一 系统概况
为迎接山东卫视4K超高清频道开播，满足4K 超高清节目直播和录制需求，山东广播电视台对1200 平方米演播室技术系统进行了4K超高清升级改造。1200平方米演播室4K超高清升级改造项目是在演播室原有设备和安装设施基础上进行，视音频系统大部分设备更新，部分设备利旧继续使用。本次改造前已经对灯光系统进行了升级，此次主要针对视音频、通话等相关系统，同时与后期制作、总控播出、媒资等进行对接适配。
二 设计原则
本次改造设计参照国家广播电视总局《4K超高清频道建设指南（2024版）》和《4K超高清和高清兼容制作及频道同播实施指南（2024版）》指导意见，同时也吸取了中央广播电视总台和兄弟省市在超高清电视应用方面的宝贵经验。设计原则主要考虑：
◆技术先进性：采用最新的技术和设备，以满足未来一段时间内的技术发展需求；
◆安全性和稳定性：系统须具备高度的安全性，稳定可靠，能够在长时间运行中保持高效稳定的性能，确保节目直播或录制的顺利进行。系统建设考虑应急预案，重要设备和链路要有冗余设计，具备应急处理功能；
◆完备性：系统应具备完整的功能，包含视频、音频、通话、Tally、同步等多个子系统，并与后期制作网、媒资、播出、制播云平台等对接，确保演播室的全面运作；
◆兼容性和可扩展性：系统兼容4K超高清、高清各类节目制作，同时具备扩展性，能够满足功能扩展和未来技术升级需求。
三 系统方案
4K超高清演播室采集拍摄系统是超高清节目制播的首个环节，主要包括视频、音频、通话、Tally、时钟、同步等多个子系统。
1.视频系统
本次4K超高清升级改造，采用IP与基带混合技术架构，基带与IP架构互为备份，视频系统拓扑图如图1所示。
图1 视频系统拓扑图
IP架构采用SMPTE ST 2110标准，实现视频、同步、通话和控制等信号系统的IP化传输和信号交换、信号调度。SDI 基带信号可通过网关设备转为视频和音频IP信号。IP信号也可通过网关设备转换为SDI基带信号输出至制作系统。
视频系统配备13台Sony HDC3500超高清系统摄像机和1台HDC-P50超高清微型摄像机，系统摄像机基站同时提供IP和12G-SDI视频信号输出，分别进入核心交换机和基带矩阵。具备4个12G-SDI 信号扩展能力，外来12G-SDI信号可通过网关卡转为符合SMPTE ST 2110系列标准的视频IP和音频IP 信号。系统内部的4K UHD视频和音频IP信号也可通过IPG网关卡转换为12G-SDI信号输出至录制设备和传输至制作系统。视频技术区采用超高清监视器进行技术监看，配备Telestream MPS-300超高清示波器，对基带视音频、IP信号和PTP信号进行监测，确保信号质量和系统链路安全稳定。
系统采用交换机和基带矩阵结合的二选一主备链路结构。核心交换机采用两台华为CE8850-64CQ，主路为全冗余的IP化基础技术架构，符合SMPTE ST 2110协议，采用Sony VideoIPath SDN管控系统实现视频、音频、辅助数据等系统的IP化传输和信号交换、信号调度。
主路采用Sony MLS-X1切换台，最大支持32路4K IP信号输入输出和3M/E。通过IP板卡上的光纤网络接口与交换机进行IP信号交换，板卡支持带宽 100G光纤网络传输。切换台配置两块面板，主面板用于节目制作，第二块面板用于辅助制作或大屏信号切换。
备路采用Evertz NEXX-3超高清基带矩阵，可对64×64路12G-SDI基带信号进行任意调度，同时对输入源进行帧同步处理；矩阵具备音频嵌入功能，可对1536×1536通道音频信号进行管理调度。矩阵还具备画面分割器功能，可满足分屏监看需求。系统使用超高清基带矩阵完成应急播出备份、演播室监看、基带信号调度等功能需求。
演播室监看系统主要采用基带信号监看，制作区监看墙信号源主要由两部分组成，一部分是矩阵输出的分屏画面，另一部分是IP切换台监看输出和PGM输出，通过网关卡转为12G-SDI信号，输出至监看墙。这两种信号分别由不同架构的信源提供，互为备份，提高了监看系统的安全性。
技术调光区的监看，基带信号源由摄像机基站提供，经高清分屏板卡后输出至调光区监视器，进行分屏监看。音响控制室、灯光控制室、现场大屏控制、现场监看等信号都由基带矩阵提供，部分工位配置矩阵控制面板，方便信号调用。
为满足4K超高清与高清同播要求，系统内以4K 超高清制作为主，4K超高清PGM信号在系统末端下变换为高清。系统内超高清与高清交叉变换主要由两台Sony HDRC-4000和两台FOR.A FA-9600完成。这两种型号的交叉变换器，通过调整参数或加载LUT文件实现对不同格式、不同色域、不同动态的视频进行实时的转换。
由于4K超高清信号数据量较大，4K超高清素材的存储备份要求较高。在1200平方米演播室承担的节目制作中，大型综艺节目占比较大，对多通道4K 超高清素材录制有较高要求。除了PGM信号、辅切信号外，其他大部分机位都要单独收录。这次改造配置了两台4通道Redlink UltraRP2-X8K和4台双通道Atomos ShogunStudio2硬盘录像机，可满足大部分综艺节目4K超高清录制需求。另外，还配置了桌面存储，利用Redlink录像机可同时对本地SSD硬盘和网络NAS硬盘写入的功能，对PGM信号进行备份录制。
系统配备主备PGM链路，主备PGM链路均配备2选1应急切换板卡。应急切换板卡的主路信号源由交换机输出，进入IPG网关卡转换成12G-SDI基带信号后输出至2选1应急切换板卡；备路4K超高清PGM信号由基带矩阵输出，经由4K超高清键控器上键后进入2选1应急切换板卡。IP系统与基带系统形成异构备份。
2.音频系统
音频系统的部分设备需要利旧，部分设备为新购，形成了IP+基带的混合式架构形式，音频系统拓扑图如图2所示。
图2 音频系统拓扑图
音频核心处理系统由主备调音台组成，其中主调音台为新购LAWO mc256MK Ⅲ，配置主备两个核心机箱（A UHD Core），具有256个全功能DSP处理通道，也可以在不增加硬件的情况下通过授权升级来增加处理能力；备调音台为利旧LAWO mc256MKⅠ。这次升级改造的新购的设备主要包括音频交换机、调音台、音频接口箱等，新设备采用AoIP网络架构。利旧设备包括各类音源、备调音台、功放、音箱等。利旧设备接入音频接口箱，将信号转换为SMPTE ST 2110协议，通过IP网络传输至A UHD Core系统核心机箱进行处理分配。处理后的信号再通过IP网络传输至各个接口箱，转换为模拟或数字信号，输出给各个终端设备。接口箱为IP架构，能够很容易进行系统扩容。备调音台主机通过MADI 接口接入共享接口箱，实现与主调音台的信号共享，两部调音台形成互为备份关系，增加了系统安全性。
视频系统与音频系统间采用多种方式进行信号交互，包括IP数据流、MADI和AES信号。在IP 系统中，视频核心交换机与音频交换机连接，符合SMPTE ST 2110-30标准的音频数据流可接入视频核心交换机进行信号的统一分发、处理和调度。视频12G-SDI基带信号矩阵，配置有两个MADI音频接口，分别连接音频IP系统的主调音台台面接口箱和利旧调音台的主机，与音频系统MADI信号互通，实现矩阵内音频信号调度功能。矩阵可进行音频加嵌，也可将外来信号解嵌音频后送至音频系统。另外，系统主备链路输出端都配置了音频加嵌器，支持16 声道的音频加嵌，可根据需求嵌入音频AES信号。
4K超高清视频较高清视频数据量更大，在进行视频处理时产生的延时更大。音频相比视频数据量要小得多，处理时产生的延时会较小，这就会产生画面和声音不同步的问题。为保证音频和视频的同步，通常是对音频信号进行延时处理。系统中有几种方法可以对音频信号进行延时，利用调音台输出通道增加延时，2×1开关加嵌音频时增加延时，IPG网关GNXLK-IP51Y在进行12G转IP时增加延时，视频矩阵在进行音频加嵌时增加延时。
关于本次改造，调音台最大可支持到9.1.6的三维声处理通道，满足各类型三维声节目的制作需求。在监听方面，搭建了符合ITU标准的5.1.4监听环境，能够为三维声节目制作/混音/审片等方面提供标准的监听环境。
3.通话系统
通话系统新购Clear-Com ECLIPSE-HX-DELTA 64路通话矩阵作为核心，通话矩阵配置32端口IP 板卡和2张16端口模拟四线板卡。新采购的IP通话面板通过交换机连接通话矩阵，内部通话数据流为符合SMPTE ST 2110-30标准的IP信号。利旧的通话面板、主持人耳返系统和新采购的猛玛YM718全双工无线通话系统直接接入通话矩阵的模拟板卡，这样就实现IP通话与模拟通话系统的互联互通，如图3所示。
图3 通话系统拓扑图
在IP系统中，视频系统核心交换机与通话系统的交换机互联后，将符合SMPTE ST 2110-30标准的讯道摄像机通话（PROD、ENG）数据流引入，由SDN负责对通话数据流进行管理调度。备份通话系统，是将摄像机基站的通话接口通过四线与通话集线器相连，然后转为两线连接通话主站MS-702的A通道。通话主站的B通道，通过两线连接猛玛无线通话系统的主站。当通话矩阵因故障完全无法工作时，导播可通过MS-702通话主站与摄像和其他工种的沟通。另外，便携式的猛玛无线通话系统也可用于外出箱式EFP 系统的通话系统备份。
4. Tally系统
Tally系统由两部分组成，IP Tally和基带Tally。 IP系统的Tally控制主要由SDN控制，SDN读取IP 切换台的交叉点数据，送给摄像机机头。基带系统Tally配置主备两台控制器及GPIO单元，基带Tally 系统读取基带矩阵交叉点数据，发出Tally UMD给基带画分设备。IP Tally和基带Tally通过控制交换机互通，实现Tally控制同步。正常情况下，使用IP切换台进行切换，基带Tally跟随IP Tally。在系统应急时，使用2×1切换开关将切换设备由切换台转换为矩阵。此时，Tally系统在收到GPIO触发信号后，会由基带Tally系统接管IP Tally系统。此时，Tally系统通过Serial Tally协议获取IP切换台的交叉点，并根据交叉点信息，使用Quartz协议对矩阵进行控制，使得矩阵的输出与切换台PGM母线联动。这样由主路切换台切换至备路矩阵应急时，可保持PGM信号源不变，不会导致画面景别突变。
5.同步系统
同步系统配置两台Telestream SPG9000同步机，使用同步倒换器ECO8000实现主备路在发生故障时自动倒换。主同步机设定为内同步，如果主同步出现故障切换到备同步机，备同步机可继续保持时钟基准不变。SPG9000同步机可提供模拟BB、WORDCLOCK字时钟和PTP时钟信号。视频系统内部使用PTP信号和传统的BB信号完成设备同步，音频系统使用PTP 信号和WORDCLOCK字时钟信号完成设备同步。主备两台SPG9000同步机的PTP 端口分别与视频主备核心交接机CE8850-64CQ连接，为IP系统提供PTP时钟信号。视频核心交换机从同步机接收PTP时钟，并进行重新锁定，同时作为时钟源采用边界时钟（Boundary Clock）模式，通过多个PTP端口向下游的音频、通话等系统发布PTP时钟。
6. SDN管控系统
IP信号相比传统基带信号管理调度更加灵活，本次系统改造采用Sony VideoIPath作为IP信号调度系统，负责所有信号调度、路由优化，确保交换机无阻塞运行，实现了视频、音频、通话、控制信号、辅助数据的统一管理。它还具备资源共享功能，在多个演播室、转播车协同制作的环境下，能够实现资源共享与系统对接。这次部署采用Cluster集群结构，包含三台服务器，即使一台服务器出现问题，系统也不会崩溃。VideoIPath支持SMPTE ST 2022-7标准，具备主备路无缝倒换功能。在数据链路出现问题时，能够生成新的路由路径，路由恢复由系统自动完成。光模块、光纤或交换机等出现故障时，同样具备修复数据路由的能力，极大提高了系统的安全性。
7.系统的扩展性与兼容性
4K超高清演播室系统有良好的扩展性，信源有两种方式接入系统，一种是支持SMPTE ST 2110信号流收发的设备，可以直接接入数据网络，通过NMOS 协议与SDN通信，完成双向信号调度。另一种是传统设备通过基带输出接口12G/HD-SDI方式，使用网关卡转换成4K/HD SMPTE ST 2110信号流接入系统。SDN切换调度SMPTE ST 2110视频信号至网关卡，由网关卡将IP信号转换为基带信号送相关设备使用。
系统集成数量充足的网关卡，在系统周边设置接口板来进行系统的扩展，利用扩展通路进行IP流转基带、基带转IP流的工作。
演播室与播控中心之间利用现有光链路，通过光端机以基带信号方式进行4K/HD PGM信号和返送信号的传输。
8.新媒体节目制作
演播室节目制作同时兼顾移动化、网络直播的需求，配置了4K超高清全功能导播一体机，用于新媒体节目的制作和网络直播。
根据新媒体直播的不同需求，4K超高清PGM 信号经过交叉变换器，下变为1080/25P/SDR或720/25P/SDR格式的高清信号，用于新媒体SDR信号分发。或者4K超高清PGM信号经过交叉变换器，变为4K/50P/HDR或1080/50P/HDR格式的4K超高清PQ信号，用于新媒体HDR信号分发。
四 结语
作为全台4K超高清制播链条的重要环节，1200 平方米演播室技术系统利用IP架构的优势，对设备进行网络化集中控制，实现了信号资源与设备资源的充分共享，优化了制播流程，提高了工作效率，实现了技术更新迭代。本次超高清升级改造完成后，1200 平方米演播室视频系统具备4K超高清节目制作能力，音频具备环绕声制作能力，兼容“三维声”“菁彩声”等多种声音标准，可满足台内大型节目4K超高清制作要求，信号质量达到4K超高清技术指标。项目完工后，1200平方米演播室进行了大型节目的录制，整个技术系统运行稳定可靠，信号调度灵活，画面质量改善显著，取得了非常好的录制效果。
