DVB系統(tǒng)中多路TS流的軟件復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

1．引言TPF FPT

   數(shù)字圖像通信的最廣泛也是最常見的應(yīng)用就是數(shù)字電視廣播系統(tǒng)[1]，與此對應(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MPEG-2碼流進(jìn)行打包形成TS流(transport stream)，進(jìn)行多個傳輸流復(fù)用，最后通過衛(wèi)星、有線電視等不同媒介傳輸方式進(jìn)行傳輸。

   對多個傳輸流進(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(shè)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(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)時鐘與調(diào)制解調(diào)器的時鐘是完全獨(dú)立的。這使得在實(shí)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(fù)用，由于一般的計算機(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，但其價格昂貴[2,3]。然而，隨著計算機(jī)速度越來越快，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)時采集TS流，經(jīng)過分析和過濾將所選擇的基本流復(fù)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(fù)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(fù)用中的節(jié)目時鐘參考PCR ( program clock reference)的修正等問題進(jìn)行研究，提出了進(jìn)行軟件復(fù)用的具體方法，最后在Windows平臺上設(shè)計并實(shí)現(xiàn)多路TS流的軟件復(fù)用。

2．TS流的系統(tǒng)級復(fù)用

   數(shù)字電視節(jié)目的復(fù)用包括兩個階段，對音/視頻PES包的節(jié)目復(fù)用和對TS流的系統(tǒng)復(fù)用[4]。本文研究第二個階段即TS系統(tǒng)級復(fù)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(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)目時間參考PCR值的修正，是復(fù)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(fù)用原理如圖1所示。當(dāng)多路TS流復(fù)用成一路TS流時，首先將對各路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、對各路節(jié)目的包標(biāo)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(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，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，其濾波的處理過程如圖2所示。對不同節(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)級控制信息，同時插入符合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流離開復(fù)用器的時刻，需要對TS包中的PCR值做相應(yīng)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(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(yīng)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(fù)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(biāo)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(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。

  由于TS流復(fù)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(jìn)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(shí)際的實(shí)現(xiàn)過程中可以同時完成。

  復(fù)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(yù)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(yīng)替換即可,同時根據(jù)每個PMT_PID找到實(shí)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(shí)時計算。



  PMT表替換后，每一路流中原有的視音頻幀的PID應(yīng)與其對應(yīng)替換的PMT表中的視音頻PID保持一致，即需要進(jìn)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(yīng)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(yīng)該為每一種情況都準(zhǔn)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(shí)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(fù)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(fù)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(fù)，并通過時間標(biāo)記的正確使用為解碼器中操作的正確同步提供基準(zhǔn)。

  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(dǎo)致解碼器不能正常工作，復(fù)用后輸出碼率應(yīng)該比所有單路節(jié)目的總碼率稍大。在實(shí)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(fù)用是針對恒碼率流的復(fù)用。

  根據(jù)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，TS流中的PCR字段長度為48b, PCR也是另外一種時間標(biāo)記，是編碼器27MHz時基的42b采樣值，解碼器利用它來恢復(fù)系統(tǒng)時鐘并進(jìn)行恰當(dāng)?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(shí)際編程中，當(dāng)?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�！鱌CR就是每一個TS幀的時間刻度。

  系統(tǒng)開始運(yùn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)PCR的值超過42bit所能表達(dá)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(fù)位，這就會造成解碼器的上溢，導(dǎo)致播放不正常。所以在實(shí)際中，本文判斷PCR是否達(dá)到回0的閥值略低于42bit所能表達(dá)的最大值，這樣會提高對解碼設(shè)備的適應(yīng)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(fù)用系統(tǒng)的程序設(shè)計與測試結(jié)果分析

  通過對MPEG-2傳輸流應(yīng)用結(jié)構(gòu)的仔細(xì)分析，可以看出MPEG-2傳輸流所傳送的只是彼此獨(dú)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(fù)用程序的可行性。

  所設(shè)計程序并不需要對組成節(jié)目的原始流進(jìn)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(biāo)記信息，并把它發(fā)送到輸出的傳輸流，接著在復(fù)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(diǎn)是，由于輸入的各個傳輸流相互獨(dú)立，它們?yōu)楦髯缘墓?jié)目分配的PID、節(jié)目號之類的標(biāo)志信息很可能會發(fā)生重復(fù)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(yīng)著程序系統(tǒng)中的要進(jìn)行復(fù)用的每一個輸入傳輸流，TSProcessor對象所包含的輸入模塊負(fù)責(zé)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(fù)用實(shí)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(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)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(fù)用的過程中隨時插入新的傳輸流，或者刪除掉某正在復(fù)用的傳輸流。




 基于以上分析，應(yīng)用VC++開發(fā)環(huán)境設(shè)計實(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。作者對復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和測試的硬件平臺是奔騰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結(jié)果。另一方面，由于復(fù)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(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，并不涉及硬盤等機(jī)械裝置的運(yùn)作，還會進(jìn)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(fù)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(jìn)行研究，提出了進(jìn)行軟件復(fù)用的具體方法，最后在Windows平臺上，應(yīng)用VC++開發(fā)環(huán)境設(shè)計實(shí)現(xiàn)了TS流分析與復(fù)用軟件系統(tǒng)TSAM，測試結(jié)果表明軟件復(fù)用速率達(dá)到并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過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。


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