基于数字信号处理器的标准清晰度电视实时传送复用器实现

王金础　方向忠　余松煜
摘　要：提出了一种采用数字信号处理器(DSP)的标准清晰度电视(SDTV)实时复用器的实现方案.系统以TI通用定点DSP TMS320C50为主处理器，配合少量可编程逻辑器件(PLD)，在硬件和软件设计上充分利用DSP的特点，实现了将音频、视频和辅助数据实时复用成符合MPEG2系统层传输规范的码流.系统还具有RS编码功能和E2接口，具备加扰扩展功能.由于系统规范主要由DSP软件实现，因而能通过修改软件以适合不同的应用场合.系统具有完备的调试电路，良好的可维护性.
关键词：数字信号处理器；标准 清晰度电视；数字视频广播；MPEG2；复用器
分类号：TN 919.8；TN 941.3;TN 949.17　　　文献标识码： A
文章编号：1006-2467(2000)02-0279-03
Implementation of a Real-Time Transport Multiplexer of SDTV Based on DSP
WANG Jin-chu　FANG Xiang-zhong　YU Song-yu
（Inst. of Image Comm. & Info. Processing,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai 200030 ,China）
Abstract：An implementation of SDTV real-time multiplexer using digital signal processor(DSP) was introduced.The system uses the general fix poi nt DSP TMS320C50 of TI as main processor,PLD as coprocessor.Taking advantage of hardware and software designing with DSP,it can multiplex audio,video and auxili ary data according with the MPEG2 transport stream packet layer in real time.The multiplexer can output RS coded stream and has E2 interface.It has extended fun ction of data scrambling.Since it is realized by software of DSP mainly,the syst em can fit many different situations by modifying software conveniently.Also,the maintainability of this system is good with full on-board test circuit.
Key words：digital signal processor(DSP);standard definition tele vision(SDTV);digital video broadcasting(DVB);MPEG2;mulitiplexer▲
目前视频数字化技术席卷全球，符合MPEG2 MP@ML标准的标准清晰度电视(Standard Digital Television，SDTV)正在迅速普及，尤其以欧洲的数字信号处理器(Digital Video Broadca sting,DVB)计划为先导.DVB的卫星和电缆SDTV标准已经欧洲通信标准组织和ITU通过.
传送复用器是数字电视视频编码系统的核心之一，其功能就是将音频编码的数据、辅助数据 根据MPEG2系统层协议规范打包并插入各种控制信息，为数字节目进行传送、解码和再复用等操作提供必要的信息，为信道传输提供接口.
1　MPEG2传送层规范［1］
MPEG2标准规定两种码流可以输出到信道，即基于可变长度打包的节目流(Program Stream,P S)和基于固定长度(188 bytes)打包的传送流(Transport Stream,TS).考虑到SDTV系统最终将用于地面开路广播，传输为有噪声信道，因此一般都采用TS流，而基于固定长度打包的TS流具有诸多优点［2］.
1.1　语　法
一个TS包由4 bytes的链接字头、可变长字节的自适应字头以及有效数据载荷组成.TS包的链 接字头信息用于鉴别一种应用比特流，支持的应用包括视频、音频、数据、节目和系统控制信息等.自适应字头则包括对较高层次的解码功能有用的相关信息，自适应字头的格式是基于采用若干标志位以表示该字段是否存在.
节目中各码流的具体信息由节目说明信息(Program Specific Information,PSI)来描述，M PEG2规定的PSI信息共有四种：PAT(Program Association Table)、PMT(Program Map Table )、NIT(Network Information Table)和CAT(Conditional Access Table)，其中PAT和PMT为系统复用必备，而NIT为码流在网上传送提供信息，CAT用于条件接收.
1.2　系统设计语法关键点
MPEG2系统层对于整个码流的结构和语法作了详细的规定，由于考虑到MPEG2的各种应用场合 所以整个规范较多，拥有众多的标志位及相关域.由于实际应用并不需要考虑能适用每种场合，所以在语法规范中，抓住关键语法点，是复用器设计成功的关键.
(1) Payload-unit-start-indicator.用于指示本TS包中带有PES包或PSI数据的情况.此比特位必须根据包的内容而定，有两种情况下必须置1：①当包为普通数据，如果TS包带有PES包的包头时必须置1；②当包为PSI信息，且带用PSI信息的第一字节时，置1，如果不是第一个字节，如当PMT较长，需分在几个TS包中传送时，第一个带PMT表的TS包须置1，而其余几个置0.除私有数据TS包外(对于私有数据此位MPEG2标准中没有定义)，此位设置不当会造成解码端解复用错误.
(2) Adaptation field.其出现与否和TS包头中的控制比特位相联系，比特为10和11表示TS 包中带有自适应域.自适应域的主要功能是用于包对齐和插入一些扩展信息.标准规定PES包在分界处必须和TS包对齐，也就是一个PES包的包头数据必须在同一TS包中传送，由于PES为不定长包，并且往往比TS包大得多，所以两者不能保证包对齐.这可以通过在包含上一个PES包的最后一个TS包中加入自适应域来调整，用填充字节加上PES包所剩的数据填满最后一个TS包，从而使下一个PES的包头与下一个TS包的包头对齐，这样就能保证PES头不会被分在两个TS包中传送.
(3) PCR.它的插入至关重要，因为解码端的27MHz系统时钟恢复就是依靠PCR完成，所以PCR 的插入必须严格遵守MPEG2的规定.PCR为42 bit计数值，其中33bit为PCR-Base,9 bit为P CR-Ext,PCR的时间基准为系统27 MHz时钟，PCR-Base为27 MHz时钟300分频后90 kHz的计数值，PCR-Ext则为27 MHz时钟的计数值，以提供PCR的精度.特别要注意的是：MPEG2标准规定，PCR的插入必须在PCR域最后离开复用器的那一刻.在这之前插入PCR，往往由于系统存在缓存，缓存过程中各字节的不同延时会造成PCR的抖动，影响解码端的时钟恢复，这在复用过程中是不允许的.同时标准规定PCR插入的时间间隔不得超过100 ms，过长会影响解码端的时钟恢复精度.
2　实时复用器的硬件实现
一个节目可以由多路基本码流合成，包括音频、视频和辅助数据等，一个节目也可以有多路音视频或多路辅助数据.复用器的功能就是按照MPEG2系统层规范，按照一定的复用策略将其交织复用成单一的系统码流.在复用过程中，插入时间标记，系统控制信息以及纠错编码或传输加扰等.
由于复用器需要实现较多的系统层规范操作，具有较多的可变参数，因而需要系统具有高度 的灵活性.如采用以DSP为主实现，不同的复用特性可以通过修改软件实现，以采用全硬件方 式具有更大的灵活性，并且通用DSP价格低廉，易于调试.但是DSP处理速度相对较低，因而 对于软硬件设计必须注意高效.本系统采用TI TMS320C50［3］实现.基于DSP的复用器 系统硬件框图如图1所示.

图1 　复用器硬件框图
Fig.1　Hardware diagram of multiplexer
串行的视频、音频和辅助数据首先经过电平转换(ECL或LVDS电平转化为TTL)并经可编程逻辑 器件(Programable Logic Device,PLD)进行串并转换后，将数据写入各自的先入先出(First In First Output,FIFO)缓存.PLD在并串转换的同时检测视频和音频PES头，在设计技巧上 充分利用FIFO的9 bit特性，由于DSP为16 bit，所以9 bit操作并不增加DSP的额外开销，但 能大大简化DSP找PES头的指令开销.DSP判断取入的数据，当其为一个新的PES包的包头，进 行相应的系统信息插入和包头对齐工作.为解决处理速度问题，在硬件设计上需采用一些技 巧和软件相结合，加快DSP检测的速度.DSP送出的TS包也充分利用9 bit的FIFO.因为解码的 需要，一个TS包必须正好编在一个RS编码帧内，TS包和RS帧必须对齐.如果不传递TS包头信 息，系统在RS编码前必须进行复杂的TS包头检测，为防止误把数据0x47作包头，必须设定一 定的检测规则，连续检测几个0x47，并判断间隔是否都为188(无RS码)或204(带RS码)，如果 步距不对，则重新检测.由于TS包存在两种长度，因而在设计PLD时还必须设立控制寄存器进 行包长选择，逻辑比较复杂.充分利用DSP在TS打包时的已知信息，后面可以不必检测，同时 采用特殊的设计方法，省去后续复杂的节目参考时钟(Program Clock Reference，PCR)或搜 寻工作，充分利用DSP在输出TS包时的已知信息进行PCR计数值的插入，控制逻辑就十分简单 .
本复用器有两种输出方式，一种为经过RS纠错编码后包长为204(188+16)bytes的TS流，用于 和解码端较远距离直联时抗误码.另一种为无RS编码输出方式，其包长为188 bytes，用于和信道或没有RS解码功能的解码端相联.按照MPEG2规范，PCR的插入必须在PCR域离开复用器的最后时刻进行，但是如果采用RS编码，则必须在RS编码之前插入PCR.如果插入PCR后，在RS编码过程中能保证所有数据具有相同的固定延时，这样PCR值在离开复用器时没有抖动.RS编码采用L64710 RS编解码专用芯片，其编码延时为固定3个编码时钟，在RS编码时不采用任何缓存，编码输入和输出同步.PCR的插入间隔不得大于100 ms.
视频、音频和辅助数据的均匀交织对于解码端的音视频同步和减轻解码端Buffer的压力十分重要.采用DSP轮询法，能使音视频的打包速率 自适应地根据各自输入码率的变化而变化.同时DSP检测输出Buffer的状态，如果输入端没有 Buffer满足取数状态，但是传输缓存数据量已经达到下限，复用器采用正码率调整，DSP便 向传输缓存填入空包.
复用器设有加扰接口，利用外接加扰电路或采用高速DSP软件设计可实现信号的数字加密， 以便实现收费电视.输出为常比特率(Constant Bit Rate,CBR)、E2接口、信道速率8448 kb /s，通过同轴电缆联至信道编码器或解码器.
3　结　论
本复用器采用DSP软件实现复用功能，大大简化了系统设计，增加了系统的适应性.充分利用 9 bit FIFO资源，实现包头信息和标志位的高效传递，避免重复的包头检测逻辑和复杂的PCR域搜寻工作，大大降低了PLD逻辑资源的消耗量，简化了调试.由于整个复用都在DSP的处理之下，采用DSP的联合边界扫描JTAG接口，结合自检环路设计，可以方便地调试输入和输出码流的正确性.基于DSP软件的复用器和基于PLD设计的复用器相比，其成本大幅度降低，可调性和可维护性大大增强，而且由于采用软件为主，对于实现MPEG2系统层众多规范具有更大的灵活性，可以方便地根据应用场合的不同而作调整.在DSP软件设计上，充分利用了DSP的特点加以优化，克服了采用DSP软件处理速度上没有采用PLD硬件快的缺点，根据现场实测，基于C50-PQ80的复用器，其处理能力可以最高达到27 Mb/s，能够满足高清晰度电视(High Definition Television,HDTV)或是多路SDTV及其音频和辅助数据的复用速度.同时，利用DSP软件可以方便的加入数字电视加扰算法.该复用器目前应用于专业级的SDTV编码系统中，使用证明具有运行可靠、体积小、成本低等优点，取得了良好的效益.■
作者简介：王金础(1972～)，男，博士生.
作者单位：王金础（上海交通大学 图像通信与信息处理研究所，上海 200030）
方向忠（上海交通大学 图像通信与信息处理研究所，上海 200030）
余松煜（上海交通大学 图像通信与信息处理研究所，上海 200030）
参考文献：
［1］ISO/IEC 13818.Generic coding of moving pictures and associated aud io:systems,Recommendation H.222.0［S］. ISO/IEC, 1995,22～32.
［2］黎洪松.数字视频技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社，1998.240～2 41.
［3］Texas Instrument Corporation.TMS320C5x User's Guide［S］.Dallas,TX ,1994.