1．引言TPF FPT

   數字圖像通信的最廣泛也是最常見的應用就是數字電視廣播系統[1]，與此對應的DVB標準的建立更是加速了數字電視廣播系統的大規模應用。DVB標準選定ISO JIEC MPEG-2標準作為音頻及視頻的編碼壓縮方式，信源編碼進行了統一，隨后對MPEG-2碼流進行打包形成TS流(transport stream)，進行多個傳輸流復用，最后通過衛星、有線電視等不同媒介傳輸方式進行傳輸。

   對多個傳輸流進行復用的意義在于復用后的傳輸流只占用一個物理的傳輸信道，傳輸流中的每個節目所占用的是傳輸流提供的虛擬信道。在解碼器端，只需要一套固定的接收設備，對不同節目的選擇只是在傳輸流中選擇不同的原始碼流，這大大簡化了接收機的實現，節省了成本，提高了靈活性，而且根據該標準定義，解碼器的系統時鐘與調制解調器的時鐘是完全獨立的。這使得在實現這兩個子系統彼此功能時是完全分開的，因此接口變得很簡單。

   在數字電視節目制作及發送時，對多路節目的復用，由于一般的計算機很難處理幾十兆到幾百兆碼率的碼流，所以，目前大部分的復用器都是用硬件實現的，但其價格昂貴[2,3]。然而，隨著計算機速度越來越快，在多CPU的服務器上，完全能夠實現多路節目的實時軟件復用。與硬件復用相比，軟件復用具有靈活性高，開發成本低的優點。在軟件復用實現方案中，服務器從衛星電視或其它片源中實時采集TS流，經過分析和過濾將所選擇的基本流復用成一路TS流，然后通過普通的TS流播出卡發送出去。論文分析多路TS流復用原理，針對TS流中的信息提取和節目專用信息PSI (program specific information)合成，及軟件復用中的節目時鐘參考PCR ( program clock reference)的修正等問題進行研究，提出了進行軟件復用的具體方法，最后在Windows平臺上設計并實現多路TS流的軟件復用。

2．TS流的系統級復用

   數字電視節目的復用包括兩個階段，對音/視頻PES包的節目復用和對TS流的系統復用[4]。本文研究第二個階段即TS系統級復用，將多個單路的TS流合成一個多節目TS流。數字電視系統級復用是數字電視系統的關鍵技術之一，其中數字電視節目專用信息PSI的提取和重構及系統層節目時間參考PCR值的修正，是復用器的兩項關鍵技術。



   基于MPEG-2的TS流多路數字電視節目TS流系統級復用原理如圖1所示。當多路TS流復用成一路TS流時，首先將對各路TS流的PSI進行搜集并分析其碼流，得到各路TS碼流中相應的視頻、音頻、數據信息的碼率、對各路節目的包標識PID, 數字電視節目專用信息PSI，節目時間參考PCR等信息進行處理，丟棄各路原有的PSI信息。當出現兩路TS流中的PID發生沖突時，需要修改一路或者多路TS流中某一數據流的PID(即復用器需要對修改了PID的視頻/音頻包或其他數據包進行PID更新)。可以看到，無論是否出現PID沖突，復用器都需要重構PSI信息，其濾波的處理過程如圖2所示。對不同節目的PID值進行修改后，與本地產生的這類數據重新整合為復用后新的PSI等系統級控制信息，同時插入符合DVB-SI規范的業務信息，并在攜帶有調整字段的TS包中，判斷帶有PCR標志位字段的值，如果該值為“1”，那么在該TS流離開復用器的時刻，需要對TS包中的PCR值做相應的修正或重新插入新的節目時鐘參考，具體方法將在后面詳細介紹。




3．TS流節目專用信息的提取與重構

   數字電視節目專用信息PSI描述TS流的組成結構，在MPEG-2系統層中極為重要，一個有多路節目和私有數據的TS流，需要PSI信息將每一路節目的音視頻對應起來[5]。PSI信息將TS流中的內容描述成一個樹狀的結構，如圖3所示。在TS流中可以復用多個節目，每個節目又可以包含多個基本碼流(通常是單個視頻流、多個音頻流)。DVB系統沿用MPEG-2的節目專用信息PSI來確定傳輸的節目和包標識PID的關系以及節目的組成結構等情況。PSI主要包括以下四個表:節目關聯表(PAT: Program Association Table)、條件訪問表(CAT: Conditional Access Table)、節目映射表(PMT: Program Map Table)、網絡信息表NIT: Network Information Table)，本文需要涉及到節目關聯表PAT和節目映射表PMT。

  由于TS流復用后的相關聯內容發生了變化，因此要對PSI信息進行處理。PSI信息的處理包括PAT和PMT表的替換，PID的重映射，還有就是連續計數器的修改，雖然這不算PSI信息，但是這部分工作與PSI信息修改關系很密切，同時在實際的實現過程中可以同時完成。

  復用后的流中有多路節目，原來每一路節目中的PAT和PMT都只有自身的內容，為此需要將PAT和PMT替換。首先根據輸入流的數目和預占的頻道號，在一開始動態生成PAT表，PMT表則在最初計算好，生成靜態的PMT對應替換即可,同時根據每個PMT_PID找到實現計算好的PMT表，將其中的視音頻PID找到，作為將要替換的視音頻PID。之所以在一開始生成或者直接使用靜態表是因為PAT和PMT有32位CRC，無法完成實時計算。



  PMT表替換后，每一路流中原有的視音頻幀的PID應與其對應替換的PMT表中的視音頻PID保持一致，即需要進行PID重映射。  在傳輸流處理過程中，先分析每一個讀入的TS幀，根據PID的不同，選擇替換的內容，如果是PAT和PMT表，則整個TS幀替換，如果是視音頻幀，則只替換PID，替換之后，應該對連續計數器加一。

  需要注意的是，單路傳輸流的構成并不一樣，有的傳輸流是一路音頻一路視頻，有的是一路視頻兩路音頻；有的PCR的PID與視頻的PID相同，有的則不同。所以，應該為每一種情況都準備一張PMT表，在新素材到來時，根據分析出來的PSI信息的情況，決定選用那一張PMT表。這樣作雖然要創建很多靜態表，增加了系統內存的占用，但是卻能使程序簡單化，易于實現，同時不用隨時計算32位的CRC，提高了程序的穩定性。在素材文件切換時，如果PMT表需要發生變化，需要修改PMT表的版本號。

  每一路流都有PAT，假使復用的路數為n，如果每一路的PAT都去替換，就會使得PAT表發送頻率提升為原來的n倍。MPEG-2規定，PSI信息傳送的頻率每秒不低于25次，協議中只規定了下限，沒有規定上限，雖然每一路都替換，并不違背協議，但是很多復用器和解碼器在PSI信息過多的時候就會工作不正常，這是因為PSI信息的32位CRC校驗很耗時，所以通常只替換其中一路的PAT，其余的都用空包代替。PSI信息合成具體流程如圖4所示。



4．TS流的節目時鐘參考值修正

  在MPEG-2編碼器中有一個系統時鐘，該系統時鐘用來生成一個共同的時序以便音頻/視頻能夠正確地解碼與播放，同時可以用來指示在采樣瞬間系統時鐘的瞬時值[6]。正是由于編碼器中有共同的系統時鐘，解碼器中的時鐘可以根據節目時鐘參考（PCR）重新恢復，并通過時間標記的正確使用為解碼器中操作的正確同步提供基準。

  時鐘處理和碼率有很大的相關性，某個時間段的碼率就是這段時間的數據量與時鐘差值的比。為了防止在碼率出現波動的時PCR時鐘差值越界，導致解碼器不能正常工作，復用后輸出碼率應該比所有單路節目的總碼率稍大。在實際中，如果真的出現這種情況，為了避免所有節目不能正常播放，本文采取的方法是停掉其中某一路，這樣降低輸出總碼率中的有效碼率，保證其他節目正常播放。在這里需要說明的是，MPEG-2中TS流有兩種，一種是恒碼率流，一種是變碼率流，本文研究的復用是針對恒碼率流的復用。

  根據MPEG-2標準，TS流中的PCR字段長度為48b, PCR也是另外一種時間標記，是編碼器27MHz時基的42b采樣值，解碼器利用它來恢復系統時鐘并進行恰當的解碼操作，它有兩個部分組成：一部分以本地參考時鐘的1/300 (90kHz)為單位，稱為program_clock_reference_base，為33b字段；另外一部分稱為program_clock_reference_extension，是以本地參考時鐘(27MHz)為單位的9b字段。
 (1)  

(2)

(3)

  其中sysclkfre為系統時鐘27MHZ。PCR的單位是1 /27M秒，分為兩部分表示。實際編程中，當得到一個新的PCR值，用式(1)和式 (2) 得到PCR_base ( 33bit) 和PCR_ext ( 9bit)兩部分，填入TS幀中。在輸出碼率恒定的情況下，每一個TS幀傳輸所用的時間△PCR值可以通過下式計算：

 

(4)

   其中nCoderate為輸出的總碼率。△PCR就是每一個TS幀的時間刻度。

  系統開始運行時，確定一個PCR的初始值，并為每一路申請一個計數器nCounter變量，計數在兩個PCR幀之間的TS幀數，根據以下公式計算新的PCR值：

 (5)

   式中，PCR_old代表上一個PCR的值，PCR_new代表當前新PCR的值。在得到新的PCR值之后，用公式(1)(2)(3) 計算出PCR_base和PCR_ext寫入幀中，同時PCR_old = PCR new，nCounter=0。 nCouter是對整個傳輸流而言的，不管TS幀是不是當前計算的這路TS的內容，或者空幀，nCounter都要累加。

   在MPEG2協議中，PCR由PCR_base(33bit)和PCR_ext(9bit)表示，總共42bit，當PCR的值超過42bit所能表達的范圍時，需要循環重新開始。由于PCR和PTS以及DTS的關系，在重新開始循環PCR的時候，一定要將PTS和DTS也重新回0，同時要將PCR幀中調整域中的discontinuity_indicator字段置1。

  由于市場上的解碼器千差萬別，有的解碼器中并沒有為PCR留足42bit，在這種解碼器中PCR通常會在解碼器端被提前回0，而PTS和DTS并沒有隨之一起復位，這就會造成解碼器的上溢，導致播放不正常。所以在實際中，本文判斷PCR是否達到回0的閥值略低于42bit所能表達的最大值，這樣會提高對解碼設備的適應性，同時不會造成協議上的沖突。PCR時鐘處理的具體流程如圖5所示




5．TS流軟件復用系統的程序設計與測試結果分析

  通過對MPEG-2傳輸流應用結構的仔細分析，可以看出MPEG-2傳輸流所傳送的只是彼此獨立的原始流數據和把特定的原始流組合成一個節目的PSI信息，并沒有傳送一個不可分割的真正意義上的節目，因此在一定程度上保證了TS流軟件復用程序的可行性。

  所設計程序并不需要對組成節目的原始流進行內容的處理，不管構成某節目的原始流是音頻還是視頻還是私有數據，程序所要做的只是改動攜帶原始流的傳輸流分組的標記信息，并把它發送到輸出的傳輸流，接著在復用后的傳輸流中也要發送該原始流所構成的節目的節目映射表。與此同時，需要注意的一點是，由于輸入的各個傳輸流相互獨立，它們為各自的節目分配的PID、節目號之類的標志信息很可能會發生重復的情況，所以對于原始流分組，并不能簡單的轉發，因此，程序將為各個傳輸流中的原始流分配新的PID，以及為不同的節目分配新的節目號，從而形成一個新的傳輸流。

  程序結構如圖6所示，圖中的每一個TSProcessor對象對應著程序系統中的要進行復用的每一個輸入傳輸流，TSProcessor對象所包含的輸入模塊負責向TSProcessor對象的處理函數提供傳輸流數據。傳輸流既可以從文件輸入，也可以是內存中的一塊緩沖區的數據。這樣適合于復用實時轉播的節目和存在本地硬盤上的節目。輸出模塊是一個供所有TSProcessor對象使用的全局對象，每個TSProcessor對象的線程輪流獲得輸出模塊的控制權，向輸出模塊發送傳輸流分組數據。全局變量區存儲所有傳輸流的結構信息，以及生成的傳輸流的相關信息。應用系統可以根據實際的需要隨意的增減輸入傳輸流的數目，輸入方式，優先級，并且可以在復用的過程中隨時插入新的傳輸流，或者刪除掉某正在復用的傳輸流。




 基于以上分析，應用VC++開發環境設計實現了TS流分析與復用軟件系統TSAM (Transport Stream Analyzer and Multiplexer)，主界面如圖7所示。作者對復用系統進行設計和測試的硬件平臺是奔騰M2.9G、512M內存。復用三路3M大小的傳輸流，大約使用了1秒的時間生成了大約8M字節大小的傳輸流，平均復用速率約為40Mbits。復用九路3M大小的傳輸流，大約使用了5秒的時間生成了大約30M字節大小的傳輸流，平均復用速率約為48Mbits。復用速率達到并遠遠超過了一路傳輸碼流的處理速度，由于現代PC性能的強勁，得到了比較理想的試驗結果。另一方面，由于復用系統的輸入輸出都是對文件操作，硬盤的讀寫速度對整個系統的性能也有影響。在實際的應用系統中，輸入都是不斷刷新的內存緩沖區，輸出是輸出模塊的緩沖區，由于數據的操作都是在內存中進行，并不涉及硬盤等機械裝置的運作，還會進一步提高系統的性能。






6．結論

   本文分析了多路數字電視節目系統級復用原理,并對數字電視節目專用信息PSI的提取和重構及系統層節目時間參考PCR值的修正等關鍵技術進行研究，提出了進行軟件復用的具體方法，最后在Windows平臺上，應用VC++開發環境設計實現了TS流分析與復用軟件系統TSAM，測試結果表明軟件復用速率達到并遠遠超過了一路傳輸碼流的處理速度，該軟件復用方案是有效可行性的。用軟件實現傳輸流的復用，可以節約硬件成本，降低系統的開發費用；且算法全部軟件實現，可移植性高，具有良好的擴展性，可以方便靈活的加入數字電視節目指南等輔助信息。


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