1、MPEG-2 传输流 的码流 分析 0 引 言 目前， 我国数字电视 的信道 传输的 三种 主要传输方式都有了统一明确的国家标准。 其主要 差别是信道 编码 、调制 方法 ， 但视频 和音频 信源 处理和系统层复用 都 是以 MPEG-2 为基础 的编码方案。 MPEG-2 标准 自 制定以来，已经成为数字电视领域中系统层的普遍标准。 能够熟悉 MPEG-2 传输流码流 语法 结构，并运用分析工具对系统进行常规的检测分析，为快速确认系统故障，从而排除故障保证系统正常运行， 对于广大工程技术人员 十分必要 。 本文介绍 MPEG-2 传输流的语法结构及复用， 及 ETR290标准规定的传 输码流
2、 3 级错误 检测 参数 ，同时 结合 码流分析 软件 对 MPEG-2 传输流的语法结构作 一离线 分析 。 1 MPEG-2 传输流的形成 及复用 ： MPEG-2 标准定义了一个节目中的各部分 (如视频、音频和控制数据等 )的格式，它也定义了 各 部分如何形成传输码流，即TS 流，这一过程称为复用。 MPEG-2 规定了两种复用形式，即 MPEG-2 节目流 (PS)和 MPEG 传输流 (TS)。 图 1 MPEG-2 系统层编码 复用 示意图 如图 1 所示： 原始的视音频 数据流 经编码器编码输出压缩后的基本码流 ES，它含有解码器 所必需的 、用于恢复 原始视 音频的信息。 基本
3、码流 ES 分解打包成 PES 数据包 ,每个 PES 包在复用的过程中被分成固定长度的传输流包 (TS Packet)。 传输流被设计用于在 有噪声发生的存储或 传输 的环境中 ，如在 DVB 广播的传输链路中 。 2 MPEG -2 传输 流的 语法 结构： 在进行 MPEG-2 传输流的码流分析之前，我们有必要了解 MPEG-2 标准中规定的传输流的语法结构。 2.1 MPEG-2 传输流的包结构 每个传输流中包含一系列固定长度为 188 Bytes的传输流包 (简称为 TS包 )，每个 TS包由 4 Bytes长 的包 头和 其后的 184 Bytes的载荷组成 ，如图 2 所示 。
4、在 4 Bytes 包头中含有以下重要信息： 以 固定值 0x47 开始 的 8bit 字 段的同步头， 其 后是几个重要的标志，如“ 传输错误指示 ”、“有效负载起始标志”、“传送优先指示”、“ PID(Packet identifier)”、 “调整 字 段控制”等。“ PID” 是 13bit 的代码，是用于区分不同类型的传输流包 (如视频 /音频 )的重要参数 ，不同节目的视音频传输包在复用后的 MPEG-2 传输流中用唯一的 PID 代码标识。 Video ES Audio ES 图 2 TS 包 语法 结构 示意图 TS 流 在某些情况下可能需要更多的包头信息， 这时 就要设置 “
5、 调整 区 字段 控制字段” 来指示包头比特数要多于 4 Bytes。图2 表示当出现上述情形时，通过 调整 区 字段 长度码来指示附加的包头长度。这 时 调整 区 字段就紧跟包头 ， 而 有效载荷 会少于184Bytes 以维持恒定的 TS 包长度。 调整 区字段中重要的一个码字是 PCR 码字， 用于解码器的系统时钟恢复 。 2.2 MPEG-2 传输 流的结构 按 MPEG-2 传输流中复用的节目数量，可分为单节目 传输流（ SPTS） 和多节目传输流（ MPTS）。 实际在 DVB 链路中传输的多数情况下，多个 SPTS 被复用为 一个多节目传输流 (MPTS)。 用户在收看节目时，接
6、收机要在 TS 流中找到 该 节目 对应 PID 的TS 包。为了 帮助用户确定某个 PID 的 TS包所对应的节目，在 MPEG-2 TS 流中 除传送视音频 PES 数据 外，还 需要传输一套表信息 (PSI ),它们中携带了对 TS 流中 构成 每个节目的 ES 码流的 描述 ， 它们在 MPEG-2 中称为节目专用信息 (PSI)， 包含以下四种信息表 。 PAT：节目相关表，列出 TS 流中描述每个节目 (Service)的 PMT 表的 PID 值 ， PAT 的 PID 值 固定为 0x00。 CAT：条件接收表， 如果节目 被加扰，可以通过它 定义 与加扰码流有关的授权控制信息
7、 (ECM)和授权 管理 信息 (EMM)的 PID 值，CAT 的 PID 值总是 0x01。 PMT：节目映射表，定义了与一个节目相关视音频码流和其他信息 TS 包 的 PID 的值。 NIT：网络信息表，包含了传输 MPEG 复用 TS 流的网络信息，包括载波频率等， NIT 的 PID 值总是 0x10。 图 3 列出了一条 SPTS 的码流结构： 视频 TS 包 音频 TS 包 PAT 表 PMT 表 其他表 图 3 PTS 的码流结构 每个 PSI 表分成一个或多个 段 (Section)来传输，段的长度可变，每个段由一个 CRC 校验字来确认所传输的表的完整性。 PSI表在其所在
8、的 TS 码流中按一定周期重复传输。 为了解复用一个 PES 包需要的 PID，接收机需要先搜索 PAT 表，它列出了复用的 TS 流中所有的节目 ，并从中得到 PMT 的 PID。而 PMT 表列出了与每个节目相关的 PID 信息，每个节目对应一个 PMT 表。此外， DVB 还额外增加了其它的描述节目信息的表 (SI)。 2.3 MPEG-2 传输 流 错误监测 根据对 MPEG-2 和 DVB 标准以 及 ETR290 标准的研究，将 DVB MPEG-2 TS 码流的错误指示分为 3 个等级：第一等级是正确解码所必需的几个参数；第二等级是达到同步后连续工作所必需的参数和需要周期监测的参
9、数；第三等级是依赖于应用的几个参数 ， 差错优先级分类如下： 第一优先级 导致无法解码的 差错（共 6 个）：传输码流同步丢失（ TS sync loss）；同步字节错误（ Sync byte error）；节目相关表错误（ PAT error）；节目映 射 表错误（ PMT error）；连续计数错误（ Continuity count error）； PID 错误（ PID error） 。 第二优先级 对 解码 损伤性 差错（共 6 个）：传送包错误（ Transport error）；节目时钟参考错误（ PCR error）；节目时钟参考精度错误 (PCR accuracy error
10、)；循环冗余检测错误（ CRC error）； PTS 错误 (PTS error)；条件 接收表 错误（ CAT error）。 第三优先级 不影响可解码性差错（共 10 个）： NIT 错误（ NIT error）； SI 重复错误（ SI repetition error）；缓冲器错误（ Buffer error）；未引用 PID 错误（ Unreferenced PID）； SDT 错误（ SDT error）； EIT 错误（ EIT error）； RST 错误（ RST error）；TDT 错误（ TDT error）；空闲缓冲器错误（ Empty buffer error）；
11、数据延迟错误（ Data delay error）。 错误监测参数的具体含义可参见相关文章，本文不作详细说明。 3 使用软件 离线分析 TS 流的结构 ： 使用 码流分析仪 对 MPEG-2 传送流分析 是 我们理解 其 语法结构 的很好的入门工具 。 码流分析既可以对码流进行实时分析，快速排查系统问题 点 ，也可以将 部分 码流保存成文件，进行离线分析。 下我们 结合分析软件 transport stream analyzer(TSR)对一段录制的 TS 码流进行离线分析。 通过软件打开录制的 TS 流文件 ，如图 4 所示： 图 4 TSR 码流分析软件界面 图示左侧为 按树形目录显示 T
12、S流基本 结构 信息， 图中 在 TS流文件名称下展出两个子目录， 我们可分别按 Programs和 Packets两种方式分析该段 TS 流的数据 ， Programs 目录下列出了 TS 流中所传输的全部节目，可以看到，图 4 中 的 TS 流共有两个节目，将 节目再展开 ，可以显示每个节目的视音频信息，如 PID 值，右键单击视频或音频信息，在弹出菜单中可以选择查看视音频 TS包中的具体数据内容，在软件界面的右侧窗口中显示。 Packet目录下我们还可以按 PID了解 复用 在 TS流 中 传输的 所有 TS包的信息，包括 PSI表以及与加密系统相关的 ECM、 EMM信息； 右击任一
13、PID 条目同样可以在弹出菜单中选择查看相应 PID 的 TS 包中的 十六进制 数据内容。我们选择 program 1 中 PID为 0x101 的视频码流的 TS包 分析 。在右侧的窗口中，我们可以看到 这段 TS码流中共有 34164 个 PID 为 0x101 的 TS包，我们选择第 77 个包， 窗口上部是 TS 包 头 中重要信息的摘要， 窗口下部 是该 TS 包中完整的 188 字节的数据内容。 图中第 零 字节 (0x47)到第三个字节 (0xb0)是这个 TS 包的 4Bytes 长的包头，字节 0x47 为 TS 包的同步字节；随后是三个指示符，每个长度为 1bit， 第一
14、位是 传输错误指示符 ， 0 表示没有错误 ；第二位为 载荷单元起始指示符 为 0， 表示 这个 TS 包不含有该视频 PES 包的起始数据； 第三位 传输优先级指示符 为 0； 随后的 13bit 长 的 TS 包的 PID 值，图 4 中 PID 值为 0x101，为该 TS 流中节目 1 的视频码流的 PID 值； 图 4 中 调整 区控制码字值为 11，表示该 TS 包中既有 调整 区又有载荷数据。 第 四 字节 0x07 到第 11字节 0x03便是 为 调整 区字段， 0x07 是 调整 长度字段的数值，表示该字段后的 调整 区共有 7 个字节长， 第五字节 0x10表示 调整区中
15、含有节目时钟参考字段 (PCR)，共占有 6 个字节 ， PCR 以两部分字段构成，分别是 PCR_base 和 PCR_extension字段。 紧随 调整 区 PCR 字 段的字节 0x41 开始到 TS 包的最后一个字节 0xb5 是 TS 包的载荷 字段 ，图中载荷 字段 携带着视频 PES 码流的数据内容。 4 数字电视 传输 系统 前端 中的测试点的选择 码流分析仪是检测压缩后的数字电视信号质量优 劣的“眼睛”，掌握码流分析仪的相关技术对有线数字电视系统 的维护和故障的排查具有重要的意义。 图 5 是 一典型的 数字电视 节目平台传送 系统框图，在系统中 MPEG-2 TS 流沿箭
16、头所示方向传输，在系统 前端 调试 、排除故障时 时，比较简单的方法是自上到下逐级 测试 。图中、 、 是 TS 流的 主要 测 试 点 。 可以测试编码器输出的码流或其他的传输媒介 接收 的码流的具体技术参数，验证码流的参数值与设定的参数是否一致 ， 测 试 点 、可以 分别对复用器输出后的“清流”和加扰后的 TS 流分析。 在实际 测试 时，常常需要配合调制器和 IRD/STB 模拟接收端设备 进行终端信号接收的测试 ， 有条件还可以 将测试码流纳入 小型 有线 局域 网络中进行传输和接收的测试。 在、 、 处测试信号终端的码流 。在比较庞大复杂的网络或经过设备较多的网络中当某接点发生故障
17、时要快速 找到故障点则必须根据网络的拓扑结构，排除分割检查 。 5 结束语 数字电视 传输 系统是一个复杂的系统工程， 端到端传输链路的大部分环节都是 MPEG-2 传输流为载体完成的，学习和掌握实用的码流分析技术 对系统运 营具有重要作用 ，快速准确的 码流检测是系统质量和安全播出的技术保证。 参考文献： 【 1】 MPEG 基础和协议分析指南 . Tektronix, 【 2】 DVB Measurement Guide Lines for DVB Systems DVB Document ETR290， M ay 1997 【 3】 ISO IEC 1 38 1 8-1 Generic Coding of Moving Picture and Association Audio： Systems Nov 1 994 【 4】 MPEG-2 Transmission. http:/www.erg.abdn.ac.uk/research/future-net/digital-video/mpeg2-trans.html
