"Агат": достижения в быстром аппаратном преобразовании для доставки сигналов

В эпоху быстрого развития технологий и повсеместного распространения цифровых коммуникаций важно иметь передовые решения, способные эффективно обрабатывать и передавать данные. Российские специалисты в этой области продемонстрировали значительные достижения, представив инновационное решение "Агат". Устройство "Агат" выполняет высокоскоростную аппаратную обработку телевизионных сигналов для передачи их по каналам связи на любые расстояния (внутри телецентра и от Москвы до Владивостока). Однако телевизионные сигналы – это цифровые сигналы, которые мало отличаются от других сигналов реального времени. Поэтому успех в разработке этого устройства открывает практические возможности и в других отраслях.

Почему был разработан "Агат"? Во-первых, потому что была потребность в подобном устройстве на рынке, на что указывали многочисленные клиенты "Стрим Лабс". Во-вторых, потому что была потребность в устройстве со специализированными характеристиками, которое мог бы полностью обслуживать отечественный производитель. В-третьих, потому что отечественные аналоги устройства такого типа и с подобным функционалом не существовали.

Подробнее об этом - Максим Искорнев, руководитель проектов "Стрим Лабс"

Максим Искорнев, руководитель проектов "Стрим Лабс"Максим Искорнев, руководитель проектов "Стрим Лабс"

Работы по разработке "Агата" выполнены по гранту, полученному от Правительства РФ в рамках работ по созданию аппаратного обеспечения для обработки сигналов в телевидении. "Агат" предназначается для полноценной замены продуктов таких вендоров, как Harmonic, Imagine и Nevion на отечественном вещательном рынке.

В настоящий момент созданное устройство сертифицировано в реестре ТОРП Минпромторга, имеет статус телекоммуникационного оборудования российского происхождения (по ППРФ 878), а также сертификат соответствия в области связи.

Компания "Стрим Лабс" "с нуля" выполнила работы по созданию аппаратного (на базе ПЛИС) и программного обеспечения "Агата". Устройство реализовано таким образом, что на одном и том же "железе" можно выполнять различные задачи путем замены программного обеспечения. В настоящий момент реализованы задачи преобразования транспорта ASI-IP¹, а также резервирования 2022-7, на очереди – задачи мультиплексирования сигналов и специализированной компрессии JPEG XS. Но, разумеется, этим возможности "Агата" не исчерпываются.

Реализация JPEG XS будет осуществлена на российском рынке впервые. Это перспективный формат сжатия видеоизображений, который не приводит к потере качества и может использоваться для сжатия высококачественных видеосигналов для передачи через стандартные интерфейсы (такие как 10G). Помимо сжатия студийных видеосигналов JPEG XS может использоваться в системах космической связи, технического видео и других подобных.

Актуальные сценарии применения "Агата" показаны на Рисунке 1. К концу 2024 года будут реализованы новые сценарии применения, показанные на – на Рисунке 2. В зависимости от решаемых задач сценарии могут комбинироваться.

Рисунок 1. Актуальные сценарии применения
Рисунок 1. Актуальные сценарии применения

Рисунок 2. Перспективные сценарии применения
Рисунок 2. Перспективные сценарии применения

Примечания:

1. SMPTE ST 2110 – стандарт синхронизированной передачи компонентов телевизионных сигналов по IP-сетям.
2. SMPTE ST 2022–6 – стандарт передачи некомпрессированных телевизионных сигналов по IP-сетям.

Необходимость в преобразовании телевизионных сигналов возникает, в частности, при трансляции федеральных мультиплексов цифрового телевидения, официальных и спортивных мероприятий и востребована "магистральными" операторами, такими как "Синтерра Медиа".

Александр Стрельцов, заместитель директора "Синтерры Медиа": "Основное направление деятельности Синтерры – распространение телевизионных сигналов на территории РФ. "Агат" успешно прошел тестирование и в 2024 году планируется для установки более, чем на 100 объектах. Один "Агат" успешно выполняет преобразование и резервирование сигналов 128 телевизионных каналов с общим битрейтом около 8 Гбит\сек".

Задачи, которые предстояло решать компании "Стрим Лабс", не так просты. Телевизионные сигналы – сигналы реального времени. Они должны обрабатываться в момент поступления, их нельзя положить "на склад". При этом скорости этих сигналов довольно высоки.

Одна из сложных задач, которые были решены – достижение задержки в обработке сигналов менее 5 миллисекунд. Обработка и преобразования видеосигналов для профессионального применения требуют, чтобы задержка обработки была минимальной. Для достижения минимальной задержки требуется тщательная работа по разработке "железа" и созданию программного обеспечения, способного оптимально работать с этим "железом". Эта задача не специфически телевизионная – вместо телевизионного сигнала может быть, например, сигнал телеметрии.

Другая сложность – обеспечение "бесшовного резервирования" сигналов. Для бесшовного резервирования сигналов реального времени должна быть достигнута точность переключения "байт в байт". При этом должны обеспечиваться жесткие требования к сетевому джиттеру (проще говоря – его не должно быть). Как следует из слов Александра Стрельцова – задача бесшовного резервирования выполняется "Агатом" для 128 сигналов одновременно!

Максим Искорнев: "В "Агате" мы реализовали технологию бесшовного резервирования по стандарту SMPTE ST 2022–7. Но технические решения, которые мы разработали, могут быть использованы при резервировании и других сигналов".

Таким образом, обе упомянутые сложности не обязательно относятся к вещательному телевидению. Это универсальные проблемы работы с сигналами на высоких скоростях. Поэтому достижение в одной предметной области может привести к достижениям в других. Аналогичные по функциям решения могут разрабатываться для применения в системах технического зрения, в удаленном управлении промышленными объектами, техническими комплексами разного назначения, аэропортами. При необходимости устройство "Агат" может быть доработано для соответствия требованиям, применяемым в различных предметных областях.

Как общетехнические, так и специфические сложности были успешно преодолены при создании шлюза "Агат". Компанией была разработана схемотехника, печатная плата, микропрограммное и прикладное программное обеспечение. Весь цикл работ выполнен исключительно специалистами компании. Кроме того, "Стрим Лабс" выполнил изготовление как опытных экземпляров, так и первой промышленной партии на собственной производственной базе.

Пользователь управляет "Агатом" при помощи веб-интерфейса, т.е. удаленно. Для интеграции с внешними системами управления реализован REST API. Таким образом, устройство может быть применено как отдельно, так и в составе средств с централизованным управлением, сложных технических комплексах. Специалисты могут обратиться в "Стрим Лабс", чтобы получить описание REST API, и компания будет поддерживать процесс интеграции.

С учетом легкой адаптируемости (путем замены программного обеспечения) "железа" к специфическим задачам и возможности централизованного управления "Агат" является "фундаментом" будущих систем преобразования сигналов. Но использовать "Агат" можно прямо сейчас, поскольку устройство может эксплуатироваться автономно (или с использованием REST API) – как делает "Синтерра Медиа".

Настоящая перспективная разработка никогда не останавливается. В "Стрим Лабс" начата работа над следующим поколением "Агата". Основная цель – модульность и уменьшение размеров, поскольку для ряда приложений требуется высокая плотность устройств в одной локации. Планируется создание универсального шасси, в котором можно будет разместить несколько "Агатов" совместно с другими решениями "Стрим Лабс".

Разумеется, успех достигнут не на пустом месте – компания "Стрим Лабс" известна своими аппаратными и программными разработками с 1991 года. Создание "Агата" демонстрирует нам, что при содействии (даже небольшом содействии) со стороны государства, знания и умения, которые накопил частный бизнес, приводят к успешным разработкам, востребованным на рынках.

¹ASI – асинхронный последовательный интерфейс (в перспективе также будет применяться SDI – последовательный цифровой интерфейс, поддерживающий скорости до 3 Гбит/сек).