AOIP技术在主控播出系统中的应用

AOIP技术在主控播出系统中的应用一.引言在新媒体背景下，广播电台向媒体融合方向发展，播出形式多样化，广播电台主控播出机房输出信号除了应用于传统的广播播出之外，还要应用于多个播出平台，且播出平台本身也在不断调整变化，因此无论在实际应用角度还是安播保障角度，传统的广播播出系统架构已经难以适应广播电台播出业务灵活多变的趋势，需要运用新技术重新进行系统构架设计。近年来快速发展的AOIP技术可以很好的解决广播电台当前面临的问题，本文第一部分介绍AOIP技术，第二部分阐述AOIP构架优势，第三部分探讨AOIP技术在主控构架设计中的应用。二.AOIP技术发展简介1.音频传输技术发展AOIP技术是在AES3技术基础上，为了实现音频网络化传输而发展起来的技术，顾名思义，AOIP技术的优势在于IP化，该技术可以保证音频在网络层传输，并很好的解决了音频网络化传输的延时与同步问题，下表为音频技术的发展历程。如表1所示，早期的音频接口及传输技术采用的端对端传输，应用比较广泛的AES3接口可以传输两路立体声信号，采用字同步技术可以有效地解决同步问题，在广播领域通过TDM时分复用技术实现节目交换，这种技术稳定性高，但是每增加一个输入输出接点就需要部署音频线缆，且传输距离受限。后期的MADI技术（AES10）采用时钟同步，用光纤传输音频，增加了通道数量，但是仍然难以解决灵活性差的问题。1996年美国的PeakAudio公司推出了CobraNet网络传输音频技术，可以在100M以太网下单向可以传输64个48kHz、20bit的音频信号通道（48kHz、24bit信号为56路），该技术良好的适应了灵活多变的音频业务，但虽然都能够基于以太网传输音频信号，但是由于工作在数据链路层（OSI二层）的低层传输协议，只能在局域网中传递，不能穿过路由器传输。在网络化时代，基于IP的音频技术是必然的发展趋势，因此许多公司研发了相关产品，目实现传输高质量音频，具有路由功能的音频传输技术，以适应网络化播出需求和灵活多变的业务趋势。2.当前主要的发展AOIP技术的公司如表2述三家公司在目前行业中处于领先地位且应用市场比较大，目前三家公司均支持AES67协议，可以实现设备之间的互连互通。Dante由澳大利亚Audinate公司研发，目前市场占有率最高，Dante设备使用统一的AOIP接口卡、并提供管理控制接口，适用于统一管理，可以较简单的实现AOIP设备研发。RAVENNA由德国的ALCNetwork研发，其协议标准免费开放，但是缺少硬件系统解决方案，目前市场占有率较低。Livewire有Telos联盟研发，开始同步方案为专用协议，后期升级为Livewire+，支持IEEE1588同步协议，符合了AES67-2013同步标准。上述公司的AOIP技术均能实现网络化、高质量的音频传输，且同步性能较好，但是初期由于技术协议不同，这些公司之间的设备难以实现互联互通，在这种背景下，AES（美国音频工程师协会）代号为SC-02-12-H的标准化工作组，在2010年12月开始在现有的AOIP技术基础之上设计了可互通方案，简称AES67。AES67是高性能音频流网络互操作协议，标准本身并没有什么创新性，该标准制定是为了集成现有的AOIP技术体系，使不同的AOIP系统实现互联互通，实现在高性能网络上传输高质量、大容量、低延时的数字音频信号。因此AES67的目的是规范现有技术体系。目前大部分音频技术公司如RAVENNA,Livewire+，Dante等均支持AES67协议。下表2为AES67具体技术指标：如表3所示，AES67支持24bit的线性非压缩音频编码，采用率支持48KHZ，已经达到了AES3的音频信号基本标准，音频采样数据在传输层封装成RTP数据包进行端到端的传输，RTP协议（Real-timeTransportProtocol）是实时传输协议，用于在网络中传输音、视频流媒体信息，AES67中，RTP数据包包括音频数据、时间戳。传输通过UDP协议进行控制，UDP协议包括源端口号和目的端口号及校验信息，UDP数据包在网络层封装成IP包，加入IP地址进行传输。整个协议的同步通过PTP协议完成，该协议向系统中所有级联设备发送最高级时间实现同步，时钟精度低于25ns，为了达到广播级标准，实现设备有效同步和数据的有效传输，通过QOS实现质量控制，该协议将同步数据包传输定义为最高优先级，音频数据包传输其次，最后传输其他信息。三.AOIP构架优势1.带有组播功能，支持更多通路AOIP技术的优势之一是带有组播功能，理论上可以无限扩展通路，一根5类网线可以传输1000路音频信号，而且通过交换机的级联可以轻松组建音频网络。这对于音频信号播出扩展和监控、应急带来的极大地便利性。在传统的AES3构建的音频网络中，如果需要扩展一路输出音频信号，需要音频信号分配器分配，该设备分配音频数量有限，且需要点对点布线，导致增加通路的工作即繁琐又增加了系统的复杂性。运用AOIP技术可以极大地简化系统扩展工作，播出通路的扩展只需要在交换机中接入一根网线即可完成，后级级联交换机可以实现多路播出通路扩展，因此只要在系统搭建过程中部署好网络路由，预留网络接口即可轻松实现系统扩展工作，这样使系统扩容更加方便，并且使附加的录音信号采集、监控信号采集更加便利。2.带有路由功能AOIP技术构架优势之二是带有路由功能，通过路由功能，可以实现轻松实现音频信号的定向传输。所有播出设备接入在网络层，通过路由器和切换软件可以代替矩阵系统完成节目切换工作。可以采用双路由构架保证节目切换的安全性，同时在设备异常的情况下，更换路由器的操作比较简便，可以快速恢复故障。在路由器级联的系统中，任意节点的音频信号可以传输到任意节点，打破了传统广播播出系统单向传输的特性，灵活运用路由功能，可以打破传统思维，在节目监控和应急策略设计上有更大的发挥空间。且通过路由器搭建的系统构架更加简洁，系统未来的扩展更加方便，使主控播出中心的音频信号可以便捷的与其他系统对接，更能适合未来广播电台灵活多变的业务需求。3.便于监控、管理、应急在组播和路由功能基础上搭建的系统，监控和应急管理更加便捷。在传统的播出系统中，对系统各节点的监控必须通过信号采集设备完成，即每一个播出节点的输出必须经过音频分配器分配出音频信号，由音频信号采集设备采集才能完成该节点的输出监控工作。这导致如果要监控系统各节点的输出，势必需要非常多的信号采集通路和设备，导致监控系统过于复杂，增加了系统负担。传统的播出系统的应急信号由专门的补乐设备提供，由于播出系统的单向性，补乐音频信号只能对其后级接入的设备补乐，这样如果要增加系统各节点的补乐就需要在系统中加入更多补乐设备，导致系统构架过于臃肿。以上监控和补乐节点分布在系统各处，不利于系统进行统一的监控管理。采用AOIP的系统构架，理论上可以在系统中任意点取得任意点输出的音频信号，因此系统的信号采集点可以灵活部署，同时系统补乐也可以集中部署，可以在系统中引入信号集中监控和补乐池的概念，通过计算机集群构架处理采集的音频信号，这样还可以扩大运算能力实现音频信号深度监测，补乐池通过计算机集群提供补乐信号，结合节目表和路由策略可以提供更加有针对性的补乐节目，运用基于云计算构架的计算机集群完成监控和补乐工作可以使系统运行更加稳定，同时便于系统的统一管理和故障恢复。四.AOIP主控播出系统构架基于上述介绍，可以充分利用AOIP的技术优点进行主控播出系统的架构设计，在构架设计中，需要兼顾安全性与先进性，即保留传统的安全播出系统构架和应急功能，扩展未来网络化播出接口，基于这两点原则进行系统设计，这样设计的系统即有稳定运行、快速应急的安全基因，又有配合业务变化快速组成的灵活基因，这样的构架符合广播电台的现状和未来发展规划，因此设计构架可以如下图所示：上图1中主采用传统的音频播出系统构架，即节目源，音频分配器，音频矩阵，切换器的节目路由，备采用AOIP系统构架，通过交换机、路由器级联音频设备和监控设备，整个系统通过统一的监测网进行统一监控。下面简单介绍该架构的技术优点：1.运行稳定、应急迅速上述构架主路播出路由保留了传统的AES3播出路由设计，采用这种路由基于两点考虑，一是与原有的录播、直播节目制作系统对接，目前大部分录播、直播播出系统仍然采用原有的AES3输出，这也是基于稳定性和低延时的考虑。二是保留原有的节目交换、应急和监控管理手段，因此作为广播电台的节目交换中心，保障安全仍然是第一要务，因此要应用经过长时间实践考验的技术，保留AES3系统的播出可以对新技术的应用扩展起到支撑和保障作用，切采用AES3应急所有的播出节点均可以人工跳线进行应急，在系统崩溃的情况下，是唯一可靠的应急手段。2.构架灵活扩展系统的备播出路由采用交换机和路由器及切换软件级联组成的AOIP音频播出系统，该系统构架可以通过网络将任一节点的信号输出至任一节点，且路由是双向的，理论上可以无限扩展输出通路，基于这种构架可以根据业务类型自由配置播出通路。前级的音频分配器可以将AES3信号转换为AOIP信号输入交换机，也可以将AOIP信号转换为AES3信号输出，这样不论节目源是AES3输出还是AOIP输出播出通路中均具备AES3和AOIP两路播出路由，保证了系统的安全性。且在进行网络播出时，可以在系统中任一节点取信号，进行转播时也可以在系统中任一节点送信号，因此系统支持自由的业务组合。3.监控点多、集中处理、针对性补乐。在AOIP的系统构架中，可以引入监测网的概念，监测网可以分为数据接入层和逻辑判断层，数据接入层的输入为各节点输出的AOIP音频信号，AES3采集器的告警信号，播出设备的状态信号，机房环境状态信息等信息，基于网络传输监控信号的特性可以实现各种监控信息的集中分析处理，因此逻辑判断层的监控系统设计可以采用云计算计算机集群构架，用虚拟机完成不同的监控任务，这样可以增强监控系统本身的稳定性同时还可以加大运算量，完成如节目质量监控等深度监控工作。在补乐方面，因为AOIP的灵活性，结合告警信息和节目表，可以引入补乐池的集中补乐概念，可以根据节目表进行针对性补乐（比如可以补前一天的节目），加强节目播出的安全性。综上所述，AO