на первом этапе мультиплексирования потоков данных в стандарте mpeg 2 какой поток формируется
Формирование транспортного потока данных в устройствах кодирования MPEG-2
Рис. 6.20. Функциональная схема формирователя транспортного потока данных в устройствах кодирования MPEG-2
Рис. 6.21. Структура заголовка пакета транспортного потока MPEG-2
PID служит основным признаком, по которому демультиплексор сортирует приходящие PES-пакеты на приемной стороне. Из общего числа 8192 возможных значений PID 16 выделены на общесистемные цели, номер 8191 закреплен за стаффинговыми байтами, остальные могут назначаться пользователями произвольно для отдельных компонент своих программ.
Еще один байт в заголовке транспортного потока содержит три необходимых указателя:
— двухбитовый индикатор наличия полей адаптации в нагрузке транспортного пакета.
Поле адаптации занимает часть области полезных данных и служит для ввода управляющих и вспомогательных сигналов, передаваемых не в каждом транспортном пакете. Поле адаптации может также использоваться для передачи данных пользователя, в этом случае оно разбивается на секции.
Значение указателя наличия полей адаптации 0x1 означает, что поле адаптации отсутствует и в пакете транспортного потока передаются данные видео или звука; 0x2 присваивается пакету, в котором часть области полярных данных занимает поле адаптации, остальное занято стаффингом; индикатор, установленный на 0x3, свидетельствует об одновременном наличии и поля адаптации, и полезных данных. Отметим, что заголовки пакета транспортного потока и поля адаптации не скремблируются.
Четырехбитовый счетчик непрерывности PES-пакетов увеличивает свое значение на единицу при поступлении каждого следующего PES-пакета с данным РЮ и обнуляется после каждого 15-20 пакета. Он позволяет декодеру обнаруживать потерю PES-пакета и принимать меры по его замене или к маскированию ошибок, которые могут возникнуть из-за его потери.
Рис. 6.22. Структура потоков данных в устройствах кодирования MPEG-2
Структуры элементарного потока данных (а), PES-пакетов (б) и пакетов транспортного потока (в) представлены на рис. 6.22.
6.1. Поясните осциллограмму полного телевизионного сигнала на строчном интервале.
6.2. Дайте количественную оценку параметров основных составляющих полного телеаизионного сигнала.
6.3. Проанализируйте форму телевизионного сигнала на кадровом интервале.
6.4. Каким способом осуществляется разделение сигналов синхронизации строк и полей?
6.5. Назовите основные особенности сигналов синхронизации при чересстрочной развертке.
6.6. Приведите количественную оценку граничным частотам телевизионного сигнала.
6.7. Охарактеризуйте структуру спектра телевизионного сигнала.
6.8. Сформулируйте основные принципы построения совместимых систем цветного телевидения.
6.9. Перечислите основные способы обработки видеосигналов в видеоуси-лительном тракте телевизионных систем.
6.10. Каким образом производится коррекция апертурных искажений видеосигналов?
6.11. С какой целью видеосигналы телевизионной камеры подвергаются электронной цветокоррекции?
6.12. Поясните необходимость коррекции нелинейных искажений видеосигналов.
6.13. Как осуществляется гамма-коррекция в современных телевизионных системах?
6.14. Расскажите о необходимости восстановления средней составляющей, телевизионного сигнала.
6.15. Какими способами можно реализовать схемы восстановления средней составляющей телевизионного сигнала?
6.16. В чем заключаются трудности подавления шумов в телевизионном сигнале?
6.17. Поясните основные принципы работы шумоподавителей, используемых в телевизионных системах.
6.18. Перечислите особенности построения системы цифрового телевидения.
6.19. Как производится дискретизация телевизионных сигналов?
6.20. Каким образом осуществляется квантование телевизионных сигналов?
6.21. Дайте краткую характеристику международным стандартам цифрового преобразования телевизионных сигналов.
6.22. Сформулируйте основные положения стандарта кодирования MPEG-2.
6.23. Расскажите об особенностях компрессии видеоданных.
6.24. Назовите типы кодируемых кадров в стандарте MPEG-2 и дайте им краткую характеристику.
6.25. Поясните механизм компенсации движения в стандарте кодирований MPEG-2.
6.26. Объясните принципы использования ДКП в стандарте кодирования MPEG-2.
6.27. Как формируется транспортный поток данных в устройствах кодирования MPEG-2?
3.2.9. Формирование транспортного потока данных в устройствах кодирования mpeg-2 Структура транспортного потока
Системная часть стандарта MPEG-2 регламентирует порядок формирования единого (транспортного) потока данных из множества элементарных потоков. Транспортный потокMPEGобозначается аббревиатуройMPEG-TS(TransportStream), описывается стандартомISO13818-1 и может использоваться не только в цифровом телевидении, но и для передачи телевизионных сигналов в Интернете.Транспортный поток является байтовым, то есть наименьшая структурная единица потока – байт, а не бит. Обобщенная функциональная схема образования транспортного потока данных методом мультиплексирования одного видео и одного звукового элементарных потоков иллюстрируется рис. 3.20. Из рис. 3.20 видно, что после сжатия звуковой и видеоинформации на выходах соответствующих кодеров формируютсяэлементарные потоки(ES–ElementaryStream) данных. Каждый из элементарных потоков поступает на вход соответствующего формирователяпакетированного элементарного потока(PES–PacketizedElementaryStream). В результате на его выходе образуется разделенная во времени последовательность пакетов. Причем любойPES-пакет содержит кодированные байты только одного элементарного потока данных.PES-пакеты состоят из заголовка и следующего за ним пакета данных переменной длины (достаточно большой – до 64 кбайт). ДлинаPES-пакетов не фиксируется стандартом, так как данные пакеты не предназначены для использования в качестве самостоятельной единицы. ЗаголовокPES-пакетов начинается со стартового кода объемом три байта, затем следует код идентификации объемом в один байт, который обеспечивает распознавание до 16 видео и 32 аудиопрограмм. Причем каждая из этих 48 программ может иметь «данные пользователя». Эта информация предназначена для обеспечения адресуемости потока данных. Кроме того, заголовокPES-пакетов может содержать метки времени декодирования и/или воспроизведения, а также ряд флагов, несущих информацию о зашифрованности сигнала, о дополнительной коррекции ошибок.
Рис. 3.20. Функциональная схема формирователя транспортного потока данных в устройствах кодированияMPEG-2
з всех подаваемых на вход мультиплексораPES-пакетов, соответствующих, например, телевизионным сигналам нескольких программ, формируетсятранспортный поток данных. Процесс создания транспортного потока из нескольких PES-пакетов называется мультиплексированием. В зависимости от того, пакеты скольких телевизионных программ находятся в транспортном потоке, различаютоднопрограммный транспортный потокSPTS (Single Program Transport Stream) имногопрограммный транспортный потокMPTS (Multi Program Transport Stream). Создание SPTS осуществляется формирователем PES-пакетов, а MPTS – мультиплексором PES-пакетов. MPTSсодержит полную информацию, необходимую для передачи абонентским устройствам, и может быть подан на модулятор передатчика. КромеPES-пакетов, на мультиплексор, образующий транспортный поток, подаются сигналы синхронизации в виде временных меток и различные другие цифровые данные, например, телетекст, коды доступа и т.д. Транспортный поток предназначен для использования в устройствах хранения информации, в системах передачи, то есть в средах с вероятностным воздействием шумов, с возможностью возникновения потерь. Пакеты транспортного потока имеют фиксированную длину в 188 байт, из которых 4 байта выделяются на заголовок и 184 байта – на полезные данные. Это могут быть видео или звукоданные, данные пользователя или пустые байты (1111 1111), называемыестаффингом. Каждый пакет переносит данные только одного вида. Такой размер пакета транспортного потока был выбран для совместимости с ранее широко применяемым на сетях связи стандартом асинхронной передачи данных АТМ. Структура заголовка пакета транспортного потокаMPEG-2 показана на рис. 3.21 [14].
Рис. 3.21.Структура заголовка пакета транспортного потокаMPEG-2
ервый байт заголовка – байт синхронизации – содержит зарезервированное кодовое число 0х47, легко опознаваемое демультиплексором. Таким образом, синхробайт представляет собой число 47 в шестнадцатеричной форме или 0100 0111 в двоичной, что соответствует числу 71 в десятичной системе счисления. Синхробайт используется в декодере для обеспечения синхронизации пакетов.
Синхробайт первого пакета группы инвертируется, образуя число 1011 1000 = В816, соответствующее числу 184 в десятичной системе (для шестнадцатеричных цифр, больших девяти, символ В обозначает одиннадцать). Использование шестнадцатеричной системы счисления обусловлено тем, что она очень просто соотносится с двоичной системой, в которой работают система цифрового телевидения: одна шестнадцатеричная цифра соответствует четырем двоичным разрядам. Число в шестнадцатеричной записи сопровождается буквойh(hexadecimal– шестнадцатеричный) или начинается со знаков 0х. Так как заголовки транспортных пакетов следуют с интервалом в 188 байт, то это упрощает определение начала пакета. Далее идут три однобитовых флага (ошибки передачи, начала пакетаPESи приоритетной передачи) и 13-битовый идентификатор типа пакетаPID(PacketIdentifierилиProgramIdentificationNumber, то есть идентификатор программ), указывающий на принадлежность пакета тому или иному потоку данных, то есть он опознает пакеты, принадлежащие одному элементарному потоку.PIDслужит основным признаком, по которому демультиплексор сортирует приходящиеPES-пакеты на приемной стороне. Другими словами PID является «цифровым позывным» PES-пакета, входящего в состав транспортного потока. Из общего числа 8192 возможных значенийPID16 выделены на общесистемные цели, номер 8191 закреплен за стаффинговыми байтами, остальные могут назначаться пользователями произвольно для отдельных компонент своих программ.
Еще один байт в заголовке транспортного потока содержит три необходимых указателя:
двухбитовый указатель скремблирования – свидетельствует о наличии или отсутствии скремблирования транспортного потока;
двухбитовый индикатор наличия полей адаптации в нагрузке транспортного пакета.
Поле адаптации занимает часть области полезных данных и служит для ввода управляющих и вспомогательных сигналов, передаваемых не в каждом транспортном пакете. Поле адаптации может также использоваться для передачи данных пользователя, в этом случае оно разбивается на секции.
Значение указателя наличия полей адаптации 0х1 означает, что поле адаптации отсутствует, и в пакете транспортного потока передаются данные видео или звука; 0х2 присваивается пакету, в котором часть области полезных данных занимает поле адаптации, остальное занято стаффингом; индикатор, установленный на 0х3, свидетельствует об одновременном наличии и поля адаптации, и полезных данных. Отметим, что заголовки пакета транспортного потока и поля адаптации не скремблируются.
Четырехбитовый счетчик непрерывности (CC – Continuity Counter) – это поле заголовка, которое содержит порядковый номер пакета данного PID. Счетчик пакетов транспортного потока циклический, увеличивает свое значение на единицу до 15 при поступлении каждого следующего пакета, после чего он обнуляется. Это значит, что после значения СС = 15 порядковый номер счетчика становится равным единице. Счетчик непрерывности очень удобно использовать декодером приемного устройства для анализа целостности транспортного потока и принятия мер по замене потерянных пакетов или по маскированию ошибок, которые могут возникнуть из-за потери части пакетов транспортного потока. Действительно, если после пакета с СС = 1 получен пакет с СС = 5, то это означает, что пакеты с СС = 2, 3, 4 утеряны при передаче (например, из-за помех в канале связи).
Область полезных данных пакета транспортного потока значительно меньше, чем обычная длина PES-пакета, поэтому последний для укладки в транспортные пакеты должен разрезаться. Стандарт определяет, что первый байт PES-пакета должен обязательно совпадать с первым байтом области полезных данных пакета транспортного потока, а конец PES-пакета – с концом одного из последующих транспортных пакетов. В случае, если данные одного PES-пакета заканчиваются в середине пакета транспортного потока, то оставшееся место заполняется байтами дополнительной информации.
Рис. 3.22.Структура потоков данных в устройствах кодированияMPEG-2
труктуры элементарного потока данных (а),PES-пакетов (б) и пакетов транспортного потока (в) представлены на рис. 3.22.
Таблицы программно-зависимой информации
Вся информация, необходимая декодеру для обработки принятого цифрового потока и выделения нужных компонент программы, сосредоточена в данных управления (их еще называют метаданными), передаваемых в полях адаптации непосредственно после четырехбайтных заголовков пакетов транспортного потока MPEG-2.
Метаданные организованы в виде нескольких таблиц, содержащих сведения о составе программ и идентификаторах их компонентов, которые называются таблицами программно-зависимой информации PSI(ProgramSpecificInformation).
Каждая из них передается в транспортном потоке в пакетах с определенным PID. Кроме того, все таблицы имеют контрольную сумму (каждая свою), поэтому всегда можно определить, правильно передана таблица или нет. Во всех таблицах есть поля с информацией и дескрипторы, то есть особым образом структурированные данные описательного характера.
Алгоритм действий декодера MPEG-2 цифрового телевизора при прочтении таблицPSIпоясняется рис. 3.23 [14].
Первая таблица, пакеты которой находит декодер MPEG-2 в потоке – Таблица объединения программ (PAT–ProgramAssociationTable). ТаблицаPATимеет по умолчаниюPID= 0 и включает информацию о программах, передаваемых в данном потоке, и идентификаторы, относящиеся к этим программам. Каждый такойPID, в свою очередь, определяет для выбранной программы Таблицу состава программы (PMT–ProgramMapTable), в которой перечислены все компоненты, входящие в данную программу, с их идентификаторами. Теперь декодеру остается отобрать из общего потока пакет с нужными идентификаторами и декодировать их, восстановив изображение и звуковое сопровождение. Если программа платная, декодеру придется анализировать еще и содержание Таблицы условного доступа (CAT–ConditionalAccessTable) сPID= 1, в которой указаны идентификаторы пакетов с сообщениями системы условного доступа. Содержание таблиц вводится в секции – области поля адаптации определенной длины, снабжаемые указателями. Размер секции для передачи служебной информации не должен превышать 1024 байта. Возможна передача нескольких коротких секций в поле адаптации одного пакета транспортного потока или одной длинной секции в нескольких пакетах.
Рис. 3.23.Схема функционирования декодераMPEG-2 при анализе метаданных
Рис. 3.24.Формат таблицыPAT:
а) общая структура таблицы;б) структура заголовка
Рассмотрим структуру таблиц подробнее. Общий формат таблицы PATпоказан на рис. 3.24а. Она содержит заголовок длиной 8 байт, поле данных и символы проверки циклическим избыточным кодомCRC(CyclicRedundancyCheck). На использовании данныхCRCоснован метод обнаружения ошибок в передаваемом сообщении, заключающийся в сравнении остатков от деления блоков кодовой последовательности на фиксированный делитель воспроизводимый как на передающей, так и на приемной стороне. Структура заголовка таблицыPATболее детально показана на рис. 3.24б. Первым идет идентификатор таблицыtable_id. Это однобайтовое слово обязательно входит в состав любой таблицы и определяет ее тип. Таким образом, таблицаPATимеет два идентификатора:PIDиtable_id, из которыхPIDявляется более общим указателем. Следующий существенный элемент заголовка – определитель длины секции в байтах, в котором два старших бита из 12 установлены на «0», так что длина секции не может превышать 1024 байта. Идентификатор транспортного потокаtransport_stream_idразмером 2 байта указывает условный номер в данной сети транспортного потока, в котором передается анализируемая таблица. Указатель «номера версии» изменяется на единицу каждый раз, когда в таблицу вносятся изменения. Если таблица разбита на несколько секций, однобайтовый указатель «номер секции» сообщает номер передаваемой секции. «Номер последней секции» необходим для подтверждения того, что вся таблица принята декодером.
В поле данных таблицы PATсодержатся сведения о программах, передаваемых в транспортном потоке, с их номерамиPID. «Номер программы» занимает два байта, затем следует трехбитовый промежуток и 13-битовое значениеPID.
Таблица PMT создается отдельно для каждой программы, передаваемой в транспортном потоке. Общая структура таблицы показана на рис. 3.25 а, детальная структура заголовка на рис. 3.25 б. Из рис. 3.25 а следует, что в состав таблицы PMT входят заголовок длиной 12 байт, поле данных переменной длины и символы синхронизации, называемые «ссылкой на программные часы» (PCR – Program Clock Reference, то есть временнόй штамп программных часов). Дело в том, что транспортный поток может содержать программные компоненты с разной предысторией, в том числе и с несколько различающимися тактовыми частотами, поэтому невозможно или весьма трудоемко привести все сигналы к единой временнóй базе. Для управления такими потоками вводится дополнительный механизм синхронизации PCR. Непосредственно символы PCR, как и другие временные метки, представляют собой 33-битовое число, отсчитываемое в периодах частоты 90 кГц, получаемой делением на 300 частоты тактового генератора 27 МГц. Оно показывает ожидаемое время завершения считывания в декодере поля PCR из транспортного потока, после чего декодер может приступить к сравнению пришедшего и местного отсчетов и выработке корректирующего сигнала. Особо следует отметить, что PCR вводится в транспортный поток на программном уровне, в одном потоке могут передаваться несколько различных PCR, по числу программ, и декодер MPEG-2 при переключении на каждую новую программу заново синхронизирует свой внутренний генератор частоты 27 МГц. Стандарт MPEG-2 предписывает повторение метки PCR не реже чем 1 раз в 0,7 с. В промежутках декодер вычисляет значения меток синхронизации путем интерполяции.
Заголовок таблицы PMTсодержит идентификатор таблицыtable_id, всегда равный 0х02, номер программы, сведения о версии таблицы, номере секции и номере последней секции, а такжеPIDтогоPES-пакета в транспортном потоке, который переносит значенияPCR. В поле данных описывается одна из передаваемых программ со всеми ее компонентами, а завершается секция контрольной суммой. Описание программы содержит подробный перечень всех элементарных потоков, составляющих программу, с их основными параметрами. Тип потока (stream_id) указывает на содержимое данного потока (0х01 –MPEG-1 видео, 0х02 –MPEG-2 видео, 0х03 –MPEG-1 звук, 0х04 –MPEG-2 звук, 0х05 – нестандартные секции и т.д.),elementary_PIDсообщает значениеPIDпакетированного потока, несущего данный элементарный поток,ES_info_lengthуказывает длинудескриптора элементарного потока. По этим значениям декодер MPEG-2 выделяет нужные элементарные потоки из общей цифровой последовательности.
Рис. 3.25.Формат таблицыPMT:
а) общая структура таблицы;б) структура заголовка
Основными компонентами таблицы CATявляются уже знакомыйtable_idи дескриптор системы условного доступа – указатель, сообщающий декодеру условное обозначение используемой в транспортном потоке системы условного доступа и номерPIDпотока управляющих сообщений о правах доступа. Дескриптор условного доступа может присутствовать и вPMTтаблице, в этом случае он указывает наPIDпотока сообщений, необходимого для дешифровки скремблированной программы.
Частота повторения пакетов PATиPMTтаблиц должна быть не менее 10 Гц, периодичность сообщений условного доступа определяется конкретной системой условного доступа.
Рассмотренные три таблицы составляют необходимый минимум, без которого декодер MPEG-2 не сможет декодировать цифровой поток. Для многопрограммного вещания нужны дополнительные данные, описывающие организацию букетов программ, состав вещательной сети, содержание программ и т.д.
Дополнительная сервисная информация(SI–ServiceInformation) служит для описания технических атрибутов каждой из доступных служб, предоставляемых индивидуальными вещателями. Она необходима для того, чтобы пользователь мог идентифицировать службы и события, переносимые различными мультиплексами по различным сетям. ДанныеSIструктурированы в одиннадцать таблиц (SDT,EIT,TDT,BAT,RST, ТОТ,ST,SIT,DIT,TSDT,NIT) [14]:
SDT (ServiceDescriptionTable):таблица описания службы –описывает различную дополнительную информацию, передаваемую в транспортном потоке; содержит перечень названий служб, провайдеров услуг и других параметров, ассоциированных с каждой службой в конкретном мультиплексе стандартаMPEG-2;
EIT (EventInformationTable):таблица информации о событиях – содержит сведения обо всех событиях или программах в мультиплексеMPEG-2: наименование сюжета, время его начала, продолжительность и пр. (как для текущего транспортного потока, так и по опциям для других транспортных потоков, которые может принять телевизор, то есть для других типов обслуживания);
TDT (Time and Date Table): таблица времени и даты – используется для передачи информации точного времени, включая текущее время и дату, служит для подстройки внутреннего синхрогенератора цифрового телевизора. Данные TDT передаются в отдельной таблице по причине частого обновления этой информации. Данная таблица содержит также информацию о всемирном координированном времени (UTC – Universal Time Coordinated), которое может быть использовано для обновления текущего времени в цифровом телевизоре. Таблица укладывается в одну секцию длиной 66 байт. К таблице TDT тесно примыкает таблица ТОТ;
ТОТ (TimeOffsetTable):таблица смещения времени – несет информацию, относящуюся к текущему времени и дате и к смещению местного времени относительноUTCдля разных регионов страны. Этот сдвиг может быть использован для расчета и индикации местного времени на табло телевизора или в электронном путеводителе по программам. Значения сдвига уточняются при переходе от зимнего времени к летнему и обратно. Данные ТОТ передаются в отдельной таблице по причине частого обновления содержащейся в ней информации. Таблицы ТОТ иTDTпередаются в пакетах с одинаковымPID. Поэтому их различение осуществляется по идентификатору таблицы;
ВАТ (BouquetAssociationTable):таблица группы служб – содержит информацию о группировке служб в одной программе, то есть одновременно декодируемых и выдаваемых пользователю; сообщает название группы и предоставляет перечень служб в каждой группе (конкретная служба может принадлежать одной или большему числу групп служб). Это позволяет пользователю работать с меню программ данной сети и выбирать интересующую его службу, не используя сведений о частоте настройки и других параметрах потоков;
RST (RunningStatusTable):таблица текущего статуса – ее секции используются для быстрого обновления текущего статуса одного или нескольких событий (исполняется/не исполняется); секции таблицыRSTпосылаются только однажды – в момент изменения статуса события в отличие от других таблицSI, которые обычно передаются с циклическим повторением; данные таблицыRSTпозволяют автоматически переключаться между событиями;
ST (StuffingTable):таблица байт стаффинга – используется для замены или отмены действия существующих секций (либо субтаблиц, либо полных таблицSI), в частности, граничных секций;
SIT (SelectionInformationTable):таблица выбираемой информации –используется только в «частичных», то есть в записанных потоках бит; она несет сводку об информацииSI, требуемой для описания потоков в частичном потоке бит;
DIT (DiscontinuityInformationTable):таблица неоднородности информации – используется только в «частичных», то есть в записанных потоках бит; выводится в случае, когда информацияSIв частичном потоке бит может быть неоднородна;
TSDT (Transport Stream Description Table): таблица описания транспортного потока;
NIT(NetworkInformationTable): таблица сетевой информации – содержит имя сети, к которой относится данный транспортный поток, и перечень остальных транспортных потоков с указанием наземных каналов, по которым эти транспортные потоки передаются. Под сетью понимается совокупность транспортных потоков, передаваемых в одной системе доставки (например, одной вещательной компанией).
Фактически таблица NITимеет два вида:actualиother, что связано с мультиплексированием.NITactual– это таблица для текущей сети связи, сгенерированная мультиплексором данной сети.NITotherпредназначается для другой сети. Передача обеих таблицNITвозможна только в том случае, если при мультиплексировании используетсяNITдругой сети и в нее вносятся изменения.
Для примера в табл. 3.5 перечислены значения идентификатора программ PID, которые должны использоваться для пакетов транспортного потока, переносящих секции сервисной информацииSI.
В системе DVB-Т используются ограничения следующего вида:
Каждая секция таблицы взаимосвязи программ PAT и таблицы структуры программы РМТ должна передаваться по крайней мере раз каждые 100 мс.
Таблица сетевой информации (NIT) вводится в транспортные пакеты со значением идентификатораPID0x0010. Каждая секция таблицыNITдолжна передаваться по крайней мере один раз каждые 10 с с минимальным интервалом времени 25 мс между последним байтом данной секции и первым байтом следующей передаваемой секции.
Таблицы PSIпередаются в соответствующем потоке бит последовательно без промежутка между отдельными таблицами. Так как таблицы не обязательно должны начинаться в начале транспортного пакета, то индикация их местоположения обеспечивается с помощью поляpointer_field, которое указывает число байт, которые следуют за ним перед началом таблицыPSI. Значение поляpointer_field, равное 0x00, указывает, что новая таблицаPSIпоследует за ним непосредственно.
Таблица взаимосвязи программ PATпередается как полезная загрузка битового потока сPID= 0. ТаблицаPAТ обеспечивает соответствие между номером программы и значениями идентификаторовPIDв пакетах транспортного потока бит, содержащих описание программы в таблицах РМТ.