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天津茱莉亞學院（二）

信息來源：天創集團發布時間：2022-08-16

設計背景

天津茱莉亞學院項目AV系統工程由多個功能廳堂、會議室組成，包括音樂廳、黑匣子劇場、演奏廳三個主要的專業演藝廳堂，以及大排練室、樂隊排練、打擊樂工作室、董事會議室、遠程教育室，基礎教室，戶外演出空間等10種不同類型的房間，共計42個節點。所有房間要求全部采用數字化，網絡化的音視頻傳輸與控制系統。

基于茱莉亞學院的整體功能特點，校方還有一個特殊需求，學校內所有的AV系統節點需要做到網絡上高質量的數字化互聯互通，能夠實現數字化控制、遠程調度及監看。

例如，音樂廳的演出音視頻信號在總控機房的調度下可以保證高質量的傳送到上面提到的任意房間，同時，這些房間也可以將音視頻信號傳送到音樂廳。總控制室可以監看到每個房間的視頻信號（非監控信號）、音頻信號及控制信號等AV設備相關信息。?

雖然市場上有很多可以滿足音視頻互聯互通功能的產品，但是要同時實現保障高品質傳輸及控制一體化的產品系統則選擇不多

主體網絡規劃

茱莉亞項目體量大，房間多，設備數量也多，并且整合度要求極高。在與其它系統配合的時候，我們發現需要接入AV網絡的設備數量接近600臺，而當整體AV系統達到一定量級后， AV設備的選擇與網絡規劃變得尤為重要。

網絡構建的重要性不言而喻，所有設備溝通在于此，信息交換在于此。網絡交換設備好比人的骨架，沒有好的硬件支撐，系統談何健壯。網絡top結構，好比人的血管，稍有疏忽造成堵塞，子系統癱瘓風險便難以規避。使用品質可靠的網絡產品，設計合理、科學、健壯的網絡結構，將直接降低故障產生率。?

構架好網絡后，選擇在網絡中傳送的信號、協議也是重要的一環。無論是音頻還是視頻，均需要深入分析茱莉亞學院的具體使用需求，來選擇真正適合本項目的模式，充分發揮協議本身的優勢。

在傳統的音響系統里，聲音信號是模擬信號，它的振幅具有隨時間連續變化的特性。對模擬音頻信號進行處理、存儲和傳送都會引入噪聲和信號失真，并且隨著復制次數的增加，每次都會加入新的噪聲和失真，信號質量會越來越差。而數字音頻技術的出現，解決了上述模擬信號中的諸多問題。

數字音頻技術是把模擬音頻信號變換為振幅不變的脈沖信號，音頻信號的信息量全部包含在脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）中。各種處理設備引入的噪聲和產生的失真與數字信息完全分離。因此，數字音頻信號具有：復制不走樣、抗干擾能力強、動態范圍大、可遠距離傳輸、可以遠程監控等優點。?

借助IT技術，數字音頻信號還可以融入到網絡傳輸系統中，在一條傳輸線路上同時實行多路音頻信號的傳輸，大大節省了傳輸運行成本，簡化了傳輸線路。

本項目選擇AVB與Dante專業音視頻網絡協議傳輸方式為音視頻服務。Biamp設備可以輕松實現AVB網絡與Dante網絡信號的互通，且在技術上可以實現在以太網上傳送高精度時鐘信號以及專業音頻信號，同時還可以進行復雜的路由。與以往傳統的音頻傳輸技術相比，更小的延時、時鐘同步技術及多通道的任意路由等等都是AVB與Dante網絡的優點。

2006年 Audinate 開始研發Dante。在千兆網交換機上，具有最大可支持雙向512個音頻通道、延遲很低（最低可達1/4 ms）、系統依賴于QoS、數據包根據Best effort原則進行傳輸、與傳統以太網數據兼容等先進性。

而視頻在網絡傳輸中，是通過以太網RTP（Real-time Transport Protocol）實時傳輸協議為數據提供了具有實時特征的端對端傳送服務（俗稱流媒體服務）。RTP 本身并不能保證傳送，也不能保證防止無序傳送。因此，想要對所有的數據流進行排序，就離不開對數據的緩沖（Buffer）。

流媒體服務在如今的以太網上已經得到廣泛應用。雖然通過緩沖（Buffer）及自適應時鐘恢復技術(Adaptive Clock Recovery)能夠在一定程度上解決網絡時延和抖動帶來的問題，但是，一旦采用緩沖的機制就又會帶來新的問題——延時。所以我們在網絡上聽歌、看電影的時候，都會緩沖后才開始播放。但這個緩沖時間，在專業音、視頻傳輸領域里是不能被接受的，并且恢復的時鐘也沒有足夠的精度對不同位置的AV 信號進行同步。?

為此，我司在視頻傳輸網絡中采用了AVB網絡協議傳輸方式。AVB 定義了高精度的時鐘同步協議（IEEE 802.1AS、QoS、Traffic Shaping），為以太網傳輸提供完美的音視頻信號低延遲、低抖動的時鐘。并嚴格保持在250μs的時隙內轉發AV流，使得整個數據流量的最大延遲不大于2ms。在保證了低延時的同時又保證了音視頻信號的同步問題。

AVB信號在網絡內傳輸的過程中會告知網絡它的存在，能適應千兆，萬兆，甚至是百萬兆網絡。交換機會專門為其預留帶寬，保障傳輸的可靠性。高品質的視頻流在網絡傳輸中占用的帶寬高，單通道淺壓縮的視頻流往往會超過1G帶寬。這與協議無關，主要是由于數字信號需要的信息量所決定。AVB視頻流具備高品質的承載能力。并且能同時在AVB流中傳輸音頻信號與控制信號，因此在茱莉亞整個大AV專網系統中，選擇AVB作為音視頻專網的傳輸協議，既解決了同步問題，又滿足了高品質傳輸要求。

網絡管理與實施

在AV專網主體結搭建完成后，再來細分設備網絡歸屬相對交易操作。前期設計期間，我們將AV專網劃分為6個Vlan。

VLAN1為每個房間本地的中控以及中控控制的相關設備（如投影機、攝像機等）網絡，此VLAN每個房間獨立不互通。VLAN2為Dante音頻網絡，此VLAN每個房間都通過一根專用的光纖連通到AV核心機房交換機，以此實現所有房間互通。VLAN3為無線話筒管理網，VLAN4為調音臺網絡，這兩個VLAN都是每個房間獨立不互通。VLAN5為內通網，其中有內通的房間的交換機都通過一根專用的光纖連通到AV核心機房交換機，以此來實現所有內通房間互通。VLAN6為AV中心中控以及AVB控制網絡，每個房間的AVB控制信號都通過一根專用的出房間光纖傳輸到AV中心，AV中心的中控也在此網絡里，這樣就可以實現在AV中心通過中控控制每個房間AVB信號的互相切換。針對每臺設備的網絡信息都做了明確的規劃。?

例如，當音樂廳舉行演出時，工作人員在AV中心可以將音樂廳演出畫面實時切換給在教室上課的老師及同學們觀看。除了以上6個網絡之外，系統還設計了一個AVB專網，專門用來傳輸AVB音視頻信號，此網絡與其他所有網絡物理隔離，以此來保證不受任何其他干擾，實現高質量的傳輸。

整個網絡的設計，把每個不需要互通的網絡都單獨隔離，需要互通的網絡每個VLAN單獨通過一根光纖連接到AV核心機房的交換機，這樣不但最大程度的減少了各種不同網絡信號之間的相互干擾，盡量避免了網絡問題的發生，還能實現在AV中心的核心交換機上管理每個房間的匯聚交換機，讓整個網絡管理變得簡單高效。

但是，這樣的設計也需要一些特殊的交換機配置才能實現。由于出房間到AV核心機房的VLAN有三個，分別是：VLAN2 Dante網、VLAN5內通網和VLAN6 AVB控制網絡，這三個VLAN都是連接到一根單獨的光纖，相當于房間內的匯聚交換機到AV核心機房的核心交換機之間連接了三根光纖，如果不做任何配置，很容易出現環路。

最初，在項目現場，我們確實也遇到了只連通任何一根光纖網絡均可正常使用，但是三根光纖一起連通時這三個VLAN就無法通信的問題。于是我們修改了交換機的配置，采用了多生成樹協議MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol），MSTP在STP和RSTP的基礎上進行了改進，可以形成多棵無環路的樹，解決廣播風暴并實現冗余備份。多棵生成樹在VLAN間實現負載均衡，不同VLAN的流量按照不同的路徑轉發。

配置MSTP協議后，出房間的三個VLAN形成了三棵獨立的生成樹，互不影響，這樣就解決了三根光纖同時連接網絡不通的問題。

控制程序及界面設計

針對茱莉亞項目AV專網的調度控制，同樣進行了個性化分析定制。

首先，考慮到操作人員是在AV中心進行集中調度，為了讓操作人員能提前確認需要切換的畫面是否準備好，借助分布式視頻傳輸系統和中控設備的配合，實現了視頻畫面的遠程高質量預覽。

其次，由于系統極為龐大，輸入輸出節點分別都超過了40個。為了操作人員更清晰地了解系統當前的視頻路由狀態，我們利用分布式視頻傳輸系統的信息，在每個輸出操作按鈕上都會顯示當前的輸入是誰。

此外，考慮到操作人員都是音視頻領域的專業人員，我們還設計了類似視頻矩陣面板按鈕的操作方式，便于操作人員快速上手。