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文檔簡介
1、scrpcrptsdts這些都是時間概念2009-04-09 10:35scr (system_clock_reference)系統參考時鐘 存在于ts流和program流屮, 用于多節目流間的同亞pcr (programme 1 ock reference)節口參考吋鐘 存在于ts流里,用于確定同 一節目的解碼吋序;_pts (presentation_timc_stamp)顯示時鐘標簽 pcs 里的字段,dts (decod_time-stamp)解碼時間標簽pes里的字段,用于指明一個訪問單 元在系統目標彳軍碼器(std)里的的解碼時間。當解碼時間不同于顯示時間時出現。數字電視廣播屮的編
2、解碼器的同步機制(轉) 2009-04-09 10:38弓i言高清晰度數字電視(hdtv)信源解碼器的同步系統是高清晰電視解碼器中 的重要部分。rtr丁全數字屯視系統采用數字編解碼和數字電視傳輸技術,因而和 傳統的模擬電視有本質的區別。高清晰度電視與模擬信號的重要區別除了信號傳 輸的壓縮編碼方式外,由于數字電視在編解碼過程小因存儲、傳輸等一起延時, 在同步方式上也有明顯的區別。對于模擬電視而言,圖像信息以同步方式傳輸, 因而接收機可以從圖像同步信號中直接獲得時鐘信號,其每一幀端到端的傳輸延 吋自然是固定的,同步相對簡單,其發送和接收是嚴格同步的。但對數字壓縮系 統而言,每一幀圖像所占的數據量是
3、不同的,其依賴于圖像的編碼方式和圖像的 復雜度,血一般無線廣播的傳輸信道碼率是固定的,因而對于每一幀而言,其傳 輸時延是可變的,從而不能從圖像數據的開始處獲得定時信息,傳輸和顯示之間 沒有口然的同步概念。為了解決這一問題,mpeg-2采用了在es, pes和ts/ps 這3個碼流層次中設置相關的時鐘信息,并通過其聯合作用達到編解碼器的同步 和音頻、視頻的同步。2mpeg-2碼流層次簡介mpeg-2的結構可分為壓縮層和系統層。一路節目的視頻、咅頻及其他輔助 數據經過數字化后通過壓縮層完成信源壓縮編碼,分別形成視頻的基木流es (elementary stream) 音頻的基本流和其他輔助數據的基
4、本流;緊接著系 統層將不同的基本流分別加包頭打包為pes(packetiscd es)包,為了多路數據 節目流的復用和有效的傳輸,乂將pes包作為負載分割后插入傳送流包(ts包) 或節目流包(ps包)中,mpeg-2標準規定了兩利|碼流,分別是基于可變長度打 包的節目流ps (program steam)和基于固定長度打包的傳送流(tremsport stream) o這兩種碼流分別適應于不同的場合應用,節目流ps 適合在相對出錯較少的環境下使用,其長度是變化的,而傳送流ts能夠把多個 節目在基于一個或多個時間標識的基礎上構成一個流,傳送流適合于出錯較多的 場合下使用,如在存儲、傳輸數據易丟失
5、或在噪聲媒介場合使用。用于視頻、咅 頻同步以及系統吋鐘恢復的吋間標簽分別在es, pes和ts/ps這3個層次中。在 mpeg-2碼流的es層,和同步有關的主要是vbv-delay域,表示mpeg-2所定義 的一個假設的解碼器視頻緩存校驗器在收到圖像起始碼的最后一個字節后,至當 前解碼幀解碼開始所應等待的吋間,用以防止解碼器的緩沖器(buffer)出現上 溢或下溢。在pes層,主要是在pes包頭信息中出現的pts (顯示時間標簽)和dts (解碼時間標簽)。而在ts流中,ts包頭包含了 pcr(節目時鐘參考),用于解 碼器的系統時鐘恢復。在節目流ps包頭屮包含scr,它的定義和作用與pcr域相
6、 似。3時間模型mpeg-2在其系統層語法中給出了一個貝有恒定的端到端的延遲的時間模 型,該模型可用來指導系統層編碼器與解碼器的同步。同步的好壞盲接影響到視 頻和音頻的連續性和配合效果,因而,系統層編碼器與解碼器之間同步的實現在 整個系統屮占有極為重要的地位,而解碼器是否同步于編碼器也成為解碼器件設 計優劣的一個判定標準。在mpeg-2系統層時間模型中,它的端到端延遲一一從信號進入編碼器到信號從 解碼器輸出是一個常數,信號總共經過編碼器、編碼緩沖器、多路復用器、傳輸 或存儲、解復用器、解碼緩沖器以及解碼器等器件的延遲,其時間模型如圖2 所示。所有的視頻和音頻采樣進入編碼器后,經一恒定的延遲,在
7、解碼器分別輸 出顯示,采樣率在編碼器和解碼器中應嚴格相等。在mpeg-2中,所有的時序被 定義成一個共同的系統時鐘,即系統時間時鐘(stc),故編碼器、解碼器的系 統時鐘必須同步。解碼器的系統時鐘應由編碼器的系統時鐘經恒定延遲后恢復出 來,以服從于編碼器。對于節目流而言,這個時鐘可以與視頻或音頻采樣時鐘之間有一個嚴格的特 定比率,或者稍有區別,但仍足以提供精確的端到端的時序和時鐘恢復,而在傳 輸流屮,此系統時鐘頻率與視頻或音頻采樣時鐘z間任何時候都必須冇嚴格的比 率關系,其目的是為了在解碼器中恢復采樣率。4時間標簽定義及同步機制編碼器中有單一的共同系統時鐘(其頻率惟27 mhz),此時鐘用來產
8、生指 示音頻和視頻的正確顯示和解碼時序的時間標簽,同時可用來指示在抽樣間隙屮 系統時鐘本身的瞬時值。指示音頻和視頻顯示時間的時間標簽稱為顯示時間標簽 (pts),指示音頻和視頻的解碼吋間標簽稱為解碼吋間標簽(dts),指示系統 時鐘本身的瞬時值的時間標簽稱為節目參考時鐘標簽(pcr/scr) o解碼器通過 vbv delay 確定解碼起始,用解碼時間標簽(dts)和顯示時間標簽(pts)來 確定解碼和顯示次序,用pcr/scr來獲得系統時鐘的同步。解碼器屮的系統時鐘 和同步就是依*這些時間標簽來進行恢復和修正。pcr/scr, pts, dts具體編碼方式如下:pcr/scr的插入必須在pcr
9、/scr字段的最后離開復用器的那一時刻,同時 把27 mhz系統時鐘的采樣i舜時值作為pcr/scr字段插入到相應的pcr/scr域。 pcr/scr 為 42 bits 的計數值,其中 33 bits 為 pcr base/scr base,是以 27 mhz 時鐘經300分頻后的時鐘為單位的計數值;9 bits的pcr ext/scr ext,則是以 27 mhz吋鐘為單位的計數值。t (i)表示第i個包含pcr/scr字段的最后-位的 字節最后離開復用器的時間。pcr具體編碼方式如下(scr的編碼方式和pcr雷 同八pcr base( i )=系統時鐘頻率x t(i) d1v3oo%2
10、33pcr ext( i )二系統吋鐘頻率x t(i) %300 pcr( i )=pcr base( i ) x 300+pcr ext( i ) pts域為33 bits,編碼成為3個獨立的字段,表示此分組中第一個訪問單元在 系統目標解碼器屮的預定顯示時間,其具體的編碼方式如下:pts( k )二系統時間頻率x tp(k) div300%2 33 式屮:tp (k)顯示單垣p(k)的顯示吋間;p(k) 相應于此分組數據的第一個訪問單元的顯示單元。dts域也為33 bits,編碼成為3個獨立的字段,表示此分組中第一個訪問單元 在系統目標解碼器屮的預定解碼時間,其具體的編碼方式如下:dts(
11、j )二系統時間頻率x td(j) div300%2 33 式中:td (j)訪問單元an(j)的解碼吋間;an(j) 相應于此分組數據開始的第一個訪問單元的顯示單元。 一般地,解碼端解碼時,首先利用pcr重建和編碼器同步的27 mhz系統時鐘, 恢復27 mhz系統時鐘后,再利用pes流中的dts, pts進行音、視頻的同步,同 時利用vbv delay在解碼器中的buffer充盈到相應程度后啟動初始解碼。由mpeg-2推薦的解碼模型(見圖3)可以知道,mpeg-2解碼器的同步是由系統 層解復用器、時鐘控制單元和基本流解碼器三者共同配合來完成的。根據該模型以及本文前面的分析,可知解碼器同步算
12、法如2(1) mpeg-2復用器從輸入碼流的包頭屮解出時間信息pcr/scr送入到系統時 間時鐘恢復電路;(2) 系統吋間吋鐘恢復電路在接收到每一個新的scr/pcr吋,進行木地系統吋 間時鐘恢復和鎖相;(3) 解復用器從輸入碼流的pes包頭中解出顯示時間標簽pts和解碼時間標簽 dts,并送入到基本流解碼器屮;(4) 基本流解碼器在接收到新的pts/dts存入對應的fifo中進行管理;(5) 對于沒有dts/pts的顯示單元,需要對其吋間標簽進行插值,并送入到 fifo中管理;(6) 每一顯示單元開始解碼前,用其對應的dts與stc進行比較,當stc與 dts相等時開始解碼;(7) 每一顯示
13、單元開始顯示前,用其對應的pts與stc進行比較,當stc與 pts相等時開始顯示。在理想情況下,pts和dts的值應該是相同的,但曲于實際解碼器解碼需 要一定的時間,一般pts和dts的值是不同的。如杲在pes包頭中只出現了 pts, 我們就認為dts二pts。5系統時鐘(stc)恢復在編碼器中,stc的恢復是同步的關鍵。如果解碼器中的時鐘頻率和編碼 器的時鐘頻率嚴格匹配,那么視頻和咅頻的解碼和顯示將口動和編碼器保持相同 的速率,而端到端的延遲將為常數。當編碼器與解碼器匹配時,任何正確的 scr/pcr值可用來設置解碼器stc的瞬時值,而且此后不需要更多的調整,解碼 器的stc就與編碼器的s
14、tc相匹配。但在實際屮,解碼器均有自主的系統吋間頻 率,并不和編碼器的系統時鐘匹配,因而需要利用接收到的scr/pcr值來使解碼 器服從于編碼器,使解碼器的時鐘服從于接收的數據流的典型方法是通過鎖相環 (pll)。用鎖相環技術進行系統吋鐘恢復的框圖如圖4所示。當一個新節目的pcr到達解碼器時,需要更新時間基點,stc被設置為編 碼于pcr/scr中的當前值。通常第一個從解復用器中解出的pcr/scr被直接裝入 到stc的計數器,其后pll為閉環操作。每當一個新節目的pcr/scr到達解碼器 時,此值被認為是鎖相環的參考頻率,用來和stc的當前值比較,產生的差值e 經過脈寬調制后被輸入低通濾波器
15、并經放大,輸出為控制信號f ,用來控制振 蕩器(vco)的瞬時頻率,vco輸出的頻率是在27 mhz左右振蕩信號,它作為解 碼器的系統時鐘。27 miiz時鐘經波形整理后輸入到計數器中,產生當前的stc 值,其33 bits的90 khz部分用于和pts/dts比較,產生解碼和顯示的同步信 號。6dts/pts的管理stc輸出的33 bits中,90 khz部分(即pcr-base域)用于與pts和dts 作比較,當二者相同時,相應的單元被顯示或者解碼。但按照mpeg-2標準的規 定,pts/dts位于pes包的包頭中,而解復用器所解出的pes包頭的字節不被送 入到任何基木流解碼器的輸入緩沖區
16、,僅用于控制各解碼器工作。每當解復用解 到一個pts/dts時,就表明其后送入各個基本流解碼器的輸入緩沖器中的編碼數 據的顯示/解碼時間,但此時送入信道緩沖器中的基木流并不一定立即被解碼, 因此基本流解碼器必須記錄當前這個pts/dts及所對應的碼流位置,以利于后而 的解碼和顯示同步。針對以上分析,我們采用如下方法來達到解碼與顯示的同步:在每一個基 本流解碼器中建立一個33 bits的pts/dts先入先出存儲器(fifo),用以存放 pts/dts值,同時mpeg-2碼流解復用器中加入一個檢測電路,每當碼流開始新 的一幀圖像時,則產生一個信號,用來通知基本流解碼器,并將該幀圖像的 pts/d
17、ts寫入到fifo中,同時,每當解碼器解到一幀圖像時,就從fifo中讀出 相應的pts/dts,此pts/dts與stc進行比較,當兩者相等吋,當前圖像就開始 顯示/解碼。在mpeg-2標準中,并非每一個pes包或每一幀圖像均有pts和dts, 一般ps 流中每兩個pts之間的間隔是0. 7 s,而ts流中每兩個pts之間的間隔是0. 1 s, 所以在沒有pts和dts的一幀圖像出現時,我們可以在前一 pts/dts的基礎上加 一增量得到對應該幀圖像的pts/dts,并將計算出來的新的pts/dts插入到存放 pts/dts 的 fifo 中去,即: pts n =pts n -1+a pts
18、7pts/dts同步實現和失步處理27 mhz系統時鐘經過1/300分頻后,得到本地的33 bits pcr base,該時 鐘與寄存器中當前圖像的pts/dts進行比較,系統軟件根據比較結果做出相應的 處理:(1)若當前的pts/dts比pcr計數器的值小于半幀以上,即 pts-scr base-apts/2此吋說明系統解碼過慢,解碼器處于失步狀態,應根據該幀的結構做出相應的同 步調整;(2)若當前的pts/dts比scr計數器的值在半幀時間以內,我們認為此時系統 解碼正常,立即顯示/解碼當前幀;(3)若當前的pts/dts大于scr計數器的值,則此時解碼器正常或稍快,在這 種情況下,只需等
19、到scr與pts/dts相等時,就可顯示/解碼。per pts dts2009-05-06 15:12dm500衛星接收機小系統時鐘電路的正常工作,是確保整機能夠正常工作的前 提。在mpeg-2解碼方案的dvb系統時鐘電路屮,絕大多數采用27mhz的系統時 鐘。主要為接收機中的解復用和解碼器提供系統基準時鐘和視頻時釗|,接收機所 需的其他時鐘(除lan電路外)如252mhz的cpu工作時鐘,均由27mhz時鐘經 芯片內部的pll電路分倍頻產生。pcr時鐘恢復功能1、pcr時鐘恢復功能原理為了保持時鐘頻率的穩定性,數字接收機都應該具有pcr時鐘恢復功能。因 為數字電視系統是一個實吋傳輸系統,為了
20、保證收發端的正常工作,接收端與發 送端的頻率和相位一致,必須建立收發端的pcr(program clock pefcrcncc:節口參考時鐘)時鐘恢復功能。如果 沒有這個功能,接收機工作較長時間后,時鐘誤差就會累積,累積到一定程度就 會出現接收畫面停幀或技幀現象。pcr時鐘恢復功能原理,在發送端的視頻編碼器中,有一個由碩件時鐘電路 產生的27mhz時鐘,編碼過程屮不斷讀取27mhz時鐘。同時利用計數器對系統時 鐘計數,形成pcr,然后每隔一段時間將pcr隨基本流數據一起放入傳送流編碼 器中,在傳送流編碼器中匯同咅頻幀、視頻幀等一起編碼成以188字節為1包
21、、 符合mpeg-2標準的ts流,傳送出去。接收端有一個正在工作的本地系統27mhz時鐘,其額定頻率與發送端時鐘相 等,同樣也有一個計數器對它計數形成一個本地pcr。接收端將從發送端獲取的 ts流經過傳送流解碼器解碼后,將取得的pcr與木地pcr比較,并用比較結果 形成的控制屯壓經低通濾波器濾波后,產生一個宜流電壓去控制27mhz壓控振蕩 (vc0)電路,vc0電路調整本地27mhz時鐘,使之與發送端時鐘同步,這樣就 完成pcr時鐘的恢復,實現收發端聲音和圖像完全同步。2、pcr吋鐘恢復功能的實現對于dvb時鐘恢復功能的實現對于dvb系統傳輸來說,恢復pcr時鐘是一個基本要求,因為只冇pcr時
22、鐘 正確,接收機才能恢復基準27mhz (±30ppm)時鐘。在dvb系統時鐘電路中, 通過增設對27mhz吋鐘電路屮的vco閉路鎖相的硬件控制,來達到pcr時鐘恢復 的目的。一些普及型衛星接收機為節省硬件成本,并未采用vcxo電路,而是通過系 統軟件程序避免這種情況,或讓這種情況出現時不那么明顯。不過在dm500原廠 機和早期仿制機中,均運用了普通晶振+壓控晶振(vcxo:voltage control x-tal osc訂lator)芯片的解決方案。vcxo芯片簡介1、pll502-02芯片簡介在電路板上印制標記為p50
23、2 (u23)芯片,是美國phaselink公司壓控晶振 專用pll502系列芯片小的一種,為pll502-02 z1倍頻芯片,其典型可調頻率范 圍是土250ppm,額定工作電源電壓為3. 3vo釆用soic(small out 1 ine ic:小輸出線集成電路)封裝方式。其中1、8腳接晶振兩端,6腳接+3.3v電源,4腳接地,3腳vc0n接cpu 的pwm信號控制端,5腳為27mhz輸出端。在pll502-02內部,主要由vcxo電 路和pll (鎖相環)電路構成,其中pll電路部分由基準頻率、相位檢波器、電 荷泵、環路濾波器、壓控振蕩器vco和分頻器
24、組成。晶體振蕩電路配合外部的晶振產生基準頻率,和位檢波器用于比較基準頻率 信號和反饋信號的相位,環路濾波器對rfl相位檢波器的電荷泵所產生的電流脈沖 進行積分,以生成施加于vco的調諧控制電壓。vco輸出通過分頻器負反饋到相 位檢波器,迫使vco在達到平衡時產生與基準頻率兩倍相等的頻率。當vco的輸 岀頻率和相位都與基準頻率和相位相等時,就認為pll處于“鎖定”狀態。與pll502-02芯片功能結構相同的還有美國一些公司的產品,如ics公罰的 mk3727、ami 半導體公司(amts)的 fs6128、pert com 半導體公司的 p16cx100-35、 tlsi公司的t83027a-0
25、2等,可以直接代換。2、t73227芯片簡介美國test公司的t73227芯片,是一款高精度壓控品振專用芯片。輸入標準 的27mhz晶振信號,輸出27mhz的時鐘信號,其典型可調頻率范圍是±150ppm, 額定電源電壓為3. 3vo有soic和msop兩種封裝方式封裝。系統時鐘電路dm500接收機所采用的系統時鐘電路,主要有pll502-02芯片+13. 5mhz晶振 和t73227芯片+27mhz品振兩種方案,其電路原理是一樣的。1、pll502-02+13. 5mhz 方案采用pll502-02+13. 5mhz方案的系統時鐘部分電路板。在該電路中,ft 13. 5mhz晶振(y
26、2)和負載電容c217、c218和pll5o2-o2 (u23)芯片內部的vcxo電路構成時鐘振蕩,再經過芯片內部的pll鎖相、緩沖 整形輸出27mhz的系統時鐘,這也是機器剛開始復位工作時本地的強制時鐘。一旦接收機接收到信號并成功鎖定后,則通過主芯片u15在軟件的控制 卜',實地地解析出pcr與木地pcr的差值后,再通過主芯片內部的pwm (脈寬調 制)單元輸出pwm控制信號,經過外部的r205、c215組成的低通濾波器,濾掉 pwm輸出的高頻信號,保留低頻的直流分量,送到u23的3腳,調節片內的變容 二極管,使產生的木地系統吋鐘頻率,使之與發送端節口的系統吋鐘頻率同步。2、t732
27、27+27miiz 方案彩t73227+27mhz方案的系統時鐘部分電路板,實際上t73227芯片和 pll502-02芯片完全兼容,因此組成的電路也完成相同,只是將晶振由13. 5mhz 更換為27mhz即可。3、74hcu04+27mhz 方案后期的dm500灰殼機采用74hcu04+27mhz晶振方案74hcu04是74系列邏輯集成電路中一種六反相器,芯片含有6個非門, 該方案系統時鐘電路。該電路采用皮爾斯振蕩電路,使用74hcu04 (u23)芯片中的f6、f2兩 個反相器,其中f6和27mhz晶振以及c217、c218構成構成27mhz時鐘振蕩電路, f6在電路屮起反相激勵振蕩作用,
28、f2為輸出的振蕩波形進行緩沖和整形。c217、c218為負載電容,與晶振一起決定負載諧振頻率,負載電容常用 標準值有 12pf、16pf、20pf 和 30pf 等。r203、r204為負載電阻,其中r203和品振并聯,在電路上起反饋作用, 以唯反相器輸入端的工作點電壓在vdd/2;這樣在振蕩信號反饋在輸入端時,能 保證反相器工作在適當的工作區,使得振蕩幅度趨于穩定。如果用芯片屮的反相 器來作振蕩,必須外接這個電阻,對于cmos芯片而言,該反饋電阻一般選取 21mq阻值。r204和晶振串聯,作為驅動電位調整z用,預防止晶振被過分驅 動而引起頻率上升,導致品振早期失效。該電路輸出的是固定的27m
29、hz本地系統時鐘,不能夠隨發送端的時鐘作 同步調節mpeg-2的同步及時間恢復2009-05-06 14:52一、引言mpeg-2用于視音頻同步以及系統時鐘恢復的時間標簽分別在es, pes和ts 這3個層次中。在es層,與同步有關的主要是視頻緩沖驗證vbv (video buffer verifier),用以防止解碼器的緩沖器岀現上溢或者下溢;在pes層,主要是在 pes頭信息里岀現的顯示時間標簽pts (presentation time stamp)和解碼時間 標簽dts (decoding time stamp);在ts層中,ts頭信息包含了節目時鐘參考pcr (program clo
30、ck reference),用于恢復出與編碼端一致的系統時序時鐘 stc (system time clock)。通常的視頻壓縮算法都采用了可變長編碼,編碼生成的視頻碼流是可變碼率的。 為了能夠在實際的固定碼率信道或者可變碼率信道上傳輸,需要引入緩沖區緩存 視頻碼流數據。因此,視頻編碼算法必須提供一個有效的緩沖區管理策略,確保 緩沖區不會發生上溢和下溢。編碼器通過碼率控制算法,調整生成的視頻碼流滿 足既定的緩沖區管理策略;同時在碼率控制算法屮使用自適應量化方法,確保壓 縮視頻的質量。緩沖區管理策略通常都是建立在一個假想的解碼器模型上,該解碼器模型直 接和編碼器的輸出和連接,緩沖區管理策略通過控
31、制編碼視頻數據流移入和移出 解碼器緩沖區的時間以保證解碼器模型的數據緩沖區不上溢也不下溢。在mpeg 標準中,該解碼器模型稱為vbv。vbv在es層中定義。在mpeg-2編碼器屮冇單一的共同系統時鐘,此時鐘用來產生指示音頻和視 頻的正確顯示和解碼時序的時間標簽,同時可用來指示在抽樣瞬間系統時鐘時間 的瞬吋值。正是編碼器屮共同系統吋鐘的出現,以及解碼器屮吋鐘的重新生成和 吋間標簽的正確使用,才為解碼器中操作的正確同步提供了基準。mpcg-2規定的系統吋鐘頻率為27mhz,傳輸流中的pcr, pts/dts等均為對 該共同系統時鐘的采樣值。解碼端捕獲pcr,恢復岀本地的stc,作為音視頻同 步控制
32、的基準,并依據pts (dts)時間標簽來安排解碼和顯示時間表,使咅視 頻分別同步于stc,以實現音視頻之間的同步。標準規定在原始音頻和視頻流中, pts的間隔不能超過0. 7s,而出現在ts包頭的pcr間隔不能超過0. is。二、stc 與 pcrstc是視音頻同步控制的基準,它是一串頻率為27mhz的脈沖,觸發計數器 而形成一個二進制表示的時間基準,再通過對該時間基準sct進行取樣得到pcr、 pts和dts等吋間標簽。在編碼和解碼端,系統吋鐘脈沖是由振蕩器等硬件產生, 在解碼端stc通過在碼流中定時傳送的pcr利用鎖相環(pi丄)技術來與編碼端 stc保持一致。pcr是由對系統時鐘脈沖觸
33、發的計數器狀態抽樣而來,是放在ts包頭的自適 應區中傳送。pcr共占6bytes,其中6bits預留,42bits有效位。42bits的pcr 分為兩部分:33bits 的 pcr-base 和 9bits 的 pcr-ext。pcr-base 是由 27mhz 脈 沖經300分頻后的90kilz脈沖觸發計數器,再對計數器狀態進行取樣得到的。 pcr-ext是由27mhz脈沖直接觸發計數器,再對計數器狀態進行取樣得到的。pcr 的具體編碼方式如下(編碼在pcr(i)中的數值代表了 t(i), i指包含pcr-base 字段的最后一位的字節):pcr-base (i)=90khz xt(i),
34、mod (233)pcr-ext (i)=27mhz xt(i), mod (300)pcr (i)=pcr-base (i) x 300+pcr-ext (i)當新節口的pcr到達解碼器時,需要更新時間基點,stc就被置位。通常第 一個從解復用器屮解出的pcr被直接裝入到stc計數器,其后pll閉環操作。每 當一個新節目的pcr到達解碼器時,此值被認為是鎖和環的參考頻率,用來與 stc的當前值比較,產生的差值e經過脈寬調制后被輸入低通濾波器并經放人, 輸出控制信號f,用來控制振蕩器(vc0)的瞬時頻率,vc0輸出的頻率是在27mhz 左右振蕩的信號,作為解碼器的系統時鐘。27mhz時鐘經過波
35、形整理后輸入到計 數器屮,產生當前的stc值,其33bits的90khz部分用于和pts/dts比較,產 生解碼和顯示的同步信號。pcr-base的作用是在解碼器切換節廿時,提供對解碼器pcr計數器的初始 值,以讓該pcr值與pts、dts最大可能地達到相同的時間起點。pcr-cxt的作 用是通過解碼器端的鎖相環電路修正解碼器的系統時鐘,使其達到和編碼器一致 的 27mhzo圖1顯示了解碼器如何用pcr來重建每個節目的遠地27mhz時鐘。圖1用pcr重建遠地27mhz時鐘三、dts 和 ptsdts是編碼器在編碼時定義的,為解碼器預定的解碼時間。該時間標記岀現 在pes層,在pes頭部時間域中
36、存在。它也是一個33bits的計數值,也是對系 統時鐘的300分頻的時鐘的計數值。由于它和pcr有相同的起點,在pcr值連續 的情況下,可以起到時間定時的作用,當木機pcr值(連續)和dts值相等時, 表示它們計算了同樣的時鐘,也即它們經過了相同的時間。本機pcr起到的是連 續計數的功能,dts則是在等待這個時間,一旦等到這個時間,就表明它的解碼 次序排好了,因為這個解碼次序是在編碼的時候規定的,對編碼的具休細節我們 可以不做了解,我們只要查詢到dts就可以進行下一步的工作。這個也有利于編 碼器和解碼器研發的獨立性,少了一些捆綁,多了一些兼容。dts就視頻來說, 因為視頻編碼的時候用到了雙向預
37、測,一個圖像單元被解出,并非馬上就被顯示, 可能在存儲器屮留一段時間,作為其余圖像單元的解碼參考,在被參考完畢后, 才被顯示。針對視頻的顯示,mpeg還提出了一個視頻pts。針對音頻和視頻的同 步顯示,乂提出了一個咅頻pts。由于聲咅沒有用到雙向預測,它的解碼次序就 是它的顯示次序,故對它只提出pts的概念。pts是編碼器定義的,為解碼器規定某個單元的顯示時間。它也是一個33b 的計數值,也是對系統時鐘的300分頻的時鐘的計數值。要注意的是,pcr、dts、 pts應該具有相同的時間起點,選在模擬圖像的場同步處開始計時是很好的辦 法。一個單元解碼后被顯示,pcr計數器重新計數,開始下一個單元的
38、工作。四、pcr測量pcr精度(pcr_ac):接收pcrm所含27mhz時鐘的不準確度,但不包含任何傳 輸定時損傷。測量時傳輸碼流屮pcr字節位置作為起點,計算出pcr到達時間。pcr漂移率(pcr_dr): pcr漂移率測量指的是pcr屮的低頻誤差并計入了由pcr 發生和再生引起的誤并以及由傳輸損傷所引起的到達時間誤并。即pcr內所含 27m脫吋鐘的低頻變化速率,測量吋以某一穩定外部基準作為參考,因此包含了 任何傳輸定時變化。下面的例子可用來說明pcr漂移率的重要性:我們來看一下由pll控制的本地時鐘再生器。再生器輸出端的信號頻率應當 跟蹤輸入信號頻率,隨著輸入信號頻率的變化,pll也隨之
39、作出響應,本地再生 器將跟蹤輸入信號,隨著輸入信號變化速率的增加,pll的跟蹤能力會有所降低, 最后將導致本地發生信號失鎖而丟失節目。pcr漂移率的測量給出了一種測定方 法,即如何更好地使去復用器/解碼器或再復用器的節目時鐘鎖定于輸入ts中 所包含的pcr(注意這里指的是漂移率的測量而不是絕對頻率的測量,接收機端 的pll電路可以鎖定于系統時釗a該時鐘有著固定的頻率誤差一如果是快速變化 或漂移率大,則會出現問題)。pcr總抖動(pcr_0j): pcr內所含27mhz時鐘的高頻變化,測量時以某一穩定 外部基準作為參考,因此包含了任何傳輸定時變化。它是pcr測量中最重要的一 項,是pcr中高頻誤
40、差的總體測量并且還包括來自pcr發生和pcr再生的誤差 以及由傳輸損傷引起的到達時間謀差。例如該項傳輸損傷可能會引入到接收機中 的rf解調器屮。接收機內再生的ts時鐘以及去復用器/解碼器所使用的ts時鐘 可能包含有基本高頻變化,它會對pcr的恢復帶來直接影響。在這種情形下,解 碼器在復原pcr屮所發現的pcr到達吋間誤差可能是±500ns容限的許多倍, 給pcr精度帶來不利。任何解碼器均靠接收pcr以準確再生其節0時鐘并提供穩 定的視頻輸出。與此相同,任何再復用器均靠接收pcr以在其輸出端精確地重新 作出pcr標記。pcr的到達時間是嚴格的;因此,測量包含冇到達時間誤差和精 度誤差的
41、總抖動(pcr_oj)就是非常必要的。在理想運行系統中,傳輸損傷應當是可以設計的。然而在目前典型的分配網 絡中,包含有再復用器、atm層等各級鏈路,它們均會引入誤差。pcr_ac是在 復用器輸出端直接測量的數值,不過它在網絡屮的運行監視常會使人迷惑不解, 因為按照定義,它應當消除一切傳輸損傷。pcr頻率偏置(pcr.fo):即pcr屮所含27mhz時鐘的頻率偏置,測量時以某一 穩定的外部基準作為參考。mpeg-2編碼器中有單一的共同系統時鐘stc (27mhz),此時鐘用來產生指示咅頻 /視頻正確解碼和顯示時序的時間標簽,同吋,可用來指示在抽樣瞬間系統吋鐘 時間的ii舜時值。該時鐘由輸入視頻的
42、行同步鎖相,當輸入是sdi信號時,由其時 鐘經10分頻產生編碼器的系統時鐘。正是編碼器屮共同系統時鐘的出現,以及 解碼器屮時鐘的重新生成和時間標簽的止確使用,才為解碼器中操作的正確同步 提供了基準。為實現編解碼器的時鐘同步,在編碼器中對stc系統時鐘進行計數, 每隔一定的傳輸時間,在經過選擇的ts包的適應頭中,傳輸該計數器的抽樣值 給接收機,作為解碼器的節目時鐘參考信號,既pcr。pcr有效位為42b,其中 高33b為pcr.base,是以27mhz時鐘,經300分頻后的時鐘為單位的計數值, 低9b為pcrextension,是以27mhz時鐘為單位的計數值。除pcr外,解碼時 間標簽dts和
43、顯示時間標簽pts,也非常重要。它們與pcr.base ffl似,也是以 編碼器27mhz的系統吋鐘,經300分頻后為單位的計數值親創建的。其中,dts 用于指示解碼器何時對接收的圖像、音頻幀進行解碼,pts用于通知何時顯示已 解碼的圖像幀。pts和dts只是一個33b的數值,如果沒有pcr所代表的時間軸做參考,這個數 值是沒有意義的。為了保持正確解碼,必須使編碼器和解碼器(機頂盒)的系統吋 鐘保持鎖定,即它們的頻率保持一致,以及它們各自的計數器的初始值一致。數據ii腳i n編h 編碼!stc 3cc計數器系統時鐘 pcr baseda:a計數器pcr extendatats汀包復用器圖4 m
44、peg-m系蔬樨圖解碼器(機頂盒)屮有一個頻率為27mhz左右的壓控振蕩器(vco),輸出信號作為 系統時鐘送入計數器屮產生當前的stc樣值,它與pcr 一樣也是42b的一個數值。 其中,高33b是以27mhz經過300粉頻后的時鐘為單位的計數值,低9b是以27mhz 吋鐘為單位的計數值。當一個新節目到達解碼器(機頂盒)吋,解碼器(機頂盒) 從碼流中獲得pcr值,用其pcr_extention值與當前stc的低9b位作比較,得 到誤差信號,再通過鎖相環電路玉調整壓控振蕩器,使解碼器(機頂盒)的系統時 鐘頻率,與編碼器的系統時鐘頻率保持一致。從碼流小依次獲得各幀的pts與 dts值,將其和當前s
45、tc值的高33b位作比較。如果dts值大于stc值,則對碼 流進行緩存,同時監測stc值的變化,當stc值增大到與dts值和等時,對該幀 碼流進行解碼,當stc值與pts值相等吋,播放該幀。如果rfl于傳輸網絡的緩沖 延時抖動,當碼流到達解碼器(機頂盒)時,其pts值己經小于stc值,則解碼器 (機頂盒)跳過這幀,丟棄該幀數據。由于pts和dts是根據pcr值產生的,因 此必須將獲得的第一個pcr值,作為初始值去置位解碼器(機頂盒)的stc計數器, 使它們的值一樣,否則,將導致時基不同,從而解碼出錯。咅頻與視頻的處理和 似,只是不存在時序重排的問題。圖5所示是解碼器(機頂盒)pcr工作原理圖。
46、視頻pew計數誥理頻稱碼300分頻音頻pes咅頻解碼比較器肖5解碼器(枇網和pcr工作棣理咅畫不同步產生原因在實際應用中,有些編碼器由于輸入視頻信號的時基不穩,導致其輸出時鐘發生 抖動,幀同步的間隔不是40mso這些編碼器,在根據pcr和緩沖延吋設定初始 的dts值后,每幀的dts值,由上一個dts加上一個固定值得到(該值可由如下 計算而得:27miiz經300分頻后為90khz, pal制電視每秒為25幀,由此,該值 是90000/25=3600),并根據幀類型和g0p類型計算出pts值。但這段時間pcr 值并不是增加3600,導致dts和pts和對pcr變大或變小。有些解碼器(機頂盒) 沒
47、有采用壓控震蕩器,其系統時鐘為固定的27mhz,只是用接收到的pcr值,初 始化本地系統時鐘計數器的值。編碼器和解碼器(機頂盒)之間不能保持嚴格的鎖 定,這樣就可能導致解碼器(機頂盒)丟幀。而有的解碼器(機頂盒)在發生丟幀的 情況后就不再嚴格按dts和pts解碼顯示,而是根據緩沖區的情況來解碼,由于 視音頻編碼的延時不一樣,就可能導致音畫不同步。此外,在從編碼器到解碼器(機頂盒)的傳輸過程屮,由于存在著復用器、調制器 等變延時緩存的環節,可能導致pcr包的傳輸延時不恒定,冇大冇小。如果不 對pcr進行修止,也可能導致以上問題的發生。mpeg-2的同步及時間恢復(轉載)stc, pcr, dts
48、, pts2009-04-09 16:38摘mpeg-2同步及吋間恢復在編碼、傳輸和解碼屮占有重要的地位,它不僅 直接影響視音頻的解碼質量,還是衡量整個傳輸網絡優劣的重要指標。本文將從 原理上介紹mpcg-2同步及時間恢復方法,并給出pcr測量的幾個項目。關鍵字:stc, pcr, dts, pts一、引言mpeg-2用于視音頻同步以及系統吋鐘恢復的吋間標簽分別在es, pes和ts 這3個層次中。在es層,與同步冇關的主要是視頻緩沖驗證vbv (video buffer verifier),用以防止解碼器的緩沖器出現上溢或者下溢;在pes層,主要是在 pes頭信息里出現的顯示時間標簽pts
49、(presentation time stamp)和解碼時間 標簽dts (decoding time stamp);在ts層中,ts頭信息包含了節目時鐘參考 pcr (program clock reference),用于恢復出與編碼端一致的系統時序時鐘 stc (system time clock)。通常的視頻壓縮算法都采用了可變長編碼,編碼生成的視頻碼流是可變碼率的。 為了能夠在實際的固定碼率信道或者可變碼率信道上傳輸,需要引入緩沖區緩存 視頻碼流數據。因此,視頻編碼算法必須提供一個有效的緩沖區管理策略,確保 緩沖區不會發生上溢和下溢。編碼器通過碼率控制算法,調整生成的視頻碼流滿 足既定
50、的緩沖區管理策略;同時在碼率控制算法中使用自適應量化方法,確保壓 縮視頻的質量。緩沖區管理策略通常都是建立在一個假想的解碼器模型上,該解碼器模型直 接和編碼器的輸岀相連接,緩沖區管理策略通過控制編碼視頻數據流移入和移出 解碼器緩沖區的時間以保證解碼器模型的數據緩沖區不上溢也不下溢。在mpeg 標準中,該解碼器模型稱為vbv。vbv在es層中定義。在mpeg-2編碼器中有單一的共同系統時鐘,此時鐘用來產生指示咅頻和視 頻的正確顯示和解碼時序的時間標簽,同時可用來指示在抽樣瞬間系統時鐘時間 的瞬時值。正是編碼器中共同系統時鐘的出現,以及解碼器中時鐘的重新生成和 吋間標簽的正確使用,才為解碼器屮操作
51、的正確同步提供了基準。mpeg-2規定的系統時鐘頻率為27mhz,傳輸流中的pcr, pts/dts等均為對 該共同系統時鐘的采樣值。解碼端捕獲pcr,恢復岀本地的stc,作為音視頻同 步控制的基準,并依據pts (dts)時間標簽來安排解碼和顯示時間表,使音視 頻分別同步于stc,以實現咅視頻z間的同步。標準規定在原始咅頻和視頻流中, pts的間隔不能超過0. 7s,而出現在ts包頭的pcr間隔不能超過0. is。二、stc 與 pcrstc是視音頻同步控制的基準,它是一串頻率為27mhz的脈沖,觸發計數器 而形成一個二進制表示的時間基準,再通過對該時間基準sct進行取樣得到pcr、 pts
52、和dts等吋間標簽。在編碼和解碼端,系統吋鐘脈沖是由振蕩器等硬件產生, 在解碼端stc通過在碼流中定時傳送的pcr利用鎖相環(pi丄)技術來與編碼端 stc保持一致。pcr是由對系統時鐘脈沖觸發的計數器狀態抽樣而來,是放在ts包頭的自適 應區中傳送。pcr共占6bytes,其中6bits預留,42bits有效位。42bits的pcr 分為兩部分:33bits 的 pcr-base 和 9bits 的 pcr-ext。pcr-base 是由 27mhz 脈 沖經300分頻后的90kilz脈沖觸發計數器,再對計數器狀態進行取樣得到的。 pcr-ext是由27mhz脈沖直接觸發計數器,再對計數器狀態
53、進行取樣得到的。pcr 的具體編碼方式如下(編碼在pcr(i)中的數值代表了 t(i), i指包含pcr-base 字段的最后一位的字節):pcr-base (i) =90khz xt(i), mod (233)pcr-ext (i)二27mhz xt(i),mod (300)pcr(i)二pcr-base(i) x300 + pcr-ext(i)當新節目的pcr到達解碼器時,需要更新時間基點,stc就被置位。通常第 一個從解復用器屮解出的pcr被直接裝入到stc計數器,其后pll閉環操作。每 當一個新節目的pcr到達解碼器時,此值被認為是鎖相環的參考頻率,用來與 stc的當前值比較,產生的并
54、值e經過脈寬調制后被輸入低通濾波器并經放大, 輸出控制信號f,用來控制振蕩器(vco)的瞬時頻率,vco輸出的頻率是在27mhz 左右振蕩的信號,作為解碼器的系統時鐘。27mhz時鐘經過波形整理后輸入到計 數器屮,產生當前的stc值,其33bits的90khz部分用于和pts/dts比較,產 生解碼和顯示的同步信號。pcr-base的作用是在解碼器切換節口吋,提供對解碼器pcr計數器的初始 值,以讓該pcr值與pts、dts最大可能地達到相同的時間起點。pcr-ext的作 用是通過解碼器端的鎖相環電路修止解碼器的系統時鐘,使其達到和編碼器一致 的 27mhzo圖1顯示了解碼器如何用pcr來重建每個節目
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