PCR分析及校正.doc

基于改进PCR校正算法的MPEG-2复用器 2006年03期一种适用于软件复用器的PCR校正方法研究 2005年07期基于MPEG-2的PCR校正策略 中国有线电视-2006年19期 数字电视传输系统中PCR抖动的校正分析与实现 2005年07期MPEG-2数字视频广播传输流中节目参考时钟的处理 2000年05期基于DM642的MPEG-2传输流解复用再复用系统设计2006年11期DVB系统中PCR的生成和PCR校正引自广播电视信息2008年1月从数字电视前端系统功能上来讲，传统的DVB数字硬件前端技术包含编码、复用、加扰、调制四个基本环节，而在实际的DVB前端系统中还有直接的TS流转发环节，如下图所示：上图中编码环节是将模拟视音频或者基带的数字视频和音频信号编码形成标准的TS流，而流转发环节是将卫星或者通过其它信道过来的信号转成符合当地标准的TS流，所有的TS进入复用环节进行复用。为了满足运营的需求，TS需要进入加扰环节进行加扰，然后进入调制器进行调制，最后进入本地的HFC网络。数字电视编解码是按照MPEG标准进行的，而在MPEG标准中，编解码设备在在处理TS流的时候，都有一个基础的时间参考，这个时间参考就是PCR。一般来说，PCR在编码端产生，需要准确的传输到解码端，供解码使用。一、 PCR在解码端的作用PCR(program clock reference)，中文可以翻译为节目参考时钟，是DVB传输流里面的一个基础时钟。在数字电视传输流里面，PCR是一个分两个部分编码的42位字段，其中33位为PCR基础，9位为PCR扩展。PCR扩展以300为模进行计数，取模一次PCR基础加1，所有的计数都是以本地的基础27M时钟进行。作为数字电视流传输过程中的时钟基准，PCR在解码端有两个非常关键的作用：一是同步头端和终端的27M时钟，并借此同步头端和终端的色度平衡和帧率。在数字电视终端设备上，都有一个压控振荡器和一个内部的计数器，这个内部的计数器会对本地压控振荡器的时钟进行计数，并且和TS流内部的PCR数字进行比较，若本地计数器的变化率高于PCR的变化率，表征本地的27M时钟比头端27M时钟快，应该调整压控振荡器的电压，降低压控振荡器的频率；反之则提高本地振荡器的振荡频率。在PES层里面，还有一对时间信息，那就是DTS和PTS。其中DTS为解码时间标签，PTS为显示时间标签。对于视频数据来讲，针对于不同IPB类型解码时间和显示时间的关系是不同的，B帧的PTS和DTS相同，所以只有PTS；而对于音频数据来讲，由于音频的传输是严格按照顺序传输的，所以音频没有DTS，只有PTS。但是DTS、PTS和PCR的相互作用原理是一样的，都是为了在正确的时间对数据进行解码和显示，从而达到音频和视频相对于系统时间的同步，也在客观上实现了音频和视频之间的同步。在实际实现中，终端里面会维护另外一个计数器DTS_Base，DTS_Base的值会被PCR重置，同时随着本地时钟进行递加，当遇到音频（视频）帧头时，会记录当前帧的DTS(PTS)，DTS和DTS_Base的差在一定范围之内时，携带此DTS的那一帧就会被送进解码单元进行解码。在数字电视终端采用PCR主同步模式解码时，视频和音频分别按照自己的DTS（PTS）和本地时间的关系进行解码，前端合理的配置DTS（PTS）和PCR，不仅仅控制了音频和视频之间的相互同步，同时也控制了音频和视频整体相对于编码输入的延时。二、 PCR生成PCR对于视频、音频的质量和相互延时都非常关键。但是TS流在传输过程中，每经过一次设备的处理，由于码率以及TS包之间相互关系的变化，都会对PCR的抖动和间隔产生比较大的影响，从而影响终端的正常解码。在最新的TR101 290标准里面，对PCR的精度、漂移、抖动都有明确的要求。在实际系统中，PCR的生成和校正是最关键的处理要素。PCR的生成一般是在编码器里面实现。作为整个数字电视的最头端，编码器生成的PCR的质量对后端有着至关重要的作用，实际上，后端无论是采用何种校正方式，PCR的精度肯定会低于编码器发出的PCR。所以，对于编码器来讲，PCR要求的精度应该非常高。对于编码器来讲，要生成精度高的PCR，首先要有一个非常精准的系统时钟（27M），要保证这个时钟随时间和温度的漂移都非常小，其次，也要有一个合理的PCR生成策略。在编码器内部，在DVB系统里面，PCR是针对27M时钟产生的， ASI发出的时钟也是27M，这两个时钟要采取采用同源处理。从实现方式上，编码器内部维护一个PCR的计数器，以这个计数器为时间，计算PCR发送的间隔（DVB要求每40ms必须有一个PCR），然后在发送PCR字节的同时，锁定PCR计数器的数值，这样就可以保证PCR发送的无抖动。同时，这个计数器还要针对于视频的输入和音频的输入，对编码器发出的视音频的PTS(DTS)进行处理，以保证唇音同步。三、 PCR校正Pm+1Pm PCR2Pn PCR1P2P1如图所示是一个正常传输的TS流示意图，其中P1，P2，Pm是指TS包。其中Pn带有PCR1，Pm携带有PCR2。在判断PCR的时候，有两个比较关键的时间参数，分别是PCR2和PCR1两个数值的差Pd以及PCR2的到达时间Tpcr2和PCR1的到达时间Tpcr1之差Pi，其中Pd PCR2 PCR1；Pi Tpcr2Tpcr1；其中，Pi我们可以看做是一个客观时间，而PaPdPi就是PCR的精度相对于客观时间的偏移。如果在编码器内部，系统处理得当的话，Pa应该非常小，如果不考虑编码器的时钟相对于客观时间的偏移，Pa是有可能等于0的。TS流从编码器发出之后，进入复用器、适配器、调制器等环节，码流就有了两个基本的变化，首先是码率发生了变化，其次以前的码流的相互关系被打乱，虽然每一个PID的包的顺序不可能发生变化，但是不同的PID发生交错，则整个包的顺序就发生了很大的变化。Pm+1Pm PCR2Pn PCR1P2P1如图所示，在新生成的TS包中，携带PCR的两个TS包的相对顺序已经发生了变化，分别为Pn和Pm，若两个PCR的值没有发生变化，那么PCR2和PCR1两个数值Pd的差不变，而PCR2的发出时间Tpcr2和PCR1的到达时间Tpcr1之差Pi则发生了变化数字电视复用器中的PCR校正技术中国广电信息网 转自：本站原创 时间：2007-11-8 15:22:00 点击：2933 一. 引言 在数字电视广播系统中，节目复用器和传输流再复用器是必不可少的。节目复用器的作用是将编码后的视频基本流（ES）、音频基本流、节目描述信息（Program Specification Information，PSI）和辅助数据按MPEG-2系统层标准规定的格式复用成为一个传输流。同时，为了使收发端同步工作，系统时钟（STC）计数器的值将被插入到相应包的PCR字段中去。按照输出传输流中所含的节目数，传输流分为单节目传输流（SPTS）和多节目传输流（MPTS），相应地，节目复用器也被分为单节目复用器和多节目复用器。在传输流最终被送到信道设备进行信道发送之前，需要一台设备将不同来源的传输流合成为一个新的传输流，即传输流再复用器。同时，数据广播、电子节目指南（Electrical Program Guide，EPG）、条件接收（Conditional Access CA）等服务信息(SI)一般也通过再复用器插入到输出传输流。PCR校正是复用器的关键技术之一，PCR的作用是将发端的27MHz的时钟以PCR时间戳的形式注入码流中，而收端是否能够根据该信息无偏差地恢复出发端的参考时钟以达到收发同步，在对系统的性能有至关重要的影响，所以本文对 PCR校正进行了详细的介绍。 二. MPEG-2系统层标准 MPEG-2标准，即ISOIEC13818是数字电视系统的基础,它规定了两种系统层码流格式：一种是节目码流（Program Stream，PS），即PS复用器将一个或几个具有公共时间基准的PES包组合成单一码流，包的长度相对较长而且不固定，它适用于错误相对较少、信道较好的环境，如演播室、家庭环境存储媒介中。另一种是传输码流（Transport Stream，TS），即PES流进入传输复用器中切割成一个个固定长度为188字节的包。适用于较容易发生错误的环境，如广播传输信道。在MPEG-2传输流中，包长固定为188byte每个包由4byte包头、可变数字节的适配域（Adaptation field）以及净荷（Payload）组成。包头包括：同步字节、根据内容不同且长度固定为13bit的包标识（Packet Identifier，PID)、包连续计数器及其他各种标志位.在自适应字段中，比较重要的信息包括42bit的节目时钟基准（Program Clock Reference，PCR）字段。 三. 复用器的关键技术 如果在一个电视频道内复用几路TS流，也即在一个常规频道内传输多套数字电视节目，则称为多路节目的双层复用。第一层复用称为节目复用，第二层复用称为传输复用。传输复用器的基本功能是将来自不同传输流的包进行重新组合,然后放到输出传输流中去。其关键技术有PCR的校正、PSI信息的重构和PID的映射。 （1）PCR校正（PCR correction）：PCR由33bit基值（Base）和9bit扩展值（Extension）组成，PCR值以系统参考时钟周期为单位记录了源端的时间信息，对于整个数字电视系统的同步起着关键作用。在节目复用器中，有一个分为两段的42bitPCR计数器，分别对应传输流PCR字段的基值和扩展值。扩展值以节目复用器系统参考时钟（2MHz）为基准在0299之间循环计数；扩展值每计到300时清零，同时，基值加1。在PCR字段最后1个字节离开节目复用器前的那一时刻，基值和扩展值分别被插入到传输流包的相应位置。在接收端，通过对PCR值的提取，利用锁相环电路恢复出与源端基本一致的27MHz时钟，作为接收端工作的基准时钟。在再复用器中，由于输入传输流的各个包经过再复用器的处理后延时各不相同，有必要对各个节目PCR字段的内容分别进行修正，这种操作称为PCR校正。其基本算法用公式表示如下： 其中，PCRin和PCRout分别为同一个包的PCR字段在进入再复用器和离开再复用器时的数值； 为此字段数据随着相应的传输流包在整个再复用器进行各种处理后产生的延时总和。（2）PSI信息由MPEG-2标准规定，记录了关于信道、传输流和节目的基本信息。它主要包括节目关联表（Program Association Table，PAT）、节目映射表（Program Map Table，PMT）、网络信息表（Network Information Table，NIT）和条件接收表（Conditional Access Table，CAT）。PSI的插入可以看作再复用器数据插入功能的一个特例。因为再复用器的输出传输流是由多个输入传输流和数据组合而成，所以输出TS的PSI信息需要根据输出流的组成结构重新生成。为了保证码流的随机接入性，MPEG-2标准规定PSI表的重复间隔不得超过100ms，而DVB标准则更加严格,要求不得超过40ms。 （3）PID映射（PID mapping）：在同一个传输流中，不同数据包PID的分配是互不冲突的，当来自多个传输流的包复用到一起时，则可能发生PID冲突的现象。另外，用户也可能需要修改某些PID，或将某些PID的包过滤掉。修改PID、根据PID使包选择性通过等操作统称为PID映射。 四. PCR校正的重要性及PCR抖动 1.PCR校正的重要性 PCR是TS流中节目参考时钟的英文缩写，利用PCR可以使数字电视接收机或机顶盒的解码视频输出与编码器端的视频源同步。从MPEG-2的模型来看，必须要保证传输系统是一个恒定延时系统，它的端到端的延迟（从信号进入编码器到信号从解码器输出）是一个常数。如果不进行校正或者校正精度不能满足要求，解码器所恢复的图像容易掉彩色，还会出现周期性的黑屏现象，同时图像会伴有马赛克，严重时会出现死机。 PCR是整个MPEG-2传输系统中的统一时钟，它的作用是将发端的27MHz时钟以PCR时间戳的形式注入码流中，而收端是否能够根据该信息无偏差地恢复出发端的参考时钟以达到收发时钟的同步，这对系统的性能有至关重要的影响，因此对PCR的研究一直是热点问题，其中主要的难点是如何校正并消除人为处理和网路阻塞等影响带来的PCR抖动。 2.非均匀延时和PCR抖动 通常情况下，经过复用和再复用后，PCR值并不能完全精确地反映信源编码端的时间信息，这种现象称为PCR抖动（PCR jitter）。复用器增加的PCR抖动量主要有以下几个来源：本地27MHz时钟与节目复用器中系统参考时钟不一致；本地27MHz时钟与输入传输流时钟不一致；本地27MHz时钟与输出传输流时钟不一致。 下面通过一个例子说明非均匀延迟。假若在某TS流中，PCR1和PCR2之间的原始码速率是a，设为所表示的换算为秒的时间，两者的间隔为m1（bit），显然，根据PCR原理得到a=m1/PCR。现在，由于传输过程中的各种原因，PCR1和PCR2之间的码流速率变为b，两者间隔为m2，如果要求b=m2/PCR（即变化后的PCR仍然能够准确地反映当前速率），则必须有： 满足式（1）的延迟称为均匀延迟，否则称为非均匀延迟，显然在一个随机变化的网路中均匀延迟几乎是不可能的，我们把这种非均匀延迟带来的PCR值不能正确放映码流当前的速率信息的状况称为PCR抖动。 引起非均匀延迟的原因主要有两大类：一类是数据在网路中传输时端到端的非均匀传输延迟造成的，这类抖动一般来说都比较小，大多数系统是可以容忍的；另一类是根据传输的需要人为的改变码速率所引起的，码流复用和码速率调整所引起的PCR抖动都属于这一类，这类情况所引起的抖动一般是比较大的。PCR抖动较大会对收端恢复同步时钟产生很大的影响，如果抖动过大会进一步影响图像画面的效果。不同的系统能够容忍的最大抖动是不同的，在DVB系统中要求小于500ns，因此要对PCR进行校正。 五. PCR 校正的基本原理 1.TS流的帧结构 有线电视传送采用GB/17975.1-2000中规定的MPEG-2传送层,MPEG-2数据传送层由188个字节的包组成,每个包由分组包头及有效负荷组成，如图1所示。包含PCR的TS流包结构如图2所示。 2.PCR的作用 PCR是节目参考时钟的英文缩写。包头自适应区中周期性地包含6个字节的编码，用来产生解码器的锁定时钟。利用节目参考时钟，可使数字电视接收机或机顶盒的解码视频输出锁定于编码器输入端的视频信号源。在编码器/复用器中，节目时钟锁定于输入视频信号，由于标清电视（SD）视频（625行50Hz或525行59.94Hz）以27MHz时钟为基准，那么节目时钟也就是27MHz。PCR是计数器的抽点表示，由节目时钟驱动，以某种特定的时间周期（推荐为40ms，ISO/IEC13818-1规定为100ms）插入到流中。 3.PCR的产生及再生 传输中的为一路节目提供参考时钟,其中节目为具有共同时间基点的基本流集合，将被同步解码和显示。传输流中可能有多路节目,每一路节目都有独立的时间基点和各自的。PCR分两部分编码：一部分以系统时钟频率27MHz的1/300为计数单位，称为PCR_ base（方程），它的作用是在解码器切换节目时，提供给解码器PCR计数器的初始值。另一部分以系统时钟频率27MHz作为计数单位,称为PCR_ ext（方程），它的作用是通过解码器端的锁相环电路修正解码器的系统时钟，使其达到和编码器一致。编码在PCR(i)中的数值代表了t（i），i指包含PCR_ base字段的最后一位的字节。具体表达式如下: 由5.2节可知，PCR的取样时钟为27MHz，也就是说，单个时钟周期为37ns，因此，PCR的插入误差不得大于37ns。此外，复用器中的PCR插入机制应能在TS流中确定的准确位置，从而插入正确的数值，该位置的任何计算错误将会导致PCR不准确。对于再复用器和QAM调制器由于必须改变TS流中数据包的相对位置，因此当再插入PCR值时，其相应变化量应当反映任何位置的变化。由此可见，由27MHz时钟以及复用器（或再复用器和QAM调制器）的插入（或再插入）的计算错误会造成PCR的不准确,必须进行PCR校正。 六. PCR校正的方法 不同的复用器中，由于PCR校正实现的方法各不相同，以附加PCR抖动大小（即校正精度）为主要指标的性能差别也很大。下面分别介绍几种PCR校正方法。 1.基于相同实际的PCR校正方案 在13818协议中并没有对PCR的时基作明确的规定，即1路TS流中的多路节目的PCR 可以使用相互独立的时基，也可以使用统一时基（显然现实中不同节目的产生是不相关的，所以往往在复用时保留原有不相关的时基），PCR的作用在于为收端提供一个时钟基准，所需要的是PCR之间的差值，而每一个PCR的绝对值是没有意义的。所以，利用一个本地27MHz时钟按照13818协议的规则重新生成42位PCR值，当TS流中存在多路节目时，不区分当前的PCR域内为哪一路节目的PCR，而是利用一个统一的时钟根据时间在每一个PCR域内顺序置入新的PCR值，这样多路节目的PCR共享一个时基，而在恢复时钟时无需判断是哪一路节目的PCR，只需根据PCR的先后顺序进行锁相恢复即可。由于第二次PCR置入是在速率变化之后，最终输出的PCR值可以无抖动地反映调整之后的码流速率，可见尽管码率调整使得PCR出现抖动，但是重新置入PCR使得抖动消除。 2.关于基于相同时基的PCR校正策略的改进4 基于相同时基的PCR校正方法存在一定的弊端，由于采用本地27MHz时钟进行PCR的重新置入，最终恢复出来的27MHz时钟必然是本地的参考时钟，假如这个时钟与原参考时钟有偏差，那么这个偏差将不断积累，假如原参考时钟是产生PS流时产生PCR的参考时钟（这个时钟也是最终收端所需要的时钟基准），这个偏差的积累最终可能导致缓冲区的溢出并使解码产生不良效果，所以在置入时准确地恢复出原27MHz时钟，使重新置入PCR参考时钟无偏差或偏差较小，基于此，对该方案提出了改进。 具体方法是从第一次PCR的重新注入开始，每一次重新注入PCR之前，首先通过，码流中的原有PCR恢复出参考时钟，并用这一时钟来产生新的PCR，从PS流开始，第一次引起PCR抖动的是MPEG-2复用器，而在码流被复用以前其PCR是完全没有抖动的，从这里开始使用上述方法，可以解决时钟偏移量积累的问题。最终的整体FPGA实现框图如下。3.改进的PCR校正算法 改进的PCR调整方法有别于原来的方法，它不是对原有的PCR值进行修改，而是重新生成正确的PCR值，并替代原有的PCR值。基本原理是用本地27MHz时钟计数值代替原有的PCR值，同时保存它们之间的差值，在用这个差值调整PTS，DTS值。如图4所示，原PCR值进入PCR校正模块， 被本地27MHz时钟计数值代替输出，同时计算两者的差值并保存到RAM中；如图5所示，原PTS，DTS值进入PTS，DTS 校正模块，原PTS和DTS值减去保存在RAM中的相应差值，输出正确的PTS和DTS值。 七. 结束语 在复用器系统中凡涉及到TS流的解复用和在复用都不可避免的要涉及到PCR校正问题。通过分析PCR校正的原因，介绍PCR校正的基本原理和现有的一些不同的PCR校正方法，可以为以后的研究和设计奠定一定的基础。 参考文献 1 王兴东，余松煜，梁龙飞.MPEG-2传输流再复用器的设计J.上海交通大学学报.2003年6月 2 杨德鹏，邹伦开，徐亮. MPEG-2节目复用器中的关键技术及实现J.中国有线电视.2006年2月 3 郑鑫，张晓玲.数字电视QAM调制器中PCR校正的设计与实现J.中国有线电视.2005年7月 4 张炜，刘鹏.基于MPEG-2的PCR校正策略J.中国有线电视.2006年 5 张磊，王宏远.基于改进的PCR校正算法的MPEG-2复用器J.电视技术.2006年第3期 数字电视PCR分析及校正实现上海文广新闻传媒集团 秦娟 吴琪 宣玉栋 熊蓉摘要从数字电视TS流播出的节目交接黑屏马赛克现象入手， 详细分析PCR（节目参考时钟）的原理，解释产生该现象的原因，并提出一种改进的基于相同时基的PCR校正方法，该校正方法在实际使用中具有非常好的效果。关键词数字电视 节目参考时钟 相同时基 PCR校正数字电视播出节目交接时候经常会出现“马赛克”，短暂黑屏或屏幕冻结现象，产生该现象的原因有多种，比如码率或解码缓冲存储器使用状态不一样，PCR不稳定等。这里我们分析PCR对节目交接的影响，介绍上海数字电视目前采用的一种简便有效的校正方法。一 PCR（节目参考时钟）原理PCR是节目时钟参考的英文缩写。MPEG-2通过在传送流包中插入PCR来实现系统时基同步，在解码之前的传输中，都是离散的数字信号，因此在分析PCR的时候，可以设定在一个比较单一、理想的环境中，归纳为编码和解码端的时钟配对问题和定时问题。TS流包头自适应区域6个字节PCR结构，如图1所示。其中PCR由33b的PCR_ Base和9b的PCR_ex以及预留6b组成。在编码端和解码端，通过计数来达到间接计时的目的，可以假设传输中所有参量的延迟都是一样的。PCR_Base是对编码器的27MHz系统时钟的300分频后的时钟计数值抽样，它的作用是在解码器切换节目时，提供对解码器PCR计数器的初始值，使PCR值与PTS、DTS尽可能地达到相同的时间起点。PCR_ex是计数器对编码器27MHz系统时钟的计数值，它的作用是通过解码端的锁相环电路修正解码的系统时钟，使其达到和编码一致的27MHz。解码的系统时钟经300分频后在解码PCR计数器的初始值的基础上继续计数，这样编码的PCR计数值就过渡到解码端了，而且由断续的抽样变成了连续的计数值，这就总能捕捉到和PTS、DTS数值相同的时刻。（ISO/IEC 13818-1，对PCR编码端，PTS、DTS的间隔规定为0.1s）。DTS是编码时定义的，在解码器中的预定解码时间。PTS是编码器定义的，为解码器规定某个单元的显示时间。一个单元解码后被显示，PCR计数器重新计数，开始下一个单元的工作。PCR的作用有两个：* 读取编码端PCR_Base的读数，作为自己的初始值；* 提取PCR_ex完成编码解码端的系统时钟的调整，达到严格的统一。这两个步骤完成后，则将随后的几个相同性质的TS包（通过PID来提取）的包头统统去掉，构成一个PES（音频或视频），通常一个视频PES包含一帧图像的编码数据和说明其性质的包头，音频PES包更短。从PES包头提取出DTS，PTS，与本地PCR（与编码端的PCR已略有区别，该PCR是第一个收到的TS包中的PCR，并经过标准时钟计数）比较来确定各自的排列次序，或解码或显示。二 独立时基PCR在节目交接时产生的影响首先我们来分析锁相环电路是如何同步解码器时钟的，见图2。在解码器中，一个压控振荡器（VCO）产生27MHz时钟信号，由它驱动本机PCR计数，将本机PCR计数的输出与来自传输包头的PCR进行比较，得到的差值即为PCR相位误差。PCR相位误差经滤波后去控制VCO,最终使本机的PCR与传输包头的PCR相同步。在切换节目开始时，由于每个节目PCR基点不一样，解码器需要时间重新进行锁定。系统时钟处于调整阶段，计数时钟不稳，导致计数不正确，