数字电视技术原理论.doc

数字电视论文摘 要 本文主要介绍了MPEG - 2视频编码系统的技术原理和关键技术, 阐述了数字电视信源编码技术、多路复用和解复用原理、节目复用器构成、信号复用系统及调制解调的关键技术。关键词：MPEG-2 多路复用 复用器 复用系统。1 MPEG-2编码技术 DVB-T采用的是MPEG-2编码技术，MPEG-2是MPEG制定的国际标准，于1994年11月正式发行。它主要包括系统、视频、音频、一致性、参考软件、数字存储媒体的命令与控制、高级音频编码、lob视频编码和实时接口等9个部分组成。由于图像信号中存在着大量的冗余，主要包括有空间相关冗余、时间相关冗余、结构相关冗余、人眼视觉冗余和熵冗余等，使得图像的压缩具有可能性。MPEG-2采用预测编码、变换编码和统计编码技术等，减少传输信号的冗余。 MPEG-2系统编码是将视频、音频和其它数据基本流合成一个或多个适宜于存储或传输的数据流，MPEG-2系统层框图如图2-1所示。在MPEG-2中定义了三种码流，基本码流ES (Elementary Stream)、节目码流PS (Program Stream)和传输码流TS( Transport Stream)。视频编码音频编码打包打包PS复接TS复接视频数据音频数据视频PES音频PES节目码流PS传递码流TS图1 MPEG-2系统层框图节目码流(PS)由一个或多个PES包组成，是一组视频、音频和数据基本分量。节目码流中的各个包具有相同的时间基准，具有长度可变的数据包和包头。节目流通常用于基本无误码或误码比较小的环境下，用在光盘和硬盘间的数据传输。基本码流ES是在MPEG-2中，按照像块层、宏块层、像条层、图像层、图像组层和图像序列层的顺序依次编码，并在除像块和宏块外的每一层的开始处加上起始码和头标志，就形成了ES。其中打包的基本码流PES(Packetized Elementary Streams)是对压缩的基本码流ES进行打包后形成的码流。传输码流(TS)是将具有共同时间基准或具有独立时间基准的一个或多个PES组合而成的单一的数据流，TS是节目码流或和基本码流的集合，他们可以以非特定关系复接在一起。适用于误码较多的环境。另外，MPEG-2的系统层提供了有效的系统同步措施。在传输码流中MPEG-2主要使用了三个参数:节目参考时钟(PCR)、显示时间标记(PTS)和解码时间标记(DTS)来保证视频、音频和辅助数据之间的同步.PCR是编码器系统时钟某一时刻的值，它被周期性地插入到MPEG-2的输出比特流中。在解码器端，PCR被提取出来，用于更新内部时钟，作为解码器的时间基准，每个节目只有一个PCR.PTS和DTS也是编码器系统时钟某一时刻的值，通常和某个编码单元相联系(如视频序列中某个图像显示或解码的开始位置)。它们规定了数据在解码署中的预定显示时间和解码时间。2 多路复用和解复用原理在MPEG-2系统中，多路复用分为节目复用和系统复用。节目复用是将数字电视节目的视频、音频的ES流和其它辅助数据复用生成的单一的PS流或TS流，叫节目复用.系统复用是由多路TS流在复用形成一路TS流，实现节目间的动态分配，叫系统复用。相反的过程叫系统解复用简称解复用。3 节目复用器构成图2-2为节目复用器的框图。节目复用器的信号流程工作原理是这样的：其中，FIFO是先进先出的移位寄存器。复用器工作时，先向前面的视频、音频编码器发出系统编码开始的信号，同时发送27MHz的系统时钟，作为PES打包时PTS(Presentation Time Modulation，时间表示印记)和DTS (Decode Time Stamp，解码时间印记)的时间标记的计数时钟。经过编码器后所产生的视频、音频和辅助数据经过串/并转换后，分别在各自的FIFO中缓存.各个FIFO设有独立的双向计数器，指示各个FIFO中存储数据的字节数。DSP(数字处理器)采用轮询技术控制TS流中各种包的交织，因为视频PES (Packetized ES，分组基本码流)数据流的输入速率是可变的，而音频、辅助数据的速率是恒定的，采用轮询技术保证TS流中各种类型包的均匀性。DSP按视频、音频、辅助数据1和辅助数据2的次序对视频FIFO、音频FIFO,辅助数据XIFI FO、辅助数据X2FIFO进行轮询，即读取各FIFO的双向计数器的计数值，若大于预先确定的门限数值，则从相应的FIFO中读取184B，送入公共FIFO。对于两路辅助数据，在写入TS包头后，直接将184B送入传输缓存器。为了TS包与PES包的字头对齐，在对视频、音频184B的读取过程中，需要同时检测是否有PES起始码0x000001(视频PES起始码后面的steam ID为OxEO，音频PES起始码后面的steam ID为Oxcl)。若没有，则由DSP向传输缓存器写入相应的TS包头(4B，无调整字段)，再将公共FIFO中读取数据，而去读取公共FIFO中的NB数据。由于在这NB数据中包含4B PES字头，因此TS包的调整字段中要插入【184- (N-4)】个填充字节(即OxFF)，有效数据负荷为N-4。第二个TS包是一个新的PES数据包的开始，公共FIFO中还保留4B PES字头，所以还需从前面的FIFO读入(184-4)B的视频或音频数据。在向传输缓存器写入TS字头后，再将公共FIFO中的数据送入传输缓存器。这样，就可将TS包的字头与PES包的字头对齐。串并变换视频FIFO音频FIFOX1 FIFOX2 FIFO公共FIFO传输缓存器并串转换DSP系统图像系统图像辅助数据1PES辅助数据2PES音频PES视频PES图2 节目复用器框图在视频编码器中，任意两个PCR (Program Clock Reference,节目参考时钟)间的时间间隔为40ms, PMT (Program Map Table，节目映射表)之间的间隔也为40ms。复用器的输出速率是恒定的，所以在单位时间内的总TS包数也是恒定的。在DSP程序中设计了一个计数器，计数器的预置数值设定为“每秒总的TS包数目/25，复用器每产生一个TS包，计数器减1，当计数器减到零时，将时间间隔标志置位，从而使得PCR之间的时间间隔保持恒定。DSP在每次轮询打包TS数据之前，先检测时间间隔的标志位，若标志位已经置位，则在下一个视频TS包中插入PCR时间标记，当然这里只是在TS包头中将6B的PCR位置预留出来，没有真正插入PCR时间标记.在随后的两个TS包中放入节目关联表(PAT)和PMT表，并将计数器和时间间隔标志位复位.如果下一个复用的TS包为视频数据并且恰好需要插入PCR时间标记，则DSP从视频FIFO中读出的数据是176B而不是184B，是因为调整字段占用了8B(插入PCR时间标记，除了PCR是6B，还要增加调整字段长度1B，指示和标志IB，调整字段一共8B).如果该TS包为含有PES字头的视频TS包，则读入的数据字节为172B.另外，MPEG-2系统还要求PCR时间必须是PCR域最后一字节离开复用器的时间。在并/串转换的同时，还要完成PCR时间标记的插入。PCR信息只包含在特定的视频TS包中，DSP在写入该TS字头时，在调整字段中己预留了6B的PCR位置，在并/串转换时则进行字头检测，在满足PCR插入条件且在检测到TS包的同步字节以及调整字段标志位后，在相应时刻将PCR所存。4 系统复用系统复用最主要的工作是进行PSI(Program Specific Information,节目特定信息)信息的重构和PCR修正，图2-3为节目复用和系统复用框图。节目复用系统复用系统节目复用4音频PES辅助数据PES增值业务数据PESTS1TS4PSI和SI数据TS，包含PAT,PID=0增值业务数据TS视频PES图3 节目复用和系统复用框图在系统复用过程中，常需要从多个节目TS流中各抽出一路或多路节目参与复用，生成的TS流仍然符合MPEG-2标准的系统层定义。PSI被分成节目关联表、节目映射表、网络信息表及条件接收表等，他们包含了进行多路解调和显示程序的必要和足够的信息。每个表可以被分成一段或多段置于TS流中.系统层解复用时首先要获取节目关联表PAT,PAT的PID(PacketIdentifier,包标识)值为0x0000，找到PID=O的TS包就能找到PAT表，PAT，表中包含了该TS流中所有节目的一个清单。通过PAT表，就可得到该TS流中包含的每个节目映射表。每个节目的PMT表中，有该节目的各个TS包的信息，包括PID, TS包类型以及该节目含有效PCR字段TS包的PID值。经过PAT，及PMT表的设置，就可完整描述TS流中各路节目以及每路节目中各TS包之间的关系.条件接收表CAT只有当TS流中TS包被加扰时才出现。每路TS流都有一个PAT和多个PMT，但最终合成的TS流只有一个PAT，和与之相对应的多个PMT;而且在不同的TS流中可能定义了相同的PID。在对各路TS流进行复用时，首先必须提取各节目中TS包的PID，称为TS包过滤;再重新标识PID，再对所有TS流中的PAT和PMT进行分析、整理，生成总的PA1，和PMT，作为合成TS流的PSI:最后将TS包交织后输出。PCR是编码端系统时钟的采样值，一路节目只有一个PCR时间基点与之关联。在PSI的PMT中，指出了每路节目中带有PCR字段的TS包的PID值，该PID值也称为PCR PID。时间标签一般为90KHz为单位，但PCR可以达到27MHz。PCR时序信息是将系统时间频率27MHz的1/300 (27MHz/300=90KHz)编成33位码并加上9位(2830029)余数。PCR字段被编码在TS包的调整字段中，其中以系统时钟频率27MHz的1/300 (90KHz)为单位的称为PCR_base，另一个以系统时钟27MHz为单位的称为PCR_ext。PCR_base(i) = 系统时钟频率Xt(i)/300% (1)PCR_esex t( i)=系统时钟频率Xt(i)%300 (2)其中，%表示模除，a%b表示b除a后的余数。MPEG-2标准中用TS系统目标解码器(T-STD)这个概念来定义字节的到达、解码事件以及他们发生的时间.数据从TS流进入T-STD的速率是一个分段常数，第i个字节在时间T(I)进入，这个字节进入T-STD的时间可以通过输入流的PCR的字段解码而恢复，编码在PCR(I)中代表了t(i), i指包含PCR_base字段的最后一位的字节。PCR(i) = PCR_base(i)X300+PCR_ext(i) (3)所以PCR指示PCR_base的最后一个字节预定达到目标解码器的时间.通过PCR值不但可以获得正确的解码时间，还可以计算传送速率等与时间相关的指示。 PCR的是否正确传输影响着解码端的时钟恢复，每路的TS流都有各自的时钟，所以要对每路时钟都要进行PCR修正。根据PCR修正原理，数据从进入复用器至离开之间存在不确定的处理延迟，所以，要在原有PCR值基础上加上该字段在复用器中的等待延迟t.为了使时钟起始时间统一，把所有延迟后的PCR减去const。其中，const是任选的一个t，在选择点处修正值为0.因为只要有一个PCR考虑到这段延迟，不进行修正，其余的PCR均在此基础上进行相对不定延迟的修正，这就使得复用时不修正的PTS和DTS相对于PCR来说恢复了统一的时间起点。得到每个PCR的修正值为:PCR=PCR+t-const t=-其中, 是数据离开系统复用器的时间，是数据到达系统复用器的时间，const是任选一路节目的t.如图2-4TS流的结构图，每个包的长度为188个字节，其中包头的长度为4个字节。传输码流的第一个字节(8比特)为包同步，用于信道解码器的同步，误码指示和加扰控制，告诉解码器传输过程中是否有不可纠正的误码和信号是否被加扰。由于传输码流是复用后形成的，所以在一个传送流中会有多个码流，包识别符(PI功是解码器识别各种节目码流的识别标志，每个传输流包中均携带一个识别码(PID ).节目参考时钟(PCR)是解码器的定时基准。1Byte1Bit1Bit1Bit13Bits2Bits2Bits4Bits同步字节传输误码指示符有效载荷单元起始指示符传输优先PID传输加扰控制自适应控制连续计数器4B最大184Bytes自适应长度自适应区（可选）包数据1Byte1Byte最大182Bytes自适应区长度标志信息（与插入的标志有关）填充数据1Bit1Bit1Bit1Bit1Bit1Bit1Bit1Bit间断指示符随机存储指示符基本码流优化指示符PCR指示符节点标志传输专用数据标志自适应PCR标志自适应扩展标志图4 TS流结构 MPEG-2中还定义了节目特定信息(PSI)，用于解码器的自动设置.PSI由4个表组成，分别是节目相关表(PAT)，节日映射表(PMT)、条件接收表(CAT)和网络信息表(NIT). PAT表说明传输码流中含有多少个节目及其相应PMT表的PID;PMT表说明一个节目中有多少种码流及其各自的PID; CAT表说明码流是否加密，解码器利用CAT表寻找加密控制信息(ECM)和加密管理信息(EMM);NIT表说明提供节目的网络信息。 TS实际是面向数字化分配媒介(有线、卫星、地面网)的传输层接口。对具有共同时间基准的两个以上的PES先进行节目复用，然后再对相互可有独立时间基准的各个PS进行传输复用，也就是将每个PES再细分为更小的TS包。在系统中不允许直接传输PES，只允许传输PS和TS; PES只是PS转换为TS或TS转换为PS的中间步骤或桥梁，是MPEG数据流互换的逻辑结构，本身不能参与交换和互操作。参 考 文 献1吴文忠. 数字电视与数字电视信源编码技术J. 视听界(广播电视技术),2005,04:21-24.2邱永萍,包红艳,孙绪伟. 数字电视信源编码的主要技术与标准J. 中国有线电视,2005,Z1:231-234.3王刚,张俊家. 数字电视信源编码的主要技术与标准J. 电视工程,1998,02:22-25.4宋平. 数字电视信源编解码技术及应用J. 中国有线电视,2010,02:133-135.5梅志红. 数字电视编码及调制技术J. 中国有线电视,2002,24:16-20.6吴恩学. 简述数字电视常用的几种信道编码技术J. 中国广电技术文萃,2014,03:81-90.