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數字高清晰度電視(High Definition Television)簡稱HDTV，是繼黑白電視和彩色電視之后的第三代電視系統。其圖像細膩逼真，質量與35 mm電影相當，再配以環繞音響，使收視效果大幅度提高。它將成為21世紀的主要電視產品，具有潛在的巨大經濟效益。因此，日、歐、美等發達國家都相繼投入了大量人力、物力來開發HDTV系統。我國從1996年啟動國家重大產業工程項目HDTV功能樣機系統研究開發工程。 1 MPEG-2標準簡介以及數字電視功能分析? MPEG（Motion pictures expert group）譯為運動圖像專家組，他是在ISO的召集下，為數字視頻和音頻制定壓縮標準的專家組。該組織于1994年推出MPEG-2標準。此標準分為4個文件，分別是： 系統層（System,ISO13818-1）描述視頻，音頻的數據復用方式和視頻，音頻同步方式? 視頻壓縮層（Video，ISO13818-2）描述數字視頻編碼方式和解碼過程。? 音頻壓縮層（Audio,ISO13818-3）描述數字音頻編碼方式和解碼過程。? 一致性（Conformance,ISO13818-4）說明測試編碼碼流的過程，檢驗是否符合前3個文件的規定。? MPEG-2運動圖像及其伴音通用國際標準在數字音/視頻領域得到了廣泛的應用。在MPEG-2中，定義了兩種形式的碼流，即傳輸流（TS）和節目流(PS)。節目流一般用于相對無錯的環境中，如交互式多媒體業務，其長度是可變的。傳輸流則用于有錯誤的環境中，如數字電視的地面廣播傳輸，其分組長度固定為188 b。傳輸流和節目流都是編碼后的基本數據流（ES）按照一定的格式打包后形成PES包，再加上一些系統級信息而構成。碼流的形成過程可以用圖1來表示。其中，采樣得到的視頻數據流和音頻數據流經過編碼器后，成為MPEG-2 基本流（ES），再通過打包，成為包化ES流（PES）,再經過傳輸復用器，將音頻PES，視頻PES,以及其他的數據和控制信息，轉換成MPEG2傳輸流（TS）.TS流經過信道編碼和調制之后，發送到信道中。在接收端，正好相反，經過解調，信道解碼和前向糾錯之后，再通過傳輸解復用器，分別輸出視頻PES流，音頻PES流，以及數據和控制信息，再通過視頻解碼器和音頻解碼器后，分別送入DTV顯示系統和音頻播放系統。 2 關于傳輸流以及傳輸流中幾個重要概念? 傳輸流TS包的結構如圖2所示。 傳輸流由一道或多道節目組成，每道節目由一個或多個原始流和一些其他流復合在一起，包括視頻流，音頻流，節目特殊信息流和其他數據包。? 首先介紹視頻和音頻PES流是如何轉換成TS流的。PES流是由視頻或音頻基本流分別打包處理后形成的PES包系列，PES包的長度是不定的。每個PES包的包頭攜帶了：? 流標識(SID)由同一個ES經打包處理后得到的PES，其流標識相同。? 顯示時間戳（PTS）用于視頻和音頻之間的同步控制，它指示對解碼后視頻和音頻播放的適當時刻。? 解碼時間戳（DTS）用于視頻基本流解碼器和音頻基本流解碼器的同步控制，它指示對視頻和音頻基本流解碼的適當時刻基本流的速率控制信息。? 由于TS包長固定為188 b，所以在打包時，PES包長若大于188 b,則對其進行分段處理，因為PES是放在TS包的有效載荷區進行傳送的，所以分段后每段大小為184 b,不足184 b的加上適應字段構成184 b，有沒有適應字段則由包頭中的適應字段控制來指示。每段加上TS包頭就形成一個TS包。 TS包包頭中各字段含義如下：? 同步字節指示一個TS包的開始。 傳輸錯誤指示表示該傳輸包在傳輸過程中有無錯誤。? 有效傳輸開始指示若有效載荷區傳輸的是來自PES包的數據,則有效傳輸開始指示表示有效載荷區的第一字節是否為被分段的PES包的起首字節。若有效載荷區傳輸的是來自節目特殊信息的數據，則有效傳輸開始指示表示載荷區第一字節是否是PSI數據起首字節的位置指針。? 傳輸優先指示表示的是具有相同的PID的傳輸包的優先級。? 連續計數器PID相同的傳輸包的計數。? 此外，在TS包包頭的調整字段中，有一個重要的域PCR,即節目時鐘基準。它以固定的頻率插入包頭。在解碼端，正是根據PCR來恢復系統時鐘的。 PSI信息使用4個表來定義碼流的結構，分別為節目關聯表（PAT）、節目映射表(PMT)、條件接收表（CAT）和網絡信息表（NIT）。其中，最重要的表信息是PAT和PMT。PAT是PSI信息的根，其PID是0，表中列出了傳送碼流中所有節目的節目映射表的PID，PMT表中列出與該節目有關的所有基本碼流，如視頻、音頻和PCR及有關信息的PID。除PAT表包的PID永遠是0外，還有兩種包的PID是預留的：? ①空包，用來作碼流填充，PID是8191。? ②CAT包，PID值是1。所有PSI信息必須以一定的頻率發送，每秒鐘至少要發送20次。 3 信道解復用器的原理? 信道解復用器位于信道調制前端，它對輸入TS流進行處理以適應該信道要求，基于MPEG-2的實時TS流信道解復用器的原理框圖如圖3所示。系統包括碼流輸入接口、PCR校正模塊、PSI分析和重新生成模塊及用戶接口等部分。 碼流輸入接口支持ASI（異步串行接口）和SPI（同步并行接口）兩種輸入格式。輸入信號經過接口電平轉換，變為并行TTL電平信號。輸入TS流的最大數據率可達120 Mb／s，該系統實現兩路獨立的TS流輸出，它們各自的數據率分別由CLOCK1和CLOCK2時鐘決定。其取值范圍從1.5 Mb／s到120 Mb／s。 系統中核心部分為2片FPGA和1片DSP，其中1片FPGA主要完成PID過濾和PCR延時補償，另外1片負責用戶接口。而DSP則負責分析TS流，根據用戶設定分路，并生成新的PAT及PMT數據包。CLOCK1和CLOCK2來自后端信道調制器的時鐘，輸入的單路多節目TS流的內容將根據用戶的設定被分別分配到TS1和TS2，輸出碼率分別決定于CLOCK1和CLOCK2。DSP前端和后端的FIFO消除了輸入輸出碼率不同所帶來的數據丟失現象。27 MHz的本地時鐘用來補償輸入TS流的PCR在系統中所產生的延時。用戶接口通過一雙口RAM與系統交換相關的設定信息。下面對系統的幾個重要部分說明如下： 3.1 碼流分析? 信道解復用器系統進入正常狀態工作前要完成用戶參數設定，用戶最關心的參數是輸入TS流中所含節目類型、PID號、碼率等信息。系統首先會對輸入的TS進行分析，從中提取出所有的節目信息，并且計算出不同類型數據包的碼率。用戶根據這些分析結果可以了解到目前輸入TS流的所有基本信息。 3.2 用戶設定 ? 根據用戶的實際需要，輸入TS流的節目內容可以分別被指定分配到兩個輸出通道，并且允許同一個節目同時被分配到兩個通道，用戶也被允許修改PID號。比如：輸入為一個22 Mb／s的TS流，包含3個節目，每個節目又包含多個視頻、音頻等數據流。假如目前用戶有兩個輸出信道，一個為8?29 Mb／s，另一個為23?56 Mb／s，并且用戶打算將輸入碼流中的節目1分配到信道1，節目2和3分配到信道2。用戶則可根據需要做相應的設定，解復用器系統將根據用戶的設定來分別為輸出TS1和TS2生成新的PAT和PMT并且將相應的視頻、音頻等數據包分配到相應的通道。用戶選擇節目時也可以只選擇該節目中的部分數據流。比如某個節目包含4個視頻流，而用戶只對其中的兩個視頻流感興趣，那么用戶在設定時可以只選擇需要的視頻流，在系統進入正常工作時，未被選中的數據流將被自動過濾。? 3.3 PCR補償? PCR是TS流的重要部分，它的精度決定了解碼端恢復時鐘的精度，直接關系到解碼器是否能正常的工作。輸入TS流中各節目的數據包從進來到出去會在信道解復用器的FIFO內產生一定的延時，如果不對其PCR做相應的延時補償，其輸出TS流的PCR誤差將有可能遠大于協議所規定的±500 ns的誤差范圍，從而導致解碼不正常。假定某個PCR在T1時刻進入信道解復用器，在T2時刻從解復用器輸出，則該時刻的PCR值將被替換為PCR′。 PCR′ = PCR +(T2-T1)?? 延時補償運算中所用到的時間標記T1、T2是由本地27 MHz時鐘計數所得，由于碼流在解復用器內的停留時間并不會太大，所以用本地27MHz記錄延時帶來的累積誤差很小。 3.4 用戶接口? 對于解復用器后端的信道調制器來說，最關心的是如何從信道解復用器中得到節目信息，以及如何將所選節目分配到TS1和TS2上。這些信息是通過用戶接口進行交換的。 考慮到本系統需交換的信息較多，這里采用一容量較大的16位地址的雙端口RAM（DPRAM），作為信道調制器和解復用器交換信息的平臺。信道解復用器在對輸入TS流進行分析后，將所提取的各種節目信息放在雙口RAM的相應地址中，以供信道調制器讀取和修改。解復用器根據調制器送入的讀寫信號及相關數據和地址信息，由FPGA電路實現取指和譯碼，將調制器所需信息從DPRAM的相應地址中取出并送給信道調制器，或將信道調制器修改后的信息從DPRAM的相應地址中取出。 |
