MPEG-2中TS碼流傳輸損傷測量方法研究與設(shè)計(jì)

李培琳，王 濤，方 超，白 鶴

（1.國家新聞出版廣電總局廣播科學(xué)研究院 國家廣播電視網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100866；2.國家新聞出版廣電總局監(jiān)管中心，北京 100866）

MPEG-2中TS碼流傳輸損傷測量方法研究與設(shè)計(jì)

李培琳1，王 濤1，方 超2，白 鶴1

（1.國家新聞出版廣電總局廣播科學(xué)研究院 國家廣播電視網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100866；2.國家新聞出版廣電總局監(jiān)管中心，北京 100866）

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳輸流（TS）結(jié)構(gòu)是我國數(shù)字電視領(lǐng)域普遍使用的一種基帶碼流形式。經(jīng)過不同傳輸網(wǎng)絡(luò)承載的TS碼流會(huì)出現(xiàn)不同程度的時(shí)延、抖動(dòng)、丟包等信道損傷，目前針對TS碼流的傳輸損傷缺少標(biāo)準(zhǔn)的測量方法?；贗P標(biāo)準(zhǔn)測試儀表、碼流分析儀、軟件實(shí)現(xiàn)的測試儀器與硬件實(shí)現(xiàn)的測試儀器等角度設(shè)計(jì)了數(shù)種測量方法，并逐個(gè)進(jìn)行了可行性分析，最后介紹了基于硬件實(shí)現(xiàn)的TS碼流損傷測量方法的實(shí)現(xiàn)過程。

MPEG-2 TS；傳輸；損傷；測量

我國廣播電視數(shù)字化技術(shù)蓬勃發(fā)展，數(shù)字電視通用的基帶格式是MPEG-2[1]傳輸流（TS流），在數(shù)字電視系統(tǒng)中TS碼流的傳輸質(zhì)量對于數(shù)字電視正常運(yùn)營和提供服務(wù)具有重要意義。

數(shù)字電視系統(tǒng)中，由于TS碼流數(shù)據(jù)間的相關(guān)性較小，很小的誤差都將導(dǎo)致傳輸流品質(zhì)的急劇下降。為了能夠快速定位故障查找原因，需要對TS碼流進(jìn)行測試。ETSITR-101-290（以下簡稱290標(biāo)準(zhǔn)）[2]提出了一系列推薦的測試參數(shù)，主要用錯(cuò)誤的有無、多少等指標(biāo)來表示TS碼流的質(zhì)量。但對于TS碼流傳輸過程中的時(shí)延、抖動(dòng)和丟包等損傷數(shù)值缺少標(biāo)準(zhǔn)測量方法，而信道損傷數(shù)值的準(zhǔn)確測量將對于數(shù)字電視系統(tǒng)，尤其對于地面數(shù)字電視系統(tǒng)的組建起到基礎(chǔ)性的作用，因此，筆者所在團(tuán)隊(duì)對于MPEG-2 TS碼流的信道損傷方面進(jìn)行了研究，提出了多種測量思路，并逐個(gè)進(jìn)行了可行性分析。

1 MEPG2-TS碼流及290標(biāo)準(zhǔn)測試

在數(shù)字電視系統(tǒng)中，模擬視音頻信號(hào)按照MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過抽樣、量化及壓縮編碼形成基本碼流ES，ES是不分段的連續(xù)碼流。把基本碼流分割成段，根據(jù)不同時(shí)刻的承載內(nèi)容（視音頻、數(shù)據(jù)等）不同加上相應(yīng)的頭文件打包形成PES，每個(gè)PES包最大為64 kbyte，在傳輸時(shí)將PES包分段打成有固定長度188 byte的TS包。

TS包由4 byte頭部header和184 byte凈荷區(qū)pay?load組成（見圖1）。位于包頭的首字節(jié)是同步字節(jié)，其次是傳輸差錯(cuò)標(biāo)志（Transport Error Indicator）、PID（Packet Identifier）、連續(xù)計(jì)數(shù)比特等。Payload中可能存在自適應(yīng)域（Adaptation Field）提供節(jié)目時(shí)鐘參考（Program Clock Reference，PCR）字段等功能。凈荷區(qū)包括已編碼的視音頻數(shù)據(jù)流的有用信息和用于解釋有關(guān)TS碼流的節(jié)目專用信息PSI表和服務(wù)信息SI表。

圖1 TS包格式

290標(biāo)準(zhǔn)提出了TS流指標(biāo)的測試方法，根據(jù)重要性將各參數(shù)分為三個(gè)錯(cuò)誤級別（優(yōu)先級）：

1）第一優(yōu)先級集中了一些保證TS流能正確解碼的基本參數(shù)；

2）第二優(yōu)先級集中了一些保證同步后可連續(xù)工作必須的參數(shù)和需要周期監(jiān)測的參數(shù)；

3）第三優(yōu)先級集中了一些特定應(yīng)用可能感興趣的參數(shù)。

以上測試指標(biāo)的規(guī)定對于數(shù)字電視前端的建設(shè)以及日常系統(tǒng)維護(hù)都發(fā)揮了重要的作用，也是建設(shè)和運(yùn)營所必須具備的基本測試條件。

但是，在290標(biāo)準(zhǔn)沒有提出對于TS碼流級別的時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率等信道損傷參數(shù)的測試方法，而以上損傷指標(biāo)的測量將為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及傳輸性能的完整評估提供必要條件。例如，對于地面數(shù)字電視系統(tǒng)而言，GB/T 28434—2012《地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器技術(shù)要求和測量方法》[3]規(guī)定了傳輸性能要求“TS流傳輸抖動(dòng)在100 ns范圍內(nèi)”，保證地面數(shù)字電視廣播激勵(lì)器不會(huì)因?yàn)門S流的抖動(dòng)而誤認(rèn)為節(jié)目源端在進(jìn)行節(jié)目調(diào)整，從而導(dǎo)致激勵(lì)器執(zhí)行復(fù)位操作。本文中設(shè)計(jì)的測試方法為數(shù)字電視系統(tǒng)的順利組建和正常運(yùn)行提供深入到TS碼流傳輸層的解決途徑。

2 TS碼流傳輸損傷定義

傳輸損傷（Transmission Impairments）是指信號(hào)在傳輸過程中出現(xiàn)的差異，簡單說差異就是損傷。傳輸損傷可能引起網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作反常導(dǎo)致業(yè)務(wù)劣化。

數(shù)字端到端連接的每個(gè)環(huán)節(jié)（傳輸、復(fù)用、交換）都可能給被傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)帶來傷害，統(tǒng)稱數(shù)字傳輸損傷（Digital Transmission Impairment）。ITU-T推薦用誤碼、抖動(dòng)、漂移、滑動(dòng)、時(shí)延等來表示數(shù)字傳輸損傷。

電信行業(yè)衡量IP網(wǎng)絡(luò)損傷的主要參數(shù)時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率[4]，這3個(gè)參數(shù)也直接影響業(yè)務(wù)的QoS與系統(tǒng)性能。借鑒以上參數(shù)定義，對TS碼流傳輸損傷定義。

圖2是TS碼流傳輸示意圖。

圖2 TS碼流傳輸示意圖

表1對圖2中的標(biāo)記進(jìn)行解釋。

表1 參數(shù)對照表

1）時(shí)延：同一個(gè)TS包的首字節(jié)在發(fā)送與接收時(shí)刻記錄的絕對時(shí)間之差，即

2）抖動(dòng)：前后相鄰的包間隔的變化，即

根據(jù)式（1）可得

帶入式（2）得

由以上推導(dǎo)可以看出，第i-1個(gè)TS包首字節(jié)接收時(shí)候的抖動(dòng)數(shù)值與接收時(shí)包間隔之差及發(fā)送時(shí)刻包間隔之差有關(guān)，根據(jù)發(fā)送時(shí)的包間隔是否均勻可分為：

（1） 發(fā) 送 時(shí) 刻 包 間 隔 均 勻 ，即Tt(i+1)-Tt(i)=Tt(i)-Tt(i-1)，則信道抖動(dòng)可用時(shí)延表示，即前后相鄰TS包的時(shí)延之差為

（2）發(fā)送時(shí)刻包間隔不均勻，即Tt(i+1)-Tt(i)≠Tt(i)-Tt(i-1)，則信道抖動(dòng)可用接收絕對時(shí)間表示，即

3）丟包率：定義1 min內(nèi)接收與發(fā)送的TS包之間數(shù)量的差異與發(fā)送包總數(shù)量的比率。

3 TS碼流傳輸損傷測量方案可行性分析

筆者團(tuán)隊(duì)先后設(shè)計(jì)了4種方案進(jìn)行TS碼流的傳輸時(shí)延、抖動(dòng)與丟包的測量，最初考慮通過專業(yè)通用儀表比如碼流分析儀進(jìn)行測量，之后設(shè)計(jì)采用IP測量儀表方案；最后設(shè)計(jì)了分別基于軟件和硬件實(shí)現(xiàn)的方案。下面依次介紹各個(gè)方案的驗(yàn)證原理以及可行性分析。

3.1 基于碼流分析儀測量方案

碼流分析儀表依據(jù)290標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的三級錯(cuò)誤可實(shí)現(xiàn)對TS碼流的分析，其監(jiān)測指標(biāo)中與傳輸TS碼流損傷相關(guān)的主要包括PCR抖動(dòng)和連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

提出兩個(gè)問題：TS碼流抖動(dòng)可否用PCR抖動(dòng)來推導(dǎo)？TS碼流丟包率是否能夠通過連續(xù)技術(shù)錯(cuò)誤反映？

3.1.1 PCR抖動(dòng)指標(biāo)分析

PCR是為了保證編碼器和接收器保持時(shí)間而產(chǎn)生的。在編碼器中使用27 MHz振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘（System Time Clock，STC）的輸入，接收端也必須提供系統(tǒng)時(shí)鐘STC，其27 MHz振蕩器和42 bit計(jì)數(shù)器必須與編碼器系統(tǒng)時(shí)鐘STC完全同步。因此就需要TS碼流中傳送關(guān)于時(shí)鐘的參考信息，即PCR，使得碼流中帶有準(zhǔn)確的內(nèi)部時(shí)鐘，所有編碼和解碼過程都受這個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘控制。

在MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中，假設(shè)傳輸中所有參量的延遲都是一樣的，編碼器和解碼器之間的延遲也是固定的，則解碼器利用接收到的PCR值[5]，通過鎖相環(huán)PLL鎖定本地系統(tǒng)時(shí)鐘，使解碼器服從于編碼器，從而產(chǎn)生解碼與播放的同步信號(hào)。

在實(shí)際系統(tǒng)中，如果由于時(shí)鐘的突然變化、再復(fù)用時(shí)對PCR的修改、傳輸碼率的變化或傳輸網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)等原因，改變了固定的延遲，就有可能引起已有的PCR值與實(shí)際接收到的PCR值之間的差異，是PCR的抖動(dòng)。

290標(biāo)準(zhǔn)中針對PCR抖動(dòng)的測試主要是指PCR抖動(dòng)分析部分，PCR分析包括PCR精度分析和PCR間隔分析。

1）PCR精度：由允許偏離同步PCR值最大值確定的，即PCR的抖動(dòng)范圍；

2）PCR間隔：兩個(gè)連續(xù)的PCR之間的最大時(shí)間間隔，具體指標(biāo)如表2所示。

表2 PCR指標(biāo)

在GB/T 28434—2012規(guī)定地面數(shù)字電視廣播各種工作模式下幀所包含的TS包數(shù)量、40 ms（發(fā)送的PCR最大間隔）內(nèi)TS包數(shù)量的最小與最大極值如表3所示。

表3 地面國標(biāo)模式下TS包率與PCR間隔內(nèi)TS包數(shù)量

表3可見，地面數(shù)字電視傳輸TS碼流中不同模式下2個(gè)PCR中間最多包含468個(gè)TS包。

假設(shè)PCR時(shí)鐘插入第j個(gè)TS包，PCR間隔中包含了a個(gè)TS包，則接收到第j個(gè)TS包出現(xiàn)的PCR時(shí)鐘抖動(dòng)可計(jì)算為時(shí)鐘抖動(dòng)差值之差，可用TS包時(shí)鐘計(jì)數(shù)表示為

對于地面數(shù)字電視應(yīng)用，a取值范圍大概在144≤a≤468，而抖動(dòng)數(shù)值對應(yīng)于PCR所在TS包間隔之差，與累計(jì)數(shù)量沒有線性或其他計(jì)算關(guān)系，因此用PCR抖動(dòng)不能推導(dǎo)出TS碼流的抖動(dòng)情況。

3.1.2 PCR連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤

TS包頭中含有連續(xù)計(jì)數(shù)（Continuity Counter）的4 bit字段，隨著每個(gè)具有相同PID值的包而遞增，達(dá)到最大值回卷為0，但是當(dāng)自適應(yīng)域控制為00和10時(shí)該字段不遞增。

連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤是指監(jiān)測“連續(xù)計(jì)數(shù)”字段發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)不連續(xù)的情況，可以發(fā)現(xiàn)丟失TS包的情況及碼流順序錯(cuò)誤（允許在改變節(jié)目時(shí)出現(xiàn)不連續(xù)計(jì)數(shù)）。

連續(xù)計(jì)數(shù)字段是針對相同PID的TS包的連續(xù)計(jì)數(shù)，特殊情況下，對于TS碼流中特殊PID或者空包的話，連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤字段就不能反映碼流傳輸?shù)恼_性了。同時(shí)，由于信道損傷中丟包率的測量是針對一段時(shí)間內(nèi)所有TS包的丟失情況的測試，連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤從原理和機(jī)制上并不能支持測量的需求。

3.1.3 小結(jié)

碼流分析儀基于290標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的測量方法能夠監(jiān)測三級錯(cuò)誤，包括了PCR抖動(dòng)報(bào)警與連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，但是不能夠基于目前方法進(jìn)行TS碼流傳輸損傷的測量。

3.2 基于IP測試儀表的測量方案

基于IP網(wǎng)絡(luò)損傷測試已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)儀表，IP協(xié)議2～3層測試儀表（Spirent Testcenter）可以準(zhǔn)確獲得IP網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、抖動(dòng)、丟包等損傷數(shù)據(jù)。筆者團(tuán)隊(duì)分析使用IP協(xié)議測試儀表進(jìn)行TS碼流損傷測試的可行性。

測量初步思路是將IP協(xié)議測試儀表與被測信道串聯(lián)，測試儀表發(fā)送錄制的封裝為IP數(shù)據(jù)的TS流，經(jīng)被測信道后，監(jiān)測收到的碼流的損傷數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 基于IP測試的方法

方案中，有如下環(huán)節(jié)需要重點(diǎn)分析：

1）信源：IP測試儀器輸入輸出必須為IP數(shù)據(jù)，被測信號(hào)源必須是IP封裝的TS碼流。DVB工作組輸出的一個(gè)成果草案RFC2250[6]推薦了一種MPEG-1、MPEG-2用UDP或RTP傳輸實(shí)現(xiàn)DVB Over IP的打包方案，該方案規(guī)定每個(gè)IP包封裝1～7個(gè)TS包。因此，方案須生成每7個(gè)TS包封裝到一個(gè)IP包的載荷的數(shù)據(jù)段存儲(chǔ)在IP測試儀表中作為信源數(shù)據(jù)。

2）信道：非IP承載信道需要在進(jìn)入被測網(wǎng)絡(luò)前對發(fā)送來的IP數(shù)據(jù)拆包形成TS碼流進(jìn)入被測設(shè)備；同樣地，在被測設(shè)備后需要在對TS包還原成IP數(shù)據(jù)包。應(yīng)設(shè)計(jì)專門的封包與解包模塊，在封裝與解封裝的過程中，IP包頭的源地址、目的地址等信息在實(shí)施過程中填入固定的測試IP地址。

本方案基于標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議測試儀表實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行信源與信道準(zhǔn)備基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)對于IP包的時(shí)延、抖動(dòng)與丟包率的測量。但方案本身存在著局限性：首先，方案中引入了兩個(gè)封裝與解封裝的處理模塊，設(shè)備中處理機(jī)制與緩存容量已經(jīng)引入了新的疊加損傷，導(dǎo)致了測量值的不準(zhǔn)確；其次，信源準(zhǔn)備過程中，將7個(gè)TS包打包成一個(gè)IP數(shù)據(jù)包的組包過程將不能保證封裝輸出包間隔的均勻性，且測試指標(biāo)均對應(yīng)于數(shù)個(gè)TS包合成的數(shù)據(jù)段的指標(biāo)，并不能真正對于TS包的損傷數(shù)值。因此，基于IP協(xié)議測試儀器的方法不能夠準(zhǔn)確全面地反映被測的TS碼流網(wǎng)絡(luò)損傷指標(biāo)。

3.3 基于PC的軟件實(shí)現(xiàn)測量方案

在對基于標(biāo)準(zhǔn)測試儀表（碼流分析儀與IP協(xié)議測試儀表）的設(shè)計(jì)方案分析存在局限性之后，筆者團(tuán)隊(duì)從損傷驗(yàn)證方法入手開始設(shè)計(jì)測量方案。

驗(yàn)證TS碼流延時(shí)、抖動(dòng)及丟包的網(wǎng)絡(luò)損傷，本質(zhì)上需要對每個(gè)TS包打上絕對時(shí)間戳（全局時(shí)間計(jì)數(shù)）及連續(xù)性計(jì)數(shù)序號(hào)，通過絕對時(shí)間戳計(jì)算傳輸時(shí)延、相鄰TS包的包間隔，通過連續(xù)計(jì)數(shù)得知是否發(fā)生丟包。

測試方案的實(shí)施如圖4所示。

圖4 基于PC開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)的測量方案

在PC上裝入兩塊碼流采集卡，一塊用于發(fā)送原始的TS碼流，一塊用于接收通過網(wǎng)絡(luò)損傷模擬器后的TS碼流。在發(fā)送時(shí)刻，將主機(jī)當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間以及連續(xù)計(jì)數(shù)數(shù)值注入TS包的載荷中，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)后，PCI采集卡接收TS碼流，并將接收時(shí)刻的系統(tǒng)時(shí)間也寫入TS包的載荷中。PC內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊，完成將兩次絕對時(shí)間讀取后分析延時(shí)和抖動(dòng)的模擬效果，同時(shí)通過連續(xù)計(jì)數(shù)數(shù)值計(jì)算丟包情況。將計(jì)算結(jié)果以圖形界面的形式展現(xiàn)出來。

本方案從機(jī)制上是可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)損傷模擬器的功能驗(yàn)證。但是存在以下方案本身難以克服的問題：

1）時(shí)間精度

基于PC開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)的測量方案，其時(shí)間精度受限于系統(tǒng)內(nèi)核所能提供的時(shí)鐘精度。其中，以多任務(wù)分時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的Windows與Linux操作系統(tǒng)，所能提供的內(nèi)核時(shí)鐘精度均在ms級，近年來部分研究成果對Linux實(shí)時(shí)化改造提供一些方案，可以將時(shí)鐘精度提高到μs級別。

以地面數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn)為例，GB/T 28434—2012中對傳輸分配網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)指標(biāo)做了規(guī)定，在ns級別。即使是基于PC操作系統(tǒng)改造的高精度實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Kurt）仍然難以滿足TS包測量的精度需求。

2）系統(tǒng)誤差

基于PC開發(fā)的軟件在實(shí)現(xiàn)注入絕對時(shí)間戳?xí)r會(huì)出現(xiàn)誤差。由于PC操作系統(tǒng)非實(shí)時(shí)性，通過PCI碼流板卡發(fā)送/接收TS數(shù)據(jù)包時(shí)并不是逐包接收/發(fā)送的，而是一次性發(fā)送/接收一批次的數(shù)據(jù)包到緩沖區(qū)，導(dǎo)致根本無法記錄TS碼流發(fā)送/到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)間。

由于兩次注入的絕對時(shí)間都無法控制其精確性，就無法得知具體每個(gè)TS包的發(fā)送及達(dá)到時(shí)間，相關(guān)損傷數(shù)據(jù)不能得到準(zhǔn)確測量。

3.4 基于PC軟件開發(fā)+FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的測量方案

在方案三的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使用硬件部分針對性進(jìn)行絕對時(shí)間計(jì)數(shù)的注入功能，一方面可以使用標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)生器，更重要的是解決了時(shí)鐘精度問題和系統(tǒng)誤差問題，如圖5所示。

圖5 基于PC軟件開發(fā)+FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的測量方案

本方案分為2個(gè)部分，即對時(shí)間精度要求很高的實(shí)時(shí)系統(tǒng)由FPGA板卡實(shí)現(xiàn)，而對精度要求不高的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊由基于PC進(jìn)行軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

1）硬件部分

硬件部分采用FPGA板卡實(shí)現(xiàn)，兩次注入的絕對時(shí)間戳以當(dāng)TS流進(jìn)入FPGA時(shí)FPGA根據(jù)本地的高精度時(shí)鐘（27 MHz時(shí)鐘周期）記錄該字節(jié)到達(dá)的時(shí)間。圖6為實(shí)現(xiàn)的TS包結(jié)構(gòu)。

圖6 測量方案中的TS包結(jié)構(gòu)

碼流發(fā)生器發(fā)送測試碼流經(jīng)過硬件板卡后，“注入發(fā)送絕對時(shí)間戳”模塊根據(jù)板卡本身的系統(tǒng)時(shí)間生成的當(dāng)前時(shí)間注入TS包的載荷中，同時(shí)注入的還有包序號(hào)字段。然后將碼流發(fā)送至被測傳輸通道；經(jīng)過被測傳輸通道的碼流再次通過硬件板卡，其“注入收到絕對時(shí)間戳”模塊同樣根據(jù)板卡本身的系統(tǒng)時(shí)間（與注入模塊采用同一時(shí)鐘源）注入到TS包載荷中，發(fā)送到PC的PCI碼流采集板卡。

2）軟件部分

PCI采集卡將采集到的TS碼流保存至本地，解析TS包載荷中絕對時(shí)間戳及連續(xù)計(jì)數(shù)字段，以圖形界面的形式呈現(xiàn)出來，反映經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸后的TS傳輸流中TS包級別的損傷情況。

基于PC軟件開發(fā)+FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的方案能夠滿足TS碼流傳輸損傷測量的功能、性能及精度要求，且采用模塊化方法便于系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，是提出的四種方案中唯一能夠?qū)崿F(xiàn)TS碼流損傷指標(biāo)精確測量的系統(tǒng)方案。

4 “基于PC軟件+FPGA硬件”方案的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

4.1 方案實(shí)現(xiàn)

4.1.1 硬件設(shè)計(jì)

1）開發(fā)環(huán)境及板卡信息

硬件板卡采用FPGA為主芯片，外圍為兩路ASI傳輸路徑，包括兩進(jìn)兩出，F(xiàn)PGA采用ALTERA公司推出的第四代65 nm工藝的芯片EP4CE40F484，F(xiàn)PGA的特點(diǎn)具有運(yùn)行穩(wěn)定、速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，第四代CYCLONE芯片集成度更高，具有更好的時(shí)序特性以及豐富的接口，為開發(fā)奠定了硬件基礎(chǔ)。同時(shí)為提高接收信號(hào)的質(zhì)量，在ASI信號(hào)的輸入路徑上，加入均衡處理，并在ASI信號(hào)輸出路徑上，加入驅(qū)動(dòng)，以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，延長傳輸距離。使用Quartus IIVersion 9.1進(jìn)行FPGA開發(fā)全流程，硬件板卡框架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 硬件框架

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及處理流程

系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)和處理流程如圖8所示。

圖8 硬件信號(hào)處理流程

測試TS碼流經(jīng)過ASI-IN模塊進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和協(xié)議解析后，經(jīng)過去錯(cuò)包處理，通過TS-OUTPUT1模塊完成在規(guī)定位置加入連續(xù)性計(jì)數(shù)和發(fā)送絕對時(shí)間戳，經(jīng)過ASI-OUT模塊進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后發(fā)送至待測網(wǎng)絡(luò)；TS測試碼流經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò)以后，與第一次流程類似，經(jīng)過ASI-IN、TS_Sync2模塊完成串并轉(zhuǎn)換、ASI協(xié)議解析和去錯(cuò)包處理后，在OUTPUT-2模塊內(nèi)完成接收絕對時(shí)間戳的注入，再經(jīng)過ASI-OUT模塊發(fā)送。在PC端對最終輸出的TS數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，取出每個(gè)TS數(shù)據(jù)包中的連續(xù)性計(jì)數(shù)、發(fā)送絕對時(shí)間和接收絕對時(shí)間，進(jìn)行比較后得到待測系統(tǒng)的延時(shí)、抖動(dòng)以及丟包情況等參數(shù)。

4.1.2 軟件設(shè)計(jì)

使用Visual Studio2010開發(fā)基于PC的分析軟件部分。

分析軟件分為2個(gè)線程：

1）讀卡線程：將碼流采集板卡上接收的碼流保存為TS文件。

2）分析線程主要包括：

（1）讀取TS文件并分析TS包中的發(fā)送時(shí)間字段、接收時(shí)間字段，按照式（1）和式（3）計(jì)算出每個(gè)TS包的時(shí)延、抖動(dòng)；

（2）讀取TS包中的連續(xù)計(jì)數(shù)字段判斷是否連續(xù)，不連續(xù)的序號(hào)視為丟包；

（3）將計(jì)算結(jié)果通過圖形界面呈現(xiàn)。

4.2 功能驗(yàn)證

基于設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的鏈路損傷測量儀表對一根BNC連接線進(jìn)行測量。測試結(jié)果如圖9～圖11所示。

從以上輸出結(jié)果可以看出，基于PC軟件+FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的測量方案能夠較為精確地實(shí)現(xiàn)TS流傳輸損傷的測量。

圖9 包延遲曲線（截圖）

圖10 包抖動(dòng)曲線（截圖）

圖11 丟包曲線（截圖）

5 結(jié)論

MPEG-2 TS碼流的各方面指標(biāo)測量對于數(shù)字電視系統(tǒng)的順利組建與高效運(yùn)維具有十分重要的意義，基于290標(biāo)準(zhǔn)提出的三級錯(cuò)誤測量方法可實(shí)現(xiàn)對TS包本身的分析，而普遍缺少對于TS碼流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸或系統(tǒng)處理后損傷指標(biāo)的測量，本文介紹了設(shè)計(jì)的4種損傷測量方案，經(jīng)過可行性分析，驗(yàn)證了基于PC軟件開發(fā)+ FPGA硬件的方案能夠滿足TS碼流傳輸損傷測量的功能、性能及精度要求，本方案的實(shí)現(xiàn)和推廣將有力推進(jìn)TS碼流損傷測量的標(biāo)準(zhǔn)化工作，將對數(shù)字電視系統(tǒng)建設(shè)起到積極的指導(dǎo)作用。

[1]GB/T 17975.1—2010，信息技術(shù)運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音系統(tǒng)的通用編碼[S].2010.

[2] ETSI TR 101 290，Digtal video broadcasting(DVB)；measurement guidelines for DVB system[S].2001.

[3]GB/T 28434—2012，地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器技術(shù)要求和測量方法[S].2012.

[4] RFC2544.Benchmarking methodology for network in?terconnect devices[R].[S.l.]：Harvard University Press，1999.

[5]夏愷，薛永林.MPEG-2TS信息提取和一致性測試研究[J].電視技術(shù)，2005，29（S1）：90-92.

[6] RFC2250.RTP Payload Format for MPEG1/MPEG2 Video[EB/OL].[2013-11-01].http://wenku.baidu.com/ link?url=dlLx66Rf_99EiZeo_ujcBhWNs3m3lYNtLxN-al-dX9phfi3mv9NwX4ZHtrFn2DwoJchiQmh7mn11EPy POZiDY4XKZw3NX1OpNtw379FpGEa.

Research and Design of M easurement M ethod for MPEG-2 TS Stream Transm ission Im pairments

LI Peilin1,WANG Tao1,FANG Chao2,BAI He1
（1.Academy of Broadcasting Science,SARFT,Beijing 100866,China; 2.National Broadcasting Network Engineering Research Center,Beijing 100866,China）

Standard MPEG-2 transport stream(TS)structure is widely used in the field of television in China.The TS stream has a certain degree of transmission impairments such as delay,jitter and packet loss.There is no standard measurement method on TS stream transmission impairments.In this paper,several methods’feasibilities including IP-based standard test instruments,TS stream analyzer,software scheme design and hardware scheme design are analyzed. Finally hardware-based implementation on TS stream transmission impairments measurement methods are introduced.

MPEG-2 TS;transmission;impairments;measurement

TN949

A

?? 京

2013-12-10

【本文獻(xiàn)信息】李培琳，王濤，方超，等.MPEG-2中TS碼流傳輸損傷測量方法研究與設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2014，38（12）.

中國專利：地面數(shù)字電視傳輸分配網(wǎng)信道損傷模擬方法和樣機(jī)研究（專利號(hào)：201322600508640）