數(shù)字電視復(fù)用器的關(guān)鍵技術(shù)

soararing

  一. 引言
    在數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中，節(jié)目復(fù)用器和傳輸流再?gòu)?fù)用器是必不可少的。節(jié)目復(fù)用器的作用是將編碼后的視頻基本流（ES）、音頻基本流、節(jié)目描述信息（Program Specification Information，PSI）和輔助數(shù)據(jù)按MPEG-2系統(tǒng)層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式復(fù)用成為一個(gè)傳輸流。同時(shí)，為了使收發(fā)端同步工作，系統(tǒng)時(shí)鐘（STC）計(jì)數(shù)器的值將被插入到相應(yīng)包的PCR字段中去。按照輸出傳輸流中所含的節(jié)目數(shù)，傳輸流分為單節(jié)目傳輸流（SPTS）和多節(jié)目傳輸流（MPTS），相應(yīng)地，節(jié)目復(fù)用器也被分為單節(jié)目復(fù)用器和多節(jié)目復(fù)用器。在傳輸流最終被送到信道設(shè)備進(jìn)行信道發(fā)送之前，需要一臺(tái)設(shè)備將不同來源的傳輸流合成為一個(gè)新的傳輸流，即傳輸流再?gòu)?fù)用器。同時(shí)，數(shù)據(jù)廣播、電子節(jié)目指南（Electrical Program Guide，EPG）、條件接收（Conditional Access CA）等服務(wù)信息(SI)一般也通過再?gòu)?fù)用器插入到輸出傳輸流。PCR校正是復(fù)用器的關(guān)鍵技術(shù)之一，PCR的作用是將發(fā)端的27MHz的時(shí)鐘以PCR時(shí)間戳的形式注入碼流中，而收端是否能夠根據(jù)該信息無偏差地恢復(fù)出發(fā)端的參考時(shí)鐘以達(dá)到收發(fā)同步，在對(duì)系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響，所以本文對(duì) PCR校正進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

    二. MPEG-2系統(tǒng)層標(biāo)準(zhǔn)
    MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，即ISOIEC13818是數(shù)字電視系統(tǒng)的基礎(chǔ),它規(guī)定了兩種系統(tǒng)層碼流格式：一種是節(jié)目碼流（Program Stream，PS），即PS復(fù)用器將一個(gè)或幾個(gè)具有公共時(shí)間基準(zhǔn)的PES包組合成單一碼流，包的長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)而且不固定，它適用于錯(cuò)誤相對(duì)較少、信道較好的環(huán)境，如演播室、家庭環(huán)境存儲(chǔ)媒介中。另一種是傳輸碼流（Transport Stream，TS），即PES流進(jìn)入傳輸復(fù)用器中切割成一個(gè)個(gè)固定長(zhǎng)度為188字節(jié)的包。適用于較容易發(fā)生錯(cuò)誤的環(huán)境，如廣播傳輸信道。在MPEG-2傳輸流中，包長(zhǎng)固定為188byte每個(gè)包由4byte包頭、可變數(shù)字節(jié)的適配域（Adaptation field）以及凈荷（Payload）組成。包頭包括：同步字節(jié)、根據(jù)內(nèi)容不同且長(zhǎng)度固定為13bit的包標(biāo)識(shí)（Packet Identifier，PID)、包連續(xù)計(jì)數(shù)器及其他各種標(biāo)志位.在自適應(yīng)字段中，比較重要的信息包括42bit的節(jié)目時(shí)鐘基準(zhǔn)（Program Clock Reference，PCR）字段。
    三. 復(fù)用器的關(guān)鍵技術(shù)
    如果在一個(gè)電視頻道內(nèi)復(fù)用幾路TS流，也即在一個(gè)常規(guī)頻道內(nèi)傳輸多套數(shù)字電視節(jié)目，則稱為多路節(jié)目的雙層復(fù)用。第一層復(fù)用稱為節(jié)目復(fù)用，第二層復(fù)用稱為傳輸復(fù)用。傳輸復(fù)用器的基本功能是將來自不同傳輸流的包進(jìn)行重新組合,然后放到輸出傳輸流中去。其關(guān)鍵技術(shù)有PCR的校正、PSI信息的重構(gòu)和PID的映射。
    （1）PCR校正（PCR correction）：PCR由33bit基值（Base）和9bit擴(kuò)展值（Extension）組成，PCR值以系統(tǒng)參考時(shí)鐘周期為單位記錄了源端的時(shí)間信息，對(duì)于整個(gè)數(shù)字電視系統(tǒng)的同步起著關(guān)鍵作用。在節(jié)目復(fù)用器中，有一個(gè)分為兩段的42bitPCR計(jì)數(shù)器，分別對(duì)應(yīng)傳輸流PCR字段的基值和擴(kuò)展值。擴(kuò)展值以節(jié)目復(fù)用器系統(tǒng)參考時(shí)鐘（2MHz）為基準(zhǔn)在0～299之間循環(huán)計(jì)數(shù)；擴(kuò)展值每計(jì)到300時(shí)清零，同時(shí)，基值加1。在PCR字段最后1個(gè)字節(jié)離開節(jié)目復(fù)用器前的那一時(shí)刻，基值和擴(kuò)展值分別被插入到傳輸流包的相應(yīng)位置。在接收端，通過對(duì)PCR值的提取，利用鎖相環(huán)電路恢復(fù)出與源端基本一致的27MHz時(shí)鐘，作為接收端工作的基準(zhǔn)時(shí)鐘。在再?gòu)?fù)用器中，由于輸入傳輸流的各個(gè)包經(jīng)過再?gòu)?fù)用器的處理后延時(shí)各不相同，有必要對(duì)各個(gè)節(jié)目PCR字段的內(nèi)容分別進(jìn)行修正，這種操作稱為PCR校正。其基本算法用公式表示如下：
    其中，PCRin和PCRout分別為同一個(gè)包的PCR字段在進(jìn)入再?gòu)?fù)用器和離開再?gòu)?fù)用器時(shí)的數(shù)值；為此字段數(shù)據(jù)隨著相應(yīng)的傳輸流包在整個(gè)再?gòu)?fù)用器進(jìn)行各種處理后產(chǎn)生的延時(shí)總和。
     （2）PSI信息由MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，記錄了關(guān)于信道、傳輸流和節(jié)目的基本信息。它主要包括節(jié)目關(guān)聯(lián)表（Program Association Table，PAT）、節(jié)目映射表（Program Map Table，PMT）、網(wǎng)絡(luò)信息表（Network Information Table，NIT）和條件接收表（Conditional Access Table，CAT）。PSI的插入可以看作再?gòu)?fù)用器數(shù)據(jù)插入功能的一個(gè)特例。因?yàn)樵購(gòu)?fù)用器的輸出傳輸流是由多個(gè)輸入傳輸流和數(shù)據(jù)組合而成，所以輸出TS的PSI信息需要根據(jù)輸出流的組成結(jié)構(gòu)重新生成。為了保證碼流的隨機(jī)接入性，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PSI表的重復(fù)間隔不得超過100ms，而DVB標(biāo)準(zhǔn)則更加嚴(yán)格,要求不得超過40ms。
    （3）PID映射（PID mapping）：在同一個(gè)傳輸流中，不同數(shù)據(jù)包PID的分配是互不沖突的，當(dāng)來自多個(gè)傳輸流的包復(fù)用到一起時(shí)，則可能發(fā)生PID沖突的現(xiàn)象。另外，用戶也可能需要修改某些PID，或?qū)⒛承㏄ID的包過濾掉。修改PID、根據(jù)PID使包選擇性通過等操作統(tǒng)稱為PID映射。

    四. PCR校正的重要性及PCR抖動(dòng)
    1.PCR校正的重要性
    PCR是TS流中節(jié)目參考時(shí)鐘的英文縮寫，利用PCR可以使數(shù)字電視接收機(jī)或機(jī)頂盒的解碼視頻輸出與編碼器端的視頻源同步。從MPEG-2的模型來看，必須要保證傳輸系統(tǒng)是一個(gè)恒定延時(shí)系統(tǒng)，它的端到端的延遲（從信號(hào)進(jìn)入編碼器到信號(hào)從解碼器輸出）是一個(gè)常數(shù)。如果不進(jìn)行校正或者校正精度不能滿足要求，解碼器所恢復(fù)的圖像容易掉彩色，還會(huì)出現(xiàn)周期性的黑屏現(xiàn)象，同時(shí)圖像會(huì)伴有馬賽克，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)死機(jī)。
    PCR是整個(gè)MPEG-2傳輸系統(tǒng)中的統(tǒng)一時(shí)鐘，它的作用是將發(fā)端的27MHz時(shí)鐘以PCR時(shí)間戳的形式注入碼流中，而收端是否能夠根據(jù)該信息無偏差地恢復(fù)出發(fā)端的參考時(shí)鐘以達(dá)到收發(fā)時(shí)鐘的同步，這對(duì)系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響，因此對(duì)PCR的研究一直是熱點(diǎn)問題，其中主要的難點(diǎn)是如何校正并消除人為處理和網(wǎng)路阻塞等影響帶來的PCR抖動(dòng)。
    2.非均勻延時(shí)和PCR抖動(dòng)
    通常情況下，經(jīng)過復(fù)用和再?gòu)?fù)用后，PCR值并不能完全精確地反映信源編碼端的時(shí)間信息，這種現(xiàn)象稱為PCR抖動(dòng)（PCR jitter）。復(fù)用器增加的PCR抖動(dòng)量主要有以下幾個(gè)來源：①本地27MHz時(shí)鐘與節(jié)目復(fù)用器中系統(tǒng)參考時(shí)鐘不一致；②本地27MHz時(shí)鐘與輸入傳輸流時(shí)鐘不一致；③本地27MHz時(shí)鐘與輸出傳輸流時(shí)鐘不一致。
    下面通過一個(gè)例子說明非均勻延遲。假若在某TS流中，PCR1和PCR2之間的原始碼速率是a，設(shè)為所表示的換算為秒的時(shí)間，兩者的間隔為m1（bit），顯然，根據(jù)PCR原理得到a=m1/△PCR。現(xiàn)在，由于傳輸過程中的各種原因，PCR1和PCR2之間的碼流速率變?yōu)閎，兩者間隔為m2，如果要求b=m2/△PCR（即變化后的PCR仍然能夠準(zhǔn)確地反映當(dāng)前速率），則必須有：
    滿足式（1）的延遲稱為均勻延遲，否則稱為非均勻延遲，顯然在一個(gè)隨機(jī)變化的網(wǎng)路中均勻延遲幾乎是不可能的，我們把這種非均勻延遲帶來的PCR值不能正確放映碼流當(dāng)前的速率信息的狀況稱為PCR抖動(dòng)。
    引起非均勻延遲的原因主要有兩大類：一類是數(shù)據(jù)在網(wǎng)路中傳輸時(shí)端到端的非均勻傳輸延遲造成的，這類抖動(dòng)一般來說都比較小，大多數(shù)系統(tǒng)是可以容忍的；另一類是根據(jù)傳輸?shù)男枰�人為的改變碼速率所引起的，碼流復(fù)用和碼速率調(diào)整所引起的PCR抖動(dòng)都屬于這一類，這類情況所引起的抖動(dòng)一般是比較大的。PCR抖動(dòng)較大會(huì)對(duì)收端恢復(fù)同步時(shí)鐘產(chǎn)生很大的影響，如果抖動(dòng)過大會(huì)進(jìn)一步影響圖像畫面的效果。不同的系統(tǒng)能夠容忍的最大抖動(dòng)是不同的，在DVB系統(tǒng)中要求小于500ns，因此要對(duì)PCR進(jìn)行校正。

    五. PCR 校正的基本原理
    1.TS流的幀結(jié)構(gòu)
    有線電視傳送采用GB/17975.1-2000中規(guī)定的MPEG-2傳送層,MPEG-2數(shù)據(jù)傳送層由188個(gè)字節(jié)的包組成,每個(gè)包由分組包頭及有效負(fù)荷組成，如圖1所示。包含PCR的TS流包結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    2.PCR的作用
    PCR是節(jié)目參考時(shí)鐘的英文縮寫。包頭自適應(yīng)區(qū)中周期性地包含6個(gè)字節(jié)的編碼，用來產(chǎn)生解碼器的鎖定時(shí)鐘。利用節(jié)目參考時(shí)鐘，可使數(shù)字電視接收機(jī)或機(jī)頂盒的解碼視頻輸出鎖定于編碼器輸入端的視頻信號(hào)源。在編碼器/復(fù)用器中，節(jié)目時(shí)鐘鎖定于輸入視頻信號(hào)，由于標(biāo)清電視（SD）視頻（625行50Hz或525行59.94Hz）以27MHz時(shí)鐘為基準(zhǔn)，那么節(jié)目時(shí)鐘也就是27MHz。PCR是計(jì)數(shù)器的抽點(diǎn)表示，由節(jié)目時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，以某種特定的時(shí)間周期（推薦為40ms，ISO/IEC13818-1規(guī)定為100ms）插入到流中。
    3.PCR的產(chǎn)生及再生
    傳輸中的為一路節(jié)目提供參考時(shí)鐘,其中節(jié)目為具有共同時(shí)間基點(diǎn)的基本流集合，將被同步解碼和顯示。傳輸流中可能有多路節(jié)目,每一路節(jié)目都有獨(dú)立的時(shí)間基點(diǎn)和各自的。PCR分兩部分編碼：一部分以系統(tǒng)時(shí)鐘頻率27MHz的1/300為計(jì)數(shù)單位，稱為PCR_ base（方程），它的作用是在解碼器切換節(jié)目時(shí)，提供給解碼器PCR計(jì)數(shù)器的初始值。另一部分以系統(tǒng)時(shí)鐘頻率27MHz作為計(jì)數(shù)單位,稱為PCR_ ext（方程），它的作用是通過解碼器端的鎖相環(huán)電路修正解碼器的系統(tǒng)時(shí)鐘，使其達(dá)到和編碼器一致。編碼在PCR(i)中的數(shù)值代表了t（i），i指包含PCR_ base字段的最后一位的字節(jié)。具體表達(dá)式如下:
    由5.2節(jié)可知，PCR的取樣時(shí)鐘為27MHz，也就是說，單個(gè)時(shí)鐘周期為37ns，因此，PCR的插入誤差不得大于37ns。此外，復(fù)用器中的PCR插入機(jī)制應(yīng)能在TS流中確定的準(zhǔn)確位置，從而插入正確的數(shù)值，該位置的任何計(jì)算錯(cuò)誤將會(huì)導(dǎo)致PCR不準(zhǔn)確。對(duì)于再?gòu)?fù)用器和QAM調(diào)制器由于必須改變TS流中數(shù)據(jù)包的相對(duì)位置，因此當(dāng)再插入PCR值時(shí)，其相應(yīng)變化量應(yīng)當(dāng)反映任何位置的變化。由此可見，由27MHz時(shí)鐘以及復(fù)用器（或再?gòu)?fù)用器和QAM調(diào)制器）的插入（或再插入）的計(jì)算錯(cuò)誤會(huì)造成PCR的不準(zhǔn)確,必須進(jìn)行PCR校正。

    六. PCR校正的方法
    不同的復(fù)用器中，由于PCR校正實(shí)現(xiàn)的方法各不相同，以附加PCR抖動(dòng)大�。�即校正精度）為主要指標(biāo)的性能差別也很大。下面分別介紹幾種PCR校正方法。
    1.基于相同實(shí)際的PCR校正方案
    在13818協(xié)議中并沒有對(duì)PCR的時(shí)基作明確的規(guī)定，即1路TS流中的多路節(jié)目的PCR 可以使用相互獨(dú)立的時(shí)基，也可以使用統(tǒng)一時(shí)基（顯然現(xiàn)實(shí)中不同節(jié)目的產(chǎn)生是不相關(guān)的，所以往往在復(fù)用時(shí)保留原有不相關(guān)的時(shí)基），PCR的作用在于為收端提供一個(gè)時(shí)鐘基準(zhǔn)，所需要的是PCR之間的差值，而每一個(gè)PCR的絕對(duì)值是沒有意義的。所以，利用一個(gè)本地27MHz時(shí)鐘按照13818協(xié)議的規(guī)則重新生成42位PCR值，當(dāng)TS流中存在多路節(jié)目時(shí)，不區(qū)分當(dāng)前的PCR域內(nèi)為哪一路節(jié)目的PCR，而是利用一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘根據(jù)時(shí)間在每一個(gè)PCR域內(nèi)順序置入新的PCR值，這樣多路節(jié)目的PCR共享一個(gè)時(shí)基，而在恢復(fù)時(shí)鐘時(shí)無需判斷是哪一路節(jié)目的PCR，只需根據(jù)PCR的先后順序進(jìn)行鎖相恢復(fù)即可。由于第二次PCR置入是在速率變化之后，最終輸出的PCR值可以無抖動(dòng)地反映調(diào)整之后的碼流速率，可見盡管碼率調(diào)整使得PCR出現(xiàn)抖動(dòng)，但是重新置入PCR使得抖動(dòng)消除。
    2.關(guān)于基于相同時(shí)基的PCR校正策略的改進(jìn)[4]
    基于相同時(shí)基的PCR校正方法存在一定的弊端，由于采用本地27MHz時(shí)鐘進(jìn)行PCR的重新置入，最終恢復(fù)出來的27MHz時(shí)鐘必然是本地的參考時(shí)鐘，假如這個(gè)時(shí)鐘與原參考時(shí)鐘有偏差，那么這個(gè)偏差將不斷積累，假如原參考時(shí)鐘是產(chǎn)生PS流時(shí)產(chǎn)生PCR的參考時(shí)鐘（這個(gè)時(shí)鐘也是最終收端所需要的時(shí)鐘基準(zhǔn)），這個(gè)偏差的積累最終可能導(dǎo)致緩沖區(qū)的溢出并使解碼產(chǎn)生不良效果，所以在置入時(shí)準(zhǔn)確地恢復(fù)出原27MHz時(shí)鐘，使重新置入PCR參考時(shí)鐘無偏差或偏差較小，基于此，對(duì)該方案提出了改進(jìn)。
    具體方法是從第一次PCR的重新注入開始，每一次重新注入PCR之前，首先通過，碼流中的原有PCR恢復(fù)出參考時(shí)鐘，并用這一時(shí)鐘來產(chǎn)生新的PCR，從PS流開始，第一次引起PCR抖動(dòng)的是MPEG-2復(fù)用器，而在碼流被復(fù)用以前其PCR是完全沒有抖動(dòng)的，從這里開始使用上述方法，可以解決時(shí)鐘偏移量積累的問題。最終的整體FPGA實(shí)現(xiàn)框圖如下。
    3.改進(jìn)的PCR校正算法
    改進(jìn)的PCR調(diào)整方法有別于原來的方法，它不是對(duì)原有的PCR值進(jìn)行修改，而是重新生成正確的PCR值，并替代原有的PCR值�；�本原理是用本地27MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)值代替原有的PCR值，同時(shí)保存它們之間的差值，在用這個(gè)差值調(diào)整PTS，DTS值。如圖4所示，原PCR值進(jìn)入PCR校正模塊，被本地27MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)值代替輸出，同時(shí)計(jì)算兩者的差值并保存到RAM中；如圖5所示，原PTS，DTS值進(jìn)入PTS，DTS 校正模塊，原PTS和DTS值減去保存在RAM中的相應(yīng)差值，輸出正確的PTS和DTS值。

    七. 結(jié)束語
    在復(fù)用器系統(tǒng)中凡涉及到TS流的解復(fù)用和在復(fù)用都不可避免的要涉及到PCR校正問題。通過分析PCR校正的原因，介紹PCR校正的基本原理和現(xiàn)有的一些不同的PCR校正方法，可以為以后的研究和設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ)。
    參考文獻(xiàn)
    [1] 王興東，余松煜，梁龍飛.MPEG-2傳輸流再?gòu)?fù)用器的設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).2003年6月
    [2] 楊德鵬，鄒倫開，徐亮. MPEG-2節(jié)目復(fù)用器中的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)有線電視.2006年2月
    [3] 鄭鑫，張曉玲.數(shù)字電視QAM調(diào)制器中PCR校正的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)有線電視.2005年7月
    [4] 張煒，劉鵬.基于MPEG-2的PCR校正策略[J].中國(guó)有線電視.2006年
    [5] 張磊，王宏遠(yuǎn).基于改進(jìn)的PCR校正算法的MPEG-2復(fù)用器[J].電視技術(shù).2006年第3期

本文來自ChinaUnix博客，如果查看原文請(qǐng)點(diǎn)：http://blog.chinaunix.net/u/19273/showart_2185678.html