張迎春

（仙居縣傳媒中心，浙江 臺州 317300）

0 引 言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術和超高清視頻內(nèi)容逐步被大眾所追捧。傳統(tǒng)廣播網(wǎng)絡的傳播機制受限于頻點資源，不足以滿足市場大眾化需求。改造廣播電視網(wǎng)絡傳輸技術勢在必行[1]。TS流是基于MPEG-2壓縮編碼的數(shù)據(jù)傳輸流，用于傳輸廣播電視音視頻素材或用戶信息。網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）是為計算機網(wǎng)絡連接設計的相關協(xié)議。TSoIP就是在遵循IP協(xié)議的基礎上，將TS流進行網(wǎng)絡傳輸。TSoIP的主要功能是實現(xiàn)數(shù)字電視與廣播電視業(yè)務模式轉(zhuǎn)換，使廣播電視數(shù)字電視節(jié)目通過IP網(wǎng)絡形式進行傳輸。廣播電視IP化傳輸具有結構簡單、拓展靈活、傳輸速度快且射頻距離遠等優(yōu)勢。將TS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為IP流進行傳輸，對于突破現(xiàn)有廣播電視行業(yè)發(fā)展具有積極作用。本文基于TSoIP技術的廣播電視機房應用模式，對廣播電視從TS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)為IP流的傳輸?shù)倪\行方式進行了分析，采用MPEG-2編碼器對傳輸內(nèi)容進行壓縮，借助靜態(tài)碼率平滑算法（SRS）對TS流的碼率值進行計算，并利用計數(shù)差方式對TS流中的PCR基準值進行了校正，實現(xiàn)了將TS數(shù)據(jù)流封裝打包為IP數(shù)據(jù)流的傳輸方式，提高了廣播電視服務品質(zhì)。

1 廣播電視音視頻壓縮

一般情況下，當播放視頻內(nèi)容的圖像分辨率達到720×576的標準清晰度時，該視頻節(jié)目的有效原始碼率為166 Mb·s-1，即視頻編碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)容量值為20 MB·s-1，72 GB·h-1[2]。因此，采用MPEG-2壓縮編碼數(shù)據(jù)傳輸至關重要。TS流是一種基于MPEG-2壓縮編碼的數(shù)據(jù)傳輸流，在傳輸廣播數(shù)字電視音視頻節(jié)目或用戶信息中起著重要作用?；贛PEG-2壓縮編碼的數(shù)據(jù)傳輸TS流形成過程如圖1所示。

圖1 廣播電視音視頻壓縮過程

由圖1可知，待傳輸?shù)囊粢曨l數(shù)據(jù)流，經(jīng)音視頻編碼器對其進行編碼后，輸出被打包壓縮的基本碼流PES，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)流含解碼器所必備的原始視音頻恢復信息。基本碼流通過數(shù)據(jù)傳輸且被分解打包，形成了PES數(shù)據(jù)包，經(jīng)PS/TS復用器工作后，分別成為節(jié)目碼流（PS）或傳輸碼流（TS）。

MPEG-2編碼壓縮利用音視頻傳輸圖像的統(tǒng)計特性，根據(jù)傳輸音視頻的時間或空間冗余對音視頻進行動態(tài)調(diào)整壓縮。該技術通過對碼率進行分配，去除掉音視頻圖像中所存有的冗余信息[3]。MPEG-2的編碼應用幀內(nèi)對其進行編碼，圖像一般分為I幀、P幀、B幀三類。其中，I幀是用于解碼的基準幀，不存在運動補償；P幀采用圖像前向時間預測，即在音視頻相應宏塊像素中，通過幀內(nèi)編碼或正向預測獲得數(shù)據(jù)；B幀作為雙向時間預測，其圖像既與過去出現(xiàn)的圖像幀相關，同時也能預測未來即將出現(xiàn)的圖像幀[4]。解碼器在對碼流進行處理期間，需要對各幀節(jié)點進行重排，用以恢復音視頻中的原始圖像。若需去除音視頻圖像中的時間冗余，則需要采用運動估計技術將音視頻中的當前宏塊同其他前后方向參考幀像素作出匹配，獲得最佳運動矢量，通過運動矢量將過去幀進行位移疊加，可求取相應的誤差值，獲取具體幀節(jié)點。TSoIP技術將廣播電視數(shù)字視音頻素材做壓縮處理后，即可同步TS碼率波動，使數(shù)字電視節(jié)目以適合寬帶IP網(wǎng)絡的形式輸出。

2 同步TS碼率波動

2.1 平滑TS流碼率

傳輸碼流（TS）的碼率在音頻壓縮過程中可能會遇到一些影響因素，致使TS流碼率起伏較大，導致廣播時出現(xiàn)失幀、跳幀的現(xiàn)象。為解決這一問題，在TSoIP技術的運用中，需平滑TS數(shù)據(jù)流量包，可通過靜態(tài)碼率平滑算法（SRS）的緩沖機制進一步實現(xiàn)。該方法可同步應用于測試TS流碼率波動。

采用靜態(tài)碼率平滑法（SRS），需在數(shù)據(jù)流中提前配置足量緩沖區(qū)，并在相應緩沖區(qū)域中設置好閾值。假設TS數(shù)據(jù)流的緩沖區(qū)域大小為N，則該緩沖區(qū)域中可以存儲N個TS包。設定該緩沖區(qū)的相對閾值為X，且緩沖區(qū)域處于半滿狀態(tài)，則該區(qū)域的數(shù)值為X=N/2。TS流在分發(fā)模塊期間，將TS包存儲至該緩沖區(qū)域，且對該區(qū)域中的TS包數(shù)量進行監(jiān)控。設定緩沖區(qū)域監(jiān)控速率為A，監(jiān)控到的包數(shù)為B。監(jiān)控包數(shù)B決定是否對TS流量進行IP封裝打包。若B>X，則將TS數(shù)據(jù)流交給IP進行封裝打包；若緩沖區(qū)域中TS流量包同監(jiān)控包B剛好達到閾值X，則依照SRS靜態(tài)碼平滑算法，將TS數(shù)據(jù)包發(fā)送至下一個緩沖監(jiān)控區(qū)中。采用SRS靜態(tài)碼率平滑算法，只需預先緩存X個TS數(shù)據(jù)包，就可以在下個監(jiān)控周期內(nèi)封存并打包相應IP數(shù)據(jù)，監(jiān)控測試如圖3所示。

圖3 SRS對輸入碼流的平滑

由圖3可知，采用SRS靜態(tài)碼率平滑算法，可將不規(guī)律的碼流變得規(guī)律平滑，監(jiān)控輸出所得的碼流變動速率接近數(shù)據(jù)輸入平均碼率。通過對當前緩沖區(qū)域中的數(shù)據(jù)占有率閾值位置關系進行分析，可有效判定該區(qū)域的數(shù)據(jù)是否需要進行緩沖處理，以此實現(xiàn)TS碼率平滑，解決音頻失幀、跳幀的問題。

2.2 校正具體閾值

通過MPEG-2系統(tǒng)對廣播電視音頻進行壓縮，為預防MPEG-2中存在不恒定延時狀況，PCR校正算法基于計數(shù)值差進行運算，根據(jù)碼率記錄時間或延遲信息，對PCR包中的具體閾值進行校正，以此得出新的PCR基準值，確定TS包的位置，解決傳輸過程中的延時問題。校正算法如式（1）所示。

式中：?PCR代表PCR在運行中的實際延遲，PCRnew代表被糾正后的PCR校正值，PCRold代表PCR包中原有的PCR初始值。

該校正算法基于原PCR的初始值進行校正，因而只會對PCR的校正項產(chǎn)生一定影響。由于其所引入的偏差值較低，對于解碼器時鐘恢復而言，不會產(chǎn)生明顯影響。此外，該校正方式應用計數(shù)值之差的計算方法，波率偏差不存在累計時長等問題。即便出現(xiàn)一定偏差，對于解碼端的緩沖也基本不造成影響。為實現(xiàn)IP入口兼容，還需要PID信息區(qū)分若干TS流，如圖4所示。

圖4 TS流中TS包的位置關系

圖4為采用計數(shù)差對PCR進行校正后的TS流。由于傳輸TS流的最終目標是實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)化傳輸，因而，需對若干間隔TS流進行數(shù)據(jù)保存，采用RAM可實現(xiàn)存儲需求。

假 設TSt-1與TSt之 間 的 包 間 隔 為?Tt，t代表TS數(shù)據(jù)流中的第t個數(shù)據(jù)流量包。為了便于對PCR包進行表述，采用PCRj示意TS數(shù)據(jù)流中第j個PCR包。

當TSt包進入PCR校正模塊后，將當前包間隔計數(shù)器的值?Tt進行保存，且提取出相應數(shù)據(jù)流初始信息，如PID初始數(shù)據(jù)，將其設定為PCRflag，并根據(jù)PCRflag判定該TSt數(shù)據(jù)包是否屬于PCR包。如果確定是PCR包，則提取相應信息，將其記為PCRj。

根據(jù)PID初始數(shù)據(jù)信息，搜索RAM中的對應數(shù)據(jù)流量。通過流量通道ch(k)，讀取對應通道中的PCR值，將其記為PCRt-1。若TSt包是普遍應用的TS數(shù)據(jù)流包，則將?Tt疊加到PCRt-1之上，重新寫入RAM對應的PCR字節(jié)中；若TSt包是對應的PCR包，則將相應的PCRt-1與?Tt插入至TSt包的PCR字節(jié)中，將RAM中現(xiàn)有的PCRt-1轉(zhuǎn)換成PCRj。經(jīng)上述方式對PCR作出校正后，即可完成相應步驟。PCR校正算法如式（2）所示。

式中：m代表PCRj-1后一個TS包，n代表現(xiàn)有的PCRj包，即目前的TS數(shù)據(jù)流包屬于PCR包，PCRj′則代表PCRj經(jīng)校正后的值代表第j個PCR包同第j-1個PCR包之間形成的TS數(shù)據(jù)流的總間隔。

由于采用PCR的差值，可以反映出TS數(shù)據(jù)流的關系。因而，通過上述公式推算，改進后的PCR校正差值如式（3）所示。

當TS數(shù)據(jù)流在緩沖區(qū)域取得具體閾值，則可滿足RAM存儲需求，解決傳輸過程中的延時問題。當TS碼率波動得到同步，TS數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上傳輸，匯入IP流后實現(xiàn)整體傳輸過程。

3 實現(xiàn)IP流傳輸

基于TSoIP技術的廣播電視機房傳輸將同步波動后的TS數(shù)據(jù)遵循一定的IP協(xié)議，實現(xiàn)IP流傳輸，實現(xiàn)了數(shù)字化的傳播運行。IP廣播技術將有線電視網(wǎng)絡光纖IP化，既保留了有線電視網(wǎng)絡廣播特性，又滿足了終端用戶交互業(yè)務和寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的需求，實現(xiàn)了超大帶寬雙向接入全業(yè)務融合的創(chuàng)新[5]。采用保留獨立通道的IP廣播技術方案，幾乎沒有額外損耗，在IP調(diào)度分發(fā)制播系統(tǒng)中，經(jīng)濟高效、無差錯傳輸TS數(shù)據(jù)流是實現(xiàn)廣播電視數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罱K目標。經(jīng)MPEG-2編碼壓縮后，在編碼器內(nèi)部進行運算，對TS流進行處理做IP封裝，此時編碼器IP端口輸出廣播電視信息碼流。當IP碼流輸出至相應地區(qū)交換機中，經(jīng)交換機工作處理后，由另一個端口對信息進行輸出。信息流通過網(wǎng)絡透傳板持續(xù)傳輸，將處理后的IP數(shù)據(jù)映射至相應的SDI信號中。通過SDI傳輸，將IP碼流傳輸至中心傳輸設備，所有IP碼流匯聚至千兆網(wǎng)處理板，將音視頻信號傳輸至各家庭用戶中。隨著廣播電視音視頻TSoIP化傳輸應用的普及，基于IP技術的傳輸方式使得整個廣播電視傳輸架構變得更加高效，從而節(jié)省了帶寬傳輸資源。

4 結 語

采用TSoIP技術可有效降低廣播電視機房設備成本，應用MPEG-2編碼壓縮，有效提升了音視頻素材的傳播效率。通過對數(shù)據(jù)信息TS流計算處理，將TS數(shù)據(jù)流打包至IP流進行封裝傳輸，有效提升了廣播電視傳輸實際業(yè)務速率。該技術的應用具有一定的便利性和通用性，通過配置普通交換機，IP接口的輸出流就可以在物理上實現(xiàn)交換共用，節(jié)省了電纜接口的使用量，提高了機房空間的利用率，為電視廣播產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提速帶來了新的機遇。