ATM網(wǎng)絡(luò)MPEG-Ⅱ比特率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
MPEG-Ⅱ作為一種運(yùn)動(dòng)圖像國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，數(shù)字視頻廣播（DVB）已經(jīng)將MPEG-Ⅱ作為一種源格式。在許多實(shí)際應(yīng)用中包括衛(wèi)星廣播、數(shù)字電纜和高清晰度電視HDTV，MPEG-Ⅱ分組是通過(guò)編碼器同步接口輸入到信道中。而在寬帶數(shù)字通信網(wǎng)中如ADSL，F(xiàn)TTC和寬帶IDSL是將MPEG-Ⅱ分組轉(zhuǎn)化成另外一種網(wǎng)絡(luò)傳輸分組，在這種情況下，一定數(shù)目的傳輸流分組被壓縮成一個(gè)ATM AAL-5 PDU單元，在分組交換時(shí)，PDU被分解成幾個(gè)ATM單元。至于有多少傳輸流分組壓縮成為ATM AAL-5 PDU單元，主要與ATM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有關(guān)，一般是2個(gè)傳輸流分組壓縮成一個(gè)AAL-5 PDU單元。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腗PEG-2傳輸流需要內(nèi)部的分組延遲進(jìn)行時(shí)間上的控制，這種控制主要是為了發(fā)送程序參考時(shí)鐘，從而在系統(tǒng)接收端進(jìn)行解碼時(shí)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行恢復(fù)。同時(shí)也可以避免解碼器的輸入緩沖的上溢和下溢。
在設(shè)計(jì)一個(gè)視頻發(fā)送系統(tǒng)的時(shí)候，對(duì)MPEG-Ⅱ傳輸流的比特率實(shí)行精確的控制就顯得尤為重要。當(dāng)MPEG-Ⅱ分組進(jìn)行直接傳送時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間的控制是比較簡(jiǎn)單的，關(guān)鍵問(wèn)題是如何對(duì)視頻源的輸入時(shí)間進(jìn)
2 網(wǎng)絡(luò)堵塞和系統(tǒng)參考時(shí)鐘的恢復(fù)
根據(jù)MPEG-Ⅱ國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，編碼器將系統(tǒng)參考時(shí)鐘（27 MHz）的1/33進(jìn)行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定擴(kuò)展和處理后作為程序參考時(shí)鐘?PCR嵌入到傳輸流分組中。因此在解碼器端，通過(guò)對(duì)PCR的恢復(fù)就可以確定編碼的系統(tǒng)時(shí)鐘，從而達(dá)到編解碼的同步。由于在傳輸流中，含有PCR字段分組的PID?值在程序映射表（PMT）得到確定。根據(jù)這個(gè)含有?PCR字段的分組PID就可以參考設(shè)置將第一個(gè)含有PCR的分組作為系統(tǒng)時(shí)鐘STC的參考PCR，然后將其余的含有PCR字段的傳輸分組中的PCR?的值通過(guò)一定的方式處理就可以恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘。恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘的方法如下：
(1)將第一個(gè)?PCR的值對(duì)STC進(jìn)行初始化。?
(2)考慮解碼器輸入緩沖的上溢和下溢的影響，對(duì)其大小進(jìn)行一定的估計(jì)，從而確定解碼輸入緩沖。根據(jù)當(dāng)前MPEG-Ⅱ傳輸流的最大碼率計(jì)算，連續(xù)含有?PCR?字段的分組的時(shí)間間隔必須小于0.1 s。
(3)對(duì)于連續(xù)到達(dá)的?PCR的值進(jìn)行鎖定，通過(guò)和第一個(gè)PCR的值進(jìn)行對(duì)比，就可以確定STC。?
由于在MPEG解復(fù)用器輸出到緩沖器的過(guò)程中以往沒(méi)能對(duì)其碼速進(jìn)行測(cè)量，從而會(huì)造成緩沖的上溢，而在視頻和音頻解碼器端，在緩沖輸入到解碼器的過(guò)程中，同樣原因而造成緩沖的下溢。為此在ATM/CATV網(wǎng)絡(luò)到MPEG解復(fù)用器的過(guò)程中，如果能夠添加一個(gè)接收器的比特監(jiān)控單元，將能夠減少由于網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成的麻煩。
如果從傳輸分組中得到的含有?PCR字段的分組，由于網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成PCR的值隨機(jī)延遲，解碼器和嵌入的系統(tǒng)處理器，將會(huì)按照一定的算法對(duì)PCR的值進(jìn)行校正，從而恢復(fù)STC?。這個(gè)校正和當(dāng)前的MPEG比特率有密切關(guān)系，是將當(dāng)前MPEG比特率對(duì)?PCR的值進(jìn)行一定的補(bǔ)償從而恢復(fù)PCR的原值。如果對(duì)當(dāng)前的PCR?不進(jìn)行校正，那么視頻解碼、圖像和D/A轉(zhuǎn)換都會(huì)由于這個(gè)?STC?的無(wú)法恢復(fù)而受到影響。為此，在整個(gè)解碼器或者解復(fù)用器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)當(dāng)前MPEG比特率的實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)量是至關(guān)重要的，它的目的就是為了對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和監(jiān)控。如果在接收器中能夠?qū)崟r(shí)跟蹤測(cè)試當(dāng)前的比特率的話，那么基本上ATM/CATV網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲（網(wǎng)絡(luò)堵塞）將會(huì)在解碼器端得到實(shí)時(shí)的補(bǔ)償。
3 接收端MPEG比特率的測(cè)量算法
在ATM或者CATV網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，MPEG-Ⅱ傳輸分組由于網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成的隨機(jī)延遲，使得在解復(fù)用器或者解碼器端接收到的分組系統(tǒng)時(shí)鐘和發(fā)送端輸出的有一定的偏移，在理想情況下，往往對(duì)這個(gè)偏移不進(jìn)行考慮，但正是由于這一點(diǎn)而造成視頻解碼無(wú)法正常工作，或者圖像無(wú)法恢復(fù)到原先的狀態(tài)。在這種情況下，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘?STC的恢復(fù)將會(huì)在一個(gè)不確定的狀態(tài)下進(jìn)行。為了避免這種情況的發(fā)生，就必須對(duì)STC的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，將當(dāng)前得到的PCR?的值和本地產(chǎn)生的時(shí)鐘進(jìn)行比較，比較的公式推導(dǎo)如下：
(ΔSTC-ΔPCR)ΔSTC=(Δb/ΔPCR-Rf)(Δb/ΔPCR)?(1)
式中：?ΔSTC＝STC(t)-STC(t-1)
ΔPCR＝PCR(t)-PCR(t-1)
Δb=b(t)-b(t-1)
t——PCR到達(dá)時(shí)間；
b(t)——在PCR到達(dá)時(shí)間t時(shí)刻累加的比特?cái)?shù)；
Rf——在兩個(gè)連續(xù)過(guò)程和更多的PCR之間的運(yùn)行時(shí)間比特率。
如果這里用Sf來(lái)替代Δb/ΔPCR，那么（1）式就可以變?yōu)椋?
（ΔSTC-ΔPCR）/ΔSTC=(Sf-Rf) /Sf?(2)
在上式中
Rf＝(ΔSTC/ΔPCR)K?(3)
而在可變速率MPEG-Ⅱ傳輸流（VBR）中由于?Sf?是一個(gè)變量，因此（2）式可以演變成為：
Rf＝（ΔSTC×Δb）/(ΔPCR×ΔPCR)?(4)
4 硬件測(cè)試系統(tǒng)
為了對(duì)上述的MPEG-Ⅱ TS比特率算法進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一種硬件測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)上面的算法進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證。系統(tǒng)主要由視頻服務(wù)器和嵌入的處理器組成。視頻服務(wù)器主要是為了發(fā)送MPEG-Ⅱ傳輸流分組。發(fā)送碼速是仿真于網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成的網(wǎng)絡(luò)延遲的分組碼速。當(dāng)MPEG-Ⅱ傳輸流分組到達(dá)處理器后，處理器首先對(duì)含有?PCR字段的分組進(jìn)行處理，過(guò)濾出PCR?的值。處理器主要由兩個(gè)模塊構(gòu)成：分組處理器和MPEG-Ⅱ系統(tǒng)層解復(fù)用器。分組處理器主要將PAT表和PMT表進(jìn)行處理，同時(shí)將處理后的含有?PCR字段的分組PID值進(jìn)行保存輸出到解復(fù)用器中，解復(fù)用器根據(jù)PID值對(duì)傳輸流分組進(jìn)行分解，將含有PCR值的分組進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)將該分組中的PCR?值提取出來(lái)。這里分組處理器用FPGA電路設(shè)計(jì)，解復(fù)用器采用了TMS320VC5410 DSP芯片，解復(fù)用器將?PCR值進(jìn)行提取，提取的相鄰PCR值相減從而獲取ΔPCR，用這個(gè)ΔPCR?值利用鎖相環(huán)PLL倍頻后得到27 MHz時(shí)鐘。處理后的MPEG-Ⅱ音頻流直接輸入到音頻解碼器中，視頻流輸入到視頻解碼器的輸入緩沖中?；謴?fù)的系統(tǒng)時(shí)鐘?STC?作為解碼時(shí)鐘輸入到音頻和視頻解碼器中。
MPEG-Ⅱ傳輸流分組是通過(guò)基于NT系統(tǒng)的廣播服務(wù)器產(chǎn)生。為了便于控制MPEG-Ⅱ比特率，MPEG文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過(guò)PC機(jī)上的流產(chǎn)生器轉(zhuǎn)化成MPEG-ⅡTS分組，同時(shí)將該數(shù)據(jù)流通過(guò)數(shù)字接口直接輸出到分組處理器中。這種處理方式比直接從ATM/CATV網(wǎng)絡(luò)下載傳輸分組來(lái)測(cè)算比特率和系統(tǒng)時(shí)鐘更加有效。視頻服務(wù)器可以根據(jù)算法的需要將MPEG-Ⅱ傳輸碼率進(jìn)行調(diào)整。不同的碼率輸入到分組處理器中可以驗(yàn)證上述算法的正確性。同時(shí)為了有效控制網(wǎng)絡(luò)堵塞，避免其他網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)測(cè)試比特率的影響，服務(wù)器和分組處理器以及MPEG-Ⅱ TS直接連接在一起，用RS422接口去保持信號(hào)的穩(wěn)定性。管腳的物理連接和DAVIC1.1規(guī)范中的高速數(shù)據(jù)I/O保持一致。
5 測(cè)試結(jié)果評(píng)估
利用這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了兩個(gè)測(cè)試結(jié)果分析：碼流的非連續(xù)性和多用戶輸入情況下的比特率。
（1） 碼流的非連續(xù)性分析
測(cè)試碼流的非連續(xù)性主要是為了分析當(dāng)前的解復(fù)用器驅(qū)動(dòng)程序能否有效地檢測(cè)到由于網(wǎng)絡(luò)延遲而造成的碼速變化。這種情況在很多方面都可以看到：如CATV中的網(wǎng)絡(luò)傳輸失敗，VOD中的視頻服務(wù)器傳送失敗，視頻播放器播放節(jié)目完成等都可以引起當(dāng)前傳送碼速的改變，但要注意的是，無(wú)論當(dāng)前傳送碼流的比特率如何改變甚至是停止傳送，當(dāng)前解復(fù)用器中的驅(qū)動(dòng)程序必須能夠檢測(cè)到變化，這樣才能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量當(dāng)前的MPEG-Ⅱ比特率。圖像下凹點(diǎn)表示當(dāng)前MPEG傳輸分組在PCR到達(dá)時(shí)間大約在30～35 s的時(shí)候流比特率變?yōu)?。
（2） 多用戶輸入情況下的比特率測(cè)試結(jié)果分析
在多個(gè)用戶輸入情況下，網(wǎng)絡(luò)的比特率和單路有不同之處。當(dāng)在CATV網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，在多個(gè)用戶與網(wǎng)絡(luò)連接后，服務(wù)器可能通過(guò)同一個(gè)傳輸通道對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行服務(wù)。比如在VOD中，6路MPEG-Ⅱ傳輸流共享一個(gè)傳輸通道，這就涉及到了網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)的分配問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)分配和每路傳輸流當(dāng)前的傳輸比特率有關(guān)，所以在多個(gè)用戶掛載情況下的比特率測(cè)試，對(duì)每路TS的比特率測(cè)試和計(jì)算就顯得尤為重要。
6 結(jié)論
MPEG-Ⅱ運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在數(shù)字電視應(yīng)用領(lǐng)域。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題就是讓MPEG圖像傳輸保持一個(gè)穩(wěn)定的比特率，這樣就在解碼的時(shí)候能夠?qū)TC進(jìn)行有效的恢復(fù)，從而保證視頻和音頻的正確解碼。測(cè)試MPEG-Ⅱ傳輸流的碼率往往需要一些專業(yè)的工具和知識(shí)，但是通過(guò)應(yīng)用分組處理器和解復(fù)用器，就可以非常簡(jiǎn)單而有效地完成這個(gè)任務(wù)。這里提出的MPEG-Ⅱ比特率測(cè)試原理和方法，在實(shí)際的解碼系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)中也具有廣泛的應(yīng)用。為此這里也設(shè)計(jì)了一種硬件測(cè)試平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的結(jié)果基本符合實(shí)際要求。雖然在這個(gè)測(cè)試平臺(tái)中，應(yīng)用的是視頻服務(wù)器，用文件的形式來(lái)仿真實(shí)際的MPEG-Ⅱ傳輸流數(shù)據(jù)，但這并不影響這個(gè)方式的正確性。
下載文檔
