
SMPTE ST 2110标准不只是简单地用IP流信号取代传
2SI格式的4×3G UHD基带SDI外来信号（测试信号、
统基带SDI信号，此标准从根本上改变了专业媒体流管理、
直播信号、垫片、应急介质），经SDI/IP信号网关，按照
处理和传输方式的技术变革。SMPTE ST 2110标准使单独
SMPTE ST 2110协议标准，由UHD基带SDI信号封装为无
路由和分离基本流（音频、视频和辅助数据）成为可能，
压缩视音频IP流信号，送给IP信号调度核心交换机，SDI/
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别为2110标准无压缩4K超
高清信号/2110标准无压缩
3G高清信号/2110标准无压
缩1.5G高清信号/音频1-8/
音频9-16/数据IP流，然后
通过100G网络接口分别接
入IP信号调度核心交换机1
和IP信号调度核心交换机2
（此两台交换机互为主备），
进入这两台IP信号调度核心
交换机的IP流信号，都分别
对应一个组播地址，其组播
地址分配如表1所示。
不同业
务的组播流信
号，可供各终端设备根据业
3
务需求来调用。例如：2110
无压缩视音频IP链路系统图
标准无压缩4K视频信号，可
IP信号网关再将IP流信号解封装为UHD基带SDI信号送
送给总控用于播出，也可由IP无压缩/4K画面分割器调用。
给ALL IN ONE一体化视频服务器，在视频服务器内实现
SDI/IP信号网关2接入IP信号调度核心交换机，SDI
台标、时钟、底飞字幕的自动叠加，再次由SDI/IP信号网
over IP链路中的IP 4选1，通过选切不同的信号（因此路
关封装为IP流信号进入IP信号调度核心交换机，同时基带
信号用于播出使用，故信号流都是2110标准无压缩4K超
链路视频服务器的输出经视分之后也会由SDI/IP信号网关
高清信号），使网关2向IP信号调度核心交换机发送加入
将其封装为IP流信号进入IP信号调度核心交换机，IP链
消息，加入其对应IP流信号的组播组，获得所需传送流，
路IP 4×1通过控制网关加入不同的组播组来实现组播流信
从而实现了IP流信号的路由，网关2将接收的IP组播流解
号的解封装输出，送给总控。
封装通过4路 3G SDI基带信号输出，信号送达总控。
硬盘节目文件信号则直接经SDI/IP信号网
表1 总控信号1组播IP地址分配
关，由UHD基带SDI信号封装为IP流信号直接
产生设 备产生业务
IP信号调度核心IP信号调度核心
进入IP信号调度核心交换机。
交换机1（组播）交换机1（组播）
总
2110标准无压缩4K视频信号239.111.111.1239.211.211.1
在UHD基带SDI封装成IP流的过程中，
SMPTE ST 2110-20标准的视频，SMPTE ST 2110-
控
SDI/IP
2110标准无压缩高清3G信号暂未使用
信
信号网关
2110标准无压缩高清1.5G信号239.113.111.1239.213.211.1
30标准的音频，SMPTE ST 2110-40标准的辅助数
号
1
音频1-8239.121.111.1239.221.211.1
据，其中每个基本数据流在保持独立的同时又能
1
音频9-16239.122.111.1239.222.211.1
数据239.130.111.1239.230.211.1
实现同步。
下面就以外来信号总控信号1来具体分析基本分离组
三 无压缩视音频IP技术监测
播流信号是如何产生和基于IGMP协议的终端切换技术如
何实现组播的调用。
对于IP流的技监是通过无压缩示波器Prism来实现的，
总控送给播出系统的2SI格式UHD总控信号1，输入
此仪器能实现基带SDI信号和IP流数据的全指标测量，这
SDI over IP链路的SDI/IP信号网关1，通过在网关1上配
将大大提高对混合基带SDI和IP流环境中的网络或内容问
置基于SMPTE ST 2110-20标准的视频流信号对应的组播地
题的故障诊断和分析能力。
址，基于SMPTE ST 2110-30标准的音频流信号对应的组播
在IP网络中，网络拥塞是致使IP数据包丢失的最重
地址，基于SMPTE ST 2110-40标准的辅助数据对应的组播
要、最直接的因素，对于网络拥塞的动态监测可以通过
IP
地址，网关1将4×3G SDI基带信号封装为6路IP流，分
数据包的分组抖动指标来衡量，因为过多的分组抖动会造
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成缓冲区的数据溢出，进而导致数据包的丢
弃甚至数据流的停止。
在传统SDI Over Cable基带系统中，系统
同步是基于模拟BB黑场信号、三电平信号同
步，同样在SDI Over IP系统中，为了确保基
带SDI信号和IP流视频信号之间关系的一致
性，即实现各独立基本流的帧级别同步则就需
要PTP同步，以实现帧精度切换。
下面就以IP组播状态、IP数据包到达间隔、
PTP同步锁定三个指标来重点分析无压缩视音
频IP技术在播出系统的监测和应用。
4
IP状态监测
1. IP组播状态监测
通过Tek PRISM示波器的IP Status模块，
可以对IP网络系统所采用的组播协议、码率、
5
PTP及其他通讯状态等进行监测。例如：图4
所示为示波器检测到全部输入传送流的状态，
包括了端口的总码率，各端口分离基本流视频、
音频、辅助数据的码率及其采用的协议标准、
各分离基本流所对应的组播地址及IP流中PTP
数据包的状态。正确状态下，各端口监测的各
种流状态应为正常状态即
，若显示为
则表示信号参数处于错误的状态且错误已经清
除，若显示为
则表示信号参数当前处于错误
状态。故通过此模块的IP组状态监测，可以直
接明了地看出所检测输入传送流参数的状态是
否正常。
6
IP包到达间隔直方图
2. IP包到达间隔分析
在任何数字系统中，抖动是指信号与理想
状态的周期性偏离或位移。在承载恒定比特率
数据的IP网络中，抖动是指信号周期性的偏
离。最常见的抖动原因是路由器/交换机接口
的网络拥塞。通过接收端对IP数据包的到达
时间间隔监测、数据包的丢失监测等，可以直
观地分析系统中网络拥塞状态的严重程度和是
否对视频画面会产生影响。基本过程和原理如
图5所示。
如图6所示，在PIT Histogram模块中，
7
CMAX与VRX数据包溢出监测
查看IP数据包以Gapped的方式监测到达间隔，其中横轴时间轴上分布跨度较大且无IP数据包集中到达间隔，即左
为时间轴，纵轴为IP包数量，从图中可以看出某一到达间侧Packet Interval Max（IP包最大时间间隔）值较大。则说
隔时间内接收的IP数据包的数量。若IP数据包到达间隔在
明网络性能欠佳，有网络拥塞状态的存在。
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因SMPTE ST2110-21指定了两种基于
ST2110-10视频RTP流的参数模型CMAX和
VRC Buffer，此两种模型的趋势图可以监测
RTP数据包传递时间是否设置合理，若设置不
合理则会导致视频IP数据包的溢出。如图7
所示，在IP Graphs模块中通过CMAX/CMAX
Limits（IP交换机缓冲区数据包溢出监测/缓冲
区溢出门限设置）可以很直观地对视频IP数据
包的丢失进行监测。因目前系统PRISM示波器
只能监测无压缩1.5G高清信号，故将CMAX
门限设置为4pkt，从图中看出实际监测到的
CMAX溢出最大为3pkt，指标在设置门限值
8
IP/PTP会话状态
以下，故指标符合技术要求。如果后续PRISM
示波器升级到可以直接监测无压缩4K视频信
号，则门限值应根据实际需求相应地提高。
3. PTP及同步状态监测
在SDI Over IP技术中，因IP网络属于异
步数据传输系统，在网络中可以双向同时独
立传输多种规格数据流，因此为了实现视频
数据包、音频数据包的帧级别同步，就需要在
系统中引入PTP同步。
如图8所示，通过示波器中IP Session模
块可以迅速监测传送流和PTP的错误状态，
显示系统中IP/PTP会话状态是否正常，若监
9
PTP图形
测到状态正常则显示
标识，监测到状态异
常则显示
标识。如：PTP状态为Locked（锁
定）状态，即为正常状态
；若PTP状态
为Unlocked，则表示虽监测到主PTP时钟但
主PTP时钟与此设备相位差超过1000ns；若
PTP状态为No master present，则说明未检测
到主PTP时钟。
图9为PTP Graphs模块显示的PTP图形
状态，可以看出PTP时钟网络延迟量、网络
延迟变化情况，若系统没有锁住PTP时钟，
则图形波动较大、不够平滑或有跳跃是间断非
连续的。
10
系统PTP信号与BB信号比对
如图10所示，在Timing模块中，可以查看系统PTP
（ST 2059）作为参考。
与模拟BB信号同步的状态。正常情况下模拟BB信号所示
“＋”应与PTP信号“Ｏ”重叠，无漂移。
四 总结
图11所示，监看的IP流信号中PTP同步与基准同步
信号之间的偏差，其中基准同步信号可以选择BB或PTP
伴随着广播电视技术不断的革新与发展以及观众
（下转第39页）
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专 访 与 报 道
BIRTV2019专题报道
为核心的直播体系，其中演播室和制作岛是节目制作的主要
互联网设备上观看视频的观众将不可避免地超过例如卫星和
平台。但是随着5G技术的发展，对高质量内容的需求越来
有线等传统传播途径，结合4K的相关技术，在这些设备上
越多，原有的频道播出的节目和为互联网发布所做的低码流
观看的将不限于短视频、UGC和低分辨率节目，将有可能
的短视频，在数量和质量上已经越来越不能满足观众的节目
在这些设备上提供与传统渠道相同甚至更优的用户体验。观
需求，所以如何利用新的制作技术、制作工艺大量生产高质
众在观看的方式和内容
量、大数量的节目变得越来越迫切，所以电视台都开始建设
上将有更大的自主权，
自己的内容生产云平台，例如总台也在建设自己的视频中
他们可以决定在什么时
台，其中5G和AI等新技术被寄予厚望。5G技术具备的大
间、在什么地点、用什
容量、高带宽、低延迟等特征，可能会对节目制作方面带来
么样的设备、观看什么
两方面的影响。一个是
样的节目。这些也将给
节目采集、收集及传输
电视行业带来巨大的机
方面，5G提供了新的传
遇和挑战，电视台也需
输通道，并能够实现对
要在新的潮流下，充分
于传输质量的保障，可
发挥自己在创意方面的
以媲美原来的专线，可
优势，结合先进技术，
以将多种视频源几乎实
提供更加丰富的节目，以满足不同用户的各种收视需求。
时地完成回传工作，同
时还可以利用AI技术
四
对这些素材筛选、分类、
标注等预处理，极大地
中视广信在融媒体技术领域的发展
计划
改善节目素材来源。另一个是节目制作能力的提升，利用5G
中视广信将会重点关注5G/4K/AI在节目中的落地，再
技术，除了台内的工作人员，在家的节目制作人员甚至是签
好的技术只有配合相应的节目形态才能体现技术的优势。
约的特约编导等，都可以通过远程的方式对素材进行加工，
在配合总台陆续完成“成都跑酷世界杯”网络直播、“一带
这意味着制作将不受限于台内的制作力量，可以将更多的外
一路5G+4K传播创新国际论坛” 媒体应用技术展、“上海
脑进行制作，这将极大地扩展电视台的内容生产能力。
国际电影节”网络直播等实际业务场景的应用的基础上，
中视广信在今后会努力将5G/4K/AI的优
三 5G的发展对用户收视的影响
势进行融合，在电视节目尤其是融媒体节
目的制作和传播中配合节目传播部门创造
5G未来的推广，可能成为改变电视用户收视习惯的“最
新的节目形态和传播内容，也为电视用户
（扫描二维码，
后一根稻草”，电视观众将成为视频的收看者、消费者。从
带来更好的体验。
观看精彩视频）
（上接第50页）
对电视节目超高清画质和环绕声的极大浸入式观看体验需
求，广播电视播出系统的传统基带AV架构已经逐渐难以满
足技术更新、迭代的需求，因此系统向网络化、IP化的技
术革新将势在必行。在广电系统，对于新技术的应用与实
践，央视始终处于领跑地位和树立标杆的作用，但是安全
播出仍为第一要务，重中之重，本着这个红线原则，央视
播出系统采用了混合基带SDI和IP流的链路设计，主备链
路不同技术架构。但是随着技术发展不断的成熟，广电系
统“采、编、存、播、传”全流程、全业务的纯IP化将是
11
监测IP流信号中PTP与系统基准PTP信号比对
未来几年发展的必经之路。
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Special Interviews & Reports
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