（微电子学与固体电子学专业论文）dvb系统中解复用器的设计与实现.pdf

2 0 0 7 矩 中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 近几年来，d v b 技术的应用使数字电视得到了前所未有的推广。d v b 技术 的推动意义不仅仅是电视业本身，而是为任何数字信息的广播开启了大门。通过 这扇大门，数字广播技术将在未来的信息社会中扮演重要的角色。 解复用器是d v b 系统不可或缺的一个环节，负责将传输流中的音频流和视 频流完整地解析出来，并将其分别提供给音频解码器和视频解码器。解复用器解 析得到的码流质量很大程度上决定着解码器对音视频码流的解码效果。 本文一共七章，首先对解复用过程中数据流所遵循的m p e g 2 标准的系统 层进行了具体分析，接着描述了m p e g 2 数据流解复用的过程，研究系统时钟 恢复的问题并提出了解决方案。在深入了解m p e g - 2 系统层规范的基础上，基 于c 语言，对m p e g 一2 系统层规范关于解复用器的核心算法进行建模，并对建 立的算法模型进行验证，以确保算法的正确性。解复用器软件建模的实现为硬件 实现解复用的过程提供了极具价值的参考模型。 本文在全面理解解复用器原理的基础上，基于a m b a a h b 总线系统架构， 将如何实现解复用器提到硬件的层面上来，并且充分考虑解复用器与a r m 9 和 外围辅助设备( 如s d r a m 控制器等) 的相互协作关系。以最优的方式实现解复 用器。解复用器的系统时钟恢复模块在整个设计中至关重要，系统时钟恢复模块 将为音视频的解码过程提供参考时钟支持音视频的同步处理。在恢复系统时钟 方面，在锁相环模块中将直接频率合成单元代替压控振荡器。这种方案的优点在 于：减少了s o c 芯片的管脚数，减小了面积，从而降低了成本。利用s y s t e m v i e w 系统建模软件对系统时钟恢复模块建模，保证了系统时钟恢复模块的设计思路上 的正确性。相关研究结果已总结发表，论文名( d v b 中时钟恢复系统的设计与 实现。 最后，解复用器的f p g a 原型验证进一步证明了该方案是可行的。a s i c 综合的良好结果为后端布局布线的完成奠定了坚实的基础。 关键词：d v b ，m p e g 2 ，解复用器，系统时钟恢复 2 0 0 7 年中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h e s ey e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no fd v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) t e c h n o l o g y e x t e n d st h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lr 矿刀皓d e v e l o p m e n tm e a n i n go f d v bt e c h n o l o g y i sn o to n l yf o rd i g i t a lt v b u ta l s ot oo p e nt h ed o o rf o rt h eb r o a d c a s to fa n yd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n d v bt e c h n o l o g yw i l lp l a yi m p o r t a n tr u l ei nf u t u r ei n f o r m a t i o n s o c i e t y d e m u l t i p l e x e r , c a nn o tb el a c k o di nd v bs y s t e m p a r s e st h ea u d i os t r e a ma n d v i d e os t r e a mp e r f e c t l yf r o mt r a n s p o r ts 住e a m , a n dp u tt h e mi n t or e s p e c t i v ed e c o d e r s t _ i l eq u a l i t yo ft h e s es t r e a m sf r o md e m u l t i p l e x e rd e c i d e st h ed e c o d i n ge f f e c to ft h e m i nd e c o d e r s 1 1 1 es y s t e ms p e c i f i c a t i o no fm p e g - 2 t h er u l ea b o d eb yd a t as t r e a mi n d e m u l t i p l e x i n gp r o c e s sb yd e m u l t i p l e x e r , i si n t r o d u c e df i r s t , a n dt h ed e m u l t i p l e x i n g p r o c e s si sd e s c r i p t e df o l l o w i n g ，a l s o ，s y s t e mc l o c kr e s u m i n gi ss t u d i e da n dt h e r c s o l v a t i o nm e a s u r ei s p u tf o r w a r d a f t e ru n d e r s t a n d i n gt h e m p e g 2s y s t e m s p e c i f i c a t i o n , t h ecl a n g u a g em o d e lf o rt h ek e m a la r i t h m a t i co fd e m u l t i p l e x e ri s b u l l d ta n dv e r i f i c dt om a k es u r et h ec o r r e c t n e s so ft h ea r i t h m a t i c i m p l e m e n t a t i o no f m o d c l b u i l d i n g f o r d e m u l t i p l e x e rp r o v i d e s v a l u a b l er e f e r e n e o dm o d e lf o r i m p l e m e n t i n gd e m u l t i p l e x e ri nh a r d w a r e a f t e r u n d e r s t a n d i n g t h e p r i n c i f l l e o fd e m u l t i p l e x e r , h o wt o i m p l e m e n t d e m u l t i p l e x e rp c r f e c t l yi sp u s h e dt oh a r d w a r el e v e lb a s e do na m b aa h bs v s t e m a r c h i t e c t u r e ，a l s o ，t h em u t u a lc o l l a b o r a t i n gr e l a t i o nb e t w e e nd c m u l t i p l e x e ra n dc p u ( a r m 9 ) o rp e r i p t l c r a ld e v i c e s ，e g s d r a mc o n t r o l l e r ，i sc o n s i d c r o d s y s t e mc l o c k r e s u m i n gm o d u l e ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti nd e m u l t i p l e x e r , p r o v i d e sr e f e r e n c e d c l o c kf o rt h ed e c o d i n gp r o c e s so f - a u d i os t r e a ma n dv i d e os t r e a m m 。a n ds u p p o r t s y n c h r o n i s i n ga u d i os t r e a ma n dv i d e ns t r e a m i nt h ep l lb l o c kw h i c hi s u s e df o r r e s u m i n gs y s t e mc l o c kd d si sd e s i g n e di n s t e a do fv c o t h ea d v a n t a g eo ft h i s r e s o v a t i o nm e a s u r ei st h a tt h ep r i c eo fc h i pi sr e d u c e db yd e c r e a s i n gt h en u m b e ro f p i n sa n dt h ea r e a 1 1 l ed e s i g nt h o u g h to fs y s t e mc l o c kr e s u m i n gb l o c ki sp r o v e dt ob e r i g h tb yb u i l d i n gm o d e lu s i n gs y s t e mm o d e lb u i l d i n gs o f t w a r e ，s y s t e m v i e w f i n a l l y , f p g ap r o t o t y p ev e r i f i c a t i o np r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i sr e s o l v a t i o n m e a s u r ea th a r d w a r el e v e l n 垃g o o dr e s u l t so fa s i cs y n t h e s i sb u i l ds o l i df o u n d a t i o n f o rp l a c e & r o u t ei nb a c k - e n d k e yw o r d s ：d v b ，m p e g - 2 ，d e m u l t i p l e x e r , s y s t e mc l o c kr e s u m i n g 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， e p ：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 如一年j 其i7b 2 0 0 7 色中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍了d v b 标准，解复用器的相关知识及国内外相关的研究现状，讨 论了解复用器的研究方法、意义等。 1 1d v b 标准 1 1 1d v b 标准简介 d v b 项目组成立于1 9 9 3 年，其主要目标是建立一套基于m p e g 2 标准的 数字电视的指导性框架。在数字电视业务方面，丰要有三个标准，即d v b - c 、 d v b - t 和d v b - s ，分别用于有线电视、地面广播和卫星广播。 d v b 标准适用于不同媒介的数字电视广播系统规范，其周全的计划及广范 的共识是其成功的关键。从一开始，大家就选定i s o i e cm p e g 2 标准作为音频 及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了统一，随后对m p e g 一2 码流进行打 包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，最后通过卫星、有线电视及开路电视 等不同媒介传输方式进行传输。 d v b 系统具有以下特点： 系统采用m p e g 压缩的音频，视频及数据格式作为数据源。 系统采用公共m p e g 一2 传输流丌s ) 复用方式。 系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息( s i ) 。 系统的第一级信道编码采用r s 前向纠错编码保护。 调制与其它附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定。 使用通用的加扰方式以及条件接收界面。 1 1 2d v b 接收系统 d v b 接收系统主要负责将接收到的t s 码流作解调、解复用处理，同时还 将恢复系统时钟。d v b 接收系统的组成如图1 1 所示。 2 0 0 7 芷 中网科学技术大学硕士学位论文 a h bs l a v ei n t e r f a c e 厣画- f 画h 解熹器鬻 图1 1d v b 接收系统框图 图1 1 中“信道接收机”负责接收来自卫星或者是有线电视高频头的t s 码流，并且通过“信道接口”传输给解复用器以便解复用器根据用户的要求解 析。“信道接收机”可由专门的信道解码芯片来设计，如z l l 0 3 5 3 ，其一般由调 谐器、c o f d m 解调器、解扰器、a d 变换器等组成。解复用器将t s 码流中的 音频流和视频流完整地解析出来，并且提取出系统时钟信息p c r 和音视频的同 步信息p t s 和d t s 。解析出来的音频流、视频流及相应的p t s 和d t s 存储到由 s d r a m 控制器控制的s d r a m 中，供后续的解码器进行解码。 1 2 关于解复用器 由图1 1 可以看出，解复用器在整个d v b 接收系统中占据着极其重要的位 置。输入到解复用单元的是m p e g 一2 传输流t s 。输出的是打包的p e s 流。t s 流包含多个节目的复用信息数据( 如p s i ) ，由独立时间基的节目构成，其大小 是固定长度的1 8 8 个字节。m p e g 2 的t s 流用p i d 指明节目类型。根据用户输 入的指令，微处理器a r m 9 控制系统命令解复用模块选择所需要的电视节目， 将用户需要的电视节目的音频码流和视频码流解析出来。解复用单元首先在t s 流中通过寻找同步字节来建立同步，然后再利用t s 流中的p c r 信息恢复出与 2 0 0 7 年中国科学技术大学硕七学位论文 编码端一致的系统时钟，作为整个信源解码器的系统音视频同步时钟。 系统时钟恢复以后，解复用器开始利用t s 流中的p i d 值进行解复用，根 据p i d 值解析t s 流为视频p e s 流、音频p e s 流和数据p e s 流。通过不同的硬 件接口将它们送至相应的处理器。与此同时，解复用单元还将检测t s 流的丢包 等错误，并将出错信息送到微处理器。 1 3 国内外研究状况 目前实现解复用器的方法概括起来有： ( 1 ) 基于数字信号处理芯片d s p 和f p g a 的混合设计方法。利用d s p 来 作为整个系统的主控单元，完成t s 包基本信息的提取，码流的分路，p s i 的分 析、提取、重新生成等功能。而f p g a 完成p c r 修改，码率变换，插空包，用 户接口控制以及系统中一些控制信号的产生等，系统中根据需要运用两片f p g a 来完成这部分功能。此方法的缺点在于功耗高速度上也会受到限制，对于建立 高速的d v b 系统不利。 ( 2 ) 基于a r m 等微处理器的设计方法。该方法主要通过软件的形式，利 用具有极强数据处理能力的微处理器来完成m p e g 2 系统级标准的核心算法， 再辅于实现控制逻辑的硬件模块。实现解复用器的设计。硬件模块的主要功能是 根据p i d 值过滤输入的t s 流，同时根据时钟恢复p c r 包，对系统时钟进行恢 复。解复用器中a r m 处理器主要负责分析t s 流，解出对应的p a t 和p m t 包， 得到节目列表，根据用户的要求选定对应的节目流，更新p i d 码表中的节目的 音频视频p i d 值。这种方法一样存在着功耗高，速度慢的特点。而且不利于系 统的集成。 ( 3 ) 基于s o p c 的f p g a 设计方法。该方法通过内嵌微处理器内核( 如 n i o s 处理器内核等) 的f p g a 来实现d v b 的接收系统，其中包括解复用器。 这种方法将d v b 接收系统的各个模块通过片上总线很好地整合起来。使各模块 可以很好地协调工作有利于系统的稳定。该技术的优点在于减小了系统的面积， 降低了成本。但是缺点在于，不利于系统的扩展，比如为了提高音频的解码速 度，我们希望加入独立的d s p 内核来专门处理音频的解码，受f p g a 本身机构 的限制，无法实现这种功能。 2 0 0 7 年中国科学技术大学硕士学位论文 ( 4 ) 基于s o c 方法学的设计方法。该技术通过片上总线( 如a m b a 总线) 可以将整个d v b 系统集成到一块芯片中，最大程度地用硬件的方式来实现其功 能。微处理器在其中的功能是调配、协调各个模块协同工作，不参与解复用器的 码流具体解析过程，仅仅是对解复用器起到控制、监测作用如负责决定解复用 器需要解析哪个p i d 的音频流和视频流。这种方案的优点在于：功耗低、速度 快，而且面积将大大减小，极大地降低系统成本。但是，在目前的众多s o c 设 计中，解复用器的时钟恢复模块的设计大多采用外置压控振荡器的方案该方案 的缺点在于：增加了s o c 芯片的管脚，不利于芯片成本的降低，也有悖于现代 s o c 设计追求高集成度的发展趋势。 1 4 选题意义与研究内容 近几年来，数字视频广播( d v b ) 技术的应用使数字电视得到了前所未有 的推广。我国的数字电视时间表确定为：2 0 0 5 年全国1 4 的电视台将发射和传输 数字电视信号；2 0 0 8 年将用数字电视转播奥运会：2 0 1 0 年我国计划全面实现数 字广播电视；2 0 1 5 年全面实现数字化，完成模拟向数字的过渡，停止模拟广播 电视的播出。 d v b 技术的推动意义不仅仅是电视业本身，而是为任何数字信息的广播开 启了大门。解复用器是d v b 系统不可或缺的一个环节，负责将传输流( t s ) 中 的音频流和视频流完整地解析出来，并将其提供给音频解码器和视频解码器。解 复用器解析得到的码流质量很大程度上决定着解码器对音视频码流的解码效果。 因此，本课题的研究有着极其广阔的工程应用前景。 本课题所研究的内容主要包括一下几个方面： ( 1 ) 基于c 语言。对m p e g 一2 系统级标准关于t s 码流处理的核心算法进行 建模，确保算法的正确性，详见第三章。 ( 2 ) 借助仿真软件s y s t e m v i e w t 模拟仿真解复用器中的系统时钟恢复过程， 并得到相关参数，详见第四章。 ( 3 ) 编写v e r i l o g h d l 硬件代码。仿真验证算法的正确性，见第四章。 ( 4 ) 基于f p g a 验证平台，验证硬件代码的正确性，见第五章。 ( 5 ) 用综合工具d e s i g nc o m p i l e r 对r t l 代码进行综合见第六章。 4 2 0 0 7 筮中国科学技术大学硕士学位论文 1 5 创新之处 传统的系统时钟恢复模块( 如图1 2 所示) 采用外置的压控振荡v c o 来调整 输出时钟的频率和相位，这种方法不利于系统的集成。而由于市场上的压控振荡 器价格不菲，因此也不利于系统成本的降低。本课题的创新之处在于在解复用器 的系统时钟恢复模块中采取了直接数字频率合成( d d s ) 技术。用d d s 模块代 替了v c o 。 图1 2 传统系统时钟恢复模块 d d s 是从相位概念出发直接合成所需波形的一种数字频率合成技术，其电路 如图1 3 所示。d d s 主要由相位累加器、加法器、波形存储r o m 等组成， 图1 3d d s 电路原理图 该技术通过设置正确的累加器位宽、加法器位宽和波形存储器r o m 的深度， 可以根据从传输流提取出来的相位信息及时地调整输出信号的频率和相位，使输 出的时钟和系统时钟一致。由于这种技术可以利用数字逻辑来实现，因此有利于 s o c 系统的集成，减少了s o c 芯片的管脚数，降低了成本。 1 6 设计流程 本设计的基本流程为：基于c 语言，对m p e g 2 系统级标准关于t s 码流处 2 0 0 7 龟 中国科学技术大学硕士学位论文 理的核心算法进行建模，确保算法的正确性；借助仿真软件s y s t e m v i e w ，模拟 仿真解复用器中的系统时钟恢复过程，并得到相关参数：编写v e r i l o g h d l 硬件 代码，仿真验证算法的正确性：基于f p g a 验证平台，验证硬件代码的正确性。 流程图如图1 4 所示。 图i 4 设计流程图 6 2 0 0 7 年中国科学技术大学硕七学位论文 第二章m p e g - 2 系统层规范 本章主要介绍m p e g 2 系统层规范。详细说明传输流的结构，阐明解复用 器的基本原理。 2 1m e p g 2 系统简介 m p e g 是运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 的简称，其实质上的 名称为国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 联合技术委员会( 盯c ) 1 的第2 9 分委员会的第1 1 工作组，即i s o i e cj t c i s c 2 9 w g l l ，成立于1 9 8 8 年。其任务是制定世界通用的视音频编码标准。因为，广播电视数字化所产生的 海量数据对存储容量、传输带宽、处理能力及频谱资源利用率提出了不切合实际 的要求，使数字化难以实现。为此，该专家组基于帧内图像相邻像素间及相邻行 间的空间相关性和相邻帧间运动图像的时问相关性，采用压缩编码技术，将那些 对人眼视觉图像和人耳听觉声音不太重要的东西及冗余成分抛弃，从而缩减了存 储、传输和处理的数据量，提高了频谱资源利用率，制定了如表2 1 所示的一系 列m p e g 标准，使数字化正在变为现实。其中，m p e g - 2 是一组用于视音频压缩 编码及其数据流格式的国际标准。它定义了编解码技术及数据流的传输协议；制 定了m p e g 一2 解码器之间的共同标准( m p e g - 2 编码器之间尚无共同标准) 。 表2 - 1 m p e g 标准一览表 标准简称 标准全称 制定专家组批准时间 m p e g 1 最高约1 5 m b p s 数字运动图像专 1 9 8 8 年开始制定，1 9 9 2 存储媒体的运动图像家组( 第一阶年1 1 月通过，作为 及伴音编码标准段)i s o i - e c l11 7 2 号文件 m p e g 2 运动图像及伴音编码运动图像专1 9 9 0 年7 月年开始制 标准( 视频码率：家组( 第二阶 定，1 9 9 4 年5 月通过， 4 - 1 0 m b p s ) 段) 作为i s o i e c l 3 8 1 8 号文 件或i t u - t h 2 6 2 建议 2 0 0 7 篷中国科学技术大学硕士学位论文 m p e g - 4视音频对象的编码标运动图像专1 9 9 3 年7 月开始制定， 准( 视频码率：家组1 9 9 9 年5 月通过，作为 5 k b p s - 5 m b p s ) i s o i e c l 4 4 9 6 号文件 m p e g 7 多媒体内容描述接口运动图像专1 9 9 7 年7 月开始制定， 标准家组2 0 0 1 年1 2 月产生标准 草案 ， 作为 i s o i e c l 5 9 3 8 号文件 m p e g 2 i 多媒体框架标准运动图像专1 9 9 1 年1 0 月形成多媒 家组 体框架理念，2 0 0 0 年5 月开始制定 m p e g 一2 系统是将视频、音频及其它数据基本流组合成个或多个适宜于存 储或传输的数据流的规范，如图2 1 所示。由图2 1 可见，符合i t u r 6 0 1 标准 的、帧次序为i l b 2 8 3 p 4 8 5 8 6 p 7 8 8 8 9 i l o 数字视频数据和符合a e s e b u 标准的 数字音频数据分别通过图像编码和声音编码之后，生成次序为 1 1 p 4 8 2 8 3 p 7 8 5 8 6 1 1 0b 8 8 9 视频基本流( e s ) 和音频e s 。在视频e s 中还要加入 一个时间基准，即加入从视频信号中取出的2 7 m h z 时钟。然后，再分别通过各 自的数据包形成器，将相应的e s 打包成打包基本流( p e s ) 包，并由p e s 包构 成p e s 。最后，节目复用器和传输复用器分别将视频p e s 和音频p e s 组合成相 应的节目流( p s ) 包和传输流( t s ) 包，并由p s 包构成p s 和由t s 包构成t s 。 显然，不允许直接传输p e s ，只允许传输p s 和t s ；p e s 只是p s 转换为t s 或t s 转换为p s 的中间步骤或桥梁。是m p e g 数据流瓦换的逻辑结构，本身不能参与 交换和互操作。由系统的定义，可知m p e g 2 系统的任务： 规定以包方式传输数据的协议。 为收发两端数据流同步创造条件。 确定将多个数据流合并和分离( 即复用和解复用) 的原则。 提供一种进行加密数据传输的可能性。 2 0 0 7 年中团科学技术大学硕士学位论文 图2 1m p e g 一2 系统框图 根据数字通信信息量可以逐段传输的机理，将已编码数据流在时间上以一定 重复周期结构分割成不能再细分的最小信息单元，这个最小信息单元就定义为数 据包，几个小数据包( d a t ap a c k e t ) 又可以打包成大数据包( d a t ap a c k ) 。用数 据包传输的优点是：网络中信息可占用不同的连接线路和简单暂存；通过数据包 交织将多个数据流组合( 复用) 成一个新的数据流；便于解码器按照相应顺序对 数据包进行灵活地整理。从而，数据包为数据流同步和复用奠定了基础。因此， m p e g 2 系统规范不仅采用了节目流( p s ) 、传输流( t s ) 和打包基本流( p e s ) 三种数据包，而且也涉及p s 和t s 两种可以互相转换的数据流。显然，以数据 包形式存储和传送数据流是m p e g 2 系统的要点。 本设计所关注的是传输流t s ，因此下面将详细介绍t s 码流的结构以及与 t s 码流相关的p e s 。 2 2 打包基本流( p e s ) 将m p e g 一2 压缩编码的视频基本流( e s e l e m e n t a r ys t r e a m ) 数据分组为包 长度可变的数据包，称为打包基本流( p e s p a c k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ) 。广而 言之，p e s 为打包了的专用视频、音频、数据、同步、识别信息数据通道。所谓 e s ，是指只包含1 个信源编码器的数据流。即e s 是编码的视频数据流，或编码 的音频数据流，或其它编码数据流的统称。每个e s 都由若干个存取单元 ( a u - a c c e s su n i t ) 组成，每个视频a u 或音频a u 都是由头部和编码数据两部分组 成的。将帧顺序为1 1 p 4 8 2 8 3 p 7 8 5 8 6 的编码e s ，通过打包，就将e s 变成仅含 有1 种性质e s 的p e s 包，如仅含视频e s 的p e s 包，仅含音频e s 的p e s 包， 9 2 0 0 7 年中国科学技术大学硕士学位论文 仅含其它e s 的p e s 包。 1 个p e s 包是由包头、e s 特有信息和包数据3 个部分组成。由于包头和 e s 特有信息二者可合成1 个数据头，所以可认为1 个p e s 包是由数据头和包数 据( 有效载荷) 两个部分组成的。包头由起始码前缀、数据流识别及p e s 包长 信息3 部分构成。包起始码前缀是用2 3 个连续0 和1 个“l ”构成的，用于表示 有用信息种类的数据流识别，是1 个8b “的整数。由二者合成1 个专用的包起 始码，可用于识别数据包所属数据流( 视频，音频，或其它) 的性质及序号。例如： 比特序l l o 是号码为的咿e g 一2 音频数据流； 比特序1 1 1 0 是号码为的m p e g 一2 视频数据流。 p e s 包长用于包长识别，表明在此字段后的字节数。如p e s 包长识别为2 b ， 即2 8 = 1 6b i t 字宽，包总长为2 1 6 一i = 6 5 5 3 5 b ，分给数据头9 b ( 包头6 b + e s 特有信息3 b ) 。可变长度的包数据最大容量为6 5 5 2 6r 。尽管p e g 包最大长度可 达( 2 1 6 1 ) = 6 5 5 3 5 b ( b y t e ) ，但在通常的情况下是组成e s 的若干个a u 中的由 头部和编码数据两部分组成的1 个a u 长度。1 个a u 相当于编码的l 幅视频图像 或1 个音频帧。也可以说，每个a u 实际上是编码数据流的显示单元，即相当于 解码的1 幅视频图像或1 个音频帧的取样。e s 特有信息是由p e s 包头识别标志、 p e s 包头长信息、信息区和用于调整信息区可变包长的填充字节4 部分组成的p e s 包控制信息。其中，p e s 包头识别标志由1 2 个部分组成：p e s 加扰控制信息、p e s 优先级别指示、数据适配定位指示符、有否版权指示、原版或拷贝指示、有否显 示时间标记( p t s p r e s e n t a t i o nt i m es t a m p ) 解码时间标记( d t s d e c o d e t i m e s t a m p ) 标志、p e s 包头有否基本流时钟摹准( e s c r - e e m e n t a r ys t r e a mc l o c k r e f e r e n c e ) 信息标志、p e s 包头有否基本流速率信息标志、有否数字存储媒体 ( d s m ) 特技方式信息标志、有否附加的拷贝信息标志、p e s 包头有否循环冗余 校验( c r c c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 信息标志、有否p e s 扩展标志。有扩展 标志，表明还存在其它信息。如，在有传输误码时。通过数据包计数器，使接收 端能以准确的数据恢复数据流，或借助计数器状态，识别出传输时是否有数据包 丢失。 其中，有否p t s d t s 标志，是解决视音频同步显示、防止解码器输入缓存器 上溢或下溢的关键所在。因为，p t s 表明显示单元出现在系统目标解码器 1 0 2 0 0 7 燕中国科学技术大学硕十学位论文 ( s t i - s y s t e mt a r g e td e c o d e r ) 的时间，d t s 表明将存取单元全部字节从s t d 的e s 解码缓存器移走的时刻。视频编码图像帧次序为1 p 4 8 2 8 3 p 7 8 5 8 6 il o b 8 8 9 的e s ，加入p t s d t s 后，打包成一个个视频p e s 包。每个p e s 包都有一个包头， 用于定义p e s 内的数据内容。提供定时资料。每个i 、p 、b 帧的包头都有个p t s 和d t s ，但p t s 与d t s 对b 帧都是一样的，无须标出b 帧的d t s 。对i 帧和p 帧， 显示前一定要存储于视频解码器的重新排序缓存器中，经过延迟( 重新排序) 后再显示，一定要分别标明p t s 和d t s 。例如，解码器输入的图像帧次序为 l p 4 8 2 8 3 p 7 8 5 8 6 i i o b 8 8 9 ，依解码器输出的帧次序。应该p 4 比b 2 、b 3 在先，但显 示时p 4 一定要比r 2 、b 3 在后，即p 4 要在提前插入数据流中的时间标志指引下， 经过缓存器重新排序，以重建编码前视频帧次序1 8 2 8 3 p 4 8 5 8 6 p t b 8 8 9 i1 0 。显然， p t s d t s 标志表明对确定事件或确定信息解码的专用时标的存在，依靠专用时标 解码器，可知道该确定事件或确定信息开始解码或显示的时刻。例如，p t s d t s 标志可用于确定编码、多路复用、解码、重建的时间。 2 - 3 传输流( t s ) 将具有共同时间基准或具有独立时间基准的一个或多个p e s 组合而成的单 一的数据流称为传输流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 。t s 实际是面向数字化分配媒介( 有 线、卫星、地面网) 的传输层接口。对具有共同时问基准的两个以上的p e s 先 进行节目复用，然后再对相瓦可有独立时间基准的各个p s 进行传输复用，即将每 个p e s 再细分为更小的t s 包，t s 包结构如图2 2 所示。 ! 堡连lt 坠i! ! 生上1b i t【1 3b i t slr 丽f 丁面石r 污石 同步字节i + ；：鬻l 夏：；器爹i 传输优先l 包识别r o l 传婺器扰l 自1 瞥控i 连挈 4 数 lb y t e 最大1 8 2b y t c s 堡查l 鱼垦! 弓自t 凰的标志位相关) i 填充散据 i 指示l 随机存储l 摹本码流t 符 l 指示待l 先指1 符釜警蒜是l 原芸譬= rf 暴羹亲量 p c r - - p r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e 节目时钟基准 图2 2 传输流结构 2 0 0 7 蓖中国科学技术大学硕士学位论文 由图2 2 可见，t s 包由包头、自适应区和包数据3 部分组成。每个包长度 为固定的1 8 8b y t e s ，包头长度占4b y t e s 。自适应区和包数据长度占1 8 4b y t e s 。 1 8 4b y t e s 为有用信息空间，用于传送己编码的音视频数据流。当节日时钟基准 ( p c r p r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e ) 存在时，包头还包括可变长度的自适应区，包 头的长度就会大于4b y t e s 。考虑到与通信的关系，整个传输包固定长度应相当 于4 个a t m 包。考虑到加密是按照8 b y t e s 顺序加扰的代表有用信息的自适应 区和包数据的长度应该是8b y t e s 的整数倍，即自适应区和包数据为2 3 8 b y t e s = 1 8 4b y t e s 。 t s 包的包头由如图所示的同步字节、传输误码指示符、有效载荷单元起始 指示符、传输优先、包识别( p i d p a c k e ti d e n t i f i c a t i o n ) 、传输加扰控制、自适应 区控制和连续计数器8 个部分组成。其中，可用同步字节位串的自动相关特性， 检测数据流中的包限制，建立包同步；传输误码指示符，是指有不能消除误码时， 采用误码校正解码器可表示l b i t 的误码，但无法校正：有效载荷单元起始指示 符。表示该数据包是否存在确定的起始信息；传输优先，是给t s 包分配优先权； p i d 值是由用户确定的，解码器根据p i d 将t s 上从不同e s 来的t s 包区别出来， 以重建原来的e s ：传输加扰控制，可指示数据包内容是否加扰，但包头和自适 应区永远不加扰；自适应区控制，用2b i t 表示有否自适应区，即( 0 1 ) 表示有 有用信息无自适应区，( 1 0 ) 表示无有用信息有自适应区( 1 i ) 表示有有用信息 有自适应区，( 0 0 ) 无定义；连续计数器可对p i e ) 包传送顺序计数，据计数器读 数，接收端可判断是否有包丢失及包传送顺序错误。显然，包头对t s 包具有同 步、识别、检错及加密功能。 t s 包自适应区由自适应区长、各种标志指示符、与插入标志有关的信息和 填充数据4 部分组成。其中标志部分由间断指示符、随机存取指示符、e s 优化 指示符、p c r 标志、接点标志、传输专用数据标志、原始p c r 标志、自适应区 扩展标志8 个部分组成。重要的是标志部分的p c r 字段，可给编解码器的2 7 m h z 时钟提供同步资料，进行同步。其过程是，通过p l l ，用解码时本地用p c r 相 位与输入的瞬时p c r 相位锁相比较，确定解码过程是否同步，若不同步，则用 这个瞬时p c r 调整时钟频率。因为，数字图像采用了复杂而不同的压缩编码算 法，造成每幅图像的数据各不相同，使直接从压缩编码图像数据的开始部分获取 2 0 0 7 芷 中国科学技术大学硕士学位论文 时钟信息成为不可能。为此，选择了某些( 而非全部) t s 包的自适应区来传送 定时信息。于是。被选中的t s 包的自适应区，可用于测定包信息的控制b i t 和 重要的控制信息。自适应区无须伴随每个包都发送，发送多少主要由选中的t s 包的传输专用时标参数决定。标志中的随机存取指示符和接点标志，在节目变动 时。为随机进入i 帧压缩的数据流提供随机进入点，也为插入当地节目提供方便。 自适应区中的填充数据是由于p e s 包长不可能正好转为t s 包的整数倍，最后 的t s 包保留一小部分有用容量，通过填充字节加以填补，这样可以防止缓存器 下溢，保持总码率恒定不变。 2 4 节目特定信息( p s i ) 由上述可知，1 个t s 包由固定的1 8 8 1 3 组成，用于传送已编码视音频数据流 的有用信息占用1 8 4 b 空间。但是，还需要传输节目随带信息及解释有关t s 特 定结构的信息( 元数据) ，即节目特定信息( p s i - p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n ) 。 用于说明：1 个节目是由多少个e s 组成的：1 个节目是由哪些个e s 组成的；在 哪些个p i d 情况下，1 个相应的解码器能找到t s 中的各个数据包。这对于由不 同的数据流复用成1 个合成的t s 是1 个决定性的条件。为了重建原来的e s ，就 要追踪从不同e s 来的t s 包及其p i d 。因此一些映射结构( m a p p i n g m e c h a n i s m ) 如节目源结合表( p a t ) 和节目源映射表( p m t ) 两种映射结构，会以打包的形 式存在于t s 上，即借助于p s i 传输一串描述了各种e s 的表格来实现。m p e g 认为，可用4 个不同的表格作出区别： 节目关联表( p a t - p r o g r a m a s s o c i a t i o n t a b l e ) ：在每个t s 上都有一个p a t ， 用于定义节目源映射表。用m p e g 指定的p i d ( 0 0 ) 标明，通常用p i d = o 表示。 条件接收表( c a t - c o n d i t i o n a la c c e s st a b l e ) ：用于准备解密数据组用的 信息，如加密系统标识、存取权的分配、各个码序的发送等。用m p e g 指定的 p i d ( 0 1 ) 标明，通常用p i d = i 表示。 节目映射表( p m t - p r o g r a m m 印t a b l e ) ；在t s 上，每个节目源都有一个 对应的p m t ，是借助装入p a t 中节目号推导出来的。用于定义每个在t s 上的 节目源( p r o g r a m ) ，即将t s 上每个节目源的e s 及其对应的p i d 信息、数据的 性质、数据流之间关系列在一个表里。解码器要知道分配节目的e s 的总数。因 2 0 0 7 钽中国科学技术大学硕士学位论文 为m p e g 总共允许2 5 6 个不同的描述符，其中i s o 占用6 4 个，其余由用户使 用。 网络信息表( n i t - n e t w o r ki n f o r m a t i o nt a b l e ) ：可传送网络数据和各种 参数，如频带、转发信号、通道宽度等。m p e g 尚未规定，仅在节目源结合表( p a t ) 中保留了1 个既定节目号“0 ”。 有了p a t 及p m t 这两种表，解码器就可以根据p i d 将t s 上从不同的e s 来的t s 包分别出来。 2 4 1 节目关联表( 雕汀) p a t 由p i d 为o x 0 0 0 0 的t s 包进行传送，其作用是指出传输码流中包括哪 些节目以及这些节目所对应的p m t 的p i d ，并指定n i t 所对应的p i d 。每个t s 流里必须有一个p a t ，解复用器工作总是通过寻找p a t 开始的。p a t 分段的语法 框图如图2 3 所示，保留字段以阴影表示，p a t 分段中有2 个2 位字段长的保留 字段。各字段的比特长度在图中已标明。 1 e 3 t ，1 631 3 图2 3p a t 语法框图 下面介绍p a t 分段中各字段的语义定义： 1 ) t a b l ei d ：表的i d 号，在p a t 分段中总是为o x 0 0 2 ) s e c t i o n _ s y n t a x i n d i c a t o r ：分段语法指示，应置l 。 3 ) s e c t i o nl e n g t h ：分段长度，头两位应该为o o ，它表明在s e c t i o nl en