蔡新國

廣州市廣播電視網(wǎng)絡有限公司 （廣東廣州 510010）

摘要：Mpeg-2同步及時間恢復在編碼、傳輸和解碼中占有重要的地位，它不僅直接影響視音頻的解碼質量，還是衡量整個傳輸網(wǎng)絡優(yōu)劣的重要指標。本文將從原理上介紹Mpeg-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(tǒng)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出現(xiàn)上溢或者下溢；在PES層，主要是在PES頭信息里出現(xiàn)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(jié)目時鐘參考PCR（Program Clock Reference），用于恢復出與編碼端一致的系統(tǒng)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(qū)緩存視頻碼流數(shù)據(jù)。因此，視頻編碼算法必須提供一個有效的緩沖區(qū)管理策略，確保緩沖區(qū)不會發(fā)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(qū)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(qū)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相連接，緩沖區(qū)管理策略通過控制編碼視頻數(shù)據(jù)流移入和移出解碼器緩沖區(qū)的時間以保證解碼器模型的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)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(tǒng)時鐘，此時鐘用來產(chǎn)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(tǒng)時鐘時間的瞬時值。正是編碼器中共同系統(tǒng)時鐘的出現(xiàn)，以及解碼器中時鐘的重新生成和時間標簽的正確使用，才為解碼器中操作的正確同步提供了基準。

Mpeg-2規(guī)定的系統(tǒng)時鐘頻率為27MHz，傳輸流中的PCR，PTS/DTS等均為對該共同系統(tǒng)時鐘的采樣值。解碼端捕獲PCR，恢復出本地的STC，作為音視頻同步控制的基準，并依據(jù)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(xiàn)音視頻之間的同步。標準規(guī)定在原始音頻和視頻流中，PTS的間隔不能超過0.7s，而出現(xiàn)在TS包頭的PCR間隔不能超過0.1s。

二、STC與PCR

STC是視音頻同步控制的基準，它是一串頻率為27MHz的脈沖，觸發(fā)計數(shù)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等時間標簽。在編碼和解碼端，系統(tǒng)時鐘脈沖是由振蕩器等硬件產(chǎn)生，在解碼端STC通過在碼流中定時傳送的PCR利用鎖相環(huán)（PLL）技術來與編碼端STC保持一致。

PCR是由對系統(tǒng)時鐘脈沖觸發(fā)的計數(shù)器狀態(tài)抽樣而來，是放在TS包頭的自適應區(qū)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(jīng)300分頻后的90kHz脈沖觸發(fā)計數(shù)器，再對計數(shù)器狀態(tài)進行取樣得到的。PCR-Ext是由27MHz脈沖直接觸發(fā)計數(shù)器，再對計數(shù)器狀態(tài)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(shù)值代表了t(i)，i指包含PCR-Base字段的最后一位的字節(jié)）：

PCR-Base(i)=90kHz×t(i),    mod(2³³)

PCR-Ext(i)=27MHz×t(i),    mod(300)

PCR(i)=PCR-Base(i)×300＋PCR-Ext(i)

當新節(jié)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中解出的PCR被直接裝入到STC計數(shù)器，其后PLL閉環(huán)操作。每當一個新節(jié)目的PCR到達解碼器時，此值被認為是鎖相環(huán)的參考頻率，用來與STC的當前值比較，產(chǎn)生的差值e經(jīng)過脈寬調制后被輸入低通濾波器并經(jīng)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(tǒng)時鐘。27MHz時鐘經(jīng)過波形整理后輸入到計數(shù)器中，產(chǎn)生當前的STC值，其33bits的90kHz部分用于和PTS/DTS比較，產(chǎn)生解碼和顯示的同步信號。

PCR-Base的作用是在解碼器切換節(jié)目時，提供對解碼器PCR計數(shù)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(huán)電路修正解碼器的系統(tǒng)時鐘，使其達到和編碼器一致的27MHz。

圖1顯示了解碼器如何用PCR 來重建每個節(jié)目的遠地27MHz時鐘。

圖1 用PCR重建遠地27MHz時鐘

三、DTS和PTS

DTS是編碼器在編碼時定義的，為解碼器預定的解碼時間。該時間標記出現(xiàn)在PES層，在PES頭部時間域中存在。它也是一個33bits的計數(shù)值，也是對系統(tǒng)時鐘的300分頻的時鐘的計數(shù)值。由于它和PCR有相同的起點，在PCR值連續(xù)的情況下，可以起到時間定時的作用，當本機PCR值（連續(xù)）和DTS值相等時，表示它們計算了同樣的時鐘，也即它們經(jīng)過了相同的時間。本機PCR起到的是連續(xù)計數(shù)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(guī)定的，對編碼的具體細節(jié)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(fā)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測，一個圖像單元被解出，并非馬上就被顯示，可能在存儲器中留一段時間，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，又提出了一個音頻PTS。由于聲音沒有用到雙向預測，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(guī)定某個單元的顯示時間。它也是一個33b的計數(shù)值，也是對系統(tǒng)時鐘的300分頻的時鐘的計數(shù)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(shù)器重新計數(shù)，開始下一個單元的工作。

四、PCR測量

㈠PCR 精度(PCR_AC)：接收PCR中所含27MHz時鐘的不準確度，但不包含任何傳輸定時損傷。測量時傳輸碼流中PCR字節(jié)位置作為起點，計算出PCR 到達時間。

㈡PCR 漂移率(PCR_DR)：PCR漂移率測量指的是PCR中的低頻誤差并計入了由PCR發(fā)生和再生引起的誤差以及由傳輸損傷所引起的到達時間誤差。即PCR內(nèi)所含27MHz時鐘的低頻變化速率，測量時以某一穩(wěn)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(fā)生信號失鎖而丟失節(jié)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(jié)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(tǒng)時鐘，該時鐘有著固定的頻率誤差－如果是快速變化或漂移率大，則會出現(xiàn)問題)。

㈢PCR 總抖動(PCR_OJ)：PCR內(nèi)所含27MHz時鐘的高頻變化，測量時以某一穩(wěn)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中高頻誤差的總體測量并且還包括來自PCR發(fā)生和PCR 再生的誤差以及由傳輸損傷引起的到達時間誤差。例如該項傳輸損傷可能會引入到接收機中的RF解調器中。接收機內(nèi)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 中所發(fā)現(xiàn)的PCR 到達時間誤差可能是±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(jié)目時鐘并提供穩(wěn)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，測量包含有到達時間誤差和精度誤差的總抖動（PCR_OJ）就是非常必要的。

在理想運行系統(tǒng)中，傳輸損傷應當是可以設計的。然而在目前典型的分配網(wǎng)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(shù)值，不過它在網(wǎng)絡中的運行監(jiān)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。

㈣PCR頻率偏置(PCR_FO)：即PCR中所含27MHz 時鐘的頻率偏置，測量時以某一穩(wěn)定的外部基準作為參考。

參考文獻

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