數(shù)字電視原理：第3章 多路復(fù)用

1、第3章 多路復(fù)用 3.1 節(jié)目復(fù)用 3.2 系統(tǒng)復(fù)用 3.3 數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù) 3.1 節(jié)目復(fù)用 3.1.1 PES包 MPEG-2的結(jié)構(gòu)可分為壓縮層和系統(tǒng)層。一路節(jié)目的視頻、 音頻及其它輔助數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字化后，通過壓縮層完成信源壓縮編碼， 分別形成視頻的基本流ES (Elementary Stream)、音頻的基本流和其它輔助數(shù)據(jù)的基本流。 緊接著， 系統(tǒng)層將不同的基本流分別加包頭打包（分組）為PES(Packetized ES， 打包基本流)包。 PES又稱為分組基本碼流。 PES包的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 圖3-1 PES包的結(jié)構(gòu) 3.1.2 TS包 為了進行多路數(shù)字節(jié)目流的復(fù)用和有效傳輸，又將

2、PES包作為負(fù)載分別插入傳送流TS(Transport Stream)包中。TS包固定為188 B，其包頭由固定的4 B和可選的可變長的調(diào)整字段組成， 如圖3-2所示。 圖3-2 TS的結(jié)構(gòu) TS包包頭共4 B，包頭后面就是需要傳送的有用信息（負(fù)載），包括音頻、視頻或數(shù)據(jù)信息， 通常是184 B長度。 有時在有用信息前插入一個調(diào)整字段(也稱為適應(yīng)頭、 自適應(yīng)域)，用于補充長度不完整的TS包，或放置節(jié)目參考時鐘PCR(Program Clock Reference)。PCR非常重要， 它以固定頻率插入包頭，表示編碼端的時鐘，并反映了編碼輸出碼率。解碼端根據(jù)PCR來調(diào)整解碼系統(tǒng)時鐘，以保證對節(jié)目的

3、正確解碼。 TS包包頭中的SyncByte有8 b，為同步字節(jié)。Ei為誤碼指示， 1 b。 Pusi為有效負(fù)荷單元起始指示，1 b。 Trp為傳輸優(yōu)先級，1 b。PID（Packet Identifier）為包標(biāo)識，用來標(biāo)識包的類型(如視頻、音頻、 節(jié)目特定信息PSI等)，共13 b。 Scr-flags是加擾標(biāo)識， 2 b。af為適配區(qū)域標(biāo)識，2 b。Cc為連續(xù)計數(shù)器，4 b。 各種PES包（視頻PES包、音頻PES包和其它輔助數(shù)據(jù)的PES包）按一定的比率復(fù)用后可形成一路節(jié)目的TS流， 如圖3-3所示。 針對不同的應(yīng)用環(huán)境(信道和存儲介質(zhì))， ISOIEC 13818-1規(guī)定了兩種系統(tǒng)編碼方

4、法：節(jié)目流PS(Program Stream)和傳送流TS(Transport Stream)。 PS是針對那些不容易發(fā)生錯誤的環(huán)境(如光盤存儲系統(tǒng)上的多媒體應(yīng)用)而設(shè)計的系統(tǒng)編碼方法，特別適合于軟件處理的環(huán)境。TS流是針對那些很容易發(fā)生錯誤(表現(xiàn)為位值錯誤或組丟失)的環(huán)境(如長距離網(wǎng)絡(luò)或無線廣播系統(tǒng)上的應(yīng)用)而設(shè)計的系統(tǒng)編碼方法。 圖3-3 MPEG-2中視頻流和音頻流的多路復(fù)用 3.1.3 節(jié)目特定信息 1. 幾種節(jié)目特定信息 (1) 節(jié)目關(guān)聯(lián)表PAT(Program Association Table)： 它給出每一個節(jié)目對應(yīng)的PMT的PID， 還給出NIT的PID， 本身的PID為0

5、x0000。 (2) 條件接收表CAT(Conditional Access Table)： 給出條件接收系統(tǒng)的有關(guān)信息, PID為0 x0001。 (3) 節(jié)目映射表PMT(Program Map Table)： 給出一個節(jié)目內(nèi)各種媒體流的PID及該節(jié)目的解碼時鐘PCR。 (4) 網(wǎng)絡(luò)信息表NIT(Network Information Table)： 給出物理傳輸網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)信息。 它有Actual和Other之分， 表示當(dāng)前值和其它值。 (5) 傳送流描述表TSDT（Transport Stream Description Table）： PID為0 x0002。 PSI信息以段(Sect

6、ion)為單位進行組織， 段可以作為負(fù)載插入TS包中，然后以一定的比率插入一路節(jié)目的TS流中， 形成完整的一路節(jié)目的TS流。 2. PSI和TS流的關(guān)系 圖3-4表示了4個PSI和TS流之間的基本關(guān)系。 每個TS流必須有一個完整有效的節(jié)目關(guān)聯(lián)表(PAT)， 節(jié)目關(guān)聯(lián)表中給出了節(jié)目號(Program Number)和此節(jié)目的節(jié)目映射表(PMT)位置(PMT-PID)之間的對應(yīng)關(guān)系。在映射為一個TS包之前， PAT可能被分為255個分段，每個分段包含有整個PAT的一部分。 這種分法在出錯時可使數(shù)據(jù)丟失最少，也就是包丟失或位錯誤可定位于更小的PAT分段， 這樣就允許其它分段被接收和正確解碼。 節(jié)目號

7、0規(guī)定用于網(wǎng)絡(luò)PID。 節(jié)目關(guān)聯(lián)表在傳送過程中不加密。 圖3-4 PSI和TS流的關(guān)系 3. PAT的結(jié)構(gòu) 整個PAT被分割為一個或多個分段，每個分段具有如圖3-5所示的結(jié)構(gòu)。分段的整體字頭為8 B長，由表格標(biāo)識符、 分段長度、 傳送流標(biāo)識符、 版本號、 當(dāng)前下次指示器、分段號和最后分段號組成。其可變字長的節(jié)目表清單由N個4 B長的節(jié)目項組成， 每個節(jié)目項由16 b的節(jié)目號和13 b PMT表的PID值組成。 最后是4 B長的CRC校驗。 圖3-5 PAT的結(jié)構(gòu) 表3-1 PAT分段語法結(jié)構(gòu) 3.1.4 業(yè)務(wù)信息 DVB還在TS流中定義了許多輔助信息，稱為業(yè)務(wù)信息SI(Service Info

8、rmation)， 以便于選擇節(jié)目，了解與節(jié)目相關(guān)的一些信息， 提供節(jié)目之間的相互關(guān)系以及攜帶特定的數(shù)據(jù)。DVB在MPEG-2的節(jié)目特定信息PSI的基礎(chǔ)上，補充規(guī)定了一系列SI表格， 并規(guī)定了一些表格的PID值。這些SI表格包括： (1) 業(yè)務(wù)描述表SDT(Service Description Table)：包含描述系統(tǒng)中業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)，例如業(yè)務(wù)名稱、業(yè)務(wù)提供者等。業(yè)務(wù)是節(jié)目的集合。 (2) 業(yè)務(wù)群關(guān)聯(lián)表BAT(Bouquet Association Table)： 提供了與業(yè)務(wù)群(業(yè)務(wù)的集合)相關(guān)的信息, 給出了業(yè)務(wù)群的名稱以及每個業(yè)務(wù)群中的業(yè)務(wù)列表， 是IRD(Integrated Rece

9、iver Decoder, 綜合接收解碼器)向觀眾顯示一些可獲得的業(yè)務(wù)的一個途徑。 (3) 事件信息表EIT(Event Information Table)： 包含了與事件或節(jié)目相關(guān)的數(shù)據(jù)， 例如事件名稱、 開始時間、 持續(xù)時間等， 分為present/following和schedule, 分別包含當(dāng)前事件和下一個事件的信息以及在一個較長時間段內(nèi)所安排的所有事件的信息。 節(jié)目是事件的集合。 (4) 運行狀態(tài)表RST(Running Status Table)： 給出事件的狀態(tài)(運行未運行)。 (5) 時間日期表TDT(Time and Date Table)： 給出了當(dāng)前時間和日期的信息，

10、 該信息是頻繁更新的。 (6) 時間偏移表TOT(Time Offset Table)： 給出了與當(dāng)前時間、 日期和本地時間的偏移相關(guān)的信息， 該信息是頻繁更新的。 (7) 填充表ST(Stuffing Table)。 (8) 選擇信息表SIT(Selection Information Table)： 僅用于碼流片段中, 包含描述該碼流片段的業(yè)務(wù)信息的概要數(shù)據(jù)。 (9) 間斷信息表DIT（Discontinuity Information Table）： 僅用于碼流片段中, 它將插入到碼流片段業(yè)務(wù)信息間斷的地方。 表3-2 業(yè)務(wù)信息中的PID分配 3.1.5 描述符 DVB在EN300 46

11、8業(yè)務(wù)信息標(biāo)準(zhǔn)中定義了各種描述符（descriptor）， 給出了描述符標(biāo)簽值（descriptor-tag）和描述符在SI表中最有可能出現(xiàn)的位置， 但并不表示在其它表中限制使用該描述符。 這些描述符提供有關(guān)流內(nèi)容、節(jié)目內(nèi)容、 FEC方案、 調(diào)制方式、傳送方式、 鏈接類型、時區(qū)、 語種等大量信息， 這些信息對系統(tǒng)運行、參數(shù)設(shè)定、確定接收機的工作狀態(tài)起了決定性的作用。 表3-3是描述符的可能位置表。 表3-3 描述符的可能位置表 表3-3 描述符的可能位置表 表3-3 描述符的可能位置表 表3-4 有線傳送系統(tǒng)描述符的語法結(jié)構(gòu) 3.1.6 節(jié)目復(fù)用器的構(gòu)成 將一路數(shù)字電視節(jié)目的視頻PES包、 音

12、頻PES包和其它輔助數(shù)據(jù)（包括一些增值業(yè)務(wù)）的PES包按一定的比率復(fù)用成一路節(jié)目的TS（或PS）流稱為節(jié)目復(fù)用。 圖3-6是節(jié)目復(fù)用器的硬件構(gòu)成方框圖。圖中，F(xiàn)IFO（First In First Out）是先進先出移位寄存器。 復(fù)用器啟動后，首先向前面的視頻、音頻編碼器發(fā)出系統(tǒng)編碼開始信號，同時發(fā)送27 MHz的系統(tǒng)時鐘，作為PES打包時PTS與DTS的時間標(biāo)記的計數(shù)時鐘。圖3-6 節(jié)目復(fù)用器的硬件構(gòu)成方框圖 3.2 系統(tǒng)復(fù)用 在實際的通信系統(tǒng)中，一路常規(guī)的模擬電視信道中可傳送多路數(shù)字電視節(jié)目， 在調(diào)制之前要將多路節(jié)目(可能具有不同的時基)的TS流進行再復(fù)用(Remultiplex)， 實現(xiàn)

13、節(jié)目間的動態(tài)帶寬分配， 提供各種增值業(yè)務(wù)，以適合傳輸?shù)男枰?。這種多路節(jié)目的復(fù)用常稱為系統(tǒng)復(fù)用或傳送復(fù)用。圖3-7是節(jié)目復(fù)用和系統(tǒng)復(fù)用的方框圖。系統(tǒng)復(fù)用時，最主要的工作是進行PSI信息的重構(gòu)和PCR修正。 圖3-7 節(jié)目復(fù)用和系統(tǒng)復(fù)用示意圖 3.2.1 PSI信息的重構(gòu) 編碼器輸出的TS流為單節(jié)目TS流(SPTS)； 而衛(wèi)星接收機解調(diào)輸出的TS流則為多節(jié)目TS流(MPTS)。在再復(fù)用的過程中， 通常需要從多個多節(jié)目TS流中各抽出一路或多路節(jié)目參與復(fù)用，復(fù)用生成的TS流仍然應(yīng)當(dāng)符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)層定義。整個再復(fù)用的過程實際上是一個節(jié)目特定信息分析、 解復(fù)用、 節(jié)目特定信息重組、 復(fù)用的過程

14、。 同時， 為了適應(yīng)傳輸碼率的需要， 再復(fù)用過程中還應(yīng)包含碼率調(diào)整、 PCR調(diào)整等過程。 PSI被分成節(jié)目關(guān)聯(lián)表、節(jié)目映射表、網(wǎng)絡(luò)信息表及條件接收表等，這些表中包含了進行多路解調(diào)和顯示程序的必要和足夠的信息。 每個表可以被分成一段或多段置于TS流中。 系統(tǒng)層解復(fù)用時首先要獲取節(jié)目關(guān)聯(lián)表PAT， 節(jié)目關(guān)聯(lián)表PAT的PID值為0 x0000， 找到PID0的TS包就能找到PAT表， PAT表中包含了該TS流中所有節(jié)目的一個清單。 通過PAT表，就可獲取該TS流中所包含的每個節(jié)目映射表PMT。 在每個節(jié)目的PMT表中，含有該節(jié)目的各個TS包的信息， 包括PID、TS包類型以及該節(jié)目含有效PCR字段T

15、S包的PID值。 經(jīng)過PAT及PMT表的設(shè)置， 就可完整描述TS流中各路節(jié)目以及每路節(jié)目中各TS包之間的關(guān)系。 條件接收表CAT只有當(dāng)TS流中有一個或幾個TS包被加擾時才出現(xiàn)。 每路TS流都有一個PAT和多個PMT， 但是最后合成的TS流中只有一個PAT和與之相對應(yīng)的多個PMT； 而且在不同的TS流中可能定義了相同的PID，例如，TS1的視頻TS包的PID有可能與TS2的音頻TS包的PID相同。所以，在對各路TS流進行復(fù)用時，首先必須提取出各節(jié)目中TS包的PID，常稱為TS包過濾； 然后重新標(biāo)識PID, 再對所有TS流中的PAT和PMT進行分析、 整理， 生成總的PAT和PMT， 作為合成TS

16、流的PSI； 最后將TS包交織后輸出。 3.2.2 節(jié)目時鐘參考PCR修正 PCR是編碼端系統(tǒng)時鐘的采樣值， 一般情況下， 一路節(jié)目只有一個PCR時間基點與之關(guān)聯(lián)。在PSI的PMT中，指出了每路節(jié)目中帶有PCR字段的TS包的PID值， 該PID值也稱為PCR PID。 時間標(biāo)簽一般以90 kHz為單位，但PCR可以達(dá)到27 MHz。 PCR時序信息是將系統(tǒng)時間頻率27 MHz的1300(27 MHz300=90 kHz)編成33位碼并加上9位(2830029)余數(shù)。PCR字段被編碼在TS包的調(diào)整字段中， 其中以系統(tǒng)時鐘頻率27 MHz 的1300(90 kHz)為單位的稱為PCR-base(見

17、公式(3-1)，另一個以系統(tǒng)時鐘27 MHz為單位的稱為PCR-ext(見公式(3-2)。 MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中用TS系統(tǒng)目標(biāo)解碼器(T-STD)這個概念來定義字節(jié)到達(dá)、解碼事件以及它們發(fā)生的時間。 數(shù)據(jù)從TS流進入T-STD的速率是一個分段常數(shù)，第i個字節(jié)在時間t(i)進入，這個字節(jié)進入T-STD的時間可以通過對輸入流的PCR的字段解碼而恢復(fù)，編碼在PCR(i)(公式(3-3)中的數(shù)據(jù)代表了t(i), i指包含PCR-base字段的最后一位的字節(jié)。 PCR-base(i)=系統(tǒng)時鐘頻率t(i)DIV300%233 (3-1)PCR-ext(i)=系統(tǒng)時鐘頻率t(i)DIV1%300 (3-2)

18、PCR(i)=PCR-base(i)300+PER-ext(i) 式中， DIV代表除，代表模除， a%b代表b除a后的余數(shù)。因此，PCR指示PCR-base的最后一個字節(jié)預(yù)定到達(dá)目標(biāo)解碼器的時間。 通過PCR值不但可以獲得正確的解碼時間，還可以計算傳送速率等與時間有關(guān)的指示。 PCR的正確傳送將直接關(guān)系到解碼端系統(tǒng)時鐘的恢復(fù)，進而影響音/視頻的同步回放。對于多路TS流的PCR修正，由于每路TS流都有各自的時鐘， 因此對每路時鐘都要進行PCR修正，以消除抖動。 根據(jù)PCB修正原理，由于從數(shù)據(jù)進入復(fù)用器至離開之間存在不確定的處理延遲(特別是對于多路節(jié)目的不同速率交織，更加劇了這種不確定性)， 因

19、此，比較簡單的通用做法是： 在原有PCR值基礎(chǔ)上加上該字段在復(fù)用器中的等待延遲t即可。 但此時還存在一個必須考慮的問題，即時鐘起始時間尚未統(tǒng)一。若如上面所述，每個PCR在原有基礎(chǔ)上再加上其延遲t， 則在解碼端恢復(fù)的系統(tǒng)時鐘值實際上未考慮這段延遲，如果把所有延遲后的PCR減去tconst，即可達(dá)到恢復(fù)相同時間起點的目的。其中, tconst是任選的一個t，在選擇點處修正值為0。這是因為只要有一個PCR考慮到這段延遲，不進行修正，其余的PCR均在此基礎(chǔ)上進行相對不定延遲的修正，這就使得復(fù)用時不修正的PTS和DTS相對于PCR來說恢復(fù)了統(tǒng)一的時間起點。 最后得到每個PCR的修正值為 PCRPCRt-

20、tconstt=Tsys-out-Tsys-in 3.3 數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù) 3.3.1 數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)的加入方式 一種方法是從節(jié)目復(fù)用中加入，即在一路正常的電視信號中，在節(jié)目復(fù)用時加入一些數(shù)據(jù)，與音頻、視頻PES一起形成TS流， 在電視系統(tǒng)中傳輸。 接收端再把附加的數(shù)據(jù)從電視數(shù)據(jù)中分離出來。這種方法的特點是方便簡單，不需要專門的信道， 只要在收、發(fā)端的復(fù)用和解復(fù)用中作相應(yīng)的改動就行。它的缺點是數(shù)據(jù)量不能太大， 否則會影響數(shù)字電視節(jié)目的傳輸。此方法適合于數(shù)據(jù)量相對較少， 實時性要求也不高的場合。 如天氣預(yù)報廣播、 商品信息廣告、股市行情等。 另一種方法就是從系統(tǒng)復(fù)用中加入。當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大時， 如進行遠(yuǎn)

21、程教學(xué)、 圖文新聞廣播、數(shù)據(jù)廣播等時， 可以開辟一個專門的TS流， 它與其它數(shù)字電視節(jié)目TS流無關(guān)。 3.3.2 MPEG-2對數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)的支持 (1) 在MPEG-2的TS流中， 所有數(shù)據(jù)都被打成固定長度的包， 并且規(guī)定了13位長的PID以區(qū)別攜帶不同數(shù)據(jù)的TS包。支持?jǐn)?shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)的第一種方式就是為數(shù)據(jù)分配專用的PID，把要廣播的數(shù)據(jù)直接放在TS包的凈荷（信息負(fù)載）里。MPEG-2的各種PSI表的廣播就是通過這種方式來實現(xiàn)的。 (2) 在MPEG-2的PMT中規(guī)定了8位的stream-type域， stream-type指出了基本流的類型。同時在PES包的結(jié)構(gòu)中，規(guī)定了8位的stream-

22、id域，描述的也是基本流的類型。在stream-type和stream-id的分配表中可以看到， 除了為用戶保留的區(qū)域以外， 還直接為數(shù)據(jù)廣播分配了一些值，例如stream-type等于8、 1013表示基本流攜帶的是DSM-CC 規(guī)定的數(shù)據(jù)等。這就使得把要廣播的數(shù)據(jù)組織成基本流成為可能。 (3) MPEG-2中的節(jié)目特定信息(PSI)表是按段(section)傳輸?shù)?，在段的語法結(jié)構(gòu)中，第一個域是8位的table-id， 它最多可以區(qū)別256個表。數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)信息規(guī)范（GY/Z174-2001）中規(guī)定了table-id值的分配，見表3-4。表中定義的值很少， 其它值可由用戶自己定義。 (4

23、) MPEG-2為支持多媒體應(yīng)用制定了數(shù)字存儲媒體命令和控制擴展協(xié)議DSM-CC(Digital Storage Media Command and Control)， 該協(xié)議包括了對數(shù)據(jù)廣播的支持。 表3-4 表標(biāo)識符table-id值的分配 3.3.3 DVB對數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)的支持 DVB在MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定義了一系列將數(shù)據(jù)封裝到MPEG-2的TS流中去的方法，這些方法可以認(rèn)為是對MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的一種擴充。 如多協(xié)議封裝方式用于兩個有不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的連接，提供對多個接收機進行地址編碼的能力和對任意大小包的分段和還原能力；數(shù)據(jù)循環(huán)方式(Data Carousel Method)用于任意

24、結(jié)構(gòu)文件的有效下載等。 DVB為數(shù)據(jù)廣播定義了如下7種數(shù)據(jù)廣播方式： (1) 數(shù)據(jù)管道(Data Piping)。 (2) 異步數(shù)據(jù)流(Asynchronous Data Stream)。 (3) 同步數(shù)據(jù)流(Synchronous Data Stream)。 (4) 被同步數(shù)據(jù)流(Synchronized Data Stream)。 (5) 多協(xié)議封裝(Multiprotocol Encapsulation)。 (6) 數(shù)據(jù)循環(huán)(Data Carousel)。 (7) 對象循環(huán)(Object Carousel)。 表3-5 7種數(shù)據(jù)廣播方式對應(yīng)的參數(shù)值 3.3.4 電子節(jié)目指南 1. EPG

25、需要的信息在SI中 創(chuàng)建所需的數(shù)據(jù)是在DVB-SI（DVB系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息規(guī)范ETS300 468）中定義的，但是DVB沒有規(guī)定EPG系統(tǒng)的實現(xiàn)。 業(yè)務(wù)信息SI的各種表提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)信息， 如SDT可以提供特定業(yè)務(wù)的描述信息，NIT可以提供服務(wù)傳輸?shù)脑季W(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前傳輸網(wǎng)絡(luò)的一些物理參數(shù)等信息。 業(yè)務(wù)信息表被分成一個或多個段在MPEG-2中的TS流中傳輸， 在段中包含很多描述符，大部分的業(yè)務(wù)信息都是在描述符中傳輸?shù)摹?EPG應(yīng)包含節(jié)目單和當(dāng)前節(jié)目播放兩項基本功能，還可以包含節(jié)目附加信息、 節(jié)目分類、 節(jié)目預(yù)訂、 家長分級控制等高級功能。 2 . EPG系統(tǒng)的構(gòu)成 接收機中的EPG系統(tǒng)進行SI數(shù)據(jù)的接收和解析，形成SI數(shù)據(jù)庫，顯示EPG界面。從接收的TS流中解析出SI數(shù)據(jù)， 并在機內(nèi)RAM中建立SI數(shù)據(jù)庫， 用戶通過EPG界面與SI數(shù)據(jù)庫進行交互。 為了方便用戶的隨機接入，SI數(shù)據(jù)是重復(fù)發(fā)送的， 因此接收機不停地接收、 解析來自發(fā)送端的SI數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)端的SI數(shù)據(jù)改變時