基于IP的4G网络现场直播回传系统
作者：许丽萍 厉玉莲
来源：《计算机与网络》2019年第07期

        围绕基于IP的音频编解码4G网络回传技术，Quantum Lite系统利用LET、以太网和WiFi多链路传输接口的带宽聚合，实现高速音频流传输。Quantum Lite运用Opus算法和增强Apt-XTM算法实现声音质量高保真和低延，通过直播实践验证了Quantum Lite是比较理想的回传设备。

        1.引言

        广播的现场直播以其灵活、快捷和高效等特点，多年来被各级广播电台作为一个重要的手段广泛运用，无论在大型活动中还是在突发事件中，都发挥了不可替代的作用。现场直播最关键的问题就是信号回传，如何把信号可靠、稳定和清晰地回传到直播间，一直都是技术人员关注的问题。随着科学技术日新月异，如今广播已经步入全媒体时代，广大听众对广播的要求也越来越高，传统的窄带回传技术已不能满足听众对高保真音质的需求，因此，我台决定在这次设备升级过程中，选用更可靠、音质更好、使用更方便的新回传设备。

        選择回传设备的原则首先考虑稳定可靠，其次是声音质量好，最后是使用方便。这些年我台一直使用国产的福川TH804A电话耦合器作为现场直播回传手段，其优点是传输稳定、可靠，以及电话线的可用资源比较丰富、连接方便，还可实现异地直播。缺点因为是属于窄带传输，频响在300 ～3 000Hz之间、音质比较差，适合传输语言类节目，但是大型的活动不仅有语言还有音乐和歌曲等文艺节目，其频率范围大致在16～7 000Hz之间，电话线的带宽满足不了传递音乐节目的需求。另一缺点就是电话耦合器容易受场地限制，有些大型的广场远离建筑物甚至没有建筑物，很难找到电话线。有时为了完成直播任务，需要从远处把电话线接过来，不仅音质受影响，线的固定也是问题，另外在人员密集的活动现场，也会对安全播出产生威胁。

        受到用手机连线做现场报道的启发，我们希望寻找一种比手机更可靠的、音质更好和更专业的回传设备。由西班牙生产的基于IP的4G网络专业级直播回传编解码系统———Quantum Lite可以很好地解决之前的问题，使现场直播变得轻松便捷，也使现场直播回传信号的质量迈上了一个新台阶。

        2.基于IP的4G网络直播回传系统

        随着科技的发展，移动通信技术经历了几代变迁：

        第一代模拟频分多址技术（FDMA），由于业务量小、质量差，没有发展起来。

        第二代数字时分多址（TDMA）技术，传输速率仅有 9.6 Kbps、带宽9 K，只能提供一般的语言通信和低速数据业务（如：短信）。

        第三代移动通信技术（3G）采用宽带码分多址技术（欧洲的3G标准是通用移动系统UMTS技术），其下行速率可达28 Mbps，上行速率可达5.8 Mbps，利用这一技术使传输音乐视频信号成为可能。但是3G也有缺点，由于3G的带宽有限，系统繁忙时分配给每个用户的带宽会比闲时少，传输信息量大的音视频信息时，会出现网络延时比较高的现象。3G通信的另一个弱点是误码率比较高，高压缩率的音视频流对误码率还是比较敏感的，所以要求编解码器的容错性能比较好才行。

        第四代通信技术简称4G，采用正交频分复用技术，适合高速数据传输，并且信息的实时处理更快、更可靠，理论上4G能以100 Mbps的速度下载，上传速度也能达到50 Mbps，比3G大致快10倍。TD-LET作为国际主流4G标准之一，具有网速快、频谱利用率高且具有灵活的带宽比。4G网络不仅能够传输高质量的音频信号，还能传输高清晰的视频图像。基于IP的4G网络编解码设备，就是利用4G移动通信的宽带技术作为回传手段，使声音质量有了质的飞跃，具有亲临现场的高保真音质，为广播现场直播的回传技术带来了一次变革。

        2.1 Quantum Lite的带宽聚合技术

        传统的直播回传系统，不论是电话耦合器，还是3G时代音频编解码器，都是选用一条线路回传信号，带宽是固定的。而基于4G的音频编解码器，采用专有的流媒体协议Brave Prodys，具有带宽聚合和错误恢复功能。Brave协议可提供2种选择：绑定（Bonding）和分集（Diversity）。当选用绑定时，使用的链路越多，单元音频流获得的带宽就越宽，链路就越安全。

        Quantum Lite最多可以组合4个上行IP连接：2个UMTS/LET，1个以太网和1个WiFi。不管当时选用了几个端口（一般至少是2个：一主一备），它会把当时所有可用传输端口的带宽聚合在一起，数据流使用动态负载平衡算法发送。同时，也激活了向前纠错（FEC）功能。

        如果选择分集，是一个冗余方案，在所有可用的传输接口中同时发送数据流，以提高传输的可靠性。

        2.2 Quantum Lite延时保护技术

        接收端的缓存区是全球通信延迟的主要原因，缓存区是防止误码和网络抖动造成数据丢失的保护区，缓存区越长，所导致的延迟时间越长。缓存区越短，保护越少、延迟越短。Quantum Lite使用者可根据回传信号的重要性来自己设置抖动缓存区大小或选择自动调整。选择手动设置缓存区大小时，有3种选择：Low Delay，Mid Delay，High Delay，每种选择对应着编码器的一种算法。延迟与保护是一个矛盾，使用者要根据网络状况和自己的需要来确定，Quantum Lite的延迟最长20 s，最短5 ms。

        3. Quantum Lite的高音质算法

        Quantum Lite的编解码器使用了多种音频编解码算法，可适应各种带宽、延迟和质量要求。同时采用几种不同的纠错方法，可最大限度地还原数据、实现高保真传输。在某些情况下，由于带宽和延迟的限制，无法使用FEC功能，Quantum Lite解码使用错误隐藏的方法，最大限度地减少数据包丢失对解码音频的影响。

        Quantum Lite运用OPUS和增强apt-XTM压缩算法，来实现音频数据流的低延迟和高保真传输。

        3.1 OPUS算法

        常见的MP3是MPEG1的音频编码算法，同码率情况下OPUS比MP3的音质更好，同音质下，OPUS比MP3的文件更小。在多个听觉测试中OPUS有比MP3，AAC，HE-AAC等多种常见格式更低的延迟和更好的声音压缩率。OPUS是一个完全开放、免版税并高度通用的音频编解码器，是最新的一种有损压缩算法。被互联网工程任务组（IETF）定义为音频编解码标准（RFC 6716标准），其中融合了Skype的SILK编解码器和Xiph.Org的CELT编解码器的技术。

        OPUS可以处理各种音频数据，支持从窄带8 ～ 48 kHz全频带的音频带宽，支持单声道和立体声。可以支持恒定比特率从6 ～510 kb / s的可变比特率，并且高低比特率可以无缝调节。编解码器内部，在低比特率时使用线性预测编码，在高比特率时使用变换编码，在高低比特率交界处也使用两者结合的编码方式。

        OPUS有比较低的算法延迟（默认为22.5 ms），非常适用于低延迟的语言通话编码，而且OPUS可以通过降低编码比特率，达到更低的算法延迟，目前最低可达到5 ms。

        3.2增强apt XTM算法

        apt X算法是一个实时数字音频数据压缩系统，它的基础是子带自适应差分脉冲编码调制ADPCM技术，可将线性音频样本压缩到原来的1/4，音质无明显下降，并且延迟极低。apt-X的频率响应范围为20 ～22 000Hz，速率352 kbps，支持16 bit 44.1 kHz和48 kHz音頻。

        增强aptXTM是现有的经典16位aptX编解码器的改进型，保留了apt-X编解码器的所有关键技术，支持24位192 khz的音质，数据速率达576 kbps。可实现更低的背景噪音，呈现更加清晰的声音细节。增强apt-XTM比apt-X有更高的信噪比、更快的传输速率，还有完整的AUTOSYNC编解码同步方案，可提供1.9 ms超低编解码延时。

        因此，Opus算法和增强Apt-XTM算法保证了Quantum Lite编解码器声音质量的高保真和低延时的特点。

        4.携带方便、使用简单

        作为直播回传系统，使用简单、便携也是很重要的。大型活动有时间提前做准备，主要考虑的是回传的可靠性，便携还在其次，但对于突发事件而言，便携则更为重要。Quantum Lite体积很小，只有580 g适合应对突发事件或者单人外出使用，锂电池可支持5小时连续工作，如果选择录音编辑可支持多种SD存储卡，32 GB可保存WAV格式的声音24 h。使用非常简单，设置好之后，使用时只需按触摸屏的呼出键即可建立两地连接。

        5.直播实践

        不久前我们举办了一场直播———第二届少儿轮滑大赛，现场需要邀请获奖选手、教练及家长到直播车内进行访谈，将声音回传到直播间。这是一个很简单的直播，按以往经验，找根电话线，用电话耦合器将信号传回去就可以。但由于场地特殊，活动选在一个大学的运动场，运动场和有电话的建筑物分别位于马路的两边，且运动场离建筑物很远，延长电话线也是不可能的。这时候无线回传系统帮了我们，2个电话卡就解决了问题，直播进行的很顺利，效果也非常好，举办单位和听众都很满意。

        6.结束语

        现场直播回传系统和直播间的设备一样，既要求稳定可靠，还要保证声音质量。可靠是第一位的，其次是音频质量，还要考虑受场地约束小、便携和易操作性，手持式编解码器，很好地满足了这几个条件，同时还具有4G宽带传输的优势、带宽聚合的技术，使得传输变得更可靠、更快捷。OPUT算法和增强型Apt-XTM算法的使用，既提高了音质，又降低了网络延迟，Quantum Lite是一个非常好的现场直播回传设备。