MPEG-2信道解复用器的DSP FPGA设计

2007-07-03 11:27:40来源: 现代电子技术 关键字:视频  音频  压缩  标准
数字高清晰度电视(High Definition Television)简称HDTV,是继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视系统。其图像细腻逼真,质量与35 mm电影相当,再配以环绕音响,使收视效果大幅度提高。它将成为21世纪的主要电视产品,具有潜在的巨大经济效益。因此,日、欧、美等发达国家都相继投入了大量人力、物力来开发HDTV系统。我国从1996年启动国家重大产业工程项目HDTV功能样机系统研究开发工程。

1 MPEG-2标准简介以及数字电视功能分析

MPEG(Motion pictures expert group)译为运动图像专家组,他是在ISO的召集下,为数字视频音频制定压缩标准的专家组。该组织于1994年推出MPEG-2标准。此标准分为4个文件,分别是:

系统层(System,ISO13818-1)描述视频,音频的数据复用方式和视频,音频同步方式。

视频压缩层(Video,ISO13818-2)描述数字视频编码方式和解码过程。

音频压缩层(Audio,ISO13818-3)描述数字音频编码方式和解码过程。

一致性(Conformance,ISO13818-4)说明测试编码码流的过程,检验是否符合前3个文件的规定。

MPEG-2运动图像及其伴音通用国际标准在数字音/视频领域得到了广泛的应用。在MPEG-2中,定义了两种形式的码流,即传输流(TS)和节目流(PS)。节目流一般用于相对无错的环境中,如交互式多媒体业务,其长度是可变的。传输流则用于有错误的环境中,如数字电视的地面广播传输,其分组长度固定为188 b。传输流和节目流都是编码后的基本数据流(ES)按照一定的格式打包后形成PES包,再加上一些系统级信息而构成。码流的形成过程可以用图1来表示。其中,采样得到的视频数据流和音频数据流经过编码器后,成为MPEG-2 基本流(ES),再通过打包,成为包化ES流(PES),再经过传输复用器,将音频PES,视频PES,以及其他的数据和控制信息,转换成MPEG2传输流(TS).TS流经过信道编码和调制之后,发送到信道中。在接收端,正好相反,经过解调,信道解码和前向纠错之后,再通过传输解复用器,分别输出视频PES流,音频PES流,以及数据和控制信息,再通过视频解码器和音频解码器后,分别送入DTV显示系统和音频播放系统。

2 关于传输流以及传输流中几个重要概念

传输流TS包的结构如图2所示。

传输流由一道或多道节目组成,每道节目由一个或多个原始流和一些其他流复合在一起,包括视频流,音频流,节目特殊信息流和其他数据包。

首先介绍视频和音频PES流是如何转换成TS流的。PES流是由视频或音频基本流分别打包处理后形成的PES包系列,PES包的长度是不定的。每个PES包的包头携带了:

流标识(SID)由同一个ES经打包处理后得到的PES,其流标识相同。

显示时间戳(PTS)用于视频和音频之间的同步控制,它指示对解码后视频和音频播放的适当时刻。

解码时间戳(DTS)用于视频基本流解码器和音频基本流解码器的同步控制,它指示对视频和音频基本流解码的适当时刻基本流的速率控制信息。

由于TS包长固定为188 b,所以在打包时,PES包长若大于188 b,则对其进行分段处理,因为PES是放在TS包的有效载荷区进行传送的,所以分段后每段大小为184 b,不足184 b的加上适应字段构成184 b,有没有适应字段则由包头中的适应字段控制来指示。每段加上TS包头就形成一个TS包。

TS包包头中各字段含义如下:

同步字节指示一个TS包的开始。

传输错误指示表示该传输包在传输过程中有无错误。

有效传输开始指示若有效载荷区传输的是来自PES包的数据,则有效传输开始指示表示有效载荷区的第一字节是否为被分段的PES包的起首字节。若有效载荷区传输的是来自节目特殊信息的数据,则有效传输开始指示表示载荷区第一字节是否是PSI数据起首字节的位置指针。

传输优先指示表示的是具有相同的PID的传输包的优先级。

连续计数器PID相同的传输包的计数。

此外,在TS包包头的调整字段中,有一个重要的域PCR,即节目时钟基准。它以固定的频率插入包头。在解码端,正是根据PCR来恢复系统时钟的。

PSI信息使用4个表来定义码流的结构,分别为节目关联表(PAT)、节目映射表(PMT)、条件接收表(CAT)和网络信息表(NIT)。其中,最重要的表信息是PAT和PMT。PAT是PSI信息的根,其PID是0,表中列出了传送码流中所有节目的节目映射表的PID,PMT表中列出与该节目有关的所有基本码流,如视频、音频和PCR及有关信息的PID。除PAT表包的PID永远是0外,还有两种包的PID是预留的:

①空包,用来作码流填充,PID是8191。

②CAT包,PID值是1。所有PSI信息必须以一定的频率发送,每秒钟至少要发送20次。

3 信道解复用器的原理

信道解复用器位于信道调制前端,它对输入TS流进行处理以适应该信道要求,基于MPEG-2的实时TS流信道解复用器的原理框图如图3所示。系统包括码流输入接口、PCR校正模块、PSI分析和重新生成模块及用户接口等部分。

码流输入接口支持ASI(异步串行接口)和SPI(同步并行接口)两种输入格式。输入信号经过接口电平转换,变为并行TTL电平信号。输入TS流的最大数据率可达120 Mb/s,该系统实现两路独立的TS流输出,它们各自的数据率分别由CLOCK1和CLOCK2时钟决定。其取值范围从1.5 Mb/s到120 Mb/s。

系统中核心部分为2片FPGA和1片DSP,其中1片FPGA主要完成PID过滤和PCR延时补偿,另外1片负责用户接口。而DSP则负责分析TS流,根据用户设定分路,并生成新的PAT及PMT数据包。CLOCK1和CLOCK2来自后端信道调制器的时钟,输入的单路多节目TS流的内容将根据用户的设定被分别分配到TS1和TS2,输出码率分别决定于CLOCK1和CLOCK2。DSP前端和后端的FIFO消除了输入输出码率不同所带来的数据丢失现象。27 MHz的本地时钟用来补偿输入TS流的PCR在系统中所产生的延时。用户接口通过一双口RAM与系统交换相关的设定信息。下面对系统的几个重要部分说明如下:

3.1 码流分析

信道解复用器系统进入正常状态工作前要完成用户参数设定,用户最关心的参数是输入TS流中所含节目类型、PID号、码率等信息。系统首先会对输入的TS进行分析,从中提取出所有的节目信息,并且计算出不同类型数据包的码率。用户根据这些分析结果可以了解到目前输入TS流的所有基本信息。

3.2 用户设定 

根据用户的实际需要,输入TS流的节目内容可以分别被指定分配到两个输出通道,并且允许同一个节目同时被分配到两个通道,用户也被允许修改PID号。比如:输入为一个22 Mb/s的TS流,包含3个节目,每个节目又包含多个视频、音频等数据流。假如目前用户有两个输出信道,一个为829 Mb/s,另一个为2356 Mb/s,并且用户打算将输入码流中的节目1分配到信道1,节目2和3分配到信道2。用户则可根据需要做相应的设定,解复用器系统将根据用户的设定来分别为输出TS1和TS2生成新的PAT和PMT并且将相应的视频、音频等数据包分配到相应的通道。用户选择节目时也可以只选择该节目中的部分数据流。比如某个节目包含4个视频流,而用户只对其中的两个视频流感兴趣,那么用户在设定时可以只选择需要的视频流,在系统进入正常工作时,未被选中的数据流将被自动过滤。

3.3 PCR补偿

PCR是TS流的重要部分,它的精度决定了解码端恢复时钟的精度,直接关系到解码器是否能正常的工作。输入TS流中各节目的数据包从进来到出去会在信道解复用器的FIFO内产生一定的延时,如果不对其PCR做相应的延时补偿,其输出TS流的PCR误差将有可能远大于协议所规定的±500 ns的误差范围,从而导致解码不正常。假定某个PCR在T1时刻进入信道解复用器,在T2时刻从解复用器输出,则该时刻的PCR值将被替换为PCR′。

PCR′ = PCR +(T2-T1)

延时补偿运算中所用到的时间标记T1、T2是由本地27 MHz时钟计数所得,由于码流在解复用器内的停留时间并不会太大,所以用本地27MHz记录延时带来的累积误差很小。

3.4 用户接口

对于解复用器后端的信道调制器来说,最关心的是如何从信道解复用器中得到节目信息,以及如何将所选节目分配到TS1和TS2上。这些信息是通过用户接口进行交换的。

考虑到本系统需交换的信息较多,这里采用一容量较大的16位地址的双端口RAM(DPRAM),作为信道调制器和解复用器交换信息的平台。信道解复用器在对输入TS流进行分析后,将所提取的各种节目信息放在双口RAM的相应地址中,以供信道调制器读取和修改。解复用器根据调制器送入的读写信号及相关数据和地址信息,由FPGA电路实现取指和译码,将调制器所需信息从DPRAM的相应地址中取出并送给信道调制器,或将信道调制器修改后的信息从DPRAM的相应地址中取出。

关键字:视频  音频  压缩  标准

编辑:赵思潇 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/sptx/200707/1756.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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