隨著對外場大型活動賽事的轉(zhuǎn)播制作規(guī)模不斷擴大，演播室前延化制作等需求日益增多。以往傳統(tǒng)基帶音頻系統(tǒng)面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，密集的長距離過境線纜鋪設使系統(tǒng)擴展、維護和管理都非常不便。隨著技術(shù)的快速更替，網(wǎng)絡IT技術(shù)對于音頻行業(yè)也有越來越深遠的影響。越來越多的網(wǎng)絡化產(chǎn)品和智能化技術(shù)在行業(yè)內(nèi)推廣應用。本文針對近期中央電視臺建設完成的兩套基于 IP 架構(gòu)的移動外場音頻系統(tǒng)進行闡述，介紹其系統(tǒng)設計思路和新技術(shù)應用實施。

1、傳統(tǒng)移動外場音頻系統(tǒng)

央視移動外場音頻系統(tǒng)始建于2008年北京奧運會，十年來承擔了包括2009年濟南全運會、2012年倫敦奧運會、2014仁川亞運會、2016年里約奧運會等各項重大外場節(jié)目轉(zhuǎn)播制作任務。整體系統(tǒng)采用傳統(tǒng)基帶架構(gòu)，具備5.1環(huán)繞聲制作能力，主備系統(tǒng)通過前端無源音分接取重要輸入信號。

整套系統(tǒng)配置相對固定，備份系統(tǒng)受音分數(shù)量約束，只能備份若干重要信號，無法支持節(jié)目全流程制作；系統(tǒng)采用模擬、AES3和AES10（MADI）等基帶音頻格式進行接駁，導致線纜鋪設密集。位于前方IBC的工作區(qū)域，需根據(jù)節(jié)目的報道規(guī)模和技術(shù)需求進行劃分，演播室、音控室、導播間和立柜機房經(jīng)常由于位置、過墻洞受限等造成走線距離過長，有大量過境綜合線纜需要部署，系統(tǒng)擴展性不佳，同時受物理電纜和信號格式所限，長距離傳輸也很難避免信號衰減和噪聲串擾的情況發(fā)生。

以2016年里約奧運會IBC為例，前方IBC制作區(qū)音控室位置相對理想，但總體鋪設線纜數(shù)量依舊繁多：模擬線697m、話筒線811m、數(shù)字線829m，鋪設總線量為2.3km，整體系統(tǒng)在前方搭建時，投入了大量的時間和精力至線纜鋪設和線簽核對檢查上，前端信號需要通過多個鏈路節(jié)點才能接入系統(tǒng)，對于安全直播而言，一旦信號鏈路出現(xiàn)故障中斷，很難迅速判斷故障節(jié)點。

為了解決上述問題，同時適配2018年韓國平昌冬奧會、2020年日本東京奧運會和2022年中國北京冬奧會的4K轉(zhuǎn)播任務，我們需要一套全新架構(gòu)的移動外場音頻系統(tǒng)：能夠滿足大型體育賽事、綜藝晚會、重大新聞報道等節(jié)目制作需求；支持三維聲制作，具備前場三維聲監(jiān)聽環(huán)境；系統(tǒng)安全有效、運行穩(wěn)定，且能夠快速搭建。

2、AoIP音頻技術(shù)發(fā)展概況

傳統(tǒng)穩(wěn)定的TDM時代

項目建設之初，最開始思索的就是系統(tǒng)核心傳輸制式的發(fā)展方向。從1985年制定的行業(yè)標準AES/EBU（AES3）開始，定義使用單根絞合銅線對來單向傳輸雙通道數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的串行位，傳輸距離約為100米，數(shù)據(jù)傳輸速率為3Mbit；1991年AES10面世，即通常所稱的MADI多通道音頻接口格式，在使用了多路時分復用技術(shù)后，通過一根光纖或同軸銅線進行多達64路信號的傳輸，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為125Mbit。以上基帶信號傳輸方式有一些共同的特點：首先都是為廣播電視音、視頻傳輸專門設計的，需要專門的接口板卡來互相接駁；其次只能單向點對點傳輸，點對多時需要使用矩陣設備進行復用分發(fā)；一旦需要大量信號同時傳輸時，受限于單根線纜的傳輸速率，只能通過綜合多芯纜等方式解決。

隨著網(wǎng)絡化逐漸走進人們生活，發(fā)送電子郵件、云端文件的上傳下載�；�于VoIP的網(wǎng)絡語音電話等技術(shù)被越來越多人使用�；�于以太網(wǎng)傳輸?shù)母咂焚|(zhì)音頻流技術(shù)逐漸出現(xiàn)在人們面前。

百家爭鳴的AoIP時代

我們對音頻信號網(wǎng)絡傳輸技術(shù)很早就開始關(guān)注，無論是Roland M48個人舞臺監(jiān)聽系統(tǒng)，還是Waves Mulitrack效果器均能夠看到自有音頻網(wǎng)絡傳輸技術(shù)的影子。在音頻技術(shù)向網(wǎng)絡化發(fā)展的進程中，EtherSound和CobraNet是先行者，隨后出現(xiàn)的AVB以太網(wǎng)音視頻橋協(xié)議、Dante協(xié)議和Ravenna協(xié)議均納入了本次系統(tǒng)設計之初的視線范圍。AoIP技術(shù)的主流目標是能夠通過一根網(wǎng)線傳輸音頻、控制以及同步信號，能夠雙向傳輸多通道音頻，其傳輸帶寬只受限于交換機；通過使用交換機來進行數(shù)據(jù)分發(fā)復制處理，從而點對多的傳輸變得簡單、高效。

通過對比上述主流AoIP技術(shù)架構(gòu)（圖1），能夠看到雖然都是通過網(wǎng)線進行傳輸，都采用了類似的核心協(xié)議架構(gòu)，但各家技術(shù)路線和細節(jié)差異較大，彼此間也相互獨立，只能單獨構(gòu)建系統(tǒng)。

Ethersound和Cobranet基于數(shù)據(jù)鏈路層無法使用路由器，只能在局域網(wǎng)中傳遞。

Ethersound采用廣播方式單向傳輸，構(gòu)建網(wǎng)絡架構(gòu)不便，自身同步也不精確；

Cobranet采用MAC尋址方式最大延遲量5.33ms，其所采用獨有的 Bundle封裝方式，導致其只能建立專用網(wǎng)絡，不能與其他AoIP系統(tǒng)互聯(lián)互通，兼容性差。

AVB以太網(wǎng)音視頻橋雖然算是涉及到Layer3網(wǎng)絡層，但其需要使用AVB專用交換機進行構(gòu)建系統(tǒng)，設備選型升級太過局限。

Dante基于Layer3網(wǎng)絡層進行開發(fā)，能夠提供低延遲高精度的低成本解決方案，且有鏈路主備冗余倒換設計，但其是一個不開放的企業(yè)內(nèi)部標準。

和Dante相反，Ravenna幾乎是一個全面開放的AoIP協(xié)議，支持標準的交換機和路由器，同步方面使用IEEE1588-2002協(xié)議，通過RTP/UDP協(xié)議進行傳輸。

標準統(tǒng)一的AES67時代

AES（音頻工程協(xié)會）代號為SC-02-12-H的標準化工作組，在2010年12月啟動了一個叫X192的項目，希望在現(xiàn)有技術(shù)的基礎上定義一個可互通的方案，以實現(xiàn)不同廠商AoIP設備之間的互操作，該標準《AES standard for audio applications of networks -High-performance streamingaudio-over-IP interoperability》于2013年9月正式頒布，2015年修訂（以下簡稱AES67）。

AES67從同步、媒體時鐘、傳輸、編碼與成流、會話描述、發(fā)現(xiàn)服務、連接管理等方面闡明并規(guī)范了AoIP的機制和具體細則（圖2），特別是對基于IEEE1588-2002的同步機制和 RTP流的單組播傳輸方案作了明確的定義，這使得不同廠商的AoIP設備與系統(tǒng)間的時鐘對接以及音頻數(shù)據(jù)流對接成為可能。

通過對AoIP音頻技術(shù)架構(gòu)的調(diào)研，最終本次移動外場音頻系統(tǒng)的架構(gòu)選擇以Ravenna協(xié)議和Dante協(xié)議共同存在的方式進行構(gòu)建，兩種協(xié)議通過AES67互聯(lián)互通。核心交換機負責所有音頻流的收發(fā)路由，支持AES67協(xié)議的信源設備直接與交換機交互，基帶信號通過基帶轉(zhuǎn)網(wǎng)設備進行前級轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

3、基于IP架構(gòu)的移動外場音頻系統(tǒng)設計

網(wǎng)絡核心架構(gòu)設計

基于IP架構(gòu)的移動外場音頻系統(tǒng)，核心網(wǎng)絡架構(gòu)的設計是重中之重。選擇2臺具備三層路由功能的Cisco 3850千兆交換機作為整套系統(tǒng)核心交換機，4臺Cisco 2960二層千兆交換機為匯聚交換機，與核心交換機一起構(gòu)成葉脊拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，為整個音頻系統(tǒng)提供主備鏈路互為冗余的網(wǎng)絡路由架構(gòu)（圖4），保證所有AoIP接口設備信號互通順暢安全。

音頻系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要由時鐘同步系統(tǒng)、主備調(diào)音臺系統(tǒng)、監(jiān)控軟件系統(tǒng)、監(jiān)聽音箱系統(tǒng)、多軌還音系統(tǒng)、效果器等其他周邊設備等組成，系統(tǒng)內(nèi)所有AoIP設備全面支持AES67協(xié)議。

（1）時鐘同步系統(tǒng)

和傳統(tǒng)基帶音頻系統(tǒng)不同，由于AoIP技術(shù)需基于OSI模型的Layer3網(wǎng)絡層進行傳輸，除了BB同步信號和WC同步信號以外，還需要以IEEE1588-2002標準中規(guī)定的PTP（Precision Time Protocol）協(xié)議進行網(wǎng)絡時鐘同步。

其工作原理是PTP通過主、從設備間消息傳遞，計算時間偏差來達到主從同步。PTP系統(tǒng)屬于自組織式的管理方式，最佳主時鐘算法BMC根據(jù)各個PTP端口提供的質(zhì)量信息，確定每個域內(nèi)的主時鐘。BMC算法利用狀態(tài)決定算法，確定每個端口的主從狀態(tài)，稱為建議狀態(tài)。主時鐘周期性地組播包含時間戳的消息，需要同步的從時鐘向主時鐘發(fā)送消息，從時鐘根據(jù)收到的時間信息和自身發(fā)送消息的時間，計算出與主時鐘的偏差和線路延遲。

本系統(tǒng)配置1臺SyncroGenius HD PRO作為基帶時鐘同步分配器，配置1臺Sonifex AVN作為網(wǎng)絡音頻主時鐘。將視頻系統(tǒng)提供的BB信號先接入基帶時鐘同步分配器，分配器輸出WC字時鐘信號給AVN網(wǎng)絡主時鐘和A-MADI4作為基帶同步參考。保證所有數(shù)字設備均同步在視頻BB信號時鐘下。在網(wǎng)絡中，將AVN作為主時鐘Master，同步優(yōu)先級設置為最高，A-MADI4優(yōu)先級次之。當AVN出現(xiàn)故障時，A-MADI4能夠自動被推選為新的Master主時鐘，保證系統(tǒng)中主時鐘始終能夠保持與基帶同步信號一致（圖5）。

需要特別說明的是，當多個IP系統(tǒng)相互組接級聯(lián)時，如果跨越多個交換機節(jié)點，主從設備間距離較長時，很容易受到網(wǎng)絡波動影響，消息傳輸延遲相差可能會增大，也就是引入非對稱性誤差，這將嚴重影響同步的精度。此時需要引入邊界時鐘概念，相對于普通時鐘只有一個PTP端口，邊界時鐘有兩個以上的PTP端口，每個端口可以處于不同的狀態(tài)。在主從時鐘之間布置若干個邊界時鐘，逐級同步，邊界時鐘既是上級時鐘的從時鐘，也是下級時鐘的主時鐘，由不同的端口來實現(xiàn)主從功能。

（2）主、備調(diào)音臺系統(tǒng)

本系統(tǒng)配置LAWO MC 2 56數(shù)字調(diào)音臺和Nova73核心矩陣為主調(diào)音臺系統(tǒng)，備調(diào)音臺系統(tǒng)為MC 2 36數(shù)字調(diào)音臺；2臺DALLIS、3臺A-Digi8 和1臺A-MADI4作為數(shù)字共享接口箱；7臺A-MIC8做為模擬共享接口箱。主、備調(diào)音臺系統(tǒng)采用Ravenna協(xié)議進行音頻流交互，每個網(wǎng)口支持128CH In/Out雙向傳輸（圖6）。

（3）監(jiān)控軟件系統(tǒng)

傳統(tǒng)的音頻監(jiān)控系統(tǒng)，整合度不夠，基本上都是單點采樣監(jiān)測。不僅要占據(jù)大量的音頻輸出端口，線路架設復雜繁瑣，而且采樣設備功能單一，所有的監(jiān)控設備之間相互獨立，一旦信號鏈路出現(xiàn)故障，很難迅速判斷故障節(jié)點。隨著音頻鏈路節(jié)點和監(jiān)測環(huán)節(jié)數(shù)量的增加，監(jiān)控系統(tǒng)將越來越龐大，故障判斷將越來越難。

在AoIP時代，所有信號均以組播流形式存在于交換機網(wǎng)絡中，我們之前習以為常的基帶電纜信號已然不復存在。要解決信號接入交換機就變?yōu)楹谙淝闆r，就需要依托完善的監(jiān)控管理系統(tǒng)，每個設備的每個接口實時發(fā)出的信號信息我們都需要清楚監(jiān)控。從基帶系統(tǒng)的重資產(chǎn)到 IP系統(tǒng)的重管理，監(jiān)控軟件是必不可少的一環(huán)。

由于所有設備均通過交換機交互信號，其中所包括的2臺DALLIS接口箱、Nova73主系統(tǒng)核心機箱、MC 2 36調(diào)音臺、11臺A-LINE接口箱、2 臺Dante監(jiān)聽單元及5只AoIP監(jiān)聽音箱均被統(tǒng)一的第三方監(jiān)控軟件進行管理。整個AoIP除了傳輸處理音頻數(shù)據(jù)流之外，每臺設備的狀態(tài)信息同樣能夠被監(jiān)控軟件獲取。 本系統(tǒng)采用定制化軟件進行全系統(tǒng)監(jiān)管控制，通過MySQL數(shù)據(jù)庫進行底層收集數(shù)據(jù)處理，采用網(wǎng)頁化操作界面。針對所有在線設備進行監(jiān)看，管理，控制等業(yè)務層面處理。而且能夠通過事后數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理，為日后系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整提供數(shù)據(jù)參考支持。

（4）監(jiān)聽音箱系統(tǒng)

外場監(jiān)聽音箱系統(tǒng)由音控室三維聲監(jiān)聽音箱和導播間環(huán)繞聲監(jiān)聽音箱組成。音控室監(jiān)聽采用5.1.4模式，主監(jiān)聽音箱采用Genelec 8341、超低音箱為Genelec7360、頂部環(huán)繞音箱為Genelec8330。所有監(jiān)聽音箱均支持AutoCal自動校準功能，可根據(jù)聲場特性校準監(jiān)聽音箱，僅需幾步操作即可快捷完成整個系統(tǒng)的校準優(yōu)化，獲得平直的頻率響應以及精準的聲音重放。系統(tǒng)中每一只音箱的電平、延時、頻率響應補償，以及低音音箱的分頻點和相位匹配，都可以根據(jù)實際房間環(huán)境，進行全自動的測量、校準、優(yōu)化，也可以進行靈活的手動調(diào)整，適配有特殊要求的房間曲線。特別是在外場轉(zhuǎn)播制作中需要臨時搭建監(jiān)聽環(huán)境時，校準軟件能夠自動對房間聲學帶來的負面影響進行補償，將監(jiān)聽系統(tǒng)高效地調(diào)整到最佳狀態(tài)，節(jié)省臨時聲學改造的時間和成本。

（5）多軌還音系統(tǒng)

多軌還音方面采用了Tascam HS-8為主還音設備、CD播放機為輔的設計方案，所有素材使用統(tǒng)一格式CF卡進行交互讀取。

還音工作流程分為三步，第一步，先將音樂編輯提供的音樂效果等素材通過U盤/CD等多種方式導入筆記本多軌工作站中進行統(tǒng)一命名編輯處理；第二步，將素材從工作站中導出至CF卡；第三步，然后將CF卡插入多軌放音機和CD機中進行播放。

首先，由于采用了CF卡為傳輸介質(zhì)，整個過程不需要像以往一樣進行1:1音頻數(shù)據(jù)實時導入，極大減少了導入音樂的時間；其次，統(tǒng)一的播放介質(zhì)也讓主備還音系統(tǒng)素材備份處理更加方便，將多軌放音機的CF卡素材整理完畢后，直接復制拷貝一份至CD機即可。

同時該系統(tǒng)還配置了1臺裝有AoIP虛擬聲卡的筆記本進行多軌收錄工作，通過筆記本網(wǎng)卡與交換機相連，工作站能夠收取前端共享接口箱發(fā)送的組播流信號，直接收錄至多軌工作站中。同時，裝有虛擬網(wǎng)絡聲卡的工作站也可以便捷地提供播放素材功能，當遇到超過8軌的素材需要播放時，可以采用多軌工作站進行還音制作。

4、結(jié)束語

從基于基帶傳輸?shù)囊纛l系統(tǒng)搭建場景轉(zhuǎn)換到基于IP傳輸?shù)囊纛l系統(tǒng)搭建，需要轉(zhuǎn)變的是搭建思路，線纜不再需要一一對應接口，信號沒有絕對的來去路由概念，每個設備網(wǎng)口均可以抓取交換機資源池里的信號流，網(wǎng)絡發(fā)流、收流的設置變得非常重要，可能之前是搭建3天調(diào)試 1天，到了IP系統(tǒng)后，就變成了搭建布線1天，但需要更長的時間來調(diào)試。

通過網(wǎng)絡的靈活便攜性，系統(tǒng)分布式部署不是難題，但是如何能夠?qū)⒄麄�系統(tǒng)集中化管理監(jiān)控是我們面臨的新挑戰(zhàn)，快捷方便的監(jiān)控軟件是我們重要的系統(tǒng)管理工具，如何能夠快速查看在網(wǎng)的設備，快速進行故障判斷都是亟需解決的問題。雖然目前真正全IP音頻系統(tǒng)還很稀少，但這并不意味著我們不能從中受益，恰恰相反，通過這套全IP化架構(gòu)的移動外場音頻系統(tǒng)的上線使用，我們能夠看到顯著提高的效率和幾乎無限擴展的靈活性，這些優(yōu)點也會在將來的節(jié)目制作中不斷顯現(xiàn)。

音頻系統(tǒng)IP化的趨勢不可阻擋，但任重而道遠，它需要我們不斷完善自身知識體系，為迎接日后的新技術(shù)新標準做好充分的準備。