王 妍，楊 波

（北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

1 引言

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)解碼、播放和音視頻同步，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在編碼端采用一個(gè)公共的系統(tǒng)時(shí)鐘參考[1-2]。在傳輸流的TS，PES和ES 3個(gè)不同的碼流層次中規(guī)定了不同的時(shí)間信息字段，通過這些字段的聯(lián)合作用來完成接收端的實(shí)時(shí)解碼和同步，依次是節(jié)目時(shí)鐘參考（Program Clock Reference，PCR）、解碼時(shí)間戳（Decode Time Stamp，DTS）和顯示時(shí)間戳（Presentation Time Stamp，PTS）以及 VBV_Delay 域。

PCR字段有著關(guān)鍵的作用，因?yàn)榻獯a端解碼時(shí)首先需要利用PCR字段完成本地系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)，進(jìn)而借助DTS和PTS使音視頻的解碼與播放達(dá)到同步狀態(tài)。然而傳輸網(wǎng)絡(luò)的延遲和抖動(dòng)、節(jié)目切換、節(jié)目再?gòu)?fù)用等因素會(huì)造成PCR抖動(dòng)，直接影響到音視頻的解碼及同步性能。由此可見，時(shí)鐘恢復(fù)和減小PCR抖動(dòng)影響是數(shù)字電視系統(tǒng)中音視頻同步的關(guān)鍵所在，也是工程應(yīng)用中的一個(gè)難題。

筆者在分析基本的本地系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)原理和PCR抖動(dòng)成因之外，介紹了數(shù)字電視芯片PLM3K平臺(tái)的時(shí)鐘恢復(fù)和減小PCR抖動(dòng)影響的方案，該方案具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，且已成功商用化。

2 本地系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)

一般來說，接收端的本地系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)有2種方法：鎖相環(huán)法和異步置數(shù)法。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)介紹了鎖相環(huán)法，即接收系統(tǒng)通過相位鎖定環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）來恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘，該法是經(jīng)典的時(shí)鐘恢復(fù)方法，輸出的時(shí)鐘頻率和編碼端嚴(yán)格匹配，但也有部分接收系統(tǒng)采用獨(dú)立生成的系統(tǒng)時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率和編碼端并不嚴(yán)格匹配，隨著時(shí)間的推移，會(huì)引起系統(tǒng)的誤差積累，因此在必要之時(shí)需要通過PCR字段更新系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)器來校正系統(tǒng)時(shí)鐘，這就是異步置數(shù)法。

2.1 鎖相環(huán)法

鎖相環(huán)法的原理圖如圖1所示。

其基本工作原理是：當(dāng)一個(gè)新節(jié)目開始，第一個(gè)PCR被載入計(jì)數(shù)器，其后是PLL閉環(huán)操作。在每個(gè)PCR達(dá)到解碼器的時(shí)刻，它的值與當(dāng)前計(jì)數(shù)器值作比較，差值為一個(gè)數(shù)值，一個(gè)部分以90 kHz為單位，另一個(gè)部分以27 MHz為單位。該差值被線性化到單個(gè)的數(shù)值空間，通常以27 MHz為單位，稱為e，e值序列輸入到低通濾波增益。該階段的輸出是一個(gè)控制信號(hào)f，用于控制壓控晶振的瞬時(shí)頻率。壓控的輸出是一個(gè)標(biāo)稱值為27 MHz的振蕩信號(hào)，即可用作本地的系統(tǒng)時(shí)鐘，同時(shí)該時(shí)鐘輸入到計(jì)數(shù)器中生成當(dāng)前的計(jì)數(shù)值。

2.2 異步置數(shù)法

異步置數(shù)法的基本原理圖如圖2所示。

可以直接恢復(fù)本地27MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，該法比鎖相環(huán)法簡(jiǎn)單，但時(shí)鐘精度卻比不上鎖相環(huán)。因此，必要時(shí)需要用PCR字段更新系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，以此校正系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率偏差。

3 PCR抖動(dòng)的原因及影響

網(wǎng)絡(luò)或傳輸流在復(fù)合器使從編碼器或存儲(chǔ)系統(tǒng)到解碼器的數(shù)據(jù)傳輸延遲不同，將導(dǎo)致PCR值和實(shí)際接收值之間產(chǎn)生差異，這就是PCR抖動(dòng)。

PCR抖動(dòng)會(huì)影響到本地系統(tǒng)時(shí)鐘的恢復(fù)，在鎖相環(huán)法中會(huì)延長(zhǎng)鎖定時(shí)間甚至無法鎖定；在異步置數(shù)法中會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的數(shù)值錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致解碼緩沖區(qū)發(fā)生上溢或下溢以及音視頻不同步等現(xiàn)象。PCR抖動(dòng)產(chǎn)生的原因大致有2種：網(wǎng)絡(luò)傳輸和再?gòu)?fù)用。

1）對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸引起的情況。實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)存在傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)、媒體共享系統(tǒng)隊(duì)列延遲或網(wǎng)絡(luò)存取時(shí)間變化，接收端收到的PCR具有可變延遲，這種PCR抖動(dòng)范圍較小，持續(xù)時(shí)間較短。

2）對(duì)于再?gòu)?fù)用情況。傳輸流數(shù)據(jù)分組的順序和相對(duì)位置發(fā)生變化，因此PCR位置的改變會(huì)使原先正確的PCR值不再正確，并沒有反映它們經(jīng)過一定的延遲后被傳送的時(shí)間，這種PCR抖動(dòng)范圍較大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

減小PCR抖動(dòng)影響的方法[3-6]有增大解碼緩沖區(qū)來擴(kuò)大PCR抖動(dòng)的范圍、對(duì)PCR進(jìn)行常量基礎(chǔ)之上的校正和結(jié)合時(shí)鐘恢復(fù)的具體方案來選擇適合實(shí)際平臺(tái)的具體方案等。

4 時(shí)鐘恢復(fù)及減小PCR抖動(dòng)方案

PLM3K是一款高清數(shù)字電視芯片，它通過硬件方法獨(dú)立生成系統(tǒng)時(shí)鐘，并通過軟件方法利用PCR字段校正時(shí)鐘精準(zhǔn)度和減小PCR抖動(dòng)的影響，原理框圖如圖3所示，硬件和軟件的 “溝通橋梁”是2個(gè)寄存器：STC計(jì)數(shù)器和PCR寄存器。STC計(jì)數(shù)器對(duì)本地獨(dú)立產(chǎn)生的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行周期計(jì)數(shù)；PCR寄存器存儲(chǔ)并更新接收到的PCR字段。具體流程圖如圖4所示。

當(dāng)一個(gè)新節(jié)目開始或者節(jié)目中插播廣告等其他流節(jié)目，或從插播中回到原始節(jié)目，用PCR寄存器中的值初始化STC寄存器。

PCR寄存器在前后相鄰2個(gè)PCR字段的差值與STC寄存器差值的差值freqTole在某種程度上反映了PLM3K自主產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率與編碼端的系統(tǒng)時(shí)鐘的偏差以及PCR的抖動(dòng)情況。筆者采用漸進(jìn)法的思想在前一次PCR抖動(dòng)平均值VarValue的基礎(chǔ)上計(jì)算新的PCR抖動(dòng)平均值，當(dāng)freqTole落入觀察區(qū)域，則計(jì)算更新VarValue；而VarValue一旦落入校正區(qū)域，即對(duì)本地時(shí)鐘頻率進(jìn)行校正。觀察區(qū)域和校正區(qū)域如圖5所示。

本方案對(duì)時(shí)鐘的校正不僅會(huì)更新STC寄存器，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率精度進(jìn)行反饋微調(diào)。-810～+810Hz頻段共等分為30段，頻率間隔均是54 Hz，因此頻率調(diào)節(jié)共分30擋。在去除VarValue表征的PCR抖動(dòng)影響后，可計(jì)算出期望頻率與實(shí)際頻率的差值落在哪個(gè)區(qū)域中，進(jìn)而計(jì)算出精細(xì)的頻率校正值，重新設(shè)置相關(guān)寄存器，從而到達(dá)校正系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的效果。

5 小結(jié)

在PLM3K平臺(tái)上經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析及大量的測(cè)試，筆者提出的時(shí)鐘恢復(fù)和減小PCR抖動(dòng)影響的方案具有較好的效果和穩(wěn)定的性能，音視頻的播放平滑，同步效果較好，肉眼和耳朵沒有明顯不適，目前方案已投入商用。

[1]ISO/IEC 13818-1，Generic coding of moving picture and associated audio：systems[S].1994.

[2]王娟，徐元欣，劉文華，等.數(shù)字電視系統(tǒng)中的時(shí)間恢復(fù)和音視頻同步[J]. 中國(guó)有線電視，2004（11）：17-19.

[3]鄔震宇.數(shù)字電視接收機(jī)減小PCR抖動(dòng)影響的解決方法[J].電視技術(shù)，2005，29（4）：46-47.

[4]杜鄧寶，潘長(zhǎng)勇.數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中PCR抖動(dòng)的校正分析與實(shí)現(xiàn)[J]. 電視技術(shù)，2005，29（7）：47-50.

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[6]蘇泉，黃偉，李和平.數(shù)字電視接收中PCR的作用及參數(shù)分析[J].有線電視技術(shù)，2009，16（4）：85-90.