天创数码集团

天津茱莉亚学院（二）

信息来源：天创集团发布时间：2022-08-16

设计背景

天津茱莉亚学院项目AV系统工程由多个功能厅堂、会议室组成，包括音乐厅、黑匣子剧场、演奏厅三个主要的专业演艺厅堂，以及大排练室、乐队排练、打击乐工作室、董事会议室、远程教育室，基础教室，户外演出空间等10种不同类型的房间，共计42个节点。所有房间要求全部采用数字化，网络化的音视频传输与控制系统。

基于茱莉亚学院的整体功能特点，校方还有一个特殊需求，学校内所有的AV系统节点需要做到网络上高质量的数字化互联互通，能够实现数字化控制、远程调度及监看。

例如，音乐厅的演出音视频信号在总控机房的调度下可以保证高质量的传送到上面提到的任意房间，同时，这些房间也可以将音视频信号传送到音乐厅。总控制室可以监看到每个房间的视频信号（非监控信号）、音频信号及控制信号等AV设备相关信息。‍

虽然市场上有很多可以满足音视频互联互通功能的产品，但是要同时实现保障高品质传输及控制一体化的产品系统则选择不多

主体网络规划

茱莉亚项目体量大，房间多，设备数量也多，并且整合度要求极高。在与其它系统配合的时候，我们发现需要接入AV网络的设备数量接近600台，而当整体AV系统达到一定量级后， AV设备的选择与网络规划变得尤为重要。

网络构建的重要性不言而喻，所有设备沟通在于此，信息交换在于此。网络交换设备好比人的骨架，没有好的硬件支撑，系统谈何健壮。网络top结构，好比人的血管，稍有疏忽造成堵塞，子系统瘫痪风险便难以规避。使用品质可靠的网络产品，设计合理、科学、健壮的网络结构，将直接降低故障产生率。‍

构架好网络后，选择在网络中传送的信号、协议也是重要的一环。无论是音频还是视频，均需要深入分析茱莉亚学院的具体使用需求，来选择真正适合本项目的模式，充分发挥协议本身的优势。

在传统的音响系统里，声音信号是模拟信号，它的振幅具有随时间连续变化的特性。对模拟音频信号进行处理、存储和传送都会引入噪声和信号失真，并且随着复制次数的增加，每次都会加入新的噪声和失真，信号质量会越来越差。而数字音频技术的出现，解决了上述模拟信号中的诸多问题。

数字音频技术是把模拟音频信号变换为振幅不变的脉冲信号，音频信号的信息量全部包含在脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）中。各种处理设备引入的噪声和产生的失真与数字信息完全分离。因此，数字音频信号具有：复制不走样、抗干扰能力强、动态范围大、可远距离传输、可以远程监控等优点。‍

借助IT技术，数字音频信号还可以融入到网络传输系统中，在一条传输线路上同时实行多路音频信号的传输，大大节省了传输运行成本，简化了传输线路。

本项目选择AVB与Dante专业音视频网络协议传输方式为音视频服务。Biamp设备可以轻松实现AVB网络与Dante网络信号的互通，且在技术上可以实现在以太网上传送高精度时钟信号以及专业音频信号，同时还可以进行复杂的路由。与以往传统的音频传输技术相比，更小的延时、时钟同步技术及多通道的任意路由等等都是AVB与Dante网络的优点。

2006年 Audinate 开始研发Dante。在千兆网交换机上，具有最大可支持双向512个音频通道、延迟很低（最低可达1/4 ms）、系统依赖于QoS、数据包根据Best effort原则进行传输、与传统以太网数据兼容等先进性。

而视频在网络传输中，是通过以太网RTP（Real-time Transport Protocol）实时传输协议为数据提供了具有实时特征的端对端传送服务（俗称流媒体服务）。RTP 本身并不能保证传送，也不能保证防止无序传送。因此，想要对所有的数据流进行排序，就离不开对数据的缓冲（Buffer）。

流媒体服务在如今的以太网上已经得到广泛应用。虽然通过缓冲（Buffer）及自适应时钟恢复技术(Adaptive Clock Recovery)能够在一定程度上解决网络时延和抖动带来的问题，但是，一旦采用缓冲的机制就又会带来新的问题——延时。所以我们在网络上听歌、看电影的时候，都会缓冲后才开始播放。但这个缓冲时间，在专业音、视频传输领域里是不能被接受的，并且恢复的时钟也没有足够的精度对不同位置的AV 信号进行同步。‍

为此，我司在视频传输网络中采用了AVB网络协议传输方式。AVB 定义了高精度的时钟同步协议（IEEE 802.1AS、QoS、Traffic Shaping），为以太网传输提供完美的音视频信号低延迟、低抖动的时钟。并严格保持在250μs的时隙内转发AV流，使得整个数据流量的最大延迟不大于2ms。在保证了低延时的同时又保证了音视频信号的同步问题。

AVB信号在网络内传输的过程中会告知网络它的存在，能适应千兆，万兆，甚至是百万兆网络。交换机会专门为其预留带宽，保障传输的可靠性。高品质的视频流在网络传输中占用的带宽高，单通道浅压缩的视频流往往会超过1G带宽。这与协议无关，主要是由于数字信号需要的信息量所决定。AVB视频流具备高品质的承载能力。并且能同时在AVB流中传输音频信号与控制信号，因此在茱莉亚整个大AV专网系统中，选择AVB作为音视频专网的传输协议，既解决了同步问题，又满足了高品质传输要求。

网络管理与实施

在AV专网主体结搭建完成后，再来细分设备网络归属相对交易操作。前期设计期间，我们将AV专网划分为6个Vlan。

VLAN1为每个房间本地的中控以及中控控制的相关设备（如投影机、摄像机等）网络，此VLAN每个房间独立不互通。VLAN2为Dante音频网络，此VLAN每个房间都通过一根专用的光纤连通到AV核心机房交换机，以此实现所有房间互通。VLAN3为无线话筒管理网，VLAN4为调音台网络，这两个VLAN都是每个房间独立不互通。VLAN5为内通网，其中有内通的房间的交换机都通过一根专用的光纤连通到AV核心机房交换机，以此来实现所有内通房间互通。VLAN6为AV中心中控以及AVB控制网络，每个房间的AVB控制信号都通过一根专用的出房间光纤传输到AV中心，AV中心的中控也在此网络里，这样就可以实现在AV中心通过中控控制每个房间AVB信号的互相切换。针对每台设备的网络信息都做了明确的规划。‍

例如，当音乐厅举行演出时，工作人员在AV中心可以将音乐厅演出画面实时切换给在教室上课的老师及同学们观看。除了以上6个网络之外，系统还设计了一个AVB专网，专门用来传输AVB音视频信号，此网络与其他所有网络物理隔离，以此来保证不受任何其他干扰，实现高质量的传输。

整个网络的设计，把每个不需要互通的网络都单独隔离，需要互通的网络每个VLAN单独通过一根光纤连接到AV核心机房的交换机，这样不但最大程度的减少了各种不同网络信号之间的相互干扰，尽量避免了网络问题的发生，还能实现在AV中心的核心交换机上管理每个房间的汇聚交换机，让整个网络管理变得简单高效。

但是，这样的设计也需要一些特殊的交换机配置才能实现。由于出房间到AV核心机房的VLAN有三个，分别是：VLAN2 Dante网、VLAN5内通网和VLAN6 AVB控制网络，这三个VLAN都是连接到一根单独的光纤，相当于房间内的汇聚交换机到AV核心机房的核心交换机之间连接了三根光纤，如果不做任何配置，很容易出现环路。

最初，在项目现场，我们确实也遇到了只连通任何一根光纤网络均可正常使用，但是三根光纤一起连通时这三个VLAN就无法通信的问题。于是我们修改了交换机的配置，采用了多生成树协议MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol），MSTP在STP和RSTP的基础上进行了改进，可以形成多棵无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。多棵生成树在VLAN间实现负载均衡，不同VLAN的流量按照不同的路径转发。

配置MSTP协议后，出房间的三个VLAN形成了三棵独立的生成树，互不影响，这样就解决了三根光纤同时连接网络不通的问题。

控制程序及界面设计

针对茱莉亚项目AV专网的调度控制，同样进行了个性化分析定制。

首先，考虑到操作人员是在AV中心进行集中调度，为了让操作人员能提前确认需要切换的画面是否准备好，借助分布式视频传输系统和中控设备的配合，实现了视频画面的远程高质量预览。

其次，由于系统极为庞大，输入输出节点分别都超过了40个。为了操作人员更清晰地了解系统当前的视频路由状态，我们利用分布式视频传输系统的信息，在每个输出操作按钮上都会显示当前的输入是谁。

此外，考虑到操作人员都是音视频领域的专业人员，我们还设计了类似视频矩阵面板按钮的操作方式，便于操作人员快速上手。