基于AoIP技术的音频播控系统的设计搭建

基于AoIP技术的音频播控系统的设计搭建在广播电视专业领域，实时数字音频的传输通常是通过AES3（AES/EBU）或AES10（MADI）协议来进行的，随着IP技术的迅猛发展，人们一直期待着利用应用最为广泛、性价比最高的以太网来实现这一传输任务。如果实时音频的传输能够兼容现有的以太网络，系统架构将变得简单化，机房布线也将变得更加简洁，同时以太网的交换特性，也有利于改变只能点对点传统数字音频传输的局限，从而实现数字音频传输的软交换和软路由。1AoIP技术概述所谓AoIP（AudiooverInternetProtocol），是指利用网络传输采样率不低于44.1kHz，量化精度不低于16bit的高性能流化音频，区别于常说的VoIP（VoiceoverIP），那是用作语音通信的低性能流化音频。同时，AoIP的第二个特征是利用现有的网络，且延时小于10ms。2017年国家新闻出版广电总局发布了GY/T304-2016《高性能流化音频在IP网络上的互操作性规范》，该标准是参照AES67-2015《High-performancestreamingaudio-over-IPinteroperability》编制的。2业务流程及功能分析播控系统是广播电台的枢纽环节，也是核心环节，其系统安全性是整个广播工艺系统中的重中之重。其包括信号输入、调度控制、选择切换、监听监测、节目慢录、信号输出六个功能模块，如图1所示，所有外来信号以及台内节目信号在此进行汇聚、调度，并进行监测监听。图1播控系统业务流程图2.1信号输入模块广播播控系统的信号输入包括广播直播室信号、录音室信号、卫星接收外来信号、光缆接收外来信号、微波接收外来信号等。输入的节目信号均为需要调度、监听的节目信号，广播直播室信号通常为主备PGM信号，录音室信号可以作为备份直播室信号，外来信号包括中央台、省市台节目信号及回传的外场直播信号等。2.2调度控制模块调度控制模块可对所有汇聚的节目信号进行调度，可由指定输入信号源对应任意输出通道进行信号输出，实现矩阵交叉式调度，调配功能强大且灵活。采用AoIP模式的调度矩阵还可指定任意端口的输入输出功能和信号数量。另外，调度控制模块很重要的一个功能是对广播播控系统内各设备进行集中控制，包括核心矩阵、监听监测设备、慢录工作站、切换选择器等，方便台内技术人员对播控系统统一管理。2.3监听监测模块监听监测模块具备对所有汇聚的音频信号进行选择性监听监测的功能，可对任意一路输入信号或输出信号的质量进行把控，是保证节目质量的重要功能模块。该模块可将信号监测数据通过图形、数据表的方式展示在监视器墙上，台内值班人员可以直观地看到信号质量。在遇有突发故障或不稳定状况时监听监测系统可进行报警，提示工作人员进行系统设备维修维护。2.4选择切换模块为满足总局62号令的要求，保证广播电台节目播出的安全性，播出通道需要考虑冗余备份，因此需要对主备路的节目信号进行选择切换：正常情况下播出主路信号，遇有突发情况时切换到备路信号或备播节目内容。切换模块具备断电旁通功能。2.5节目慢录模块广播电台为了监控广播播出质量、记录停播事故、对主持人进行考评，需要慢录模块对节目进行录制，同时，慢录模块可以对广告商提供播后查询的功能。2.6信号输出模块广播播控系统的信号输出包括给传输系统、慢录系统及监听监测系统的信号。随着广播节目播出渠道的多样化，信号输出逐渐增多，包括网站播出、手机APP、微博微信、网络电台等。输出信号通常为各频道PGM信号，可随意分配不同的输入节目源进行输出，并对输出的音频信号进行处理。3系统架构分析广播电台的播控系统担负着所有频道节目的播出调度功能，调配着所有节目信号的进出。所以设计播控系统要建立大系统的概念，充分考虑各技术平台相互转换时可能存在的问题，为整个系统提供匹配的工作电平。同时，要考虑整个播控系统的安全可靠，核心设备考虑冗余，排除单点故障，保障节目播出的安全。广播电台的播控系统目前有三种架构模式：音频矩阵架构、音频矩阵与AoIP混合架构、AoIP架构。3.1音频矩阵架构播控系统采用的传统方式是音频矩阵架构，如图2所示，目前普遍应用于各广播电台，其信号是基于AES/EBU数字音频信号格式传输的，核心设备采用主备数字音频矩阵，输入信号包括广播直播室、录音室、卫星接收信号、光缆接收信号、微波接收信号、电视播控信号及其他的信号源，主备矩阵的输出信号通过选择切换器传送至中波发射台、FM发射台、微波以、网络公司、新媒体播出及其他播出平台。周边配备智能化控制及监看系统。图2音频矩阵架构系统框图这种架构的优势是技术成熟、普及度高，台内的技术人员对这套播控系统的操作熟悉；缺点是扩展性差、线缆数量庞杂，随着台内节目信号的增加以及频道数量的增加，在系统扩展上需要采取整体替换的方式，这给广播电台的业务发展带来瓶颈。3.2音频矩阵与AoIP混合架构目前国内先进的电台都在采用网络化方案建设数字矩阵与网络矩阵相结合的智能总控系统，如图3所示。这种广播播控的架构采用数字音频矩阵作为主要播出通道（数字音频矩阵可以配置一主一备，也可以配置一台），AoIP核心交换机作为备份的播出通道。信号源包括广播直播室、录音室、卫星接收信号、光缆接收信号、微波接收信号、电视播控信号以及其他的信号源；输出的节目信号通过四选一或多选一选择切换器进行播出通道的选择和应急切换，将广播播出的节目传送至中波发射台、FM发射台、微波以及网络公司等，AoIP核心交换机的输出同时可作为新媒体播出及其他播出平台的信号源。在控制系统方面，采用网络化控制系统，通过监控服务器及屏控工作站实现在总控大屏上对信号和数据的监看功能。图3音频矩阵与AoIP混合的架构这种音频矩阵与AoIP混合的架构从根本上是音频播控系统的过渡产物，目前许多大台采取这样的架构，例如中央人民广播电台、云南人民广播电台等。这种架构更多的考虑了广播电台对安全性的要求，目前对这种架构的认可度还是很高。在一些新台建设的项目中，也多采用这种模式进行设计规划。这种架构的优势是结合了传统音频矩阵模式和AoIP模式的优点，具有一定的扩展性和灵活性；缺点是两种模式带来系统的复杂性高，给系统的操作维护带来一定的难度，并且系统的扩展性存在一定的限制，没有从实质上解决传统音频矩阵扩展难的问题。3.3AoIP架构AoIP架构是未来广播播控的发展方向。核心设备采用AoIP交换机和播出交换机，采用主备的方式，如图4所示。输入信号包括广播直播室、录音室、卫星接收信号、光缆接收信号、微波接收信号、电视播控信号以及其他的信号源；输出的节目信号通过播出交换机进行播出通道的选择和应急切换，将广播播出的节目传送至中波发射台、FM发射台、微波以及网络公司等。图4AoIP架构除网络化总控方案有着传统音频矩阵方案所不可能有的技术优势，大大降低了传统音频布线的复杂程度，很多传统方案中大量使用的音分和A/D、D/A，在网络化方案中数量可以大大减少，节约了系统投资；而且也大大提高了系统的性能与灵活性，很多传统音频矩阵系统难以实现的信号备份、报警、监测等功能都可以在网络化主控系统中较容易地实现；由于网络化主控系统的技术特点，信号的备份变得相对容易，使整个系统的安全性和可靠性大大提高。网络化系统的扩展非常容易，比如从一个64×64规模的矩阵扩展成为128×128规模是非常容易的，而且可以在线扩容，中间不会有任何设备被浪费；而传统的音频矩阵系统要进行升级扩容，相对比较复杂。因此在系统扩展方面AoIP系统具有明显的优势。4AoIP广播播控系统的设计和分析AoIP广播播控系统是当下广播电台技术发展的新趋势，逐步应用于各大广播电台。基于上文介绍的AoIP广播播控系统架构和特点，对AoIP播控系统进行设计并分析。4.1AoIP网络针对不同规模的广播电台应采用不同的设计方案，设计时需结合项目规模、安播要求等要素。目前，各类音频设备厂家对AoIP的支持程度不同，部分设备可直接输出IP流数据，有些则需要由AES/EBU数字音频信号转换成IP流数据。进入AoIP网络内部的所有数据都以IP流的格式传输，通常采用的格式为采样频率48kHz，24bit音频流，基础网络基于OSI模型的网络IP层来进行网络传输，采用千兆以太网架构，每个1000Mb/s的传输链路可以容纳400通道音频流数据，并支持单播和组播。AoIP技术以IEEE1588标准的PTP（PrecisionTimeProtocol，网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准）协议进行时钟同步，利用RTP（Real-timeTransportProtocol，实时传输协议）进行数据传输，同时采用DiffServ（DifferentiatedService，区分服务体系结构）作为QoS（QualityofService）服务。在AoIP网络设计上，网络模式和以太网络基本一致，可以是灵活多变的，根据建设规模选用不同的网络架构。根据传统广播播控业务习惯，AoIP网络按功能可以分为直播网络、制作网络、总控网络三个子网，这三个子网互联互通，不同类型的业务区域独立设置网络交换机，采用千兆以太网传输。其中，直播网络主要包括广播电台各直播室AoIP交换机，在直播区域内形成AoIP网络节点；制作网络主要包括各录音室对外传输信号，在录音区域形成网络节点；总控网络主要包括广播总控信号的汇集和分发，广播总控对外的信号分发等。对于不同规模的广播电台，AoIP网络架构分为四种：三层网络架构、二层网络架构、环形网络架构、混合网络架构。4.1.1三层网络架构三层网络架构将AoIP网络分成核心层、汇聚层、接入层，如图5所示，适用直播室较多的大型广播电台。核心层交换机之间相互独立，形成冗余的核心交换网络，每层交换机与上层交换机分别连接，保证各传输链路的冗余。图5三层网络架构图4.1.2二层网络架构二层交换网络分为核心层和接入层，如图6所示，适用于中小型广播电台。与三层网络架构不同的是，不再设置汇聚层交换机，所有接入层（直播区、制作区、播总控区）交换机直接与核心交换机相连接。所有链路均设置主备，核心交换机相互独立。图6二层网络架构图4.1.3环形网络架构环形网络架构也称为无核心网络架构，如图7所示，适用于规模较小的广播电台。其最大的特点是无核心网络节点，交换机通过堆叠的方式串接成AoIP网络，每个交换机有两个方向链路，一个链路出现问题，可以通过另外一条链路进行网络互通。采用环形网络架构的AoIP网络需考虑生成树协议。图7环形网络架构图4.1.4混合网络架构混合网络架构是网络异构的一种形式，也称为拓扑异构，即采用不同方式的网络架构进行组网，进一步提高网络安全性。混合架构可以是三层网络+环形网络架构，也可以是二层网络+环形网络架构（如图8所示），同样也可以是双核心的三层网络+二层网络架构。这取决于网络节点的数量和项目整体的情况。这种架构可应用于各种规模的广播电台。图8混合网络架构图4.1.5AoIP网络的接入按照制播网络的建设思路，把AoIP网络中的各个设备看作网络设备，例如调音台、音频处理器、音频矩阵、播出工作站等。不同的是，目前并不是所有的音频设备都可以接入AoIP网络，大部分的音频设备多采用传统的AES/EBU或模拟音频接口。因此，需要对数字/模拟两种音频信号进行转换，即为AoIP接入节点，如图9所示。图9AoIP网络接入示意图4.2AoIP网络音频监控系统4.2.1传统音频监控系统传统的音频监控系统和传输网是分离的，不管是采用插入监测还是CobraNet监测，都需要打断原来的信号链路去获取关键节点的音频数据，从而再建一个庞大的监测系统，如图10所示。这种模式占据大量的音频输出端口，线路复杂繁琐，而且监测功能单一。图10传统监测网示意图4.2.2AoIP音频监控系统AoIP是利用以太网组件来传输音频信号的，线路传输除音频信号外，设备状态、温湿度、视频监控等信息，都可以在同一个网络中传输，配套管理客户端即可构建一套完整的网络监控系统，通过AoIP路由的建立，实现了对播出链路关键节点信号的实时质量分析，如图11所示。这种