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(guó)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(guó)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(lái)，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(yǔ)法結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用分析工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)的檢測(cè)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(yùn)行，對(duì)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(yǔ)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(jí)錯(cuò)誤檢測(cè)參數(shù)，同時(shí)結(jié)合碼流分析軟件對(duì)MPEG-2傳輸流的語(yǔ)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(gè)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(guò)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(gè)PES包在復(fù)用的過(guò)程中被分成固定長(zhǎng)度的傳輸流包(TS Packet)。傳輸流被設(shè)計(jì)用于在有噪聲發(fā)生的存儲(chǔ)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(yǔ)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(yǔ)法結(jié)構(gòu)。2.1 MPEG-2傳輸流的包結(jié)構(gòu)每個(gè)傳輸流中包含一系列固定長(zhǎng)度為188 Bytes的傳輸流包(簡(jiǎn)稱為T(mén)S包)，每個(gè)TS包由4 Bytes長(zhǎng)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(kāi)始的8bit字段的同步頭，其后是幾個(gè)重要的標(biāo)志，如“傳輸錯(cuò)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(shí)。 圖2 TS包語(yǔ)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(shí)就要設(shè)置“調(diào)整區(qū)字段控制字段”來(lái)指示包頭比特?cái)?shù)要多于4 Bytes。圖2表示當(dāng)出現(xiàn)上述情形時(shí)，通過(guò)調(diào)整區(qū)字段長(zhǎng)度碼來(lái)指示附加的包頭長(zhǎng)度。這時(shí)調(diào)整區(qū)字段就緊跟包頭，而有效載荷會(huì)少于184Bytes以維持恒定的TS包長(zhǎng)度。調(diào)整區(qū)字段中重要的一個(gè)碼字是PCR碼字，用于解碼器的系統(tǒng)時(shí)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(shí)際在DVB鏈路中傳輸?shù)亩鄶?shù)情況下，多個(gè)SPTS被復(fù)用為一個(gè)多節(jié)目傳輸流(MPTS)。用戶在收看節(jié)目時(shí)，接收機(jī)要在TS流中找到該節(jié)目對(duì)應(yīng)PID的TS包。為了幫助用戶確定某個(gè)PID的TS包所對(duì)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(duì)TS流中構(gòu)成每個(gè)節(jié)目的ES碼流的描述，它們?cè)贛PEG-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(gè)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(guò)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(gè)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(gè)PSI表分成一個(gè)或多個(gè)段(Section)來(lái)傳輸，段的長(zhǎng)度可變，每個(gè)段由一個(gè)CRC校驗(yàn)字來(lái)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(gè)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(gè)節(jié)目相關(guān)的PID信息，每個(gè)節(jié)目對(duì)應(yīng)一個(gè)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(cuò)誤監(jiān)測(cè)根據(jù)對(duì)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(cuò)誤指示分為3個(gè)等級(jí)：第一等級(jí)是正確解碼所必需的幾個(gè)參數(shù)；第二等級(jí)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(cè)的參數(shù)；第三等級(jí)是依賴于應(yīng)用的幾個(gè)參數(shù)，差錯(cuò)優(yōu)先級(jí)分類如下：     

8、60; 第一優(yōu)先級(jí)導(dǎo)致無(wú)法解碼的差錯(cuò)（共6個(gè)）：傳輸碼流同步丟失（TS sync loss）；同步字節(jié)錯(cuò)誤（Sync byte error）；節(jié)目相關(guān)表錯(cuò)誤（PAT error）；節(jié)目映射表錯(cuò)誤（PMT error）；連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤（Continuity count error）；PID 錯(cuò)誤（PID error）。   第二優(yōu)先級(jí)對(duì)解碼損傷性差錯(cuò)（共6個(gè)）：傳送包錯(cuò)誤（Transport error）；節(jié)目時(shí)鐘參考錯(cuò)誤（PCR error）；節(jié)目時(shí)鐘參考精度錯(cuò)誤(PCR accuracy error)；循環(huán)冗余檢測(cè)錯(cuò)誤（CRC error）；PTS錯(cuò)誤(PTS error)；條件接收

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

10、見(jiàn)相關(guān)文章，本文不作詳細(xì)說(shuō)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(duì)MPEG-2傳送流分析是我們理解其語(yǔ)法結(jié)構(gòu)的很好的入門(mén)工具。碼流分析既可以對(duì)碼流進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，快速排查系統(tǒng)問(wèn)題點(diǎn)，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(duì)一段錄制的TS碼流進(jìn)行離線分析。通過(guò)軟件打開(kāi)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(shù)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(gè)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(gè)節(jié)目，將節(jié)目再展開(kāi)，可以顯示每個(gè)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(gè)PID為0x101的TS包，我

12、們選擇第77個(gè)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(gè)字節(jié)(0xb0)是這個(gè)TS包的4Bytes長(zhǎng)的包頭，字節(jié)0x47為T(mén)S包的同步字節(jié)；隨后是三個(gè)指示符，每個(gè)長(zhǎng)度為1bit，第一位是傳輸錯(cuò)誤指示符，0表示沒(méi)有錯(cuò)誤；第二位為載荷單元起始指示符為0，表示這個(gè)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(jí)指示符為0；隨后的13bit長(zhǎng)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(zhǎng)度字段的數(shù)值，表示該字段后的調(diào)整區(qū)共有7個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，第五字節(jié)0x10表示調(diào)整區(qū)中含有節(jié)目時(shí)鐘參考字段(PCR)，共占有6個(gè)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(kāi)始到TS包的最后一個(gè)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(cè)試點(diǎn)的選擇碼流分析儀是檢測(cè)壓縮后的數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的“眼睛”，掌握碼流分析儀的相關(guān)技術(shù)對(duì)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(tái)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(shí)時(shí)，比較簡(jiǎn)單的方法是自上到下逐級(jí)測(cè)試。圖中、是TS流的主要測(cè)試點(diǎn)?？梢詼y(cè)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(yàn)證碼流的參數(shù)值與設(shè)定的參數(shù)是否一致，測(cè)試點(diǎn)、可以分別對(duì)復(fù)用器輸出后的“清流”和加擾后的TS流分析。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，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(hào)接收的測(cè)試，有條件還可以將測(cè)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(cè)試。在、處測(cè)試信號(hào)終端的碼流。在比較龐大復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)過(guò)設(shè)備較多的網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)某接點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)要快速找到故障點(diǎn)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(yǔ)數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)用的碼流分析技術(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)具有重要作用，快速準(zhǔn)確的碼流檢測(cè)是系統(tǒng)質(zhì)量和安全播出的技術(shù)