1．引言TPF FPT

   數(shù)字圖像通信的最廣泛也是最常見的應用就是數(shù)字電視廣播系統(tǒng)[1]，與此對應的DVB標準的建立更是加速了數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的大規(guī)模應用。DVB標準選定ISO JIEC MPEG-2標準作為音頻及視頻的編碼壓縮方式，信源編碼進行了統(tǒng)一，隨后對MPEG-2碼流進行打包形成TS流(transport stream)，進行多個傳輸流復用，最后通過衛(wèi)星、有線電視等不同媒介傳輸方式進行傳輸。

   對多個傳輸流進行復用的意義在于復用后的傳輸流只占用一個物理的傳輸信道，傳輸流中的每個節(jié)目所占用的是傳輸流提供的虛擬信道。在解碼器端，只需要一套固定的接收設備，對不同節(jié)目的選擇只是在傳輸流中選擇不同的原始碼流，這大大簡化了接收機的實現(xiàn)，節(jié)省了成本，提高了靈活性，而且根據(jù)該標準定義，解碼器的系統(tǒng)時鐘與調(diào)制解調(diào)器的時鐘是完全獨立的。這使得在實現(xiàn)這兩個子系統(tǒng)彼此功能時是完全分開的，因此接口變得很簡單。

   在數(shù)字電視節(jié)目制作及發(fā)送時，對多路節(jié)目的復用，由于一般的計算機很難處理幾十兆到幾百兆碼率的碼流，所以，目前大部分的復用器都是用硬件實現(xiàn)的，但其價格昂貴[2,3]。然而，隨著計算機速度越來越快，在多CPU的服務器上，完全能夠?qū)崿F(xiàn)多路節(jié)目的實時軟件復用。與硬件復用相比，軟件復用具有靈活性高，開發(fā)成本低的優(yōu)點。在軟件復用實現(xiàn)方案中，服務器從衛(wèi)星電視或其它片源中實時采集TS流，經(jīng)過分析和過濾將所選擇的基本流復用成一路TS流，然后通過普通的TS流播出卡發(fā)送出去。論文分析多路TS流復用原理，針對TS流中的信息提取和節(jié)目專用信息PSI (program specific information)合成，及軟件復用中的節(jié)目時鐘參考PCR ( program clock reference)的修正等問題進行研究，提出了進行軟件復用的具體方法，最后在Windows平臺上設計并實現(xiàn)多路TS流的軟件復用。

2．TS流的系統(tǒng)級復用

   數(shù)字電視節(jié)目的復用包括兩個階段，對音/視頻PES包的節(jié)目復用和對TS流的系統(tǒng)復用[4]。本文研究第二個階段即TS系統(tǒng)級復用，將多個單路的TS流合成一個多節(jié)目TS流。數(shù)字電視系統(tǒng)級復用是數(shù)字電視系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中數(shù)字電視節(jié)目專用信息PSI的提取和重構(gòu)及系統(tǒng)層節(jié)目時間參考PCR值的修正，是復用器的兩項關(guān)鍵技術(shù)。



   基于MPEG-2的TS流多路數(shù)字電視節(jié)目TS流系統(tǒng)級復用原理如圖1所示。當多路TS流復用成一路TS流時，首先將對各路TS流的PSI進行搜集并分析其碼流，得到各路TS碼流中相應的視頻、音頻、數(shù)據(jù)信息的碼率、對各路節(jié)目的包標識PID, 數(shù)字電視節(jié)目專用信息PSI，節(jié)目時間參考PCR等信息進行處理，丟棄各路原有的PSI信息。當出現(xiàn)兩路TS流中的PID發(fā)生沖突時，需要修改一路或者多路TS流中某一數(shù)據(jù)流的PID(即復用器需要對修改了PID的視頻/音頻包或其他數(shù)據(jù)包進行PID更新)。可以看到，無論是否出現(xiàn)PID沖突，復用器都需要重構(gòu)PSI信息，其濾波的處理過程如圖2所示。對不同節(jié)目的PID值進行修改后，與本地產(chǎn)生的這類數(shù)據(jù)重新整合為復用后新的PSI等系統(tǒng)級控制信息，同時插入符合DVB-SI規(guī)范的業(yè)務信息，并在攜帶有調(diào)整字段的TS包中，判斷帶有PCR標志位字段的值，如果該值為“1”，那么在該TS流離開復用器的時刻，需要對TS包中的PCR值做相應的修正或重新插入新的節(jié)目時鐘參考，具體方法將在后面詳細介紹。




3．TS流節(jié)目專用信息的提取與重構(gòu)

   數(shù)字電視節(jié)目專用信息PSI描述TS流的組成結(jié)構(gòu)，在MPEG-2系統(tǒng)層中極為重要，一個有多路節(jié)目和私有數(shù)據(jù)的TS流，需要PSI信息將每一路節(jié)目的音視頻對應起來[5]。PSI信息將TS流中的內(nèi)容描述成一個樹狀的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在TS流中可以復用多個節(jié)目，每個節(jié)目又可以包含多個基本碼流(通常是單個視頻流、多個音頻流)。DVB系統(tǒng)沿用MPEG-2的節(jié)目專用信息PSI來確定傳輸?shù)墓?jié)目和包標識PID的關(guān)系以及節(jié)目的組成結(jié)構(gòu)等情況。PSI主要包括以下四個表:節(jié)目關(guān)聯(lián)表(PAT: Program Association Table)、條件訪問表(CAT: Conditional Access Table)、節(jié)目映射表(PMT: Program Map Table)、網(wǎng)絡信息表NIT: Network Information Table)，本文需要涉及到節(jié)目關(guān)聯(lián)表PAT和節(jié)目映射表PMT。

  由于TS流復用后的相關(guān)聯(lián)內(nèi)容發(fā)生了變化，因此要對PSI信息進行處理。PSI信息的處理包括PAT和PMT表的替換，PID的重映射，還有就是連續(xù)計數(shù)器的修改，雖然這不算PSI信息，但是這部分工作與PSI信息修改關(guān)系很密切，同時在實際的實現(xiàn)過程中可以同時完成。

  復用后的流中有多路節(jié)目，原來每一路節(jié)目中的PAT和PMT都只有自身的內(nèi)容，為此需要將PAT和PMT替換。首先根據(jù)輸入流的數(shù)目和預占的頻道號，在一開始動態(tài)生成PAT表，PMT表則在最初計算好，生成靜態(tài)的PMT對應替換即可,同時根據(jù)每個PMT_PID找到實現(xiàn)計算好的PMT表，將其中的視音頻PID找到，作為將要替換的視音頻PID。之所以在一開始生成或者直接使用靜態(tài)表是因為PAT和PMT有32位CRC，無法完成實時計算。



  PMT表替換后，每一路流中原有的視音頻幀的PID應與其對應替換的PMT表中的視音頻PID保持一致，即需要進行PID重映射。  在傳輸流處理過程中，先分析每一個讀入的TS幀，根據(jù)PID的不同，選擇替換的內(nèi)容，如果是PAT和PMT表，則整個TS幀替換，如果是視音頻幀，則只替換PID，替換之后，應該對連續(xù)計數(shù)器加一。

  需要注意的是，單路傳輸流的構(gòu)成并不一樣，有的傳輸流是一路音頻一路視頻，有的是一路視頻兩路音頻；有的PCR的PID與視頻的PID相同，有的則不同。所以，應該為每一種情況都準備一張PMT表，在新素材到來時，根據(jù)分析出來的PSI信息的情況，決定選用那一張PMT表。這樣作雖然要創(chuàng)建很多靜態(tài)表，增加了系統(tǒng)內(nèi)存的占用，但是卻能使程序簡單化，易于實現(xiàn)，同時不用隨時計算32位的CRC，提高了程序的穩(wěn)定性。在素材文件切換時，如果PMT表需要發(fā)生變化，需要修改PMT表的版本號。

  每一路流都有PAT，假使復用的路數(shù)為n，如果每一路的PAT都去替換，就會使得PAT表發(fā)送頻率提升為原來的n倍。MPEG-2規(guī)定，PSI信息傳送的頻率每秒不低于25次，協(xié)議中只規(guī)定了下限，沒有規(guī)定上限，雖然每一路都替換，并不違背協(xié)議，但是很多復用器和解碼器在PSI信息過多的時候就會工作不正常，這是因為PSI信息的32位CRC校驗很耗時，所以通常只替換其中一路的PAT，其余的都用空包代替。PSI信息合成具體流程如圖4所示。



4．TS流的節(jié)目時鐘參考值修正

  在MPEG-2編碼器中有一個系統(tǒng)時鐘，該系統(tǒng)時鐘用來生成一個共同的時序以便音頻/視頻能夠正確地解碼與播放，同時可以用來指示在采樣瞬間系統(tǒng)時鐘的瞬時值[6]。正是由于編碼器中有共同的系統(tǒng)時鐘，解碼器中的時鐘可以根據(jù)節(jié)目時鐘參考（PCR）重新恢復，并通過時間標記的正確使用為解碼器中操作的正確同步提供基準。

  時鐘處理和碼率有很大的相關(guān)性，某個時間段的碼率就是這段時間的數(shù)據(jù)量與時鐘差值的比。為了防止在碼率出現(xiàn)波動的時PCR時鐘差值越界，導致解碼器不能正常工作，復用后輸出碼率應該比所有單路節(jié)目的總碼率稍大。在實際中，如果真的出現(xiàn)這種情況，為了避免所有節(jié)目不能正常播放，本文采取的方法是停掉其中某一路，這樣降低輸出總碼率中的有效碼率，保證其他節(jié)目正常播放。在這里需要說明的是，MPEG-2中TS流有兩種，一種是恒碼率流，一種是變碼率流，本文研究的復用是針對恒碼率流的復用。

  根據(jù)MPEG-2標準，TS流中的PCR字段長度為48b, PCR也是另外一種時間標記，是編碼器27MHz時基的42b采樣值，解碼器利用它來恢復系統(tǒng)時鐘并進行恰當?shù)慕獯a操作，它有兩個部分組成：一部分以本地參考時鐘的1/300 (90kHz)為單位，稱為program_clock_reference_base，為33b字段；另外一部分稱為program_clock_reference_extension，是以本地參考時鐘(27MHz)為單位的9b字段。
 (1)  

(2)

(3)

  其中sysclkfre為系統(tǒng)時鐘27MHZ。PCR的單位是1 /27M秒，分為兩部分表示。實際編程中，當?shù)玫揭粋�新的PCR值，用式(1)和式 (2) 得到PCR_base ( 33bit) 和PCR_ext ( 9bit)兩部分，填入TS幀中。在輸出碼率恒定的情況下，每一個TS幀傳輸所用的時間△PCR值可以通過下式計算：

 

(4)

   其中nCoderate為輸出的總碼率。△PCR就是每一個TS幀的時間刻度。

  系統(tǒng)開始運行時，確定一個PCR的初始值，并為每一路申請一個計數(shù)器nCounter變量，計數(shù)在兩個PCR幀之間的TS幀數(shù)，根據(jù)以下公式計算新的PCR值：

 (5)

   式中，PCR_old代表上一個PCR的值，PCR_new代表當前新PCR的值。在得到新的PCR值之后，用公式(1)(2)(3) 計算出PCR_base和PCR_ext寫入幀中，同時PCR_old = PCR new，nCounter=0。 nCouter是對整個傳輸流而言的，不管TS幀是不是當前計算的這路TS的內(nèi)容，或者空幀，nCounter都要累加。

   在MPEG2協(xié)議中，PCR由PCR_base(33bit)和PCR_ext(9bit)表示，總共42bit，當PCR的值超過42bit所能表達的范圍時，需要循環(huán)重新開始。由于PCR和PTS以及DTS的關(guān)系，在重新開始循環(huán)PCR的時候，一定要將PTS和DTS也重新回0，同時要將PCR幀中調(diào)整域中的discontinuity_indicator字段置1。

  由于市場上的解碼器千差萬別，有的解碼器中并沒有為PCR留足42bit，在這種解碼器中PCR通常會在解碼器端被提前回0，而PTS和DTS并沒有隨之一起復位，這就會造成解碼器的上溢，導致播放不正常。所以在實際中，本文判斷PCR是否達到回0的閥值略低于42bit所能表達的最大值，這樣會提高對解碼設備的適應性，同時不會造成協(xié)議上的沖突。PCR時鐘處理的具體流程如圖5所示




5．TS流軟件復用系統(tǒng)的程序設計與測試結(jié)果分析

  通過對MPEG-2傳輸流應用結(jié)構(gòu)的仔細分析，可以看出MPEG-2傳輸流所傳送的只是彼此獨立的原始流數(shù)據(jù)和把特定的原始流組合成一個節(jié)目的PSI信息，并沒有傳送一個不可分割的真正意義上的節(jié)目，因此在一定程度上保證了TS流軟件復用程序的可行性。

  所設計程序并不需要對組成節(jié)目的原始流進行內(nèi)容的處理，不管構(gòu)成某節(jié)目的原始流是音頻還是視頻還是私有數(shù)據(jù)，程序所要做的只是改動攜帶原始流的傳輸流分組的標記信息，并把它發(fā)送到輸出的傳輸流，接著在復用后的傳輸流中也要發(fā)送該原始流所構(gòu)成的節(jié)目的節(jié)目映射表。與此同時，需要注意的一點是，由于輸入的各個傳輸流相互獨立，它們?yōu)楦髯缘墓?jié)目分配的PID、節(jié)目號之類的標志信息很可能會發(fā)生重復的情況，所以對于原始流分組，并不能簡單的轉(zhuǎn)發(fā)，因此，程序?qū)�為各個傳輸流中的原始流分配新的PID，以及為不同的節(jié)目分配新的節(jié)目號，從而形成一個新的傳輸流。

  程序結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖中的每一個TSProcessor對象對應著程序系統(tǒng)中的要進行復用的每一個輸入傳輸流，TSProcessor對象所包含的輸入模塊負責向TSProcessor對象的處理函數(shù)提供傳輸流數(shù)據(jù)。傳輸流既可以從文件輸入，也可以是內(nèi)存中的一塊緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。這樣適合于復用實時轉(zhuǎn)播的節(jié)目和存在本地硬盤上的節(jié)目。輸出模塊是一個供所有TSProcessor對象使用的全局對象，每個TSProcessor對象的線程輪流獲得輸出模塊的控制權(quán)，向輸出模塊發(fā)送傳輸流分組數(shù)據(jù)。全局變量區(qū)存儲所有傳輸流的結(jié)構(gòu)信息，以及生成的傳輸流的相關(guān)信息。應用系統(tǒng)可以根據(jù)實際的需要隨意的增減輸入傳輸流的數(shù)目，輸入方式，優(yōu)先級，并且可以在復用的過程中隨時插入新的傳輸流，或者刪除掉某正在復用的傳輸流。




 基于以上分析，應用VC++開發(fā)環(huán)境設計實現(xiàn)了TS流分析與復用軟件系統(tǒng)TSAM (Transport Stream Analyzer and Multiplexer)，主界面如圖7所示。作者對復用系統(tǒng)進行設計和測試的硬件平臺是奔騰M2.9G、512M內(nèi)存。復用三路3M大小的傳輸流，大約使用了1秒的時間生成了大約8M字節(jié)大小的傳輸流，平均復用速率約為40Mbits。復用九路3M大小的傳輸流，大約使用了5秒的時間生成了大約30M字節(jié)大小的傳輸流，平均復用速率約為48Mbits。復用速率達到并遠遠超過了一路傳輸碼流的處理速度，由于現(xiàn)代PC性能的強勁，得到了比較理想的試驗結(jié)果。另一方面，由于復用系統(tǒng)的輸入輸出都是對文件操作，硬盤的讀寫速度對整個系統(tǒng)的性能也有影響。在實際的應用系統(tǒng)中，輸入都是不斷刷新的內(nèi)存緩沖區(qū)，輸出是輸出模塊的緩沖區(qū)，由于數(shù)據(jù)的操作都是在內(nèi)存中進行，并不涉及硬盤等機械裝置的運作，還會進一步提高系統(tǒng)的性能。






6．結(jié)論

   本文分析了多路數(shù)字電視節(jié)目系統(tǒng)級復用原理,并對數(shù)字電視節(jié)目專用信息PSI的提取和重構(gòu)及系統(tǒng)層節(jié)目時間參考PCR值的修正等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，提出了進行軟件復用的具體方法，最后在Windows平臺上，應用VC++開發(fā)環(huán)境設計實現(xiàn)了TS流分析與復用軟件系統(tǒng)TSAM，測試結(jié)果表明軟件復用速率達到并遠遠超過了一路傳輸碼流的處理速度，該軟件復用方案是有效可行性的。用軟件實現(xiàn)傳輸流的復用，可以節(jié)約硬件成本，降低系統(tǒng)的開發(fā)費用；且算法全部軟件實現(xiàn)，可移植性高，具有良好的擴展性，可以方便靈活的加入數(shù)字電視節(jié)目指南等輔助信息。


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