| Mpeg-2的同步及時(shí)間恢復 |
| 蔡新國 廣州市廣播電視網(wǎng)絡(luò )有限公司 （廣東廣州 510010）
摘要：Mpeg-2同步及時(shí)間恢復在編碼、傳輸和解碼中占有重要的地位，它不僅直接影響視音頻的解碼質(zhì)量，還是衡量整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò )優(yōu)劣的重要指標。本文將從原理上介紹Mpeg-2同步及時(shí)間恢復方法，并給出PCR測量的幾個(gè)項目。 關(guān)鍵字：STC，PCR，DTS，PTS
一、引言 Mpeg-2用于視音頻同步以及系統時(shí)鐘恢復的時(shí)間標簽分別在ES，PES和TS這3個(gè)層次中。在ES層，與同步有關(guān)的主要是視頻緩沖驗證VBV（Video Buffer Verifier），用以防止解碼器的緩沖器出現上溢或者下溢；在PES層，主要是在PES頭信息里出現的顯示時(shí)間標簽PTS（Presentation Time Stamp）和解碼時(shí)間標簽DTS（Decoding Time Stamp）；在TS層中，TS頭信息包含了節目時(shí)鐘參考PCR（Program Clock Reference），用于恢復出與編碼端一致的系統時(shí)序時(shí)鐘STC（System Time Clock）。 通常的視頻壓縮算法都采用了可變長(cháng)編碼，編碼生成的視頻碼流是可變碼率的。為了能夠在實(shí)際的固定碼率信道或者可變碼率信道上傳輸，需要引入緩沖區緩存視頻碼流數據。因此，視頻編碼算法必須提供一個(gè)有效的緩沖區管理策略，確保緩沖區不會(huì )發(fā)生上溢和下溢。編碼器通過(guò)碼率控制算法，調整生成的視頻碼流滿(mǎn)足既定的緩沖區管理策略；同時(shí)在碼率控制算法中使用自適應量化方法，確保壓縮視頻的質(zhì)量。 緩沖區管理策略通常都是建立在一個(gè)假想的解碼器模型上，該解碼器模型直接和編碼器的輸出相連接，緩沖區管理策略通過(guò)控制編碼視頻數據流移入和移出解碼器緩沖區的時(shí)間以保證解碼器模型的數據緩沖區不上溢也不下溢。在Mpeg標準中，該解碼器模型稱(chēng)為VBV。VBV在ES層中定義。 在Mpeg-2編碼器中有單一的共同系統時(shí)鐘，此時(shí)鐘用來(lái)產(chǎn)生指示音頻和視頻的正確顯示和解碼時(shí)序的時(shí)間標簽，同時(shí)可用來(lái)指示在抽樣瞬間系統時(shí)鐘時(shí)間的瞬時(shí)值。正是編碼器中共同系統時(shí)鐘的出現，以及解碼器中時(shí)鐘的重新生成和時(shí)間標簽的正確使用，才為解碼器中操作的正確同步提供了基準。 Mpeg-2規定的系統時(shí)鐘頻率為27MHz，傳輸流中的PCR，PTS/DTS等均為對該共同系統時(shí)鐘的采樣值。解碼端捕獲PCR，恢復出本地的STC，作為音視頻同步控制的基準，并依據PTS（DTS）時(shí)間標簽來(lái)安排解碼和顯示時(shí)間表，使音視頻分別同步于STC，以實(shí)現音視頻之間的同步。標準規定在原始音頻和視頻流中，PTS的間隔不能超過(guò)0.7s，而出現在TS包頭的PCR間隔不能超過(guò)0.1s。
二、STC與PCR STC是視音頻同步控制的基準，它是一串頻率為27MHz的脈沖，觸發(fā)計數器而形成一個(gè)二進(jìn)制表示的時(shí)間基準，再通過(guò)對該時(shí)間基準SCT進(jìn)行取樣得到PCR、PTS和DTS等時(shí)間標簽。在編碼和解碼端，系統時(shí)鐘脈沖是由振蕩器等硬件產(chǎn)生，在解碼端STC通過(guò)在碼流中定時(shí)傳送的PCR利用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)來(lái)與編碼端STC保持一致。 PCR是由對系統時(shí)鐘脈沖觸發(fā)的計數器狀態(tài)抽樣而來(lái)，是放在TS包頭的自適應區中傳送。PCR共占6Bytes，其中6bits預留，42bits有效位。42bits的PCR分為兩部分：33bits的PCR-Base和9bits的PCR-Ext。PCR-Base是由27MHz脈沖經(jīng)300分頻后的90kHz脈沖觸發(fā)計數器，再對計數器狀態(tài)進(jìn)行取樣得到的。PCR-Ext是由27MHz脈沖直接觸發(fā)計數器，再對計數器狀態(tài)進(jìn)行取樣得到的。PCR的具體編碼方式如下（編碼在PCR(i)中的數值代表了t(i)，i指包含PCR-Base字段的最后一位的字節）： PCR-Base(i)=90kHz×t(i), mod(233) PCR-Ext(i)=27MHz×t(i), mod(300) PCR(i)=PCR-Base(i)×300＋PCR-Ext(i) 當新節目的PCR到達解碼器時(shí)，需要更新時(shí)間基點(diǎn)，STC就被置位。通常第一個(gè)從解復用器中解出的PCR被直接裝入到STC計數器，其后PLL閉環(huán)操作。每當一個(gè)新節目的PCR到達解碼器時(shí)，此值被認為是鎖相環(huán)的參考頻率，用來(lái)與STC的當前值比較，產(chǎn)生的差值e經(jīng)過(guò)脈寬調制后被輸入低通濾波器并經(jīng)放大，輸出控制信號f，用來(lái)控制振蕩器（VCO）的瞬時(shí)頻率，VCO輸出的頻率是在27MHz左右振蕩的信號，作為解碼器的系統時(shí)鐘。27MHz時(shí)鐘經(jīng)過(guò)波形整理后輸入到計數器中，產(chǎn)生當前的STC值，其33bits的90kHz部分用于和PTS/DTS比較，產(chǎn)生解碼和顯示的同步信號。 PCR-Base的作用是在解碼器切換節目時(shí)，提供對解碼器PCR計數器的初始值，以讓該PCR值與PTS、DTS最大可能地達到相同的時(shí)間起點(diǎn)。PCR-ext的作用是通過(guò)解碼器端的鎖相環(huán)電路修正解碼器的系統時(shí)鐘，使其達到和編碼器一致的27MHz。 圖1顯示了解碼器如何用PCR 來(lái)重建每個(gè)節目的遠地27MHz時(shí)鐘。
圖1 用PCR重建遠地27MHz時(shí)鐘
三、DTS和PTS DTS是編碼器在編碼時(shí)定義的，為解碼器預定的解碼時(shí)間。該時(shí)間標記出現在PES層，在PES頭部時(shí)間域中存在。它也是一個(gè)33bits的計數值，也是對系統時(shí)鐘的300分頻的時(shí)鐘的計數值。由于它和PCR有相同的起點(diǎn)，在PCR值連續的情況下，可以起到時(shí)間定時(shí)的作用，當本機PCR值（連續）和DTS值相等時(shí)，表示它們計算了同樣的時(shí)鐘，也即它們經(jīng)過(guò)了相同的時(shí)間。本機PCR起到的是連續計數的功能，DTS則是在等待這個(gè)時(shí)間，一旦等到這個(gè)時(shí)間，就表明它的解碼次序排好了，因為這個(gè)解碼次序是在編碼的時(shí)候規定的，對編碼的具體細節我們可以不做了解，我們只要查詢(xún)到DTS就可以進(jìn)行下一步的工作。這個(gè)也有利于編碼器和解碼器研發(fā)的獨立性，少了一些捆綁，多了一些兼容。DTS就視頻來(lái)說(shuō)，因為視頻編碼的時(shí)候用到了雙向預測，一個(gè)圖像單元被解出，并非馬上就被顯示，可能在存儲器中留一段時(shí)間，作為其余圖像單元的解碼參考，在被參考完畢后，才被顯示。針對視頻的顯示，Mpeg還提出了一個(gè)視頻PTS。針對音頻和視頻的同步顯示，又提出了一個(gè)音頻PTS。由于聲音沒(méi)有用到雙向預測，它的解碼次序就是它的顯示次序，故對它只提出PTS的概念。 PTS是編碼器定義的，為解碼器規定某個(gè)單元的顯示時(shí)間。它也是一個(gè)33b的計數值，也是對系統時(shí)鐘的300分頻的時(shí)鐘的計數值。要注意的是，PCR、DTS、PTS應該具有相同的時(shí)間起點(diǎn)，選在模擬圖像的場(chǎng)同步處開(kāi)始計時(shí)是很好的辦法。一個(gè)單元解碼后被顯示，PCR計數器重新計數，開(kāi)始下一個(gè)單元的工作。
四、PCR測量 ㈠PCR 精度(PCR_AC)：接收PCR中所含27MHz時(shí)鐘的不準確度，但不包含任何傳輸定時(shí)損傷。測量時(shí)傳輸碼流中PCR字節位置作為起點(diǎn)，計算出PCR 到達時(shí)間。 ㈡PCR 漂移率(PCR_DR)：PCR漂移率測量指的是PCR中的低頻誤差并計入了由PCR發(fā)生和再生引起的誤差以及由傳輸損傷所引起的到達時(shí)間誤差。即PCR內所含27MHz時(shí)鐘的低頻變化速率，測量時(shí)以某一穩定外部基準作為參考，因此包含了任何傳輸定時(shí)變化。下面的例子可用來(lái)說(shuō)明PCR 漂移率的重要性： 我們來(lái)看一下由PLL控制的本地時(shí)鐘再生器。再生器輸出端的信號頻率應當跟蹤輸入信號頻率，隨著(zhù)輸入信號頻率的變化，PLL也隨之作出響應，本地再生器將跟蹤輸入信號，隨著(zhù)輸入信號變化速率的增加，PLL的跟蹤能力會(huì )有所降低，最后將導致本地發(fā)生信號失鎖而丟失節目。PCR 漂移率的測量給出了一種測定方法，即如何更好地使去復用器/ 解碼器或再復用器的節目時(shí)鐘鎖定于輸入TS中所包含的PCR(注意這里指的是漂移率的測量而不是絕對頻率的測量，接收機端的PLL電路可以鎖定于系統時(shí)鐘，該時(shí)鐘有著(zhù)固定的頻率誤差－如果是快速變化或漂移率大，則會(huì )出現問(wèn)題)。 ㈢PCR 總抖動(dòng)(PCR_OJ)：PCR內所含27MHz時(shí)鐘的高頻變化，測量時(shí)以某一穩定外部基準作為參考，因此包含了任何傳輸定時(shí)變化。它是PCR測量中最重要的一項，是PCR中高頻誤差的總體測量并且還包括來(lái)自PCR發(fā)生和PCR 再生的誤差以及由傳輸損傷引起的到達時(shí)間誤差。例如該項傳輸損傷可能會(huì )引入到接收機中的RF解調器中。接收機內再生的TS時(shí)鐘以及去復用器/解碼器所使用的TS時(shí)鐘可能包含有基本高頻變化，它會(huì )對PCR的恢復帶來(lái)直接影響。在這種情形下，解碼器在復原PCR 中所發(fā)現的PCR 到達時(shí)間誤差可能是±500ns容限的許多倍，給PCR精度帶來(lái)不利。任何解碼器均靠接收PCR以準確再生其節目時(shí)鐘并提供穩定的視頻輸出。與此相同，任何再復用器均靠接收PCR以在其輸出端精確地重新作出PCR標記。PCR的到達時(shí)間是嚴格的；因此，測量包含有到達時(shí)間誤差和精度誤差的總抖動(dòng)（PCR_OJ）就是非常必要的。 在理想運行系統中，傳輸損傷應當是可以設計的。然而在目前典型的分配網(wǎng)絡(luò )中，包含有再復用器、ATM 層等各級鏈路，它們均會(huì )引入誤差。PCR_AC是在復用器輸出端直接測量的數值，不過(guò)它在網(wǎng)絡(luò )中的運行監視常會(huì )使人迷惑不解，因為按照定義，它應當消除一切傳輸損傷。 ㈣PCR頻率偏置(PCR_FO)：即PCR中所含27MHz 時(shí)鐘的頻率偏置，測量時(shí)以某一穩定的外部基準作為參考。
參考文獻 [1] ISO/IEC 13818-1(1996):Coding of moving pictures and associated Audio, Part 1: system. [2] 盧官明 宗昉 編著(zhù) [M]《數字電視原理》 北京：機械工業(yè)出版社，2004.1.1 [3] 劉文開(kāi) 劉遠航 主編 [M]《有線(xiàn)廣播數字電視技術(shù)》北京：人民郵電出版社，2003.10 [4] 劉修文 編著(zhù) [M]《數字電視有線(xiàn)傳輸技術(shù)》 北京：電子工業(yè)出版社，2002.9 |
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