傳輸流的碼流分析

1、MPEG-2傳輸流的碼流分析0 引 言目前，我國數(shù)字電視的信道傳輸?shù)娜N主要傳輸方式都有了統(tǒng)一明確的國家標(biāo)準(zhǔn)。其主要差別是信道編碼、調(diào)制方法，但視頻和音頻信源處理和系統(tǒng)層復(fù)用都是以MPEG-2為基礎(chǔ)的編碼方案。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)自制定以來，已經(jīng)成為數(shù)字電視領(lǐng)域中系統(tǒng)層的普遍標(biāo)準(zhǔn)。能夠熟悉MPEG-2傳輸流碼流語法結(jié)構(gòu)，并運用分析工具對系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)的檢測分析，為快速確認(rèn)系統(tǒng)故障，從而排除故障保證系統(tǒng)正常運行，對于廣大工程技術(shù)人員十分必要。本文介紹MPEG-2傳輸流的語法結(jié)構(gòu)及復(fù)用，及ETR290標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳輸碼流3級錯誤檢測參數(shù)，同時結(jié)合碼流分析軟件對MPEG-2傳輸流的語法結(jié)構(gòu)作一離線分析。1M

2、PEG-2傳輸流的形成及復(fù)用：MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)定義了一個節(jié)目中的各部分(如視頻、音頻和控制數(shù)據(jù)等)的格式，它也定義了各部分如何形成傳輸碼流，即TS流，這一過程稱為復(fù)用。MPEG-2規(guī)定了兩種復(fù)用形式，即MPEG-2節(jié)目流(PS)和MPEG 傳輸流(TS)。Video ESAudio ES 圖1 MPEG-2 系統(tǒng)層編碼復(fù)用示意圖如圖1 所示：原始的視音頻數(shù)據(jù)流經(jīng)編碼器編碼輸出壓縮后的基本碼流ES，它含有解碼器所必需的、用于恢復(fù)原始視音頻的信息?；敬a流ES分解打包成PES數(shù)據(jù)包,每個PES包在復(fù)用的過程中被分成固定長度的傳輸流包(TS Packet)。傳輸流被設(shè)計用于在有噪聲發(fā)生的存儲或傳輸?shù)?/p>

3、環(huán)境中，如在DVB廣播的傳輸鏈路中。2 MPEG -2 傳輸流的語法結(jié)構(gòu)：在進(jìn)行MPEG-2傳輸流的碼流分析之前，我們有必要了解MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的傳輸流的語法結(jié)構(gòu)。2.1 MPEG-2傳輸流的包結(jié)構(gòu)每個傳輸流中包含一系列固定長度為188 Bytes的傳輸流包(簡稱為TS包)，每個TS包由4 Bytes長的包頭和其后的184 Bytes的載荷組成，如圖2所示。在4 Bytes包頭中含有以下重要信息：以固定值0x47開始的8bit字段的同步頭，其后是幾個重要的標(biāo)志，如“傳輸錯誤指示”、“有效負(fù)載起始標(biāo)志”、“傳送優(yōu)先指示”、“PID(Packet identifier)”、 “調(diào)整字段控制”

4、等。“PID”是13bit的代碼，是用于區(qū)分不同類型的傳輸流包(如視頻/音頻)的重要參數(shù)，不同節(jié)目的視音頻傳輸包在復(fù)用后的MPEG-2傳輸流中用唯一的PID代碼標(biāo)識。 圖2 TS包語法結(jié)構(gòu)示意圖TS流在某些情況下可能需要更多的包頭信息，這時就要設(shè)置“調(diào)整區(qū)字段控制字段”來指示包頭比特數(shù)要多于4 Bytes。圖2表示當(dāng)出現(xiàn)上述情形時，通過調(diào)整區(qū)字段長度碼來指示附加的包頭長度。這時調(diào)整區(qū)字段就緊跟包頭，而有效載荷會少于184Bytes以維持恒定的TS包長度。調(diào)整區(qū)字段中重要的一個碼字是PCR碼字，用于解碼器的系統(tǒng)時鐘恢復(fù)。2.2 MPEG-2 傳輸流的結(jié)構(gòu)按MPEG-2傳輸流中復(fù)用的節(jié)目數(shù)量，可分

5、為單節(jié)目傳輸流（SPTS）和多節(jié)目傳輸流（MPTS）。實際在DVB鏈路中傳輸?shù)亩鄶?shù)情況下，多個SPTS被復(fù)用為一個多節(jié)目傳輸流(MPTS)。用戶在收看節(jié)目時，接收機(jī)要在TS流中找到該節(jié)目對應(yīng)PID的TS包。為了幫助用戶確定某個PID的TS包所對應(yīng)的節(jié)目，在MPEG-2 TS流中除傳送視音頻PES數(shù)據(jù)外，還需要傳輸一套表信息(PSI ),它們中攜帶了對TS流中構(gòu)成每個節(jié)目的ES碼流的描述，它們在MPEG-2中稱為節(jié)目專用信息(PSI)，包含以下四種信息表。PAT：節(jié)目相關(guān)表，列出TS流中描述每個節(jié)目(Service)的PMT表的PID值，PAT的PID值固定為0x00。CAT：條件接收表，如果節(jié)

6、目被加擾，可以通過它定義與加擾碼流有關(guān)的授權(quán)控制信息(ECM)和授權(quán)管理信息(EMM)的PID值，CAT的PID值總是0x01。PMT：節(jié)目映射表，定義了與一個節(jié)目相關(guān)視音頻碼流和其他信息TS包的PID的值。NIT：網(wǎng)絡(luò)信息表，包含了傳輸MPEG復(fù)用TS流的網(wǎng)絡(luò)信息，包括載波頻率等，NIT的PID值總是0x10。圖3列出了一條SPTS的碼流結(jié)構(gòu)： 視頻TS包 音頻TS包 PAT表 PMT表 其他表圖3 PTS的碼流結(jié)構(gòu)每個PSI表分成一個或多個段(Section)來傳輸，段的長度可變，每個段由一個CRC校驗字來確認(rèn)所傳輸?shù)谋淼耐暾?。PSI表在其所在的TS碼流中按一定周期重復(fù)傳輸。為了解復(fù)用一

7、個PES包需要的PID，接收機(jī)需要先搜索PAT表，它列出了復(fù)用的TS流中所有的節(jié)目，并從中得到PMT的PID。而PMT表列出了與每個節(jié)目相關(guān)的PID信息，每個節(jié)目對應(yīng)一個PMT表。此外，DVB還額外增加了其它的描述節(jié)目信息的表(SI)。2.3 MPEG-2 傳輸流錯誤監(jiān)測根據(jù)對MPEG-2和DVB標(biāo)準(zhǔn)以及ETR290標(biāo)準(zhǔn)的研究，將DVBMPEG-2 TS碼流的錯誤指示分為3個等級：第一等級是正確解碼所必需的幾個參數(shù)；第二等級是達(dá)到同步后連續(xù)工作所必需的參數(shù)和需要周期監(jiān)測的參數(shù)；第三等級是依賴于應(yīng)用的幾個參數(shù)，差錯優(yōu)先級分類如下：     

8、60; 第一優(yōu)先級導(dǎo)致無法解碼的差錯（共6個）：傳輸碼流同步丟失（TS sync loss）；同步字節(jié)錯誤（Sync byte error）；節(jié)目相關(guān)表錯誤（PAT error）；節(jié)目映射表錯誤（PMT error）；連續(xù)計數(shù)錯誤（Continuity count error）；PID 錯誤（PID error）。   第二優(yōu)先級對解碼損傷性差錯（共6個）：傳送包錯誤（Transport error）；節(jié)目時鐘參考錯誤（PCR error）；節(jié)目時鐘參考精度錯誤(PCR accuracy error)；循環(huán)冗余檢測錯誤（CRC error）；PTS錯誤(PTS error)；條件接收

9、表錯誤（CAT error）。       第三優(yōu)先級不影響可解碼性差錯（共10個）：NIT錯誤（NIT error）；SI重復(fù)錯誤（SI repetition error）；緩沖器錯誤（Buffer error）；未引用PID錯誤（Unreferenced PID）；SDT錯誤（SDT error）；EIT錯誤（EIT error）； RST錯誤（RST error）；TDT錯誤（TDT error）；空閑緩沖器錯誤（Empty buffer error）；數(shù)據(jù)延遲錯誤（Data delay error）。錯誤監(jiān)測參數(shù)的具體含義可參

10、見相關(guān)文章，本文不作詳細(xì)說明。3使用軟件離線分析TS流的結(jié)構(gòu)：使用碼流分析儀對MPEG-2傳送流分析是我們理解其語法結(jié)構(gòu)的很好的入門工具。碼流分析既可以對碼流進(jìn)行實時分析，快速排查系統(tǒng)問題點，也可以將部分碼流保存成文件，進(jìn)行離線分析。下我們結(jié)合分析軟件transport stream analyzer(TSR)對一段錄制的TS碼流進(jìn)行離線分析。通過軟件打開錄制的TS流文件，如圖4所示：圖4 TSR碼流分析軟件界面圖示左側(cè)為按樹形目錄顯示TS流基本結(jié)構(gòu)信息，圖中在TS流文件名稱下展出兩個子目錄，我們可分別按Programs和Packets兩種方式分析該段TS流的數(shù)據(jù)，Programs目錄下列出了

11、TS流中所傳輸?shù)娜抗?jié)目，可以看到，圖4中的TS流共有兩個節(jié)目，將節(jié)目再展開，可以顯示每個節(jié)目的視音頻信息，如PID值，右鍵單擊視頻或音頻信息，在彈出菜單中可以選擇查看視音頻TS包中的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容，在軟件界面的右側(cè)窗口中顯示。Packet目錄下我們還可以按PID了解復(fù)用在TS流中傳輸?shù)乃蠺S包的信息，包括PSI表以及與加密系統(tǒng)相關(guān)的ECM、EMM信息；右擊任一PID條目同樣可以在彈出菜單中選擇查看相應(yīng)PID的TS包中的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)內(nèi)容。我們選擇program 1中PID為0x101的視頻碼流的TS包分析。在右側(cè)的窗口中，我們可以看到這段TS碼流中共有34164個PID為0x101的TS包，我

12、們選擇第77個包，窗口上部是TS包頭中重要信息的摘要，窗口下部是該TS包中完整的188字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。圖中第零字節(jié)(0x47)到第三個字節(jié)(0xb0)是這個TS包的4Bytes長的包頭，字節(jié)0x47為TS包的同步字節(jié)；隨后是三個指示符，每個長度為1bit，第一位是傳輸錯誤指示符，0表示沒有錯誤；第二位為載荷單元起始指示符為0，表示這個TS包不含有該視頻PES包的起始數(shù)據(jù)；第三位傳輸優(yōu)先級指示符為0；隨后的13bit長的TS包的PID值，圖4中PID值為0x101，為該TS流中節(jié)目1的視頻碼流的PID值；圖4中調(diào)整區(qū)控制碼字值為11，表示該TS包中既有調(diào)整區(qū)又有載荷數(shù)據(jù)。第四字節(jié)0x07到第11

13、字節(jié)0x03便是為調(diào)整區(qū)字段，0x07是調(diào)整長度字段的數(shù)值，表示該字段后的調(diào)整區(qū)共有7個字節(jié)長，第五字節(jié)0x10表示調(diào)整區(qū)中含有節(jié)目時鐘參考字段(PCR)，共占有6個字節(jié)，PCR以兩部分字段構(gòu)成，分別是PCR_base和PCR_extension字段。緊隨調(diào)整區(qū)PCR字段的字節(jié)0x41開始到TS包的最后一個字節(jié)0xb5是TS包的載荷字段，圖中載荷字段攜帶著視頻PES碼流的數(shù)據(jù)內(nèi)容。4數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)前端中的測試點的選擇碼流分析儀是檢測壓縮后的數(shù)字電視信號質(zhì)量優(yōu)劣的“眼睛”，掌握碼流分析儀的相關(guān)技術(shù)對有線數(shù)字電視系統(tǒng)的維護(hù)和故障的排查具有重要的意義。圖5是一典型的數(shù)字電視節(jié)目平臺傳送系統(tǒng)框圖，在

14、系統(tǒng)中MPEG-2 TS流沿箭頭所示方向傳輸，在系統(tǒng)前端調(diào)試、排除故障時時，比較簡單的方法是自上到下逐級測試。圖中、是TS流的主要測試點?？梢詼y試編碼器輸出的碼流或其他的傳輸媒介接收的碼流的具體技術(shù)參數(shù)，驗證碼流的參數(shù)值與設(shè)定的參數(shù)是否一致，測試點、可以分別對復(fù)用器輸出后的“清流”和加擾后的TS流分析。在實際測試時，常常需要配合調(diào)制器和IRD/STB模擬接收端設(shè)備進(jìn)行終端信號接收的測試，有條件還可以將測試碼流納入小型有線局域網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸和接收的測試。在、處測試信號終端的碼流。在比較龐大復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)過設(shè)備較多的網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)某接點發(fā)生故障時要快速找到故障點則必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，排除分割檢查。5結(jié)束語數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，端到端傳輸鏈路的大部分環(huán)節(jié)都是MPEG-2傳輸流為載體完成的，學(xué)習(xí)和掌握實用的碼流分析技術(shù)對系統(tǒng)運營具有重要作用，快速準(zhǔn)確的碼流檢測是系統(tǒng)質(zhì)量和安全播出的技術(shù)