基于TSoIP技術(shù)的廣播電視機(jī)房傳輸應(yīng)用模式探析

張迎春

（仙居縣傳媒中心，浙江 臺州 317300）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)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(luò)的傳播機(jī)制受限于頻點(diǎn)資源，不足以滿足市場大眾化需求。改造廣播電視網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)計(jì)的相關(guān)協(xié)議。TSoIP就是在遵循IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，將TS流進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。TSoIP的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視與廣播電視業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)換，使廣播電視數(shù)字電視節(jié)目通過IP網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行傳輸。廣播電視IP化傳輸具有結(jié)構(gòu)簡單、拓展靈活、傳輸速度快且射頻距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢。將TS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為IP流進(jìn)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(shù)的廣播電視機(jī)房應(yīng)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\(yùn)行方式進(jìn)行了分析，采用MPEG-2編碼器對傳輸內(nèi)容進(jìn)行壓縮，借助靜態(tài)碼率平滑算法（SRS）對TS流的碼率值進(jìn)行計(jì)算，并利用計(jì)數(shù)差方式對TS流中的PCR基準(zhǔn)值進(jìn)行了校正，實(shí)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(wù)品質(zhì)。

1 廣播電視音視頻壓縮

一般情況下，當(dāng)播放視頻內(nèi)容的圖像分辨率達(dá)到720×576的標(biāo)準(zhǔn)清晰度時(shí)，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(guān)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。基于MPEG-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(jìn)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(fù)信息?；敬a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(fù)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(jì)特性，根據(jù)傳輸音視頻的時(shí)間或空間冗余對音視頻進(jìn)行動態(tài)調(diào)整壓縮。該技術(shù)通過對碼率進(jìn)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(yīng)用幀內(nèi)對其進(jìn)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(zhǔn)幀，不存在運(yùn)動補(bǔ)償；P幀采用圖像前向時(shí)間預(yù)測，即在音視頻相應(yīng)宏塊像素中，通過幀內(nèi)編碼或正向預(yù)測獲得數(shù)據(jù)；B幀作為雙向時(shí)間預(yù)測，其圖像既與過去出現(xiàn)的圖像幀相關(guān)，同時(shí)也能預(yù)測未來即將出現(xiàn)的圖像幀[4]。解碼器在對碼流進(jìn)行處理期間，需要對各幀節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重排，用以恢復(fù)音視頻中的原始圖像。若需去除音視頻圖像中的時(shí)間冗余，則需要采用運(yùn)動估計(jì)技術(shù)將音視頻中的當(dāng)前宏塊同其他前后方向參考幀像素作出匹配，獲得最佳運(yùn)動矢量，通過運(yùn)動矢量將過去幀進(jìn)行位移疊加，可求取相應(yīng)的誤差值，獲取具體幀節(jié)點(diǎn)。TSoIP技術(shù)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(luò)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(dǎo)致廣播時(shí)出現(xiàn)失幀、跳幀的現(xiàn)象。為解決這一問題，在TSoIP技術(shù)的運(yùn)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(jī)制進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。該方法可同步應(yīng)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(yīng)緩沖區(qū)域中設(shè)置好閾值。假設(shè)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(gè)TS包。設(shè)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(jìn)行監(jiān)控。設(shè)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(jìn)行IP封裝打包。若B>X，則將TS數(shù)據(jù)流交給IP進(jìn)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(dá)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(gè)緩沖監(jiān)控區(qū)中。采用SRS靜態(tài)碼率平滑算法，只需預(yù)先緩存X個(gè)TS數(shù)據(jù)包，就可以在下個(gè)監(jiān)控周期內(nèi)封存并打包相應(yīng)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(dāng)前緩沖區(qū)域中的數(shù)據(jù)占有率閾值位置關(guān)系進(jìn)行分析，可有效判定該區(qū)域的數(shù)據(jù)是否需要進(jìn)行緩沖處理，以此實(shí)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(jìn)行壓縮，為預(yù)防MPEG-2中存在不恒定延時(shí)狀況，PCR校正算法基于計(jì)數(shù)值差進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)碼率記錄時(shí)間或延遲信息，對PCR包中的具體閾值進(jìn)行校正，以此得出新的PCR基準(zhǔn)值，確定TS包的位置，解決傳輸過程中的延時(shí)問題。校正算法如式（1）所示。

式中：?PCR代表PCR在運(yùn)行中的實(shí)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(jìn)行校正，因而只會對PCR的校正項(xiàng)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(shí)鐘恢復(fù)而言，不會產(chǎn)生明顯影響。此外，該校正方式應(yīng)用計(jì)數(shù)值之差的計(jì)算方法，波率偏差不存在累計(jì)時(shí)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(shí)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(guān)系

圖4為采用計(jì)數(shù)差對PCR進(jìn)行校正后的TS流。由于傳輸TS流的最終目標(biāo)是實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)保存，采用RAM可實(shí)現(xiàn)存儲需求。

假 設(shè)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(gè)數(shù)據(jù)流量包。為了便于對PCR包進(jìn)行表述，采用PCRj示意TS數(shù)據(jù)流中第j個(gè)PCR包。

當(dāng)TSt包進(jìn)入PCR校正模塊后，將當(dāng)前包間隔計(jì)數(shù)器的值?Tt進(jìn)行保存，且提取出相應(yīng)數(shù)據(jù)流初始信息，如PID初始數(shù)據(jù)，將其設(shè)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(yīng)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(yīng)數(shù)據(jù)流量。通過流量通道ch(k)，讀取對應(yīng)通道中的PCR值，將其記為PCRt-1。若TSt包是普遍應(yīng)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(yīng)的PCR字節(jié)中；若TSt包是對應(yīng)的PCR包，則將相應(yīng)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(yīng)步驟。PCR校正算法如式（2）所示。

式中：m代表PCRj-1后一個(gè)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(gè)PCR包同第j-1個(gè)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(guān)系。因而，通過上述公式推算，改進(jìn)后的PCR校正差值如式（3）所示。

當(dāng)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(shí)問題。當(dāng)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(shí)現(xiàn)整體傳輸過程。

3 實(shí)現(xiàn)IP流傳輸

基于TSoIP技術(shù)的廣播電視機(jī)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(shí)現(xiàn)IP流傳輸，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的傳播運(yùn)行。IP廣播技術(shù)將有線電視網(wǎng)絡(luò)光纖IP化，既保留了有線電視網(wǎng)絡(luò)廣播特性，又滿足了終端用戶交互業(yè)務(wù)和寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求，實(shí)現(xiàn)了超大帶寬雙向接入全業(yè)務(wù)融合的創(chuàng)新[5]。采用保留獨(dú)立通道的IP廣播技術(shù)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(jì)高效、無差錯(cuò)傳輸TS數(shù)據(jù)流是實(shí)現(xiàn)廣播電視數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罱K目標(biāo)。經(jīng)MPEG-2編碼壓縮后，在編碼器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算，對TS流進(jìn)行處理做IP封裝，此時(shí)編碼器IP端口輸出廣播電視信息碼流。當(dāng)IP碼流輸出至相應(yīng)地區(qū)交換機(jī)中，經(jīng)交換機(jī)工作處理后，由另一個(gè)端口對信息進(jìn)行輸出。信息流通過網(wǎng)絡(luò)透傳板持續(xù)傳輸，將處理后的IP數(shù)據(jù)映射至相應(yīng)的SDI信號中。通過SDI傳輸，將IP碼流傳輸至中心傳輸設(shè)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(yīng)用的普及，基于IP技術(shù)的傳輸方式使得整個(gè)廣播電視傳輸架構(gòu)變得更加高效，從而節(jié)省了帶寬傳輸資源。

4 結(jié) 語

采用TSoIP技術(shù)可有效降低廣播電視機(jī)房設(shè)備成本，應(yīng)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(jì)算處理，將TS數(shù)據(jù)流打包至IP流進(jìn)行封裝傳輸，有效提升了廣播電視傳輸實(shí)際業(yè)務(wù)速率。該技術(shù)的應(yīng)用具有一定的便利性和通用性，通過配置普通交換機(jī)，IP接口的輸出流就可以在物理上實(shí)現(xiàn)交換共用，節(jié)省了電纜接口的使用量，提高了機(jī)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(jī)遇。