Słowa kluczowe: asynchroniczny dekoder enkodera audio i wideo MPEG-2 PCR DTS PTS
Wraz z szybkim rozwojem telewizji cyfrowej w moim kraju i postępem cyfrowej transformacji miejskich sieci radiowych i telewizyjnych, coraz więcej ludzi zaczęło używać dekoderów do oglądania programów telewizji cyfrowej. Ale w trakcie oglądania programów telewizyjnych za pomocą dekodera widzowie czasami zauważają, że niektóre audio i wideo nie są zsynchronizowane. To również zwróciło naszą uwagę.
Fenomen i test
Miasto Guiyang zasadniczo zakończyło cyfrową transformację swojej sieci radiowej i telewizyjnej pod koniec 2007 r., A programy stacji telewizyjnej Guizhou również weszły do cyfrowej transmisji sieciowej. Po wejściu do sieci cyfrowej stwierdziliśmy, że w kilku programach naszej stacji występuje zjawisko braku synchronizacji dźwięku i obrazu w niektórych obszarach, zwłaszcza gdy wiadomości były nadawane na satelitarnym kanale wideo i kanale ludowym. Aby dowiedzieć się, na czym polega problem, zdecydowaliśmy się przeprowadzić test synchronizacji ruchu warg na całej ścieżce transmisji naszego programu. Sprzęt użyty do testu to Tektronix WFM7120. Podczas wykonywania pomiaru opóźnienia audio / wideo konieczne jest również wygenerowanie szeregu krótkich sygnałów wideo paskowych kolorów za pośrednictwem TG700 DVG7, a sekwencja audio jest osadzona w tej grupie sygnałów wideo z interwałem 5s, wyślij taki sygnał do testowany system, a na koniec wyślij sygnał do WFM7120, aby zmierzyć różnicę w taktowaniu między dźwiękiem i wideo.
Test wewnętrzny centrum kontroli transmisji
Jak pokazano na rysunku 1, aby zmierzyć, czy w systemie stacji telewizyjnej występuje różnica opóźnień audio / wideo, wykorzystujemy czas inspekcji do nagrania sygnału testowego wygenerowanego przez TG700 na dysk twardy transmisji, odtworzenia go na dysku twardym, i wprowadź sygnał testowy do opóźniacza. Po module synchronizacji ramek jest on nadawany na kanale, a następnie mierzymy te trzy sygnały, zanim dział transmisji prześle sygnał do kodera firmy sieciowej. Wyniki pomiarów pokazują, że różnica opóźnień audio / wideo tych trzech sygnałów nie przekracza 12 ms, czyli jedno pole nie wystarcza, co wskazuje, że sygnał nie ma problemu z synchronizacją audio i wideo w centrum sterowania transmisją.
Testowanie różnych dekoderów
Jako drugi punkt pomiarowy wybraliśmy frontową pracownię komputerową firmy sieciowej. Jak pokazano na rysunku 2, tutaj wybraliśmy główne marki dekoderów używanych obecnie w Chinach do testów. Po zakodowaniu sygnału testowego TG700 za pomocą oryginalnego kodera, którego używamy, włóż go do kanału, który aktualnie nadajemy. Następnie użyj dekodera w przednim pokoju komputerowym, aby zdemodulować sygnał telewizyjny. Zdekodowany sygnał audio / wideo jest następnie wysyłany do WFM7120 w celu pomiaru po A / D i osadzenia sygnału analogowego przez magnetowid Panasonic D950. Wyniki pomiarów pokazują, że różnica opóźnień audio / wideo tych typów dekoderów jest inna, niektóre wyprzedzają 150 ms, a niektóre 300 ms. Pokazuje to, że różne dekodery mają różne możliwości utrzymania relacji synchronizacji między sygnałami audio / wideo po demodulowaniu i dekodowaniu tego samego cyfrowego sygnału telewizyjnego.
Testowanie różnych enkoderów
Jak pokazano na rysunku 3, nadal używamy generatora sygnału TG700 do testowania różnych koderów i włączamy koder, modulator i przystawkę STB do tworzenia symulowanego środowiska nadawania / oglądania. Tutaj używamy kilku koderów różnych marek. Po zakodowaniu sygnału testowego TG700 jest on modulowany przez ten sam modulator, a następnie sygnał jest dekodowany przez ten sam dekoder. Jest również przetwarzany przez D950 i wysyłany do WFM7120 w celu pomiaru. Ostateczny wynik pomiaru jest taki, że niektóre z ich różnic w opóźnieniach audio / wideo wynoszą 30 ms, a niektóre sięgają 300 ms, co wskazuje, że różne kodery mają większy wpływ na synchronizację audio / wideo końcowego sygnału oglądania przystawki STB.
Analiza przyczyn
Zasada synchronizacji systemu MPEG-2
Obecnie w systemie transmisji telewizji cyfrowej w moim kraju standard MPEG-2 jest ważnym standardem kompresji dźwięku i obrazu. Kompresuje, koduje i multipleksuje sygnały programu na końcu źródłowym oraz demultipleksuje i dekoduje sygnały na końcu odbiorczym. Był szeroko stosowany. Wykorzystywany przez nas system transmisji cyfrowej oparty jest na standardzie MPEG-2. Przyjrzyjmy się strukturze systemu MPEG-2, jak pokazano na rysunku 4.
Na fig. 4 można zobaczyć, że sygnały audio i wideo tworzą strumień podstawowy po usunięciu nadmiarowej informacji przez koder kompresji. Ten elementarny strumień kodu nie może być przechowywany ani przesyłany bezpośrednio. Musi być wysłany do konkretnego pakowacza. Elementarny strumień kodu jest podzielony na akapity zgodnie z określonym formatem, a określone znaki identyfikacyjne są dodawane, aby utworzyć tak zwany spakowany strumień kodu elementarnego (PES). Pakiety PES to pakiety danych audio i wideo o różnych długościach. Następnie pakiety PES audio i wideo oraz dane pomocnicze są wysyłane do podsystemu transmisji, które są dzielone na małe pakiety danych o stałej długości 188b i multipleksowane przez multipleksowanie z podziałem czasu. Tworzony jest pojedynczy strumień TS, a strumień TS dociera do końca odbiorczego po transmisji przez kanał.
Jak wszyscy wiemy, synchronizacja jest niezbędnym warunkiem prawidłowego wyświetlania telewizora. W przypadku telewizji cyfrowej, ponieważ bufor jest używany do przechowywania sygnału podczas procesu kompresji i kodowania, zmienia się oś czasu sygnału w multiplekserze, a także inna jest ilość redundancji danych, inny jest również współczynnik kompresji, więc oś czasu Wielkie zmiany, zwłaszcza w przetwarzaniu warstwy grup klatek, zmieniła się również kolejność klatek B i P. Wszystko to sprawia, że synchronizacja sygnałów telewizji cyfrowej całkowicie traci koncepcję pierwotnej sekwencji. Skutecznym sposobem osiągnięcia synchronizacji jest dodanie etykiety czasowej do strumienia kodu sygnału za każdym razem, gdy minie określony interwał. Za pomocą tego znacznika odbiornik może zostać ponownie uporządkowany zgodnie z tym znacznikiem czasowym podczas procesu dekodowania przed wyświetleniem, zrekonstruować kolejność obrazu przed kompresją i kodowaniem oraz związek czasowy między dźwiękiem a obrazem, uzyskując w ten sposób synchronizację obrazu i dźwięk jest zsynchronizowany z obrazem.
Na rysunku 4 można również zobaczyć, że istnieje jeden wspólny zegar systemowy STC (27 MHz) w koderze MPEG-2. Ten zegar jest używany do generowania znacznika czasu wskazującego prawidłowe dekodowanie i wyświetlanie synchronizacji audio / wideo. Jednocześnie może służyć do wskazywania próbkowania Chwilowa wartość chwilowego zegara systemowego. Zegar jest synchronizowany fazowo przez synchronizację liniową wejściowego sygnału wideo. Gdy na wejściu jest sygnał SDI, zegar systemowy enkodera jest generowany przez zegar podzielony przez 10. Jest to pojawienie się wspólnego zegara systemowego w enkoderze, a także regeneracja zegara w dekoderze i prawidłowe wykorzystanie znaczników czasu, które stanowią podstawę prawidłowej synchronizacji operacji w dekoderze. Aby zrealizować synchronizację zegara kodeka, zegar systemowy STC jest zliczany w koderze, a wartość próbkowania licznika jest przesyłana do odbiornika w nagłówku adaptacyjnym wybranego pakietu TS co określony czas transmisji, jako dekodowanie Sygnał odniesienia zegara programu procesora, którym jest PCR. Prawidłowy bit PCR to 42b, wśród których wysoki 33b to PCR_Base, co jest wartością zliczania w jednostce zegara 27 MHz i zegara podzieloną przez 300, a dolne 9b to PCR_Extension, które jest wartością zliczania w zegarze 27 MHz jako jednostka. Oprócz PCR, znacznik czasu dekodowania DTS i etykieta czasu wyświetlania PTS są również bardzo ważne. Są podobne do PCR_Base. Są one również tworzone za pomocą zegara systemowego enkodera 27 MHz podzielonego przez 300 jako wartość zliczania jednostek. Wśród nich, DTS jest używany do instruowania dekodera, kiedy dekodować odebrany obraz i ramkę audio, a PTS jest używany do powiadamiania, kiedy wyświetlić zdekodowaną ramkę obrazu.
W przypadku kodowania dwukierunkowego dekodowanie określonego obrazu musi zostać przeprowadzone w pewnym okresie czasu przed jego wyświetleniem, tak aby można go było wykorzystać jako dane źródłowe do dekodowania obrazu w ramce B. Na przykład kolejność wyświetlania obrazów to IBBP, ale kolejność przesyłania obrazów to IPBB. Model odniesienia MPEG zakłada, że dekodowanie następuje natychmiastowo, to znaczy dekodowanie i wyświetlanie są wykonywane w tym samym czasie. W przypadku ramek audio i ramek obrazu B czas dekodowania i czas wyświetlania są takie same, a PTS jest taki sam jak DTS, więc należy przesłać tylko PTS. W przypadku ramek wideo I i ramek P, ze względu na zmianę kolejności ramek, czas dekodowania i czas wyświetlania są różne, a PTS i DTS muszą być przesyłane w tym samym czasie. Kiedy dekoder odbiera sekwencję obrazów IPBB, musi zdekodować obrazy I-frame i P-frame przed zdekodowaniem pierwszego obrazu B. Dekoder może dekodować tylko jedną klatkę obrazu na raz, więc najpierw dekoduje obraz I-frame i zapisuje go. Kiedy obraz ramki P jest dekodowany, wysyła i wyświetla zdekodowany obraz ramki I, a następnie dekoduje i wyświetla obraz ramki B. Tabele 1, 2, 3 i 4 przedstawiają sekwencję obrazów wejściowych i wyjściowych kodera, wartości PTS i DTS każdej ramki oraz sekwencję dekodowania i wyświetlania każdej ramki obrazu przez dekoder.
W Tabeli 1 13 ramek obrazów stanowi grupę obrazów, pierwsza ramka I wykorzystuje kodowanie wewnątrzramkowe, druga i trzecia ramka B są uzyskiwane przez dwukierunkowe przewidywanie z pierwszej i czwartej ramki, a czwarta ramka P jest przeszedł przez pierwszą klatkę. Pochodzi z przewidywania wyprzedzającego. Po zakodowaniu pierwszej ramki, koder najpierw buforuje drugą i trzecią ramkę, koduje czwartą ramkę, a następnie koduje drugą i trzecią ramkę, i tak dalej, a ostateczna zakodowana sekwencja wyjściowa jest pokazana w tabeli 2 pokazanej.
Z Tabeli 3 i Tabeli 4 widać, że gdy dekoder odbiera pewną jednostkę dostępową zawierającą obraz ramki I, pakiet danych pliku powinien zawierać DTS i PTS, czas między wartościami tych dwóch znaczników Odstęp wynosi jeden okres obrazu. Po tym, jak obraz I-frame jest ramką P, w pakiecie danych pliku powinien również znajdować się DTS i PTS, a odstęp czasu między wartościami dwóch znaczników wynosi trzy okresy obrazu. Następnie są dwie ramki B, których pakiety danych pliku zawierają tylko PTS. Oznacza to, że obraz klatki I będzie odtwarzany i wyświetlany z opóźnieniem wynoszącym jedną klatkę po zdekodowaniu. Gdy wyświetlana jest ramka I, dekodowana jest czwarta ramka P, ale nie jest odtwarzana ani wyświetlana. Najpierw jest buforowany, a po odtworzeniu i wyświetleniu klatki 1I, natychmiast zdekoduj i wyświetl klatki 2B, następnie ramki 3B, a następnie wyświetl buforowane ramki 4P i jednocześnie dekoduj i buforuj ramki 7P, i tak dalej. Można zauważyć, że sekwencja dekodowanych i wyświetlanych obrazów jest zgodna z sekwencją wprowadzania obrazów w tabeli 1.
Zasada czasowa dekodera (dekoder)
PTS i DTS to tylko wartości 33b. Jeśli nie ma odniesienia do osi czasu reprezentowanej przez PCR, ta wartość jest bez znaczenia. Aby zachować prawidłowe dekodowanie, zegary systemowe kodera i dekodera (przystawki STB) muszą być zablokowane, to znaczy ich częstotliwości są takie same, a początkowe wartości ich odpowiednich liczników są takie same.
W dekoderze (przystawce STB) znajduje się oscylator sterowany napięciem (VCO) o częstotliwości około 27 MHz. Sygnał wyjściowy jest wysyłany do licznika jako zegar systemowy w celu wygenerowania bieżącej wartości próbki STC, która jest wartością 42b, jak w przypadku PCR. Wśród nich wysokie 33b to wartość zliczania w jednostce zegara 27MHz po 300 różowej częstotliwości, a dolne 9b to wartość zliczania w jednostce zegara 27MHz. Kiedy nowy program dotrze do dekodera (przystawki STB), dekoder (przystawka STB) uzyskuje wartość PCR ze strumienia kodu, porównuje swoją wartość PCR_Extention z dolnymi 9b bitami bieżącego STC i uzyskuje błąd sygnał, a następnie przechodzi przez obwód pętli synchronizacji fazy. Wyreguluj oscylator sterowany napięciem tak, aby częstotliwość zegara systemowego dekodera (przystawki STB) była zgodna z częstotliwością zegara systemu kodera. Uzyskaj wartości PTS i DTS każdej ramki sekwencyjnie ze strumienia kodu i porównaj je z wysokimi 33b bitami bieżącej wartości STC. Jeśli wartość DTS jest większa niż wartość STC, strumień kodu jest buforowany, a zmiana wartości STC jest monitorowana w tym samym czasie. Gdy wartość STC wzrasta do wartości DTS, dekodowany jest strumień kodu ramki. Gdy wartość STC jest równa wartości PTS, odtwórz klatkę. Jeżeli z powodu jittera opóźnienia bufora sieci transmisyjnej, gdy strumień kodu dociera do dekodera (przystawki STB), jego wartość PTS jest już mniejsza niż wartość STC, to dekoder (przystawka STB) pomija tę ramkę i odrzuca dane ramki. Ponieważ PTS i DTS są generowane na podstawie wartości PCR, pierwsza uzyskana wartość PCR musi zostać użyta jako wartość początkowa do ustawienia licznika STC dekodera (set-top box), aby ich wartości były takie same, w przeciwnym razie podstawa czasu będzie inna. , Tak więc błąd dekodowania. Przetwarzanie audio i wideo jest podobne, ale nie ma problemu z przegrupowaniem czasowym. Rysunek 5 przedstawia schemat działania dekodera (dekodera) PCR.
Przyczyny braku synchronizacji dźwięku i obrazu
W praktycznych zastosowaniach niektóre kodery powodują jitter w swoim zegarze wyjściowym z powodu niestabilnej podstawy czasowej wejściowego sygnału wideo, a interwał synchronizacji ramek nie wynosi 40 ms. W przypadku tych koderów, po ustawieniu początkowej wartości DTS zgodnie z PCR i opóźnieniem buforowania, wartość DTS każdej ramki jest uzyskiwana przez dodanie stałej wartości do poprzedniego DTS (wartość tę można obliczyć w następujący sposób: 27 MHz jest dzielone przez 300 Jest to 90kHz, a TV PAL to 25 klatek na sekundę. Dlatego wartość to 90000/25 = 3600), a wartość PTS jest obliczana zgodnie z typem ramki i typem GOP. Jednak wartość PCR nie wzrosła w tym okresie o 3600, co spowodowało, że DTS i PTS stały się większe lub mniejsze w porównaniu z PCR. Niektóre dekodery (przystawki STB) nie używają oscylatora sterowanego napięciem, a ich zegar systemowy ma stałą wartość 27 MHz, ale wykorzystuje odebraną wartość PCR do zainicjowania wartości lokalnego licznika zegara systemowego. Koder i dekoder (przystawka STB) nie mogą utrzymywać ścisłej blokady, co może spowodować, że dekoder (przystawka STB) będzie odrzucać ramki. Jednak niektóre dekodery (przystawki STB) nie dekodują już ściśle i wyświetlają zgodnie z DTS i PTS po utracie ramki, ale dekodują zgodnie z sytuacją w buforze, ponieważ opóźnienie kodowania wideo i audio jest różne, może powodować dźwięk Obraz nie jest zsynchronizowany.
Ponadto w procesie transmisji z kodera do dekodera (przystawki STB), ze względu na istnienie łączy buforowych o zmiennym opóźnieniu, takich jak multipleksery i modulatory, opóźnienie transmisji pakietów PCR może nie być stałe, wahając się od dużego do mały. Jeśli PCR nie zostanie naprawiony, mogą również wystąpić powyższe problemy.
podsumować
Z powyższej analizy można zauważyć, że zarówno koder, jak i dekoder (dekoder) mogą powodować wystąpienie asynchronizacji audio i wideo. Po przetestowaniu koderów różnych marek nasza stacja wybrała koder z lepszymi wskaźnikami testowymi i wymieniła oryginalny koder, co znacznie poprawiło zjawisko braku synchronizacji dźwięku i obrazu telewizora. Na kolejnym etapie wprowadzania dekoderów firmy sieciowe wzmocnią również testowanie odpowiednich wskaźników w celu poprawy jakości ocen widowni. Oczywiście w procesie postępującej cyfryzacji radia i telewizji w moim kraju nadal potrzebujemy wspólnych wysiłków naszych pracowników telewizyjnych i producentów sprzętu, aby ostatecznie osiągnąć pełny sukces. V
Nasze inne produkty:
