本文分析了多路數(shù)字電視節(jié)目系統(tǒng)級(jí)復(fù)用原理,并對(duì)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(shí)間參考PCR值的修正等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出了進(jìn)行軟件復(fù)用的具體方法，最后在Windows平臺(tái)上，應(yīng)用VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了TS流分析與復(fù)用軟件系統(tǒng)TSAM，測(cè)試結(jié)果表明軟件復(fù)用速率達(dá)到并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一路傳輸碼流的處理速度，該軟件復(fù)用方案是有效可行性的。用軟件實(shí)現(xiàn)傳輸流的復(fù)用，可以節(jié)約硬件成本，降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用；且算法全部軟件實(shí)現(xiàn)，可移植性高，具有良好的擴(kuò)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。
1．引言 TPF FPT
數(shù)字圖像通信的最廣泛也是最常見(jiàn)的應(yīng)用就是數(shù)字電視廣播系統(tǒng)[1]，與此對(duì)應(yīng)的 DVB 標(biāo)準(zhǔn)的建立更是加速了數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。DVB 標(biāo)準(zhǔn)選定 ISO JIEC MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)作為音頻及視頻的編碼壓縮方式，信源編碼進(jìn)行了統(tǒng)一，隨后對(duì) MPEG-2 碼流進(jìn)行打包形成 TS流(transport stream)，進(jìn)行多個(gè)傳輸流復(fù)用，最后通過(guò)衛(wèi)星、有線電視等不同媒介傳輸方式進(jìn)行傳輸。
對(duì)多個(gè)傳輸流進(jìn)行復(fù)用的意義在于復(fù)用后的傳輸流只占用一個(gè)物理的傳輸信道，傳輸流中的每個(gè)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(shè)備，對(duì)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(jiǎn)化了接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了成本，提高了靈活性，而且根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)定義，解碼器的系統(tǒng)時(shí)鐘與調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘是完全獨(dú)立的。這使得在實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)子系統(tǒng)彼此功能時(shí)是完全分開(kāi)的，因此接口變得很簡(jiǎn)單。
在數(shù)字電視節(jié)目制作及發(fā)送時(shí)，對(duì)多路節(jié)目的復(fù)用，由于一般的計(jì)算機(jī)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(fù)用器都是用硬件實(shí)現(xiàn)的，但其價(jià)格昂貴[2,3]。然而，隨著計(jì)算機(jī)速度越來(lái)越快，在多 CPU的服務(wù)器上，完全能夠?qū)崿F(xiàn)多路節(jié)目的實(shí)時(shí)軟件復(fù)用。與硬件復(fù)用相比，軟件復(fù)用具有靈活性高，開(kāi)發(fā)成本低的優(yōu)點(diǎn)。在軟件復(fù)用實(shí)現(xiàn)方案中，服務(wù)器從衛(wèi)星電視或其它片源中實(shí)時(shí)采集 TS流，經(jīng)過(guò)分析和過(guò)濾將所選擇的基本流復(fù)用成一路 TS 流，然后通過(guò)普通的 TS 流播出卡發(fā)送出去。論文分析多路 TS 流復(fù)用原理，針對(duì) 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(fù)用中的節(jié)目時(shí)鐘參考 PCR ( program clock reference)的修正等問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了進(jìn)行軟件復(fù)用的 具體方法，最后在 Windows 平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多路 TS流的軟件復(fù)用。
2．TS流的系統(tǒng)級(jí)復(fù)用
數(shù)字電視節(jié)目的復(fù)用包括兩個(gè)階段， 對(duì)音/視頻 PES包的節(jié)目復(fù)用和對(duì) TS流的系統(tǒng)復(fù)用[4]。本文研究第二個(gè)階段即 TS系統(tǒng)級(jí)復(fù)用，將多個(gè)單路的 TS流合成一個(gè)多節(jié)目 TS流。數(shù)字電視系統(tǒng)級(jí)復(fù)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(shí)間參考 PCR 值的修正，是復(fù)用器的兩項(xiàng)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(jí)復(fù)用原理如圖 1 所示。當(dāng)多路 TS 流復(fù)用成一路 TS流時(shí)，首先將對(duì)各路 TS流的 PSI 進(jìn)行搜集并分析其碼流，得到各路 TS碼流中相應(yīng)的視頻、音頻、數(shù)據(jù)信息的碼率、對(duì)各路節(jié)目的包標(biāo)識(shí) PID, 數(shù)字電視節(jié)目專用信息PSI，節(jié)目時(shí)間參考 PCR 等信息進(jìn)行處理，丟棄各路原有的 PSI 信息。當(dāng)出現(xiàn)兩路 TS 流中的 PID發(fā)生沖突時(shí)， 需要修改一路或者多路 TS流中某一數(shù)據(jù)流的 PID(即復(fù)用器需要對(duì)修改了 PID的視頻/音頻包或其他數(shù)據(jù)包進(jìn)行 PID更新)。可以看到，無(wú)論是否出現(xiàn) PID沖突，復(fù)用器都需要重構(gòu) PSI 信息，其濾波的處理過(guò)程如圖 2 所示。對(duì)不同節(jié)目的 PID 值進(jìn)行修改后，與本地產(chǎn)生的這類數(shù)據(jù)重新整合為復(fù)用后新的 PSI 等系統(tǒng)級(jí)控制信息，同時(shí)插入符合 DVB-SI 規(guī)范的業(yè)務(wù)信息， 并在攜帶有調(diào)整字段的 TS包中， 判斷帶有 PCR標(biāo)志位字段的值，如果該值為“1”，那么在該 TS 流離開(kāi)復(fù)用器的時(shí)刻，需要對(duì) TS 包中的 PCR 值做相應(yīng)的修正或重新插入新的節(jié)目時(shí)鐘參考，具體方法將在后面詳細(xì)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(gè)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(duì)應(yīng)起來(lái)[5]。PSI 信息將 TS 流中的內(nèi)容描述成一個(gè)樹(shù)狀的結(jié)構(gòu)，如圖 3 所示。在 TS流中可以復(fù)用多個(gè)節(jié)目，每個(gè)節(jié)目又可以包含多個(gè)基本碼流(通常是單個(gè)視頻流、多個(gè)音頻流)。DVB 系統(tǒng)沿用 MPEG-2 的節(jié)目專用信息 PSI來(lái)確定傳輸?shù)墓?jié)目和包標(biāo)識(shí) 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(gè)表:節(jié)目關(guān)聯(lián)表(PAT: Program AssociationTable)、條件訪問(wèn)表(CAT: Conditional Access Table)、節(jié)目映射表(PMT: Program Map Table)、網(wǎng)絡(luò)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。
替換。首先根據(jù)輸入流的數(shù)目和預(yù)占的頻道號(hào)，在一開(kāi)始動(dòng)態(tài)生成 PAT 表，PMT 表則在最初計(jì)算好，生成靜態(tài)的 PMT 對(duì)應(yīng)替換即可,同時(shí)根據(jù)每個(gè) PMT_PID找到實(shí)現(xiàn) 計(jì)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(kāi) 始生成或者直接使用靜態(tài)表是因?yàn)?PAT 和 PMT有 32 位 CRC，無(wú)法完成實(shí)時(shí)計(jì)算。
在傳輸流處理過(guò)程中，先分析每一個(gè)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(gè) TS幀替換，如果是視音頻幀，則只替換 PID，替換之后，應(yīng)該對(duì)連續(xù)計(jì)數(shù)器加一。
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(fù)用是針對(duì)恒碼率流的復(fù)用。
其中 sysclkfre 為系統(tǒng)時(shí)鐘 27MHZ。PCR 的單位是 1 /27M 秒，分為兩部分表示。實(shí)際編程中，當(dāng)?shù)玫揭粋€(gè)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(gè) TS 幀傳輸所用的時(shí)間△PCR 值可以通過(guò)下式計(jì)算：
其中 nCoderate 為輸出的總碼率?！鱌CR 就是每一個(gè) TS幀的時(shí)間刻度。
式中，PCR_old 代表上一個(gè) PCR 的值，PCR_new 代表當(dāng)前新 PCR 的值。在得到新的 PCR 值之后，用公式(1)(2)(3) 計(jì)算出PCR_base和 PCR_ext 寫(xiě)入幀中， 同時(shí) PCR_old = PCR new， nCounter=0。 nCouter 是對(duì)整個(gè)傳輸流而言的，不管TS 幀是不是當(dāng)前計(jì)算的這路 TS 的內(nèi)容，或者空幀，nCounter都要累加。
所能表達(dá)的范圍時(shí)，需要循環(huán)重新開(kāi)始。由于 PCR 和 PTS以及 DTS的關(guān)系，在 重新開(kāi)始循環(huán) PCR 的時(shí)候，一定要將 PTS 和 DTS 也重新回0，同時(shí)要將 PCR 幀中調(diào)整域 中的 discontinuity_indicator字段置 1。
基于以上分析， 應(yīng)用 VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 TS流分析與復(fù)用軟件系統(tǒng) TSAM (Transport Stream Analyzer and Multiplexer)，主界面如圖 7 所示。作者對(duì)復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試的硬 件平臺(tái)是奔騰 M2.9G、512M 內(nèi)存。復(fù)用三路 3M 大小的傳輸流，大約使用了 1 秒的時(shí)間生 成了大約 8M 字節(jié)大小的傳輸流，平均復(fù)用速率約為 40Mbits。復(fù)用九路 3M 大小的傳輸流， 大約使用了 5 秒的時(shí)間生成了大約 30M 字節(jié)大小的傳輸流，平均復(fù)用速率約為 48Mbits。復(fù) 用速率達(dá)到并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一路傳輸碼流的處理速度，由于現(xiàn)代 PC 性能的強(qiáng)勁，得到了比較理想的試驗(yàn)結(jié)果。另一方面，由于復(fù)用系統(tǒng)的輸入輸出都是對(duì)文件操作，硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能也有影響。在實(shí)際的應(yīng)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(jìn)行，并不涉及硬盤(pán)等機(jī)械裝置的運(yùn)作，還會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。
6．結(jié)論