談?wù)剶?shù)字電視中的音畫(huà)不同步問(wèn)題

1、-作者xxxx-日期xxxx談?wù)剶?shù)字電視中的音畫(huà)不同步問(wèn)題【精品文檔】談?wù)剶?shù)字電視中的音畫(huà)不同步問(wèn)題 隨著我國(guó)數(shù)字電視的迅猛發(fā)展，以及城市廣電網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化改造的推進(jìn)，越來(lái)越多的人們開(kāi)始采用機(jī)頂盒來(lái)收看數(shù)字電視節(jié)目。但在通過(guò)機(jī)頂盒收看電視節(jié)目的過(guò)程中，觀眾有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些音畫(huà)不同步的現(xiàn)象。這也引起了我們的注意。 現(xiàn)象及測(cè)試貴陽(yáng)市在2007年底基本完成了廣電網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化改造，貴州電視臺(tái)的節(jié)目也都進(jìn)入了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸。在進(jìn)入數(shù)字網(wǎng)以后，我們發(fā)現(xiàn)，我臺(tái)的幾套節(jié)目在有些 地區(qū)出現(xiàn)了音畫(huà)不同步的現(xiàn)象，特別是衛(wèi)視頻道和百姓頻道在播報(bào)新聞時(shí)尤其明顯。為了弄清楚問(wèn)題出現(xiàn)在哪里，我們決定，在我臺(tái)節(jié)目的整個(gè)傳輸路徑，作一個(gè)

2、唇 音同步測(cè)試。用來(lái)做測(cè)試的設(shè)備是泰克公司的WFM7120，在做音/視頻延時(shí)測(cè)量時(shí)，還需要通過(guò)TG700 DVG7產(chǎn)生一串短促的彩條視頻信號(hào)，在這組視頻信號(hào)中嵌入音頻序列，其間隔為5s，將這樣的信號(hào)送入被測(cè)系統(tǒng)，最后將信號(hào)送到WFM7120里以測(cè)量 音、視頻之間的定時(shí)差。 播控中心內(nèi)部測(cè)試 如圖1所示，為了測(cè)量在電視臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部是否存在音/視頻時(shí)延差，我們利用檢修時(shí)間將TG700產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)錄入播出硬盤(pán)，通過(guò)硬盤(pán)播放， 以及將測(cè)試信號(hào)分別輸入到延時(shí)器和幀同步模塊后，在一個(gè)頻道上播出，然后我們?cè)趥魉筒繉⑿盘?hào)傳到網(wǎng)絡(luò)公司的編碼器之前，對(duì)這三路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯 示，這三路信號(hào)的音/視頻時(shí)延差

3、均不超過(guò)12ms，即不夠一場(chǎng)，表明信號(hào)在播控中心不存在音畫(huà)不同步問(wèn)題。 不同機(jī)頂盒的測(cè)試 第二個(gè)測(cè)量點(diǎn)，我們選擇了網(wǎng)絡(luò)公司的前端機(jī)房。如圖2所示，在這里，我們選取了現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用的主要幾個(gè)品牌的機(jī)頂盒做測(cè)試，將TG700的 測(cè)試信號(hào)，通過(guò)原來(lái)我們?cè)谟玫木幋a器編碼后，插入我們現(xiàn)在在播的頻道，然后在前端機(jī)房用機(jī)頂盒把電視信號(hào)解調(diào)出來(lái)。解出來(lái)的音/視頻信號(hào)，再通過(guò)一臺(tái)松下 公司的D950錄像機(jī)，把模擬的信號(hào)進(jìn)行A/D和加嵌處理后，送到WFM7120進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，這幾種機(jī)頂盒的音/視頻時(shí)延差表現(xiàn)不一，有的超 前了150ms，有的滯后了300ms。這表明不同的機(jī)頂盒，對(duì)同樣的數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行解調(diào)

4、、解碼后保持音/視頻信號(hào)之間的同步關(guān)系有不同的能力。 不同編碼器的測(cè)試 如圖3所示，我們?nèi)匀挥肨G700信號(hào)發(fā)生器，對(duì)不同編碼器進(jìn)行測(cè)試，擦啟用編碼器、調(diào)制器和機(jī)頂盒構(gòu)建了一個(gè)模擬的播出/收看環(huán)境。在這 里，我們采用了不同品牌的幾種編碼器，對(duì)TG700的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行編碼后，經(jīng)過(guò)相同的調(diào)制器調(diào)制，再用同一個(gè)機(jī)頂盒把信號(hào)解出來(lái)，同樣經(jīng)過(guò)D950處理后 送到WFM7120測(cè)量。最后測(cè)量的結(jié)果是，它們的音/視頻時(shí)延差有的是30ms，有的則達(dá)到了300ms，表明了不同的編碼器，對(duì)機(jī)頂盒最終收看信號(hào)的 音/視頻同步有較大影響。 原因分析MPEG-2系統(tǒng)的定時(shí)原理 目前，在我國(guó)的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中， MPE

5、G-2標(biāo)準(zhǔn)作為重要的音視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)信號(hào)源端的節(jié)目信號(hào)壓縮、編碼、復(fù)用，以及接收端對(duì)信號(hào)的解復(fù)用和解碼部分，得到了廣泛的應(yīng)用。而我們正 在使用的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，正是基于MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。下面我們來(lái)看看MPEG-2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4中所示。 由圖4中可看出，音視頻信號(hào)在經(jīng)過(guò)壓縮編碼器去掉冗余信息后，形成基本碼流。這個(gè)基本碼流并不能被直接存儲(chǔ)或傳送，還必須送入特定的打包 器，把基本碼流按一定的格式分成段落，并加入特定的標(biāo)識(shí)字符，形成所謂的打包基本碼流(PES)。PES包是長(zhǎng)度不固定的音、視頻數(shù)據(jù)包，再把音視頻 PES包，以及輔助數(shù)據(jù)送入傳輸子系統(tǒng)，分割成一個(gè)又一個(gè)長(zhǎng)度固定為188b的小數(shù)據(jù)

6、包，并通過(guò)時(shí)分多工復(fù)用形成單一的TS流，該TS流經(jīng)過(guò)信道傳輸后到 達(dá)接收端。 眾所周知，同步是實(shí)現(xiàn)電視正確顯示的必要條件。對(duì)數(shù)字電視來(lái)說(shuō)，由于在壓縮編碼過(guò)程中，利用緩存器對(duì)信號(hào)存儲(chǔ)，復(fù)用器中信號(hào)的時(shí)間軸是變動(dòng) 的，加上數(shù)據(jù)冗余量大小的不同，壓縮比也不同，因此時(shí)間軸變動(dòng)很大，尤其是在幀組層處理中，B幀和P幀的順序也發(fā)生了變化。所有這些，使得數(shù)字電視信號(hào)的 同步，完全失去了原來(lái)序列的概念。實(shí)現(xiàn)同步的有效辦法，就是在信號(hào)碼流中，每經(jīng)過(guò)一個(gè)規(guī)定的間隔加入一個(gè)時(shí)間標(biāo)簽。有了這個(gè)標(biāo)簽，就可以在接收端在顯示之 前的解碼過(guò)程中，根據(jù)這個(gè)時(shí)間標(biāo)簽進(jìn)行重新排序，重建在壓縮編碼之前圖像的順序，以及聲音和圖像之間的時(shí)

7、間關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)圖像同步及聲音與圖像同步。 由圖4還可看出，MPEG-2編碼器中有單一的共同系統(tǒng)時(shí)鐘STC (27MHz)，此時(shí)鐘用來(lái)產(chǎn)生指示音頻/視頻正確解碼和顯示時(shí)序的時(shí)間標(biāo)簽，同時(shí)，可用來(lái)指示在抽樣瞬間系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間的瞬時(shí)值。該時(shí)鐘由輸入視頻的行同 步鎖相，當(dāng)輸入是SDI信號(hào)時(shí)，由其時(shí)鐘經(jīng)10分頻產(chǎn)生編碼器的系統(tǒng)時(shí)鐘。正是編碼器中共同系統(tǒng)時(shí)鐘的出現(xiàn)，以及解碼器中時(shí)鐘的重新生成和時(shí)間標(biāo)簽的正確 使用，才為解碼器中操作的正確同步提供了基準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)編解碼器的時(shí)鐘同步，在編碼器中對(duì)STC系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，每隔一定的傳輸時(shí)間，在經(jīng)過(guò)選擇的TS包 的適應(yīng)頭中，傳輸該計(jì)數(shù)器的抽樣值給接收機(jī)，作為解碼器的

8、節(jié)目時(shí)鐘參考信號(hào)，既PCR。PCR有效位為42b，其中高33b為PCR_Base，是以 27MHz時(shí)鐘，經(jīng)300分頻后的時(shí)鐘為單位的計(jì)數(shù)值，低9b為PCR_Extension，是以27MHz時(shí)鐘為單位的計(jì)數(shù)值。除PCR外，解碼時(shí)間標(biāo) 簽DTS和顯示時(shí)間標(biāo)簽PTS，也非常重要。它們與PCR_Base相似，也是以編碼器27MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，經(jīng)300分頻后為單位的計(jì)數(shù)值來(lái)創(chuàng)建的。其 中，DTS用于指示解碼器何時(shí)對(duì)接收的圖像、音頻幀進(jìn)行解碼，PTS用于通知何時(shí)顯示已解碼的圖像幀。 在使用雙向編碼時(shí)，對(duì)某一圖像的解碼，必須在其顯示之前的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，這樣它才能作為解碼B幀圖像的源數(shù)據(jù)。例如，圖像的顯示

9、順序是 IBBP，但圖像的傳輸順序則是IPBB。MPEG參考模型認(rèn)為解碼是瞬間發(fā)生的，即解碼、顯示同時(shí)進(jìn)行。對(duì)于音頻幀和圖像B幀來(lái)說(shuō)，解碼時(shí)間和顯示時(shí)間 是一致的，PTS與DTS相同，因此只要傳輸PTS。對(duì)于視頻I幀和P幀來(lái)說(shuō)，由于存在幀重新排序，解碼時(shí)間和顯示時(shí)間不一樣，此時(shí)必須同時(shí)傳送PTS與 DTS。當(dāng)解碼器接收到IPBB圖像序列時(shí)，它必須在解碼第一個(gè)B幀圖像之前，對(duì)I幀和P幀圖像解碼。解碼器每次只能解碼一幀圖像，因此先對(duì)I幀圖像解碼 并將其存儲(chǔ)起來(lái)，待P幀圖像被解碼時(shí)，就輸出顯示已解碼的I幀圖像，隨后才解碼顯示B幀圖像。表1、2、3、4所示，是編碼器輸入、輸出的圖像順序、各幀 的PTS

10、、DTS值，以及解碼器對(duì)各幀圖像的解碼和顯示順序。 表1中，13幀圖像構(gòu)成一個(gè)圖像組，第1幀I幀采用幀內(nèi)編碼，第2、3B幀是由第1、4幀通過(guò)雙向預(yù)測(cè)得到，第4幀P幀是由第1幀通過(guò)前向 預(yù)測(cè)而得。編碼器在編完第1幀后，先緩存第2、3幀圖像，對(duì)第4幀圖像進(jìn)行編碼，然后再對(duì)第2、3幀圖像進(jìn)行編碼，依次類(lèi)推，最后得到的編碼輸出順序如表 2所示。 由表3和表4可看出，當(dāng)解碼器接收到某個(gè)含有一個(gè)I幀圖像的存取單元時(shí)，在其文件數(shù)據(jù)包中應(yīng)含有DTS與PTS，這兩個(gè)標(biāo)簽的值之間的時(shí)間 間隔為一個(gè)圖像周期。在I幀圖像之后是P幀，其文件數(shù)據(jù)包中也應(yīng)有一個(gè)DTS和一個(gè)PTS，這兩個(gè)標(biāo)簽的值之間的時(shí)間間隔是三個(gè)圖像周期

11、。然后是兩個(gè)B 幀，其文件數(shù)據(jù)包中只含有PTS。也就是說(shuō)，I幀圖像在解碼后要延時(shí)一幀后才播放顯示，在顯示I幀時(shí)對(duì)第4幀P幀進(jìn)行解碼，但不播放顯示，先緩存起來(lái)，當(dāng) 1I幀播放顯示完后，立即解碼顯示2B幀，然后是3B幀，過(guò)后才顯示緩存的4P幀，同時(shí)對(duì)7P幀進(jìn)行解碼并緩存，依次類(lèi)推。可見(jiàn)，解碼顯示的圖像順序，與 表1的圖像輸入順序是一致的。 解碼器(機(jī)頂盒)的定時(shí)原理 PTS和DTS只是一個(gè)33b的數(shù)值，如果沒(méi)有PCR所代表的時(shí)間軸做參考，這個(gè)數(shù)值是沒(méi)有意義的。為了保持正確解碼，必須使編碼器和解碼器(機(jī)頂盒)的系統(tǒng)時(shí)鐘保持鎖定，即它們的頻率保持一致，以及它們各自的計(jì)數(shù)器的初始值一致。 解碼器(機(jī)頂盒

12、)中有一個(gè)頻率為27MHz左右的壓控振蕩器(VCO)，輸出信號(hào)作為系統(tǒng)時(shí)鐘送入計(jì)數(shù)器中產(chǎn)生當(dāng)前的STC樣值，它與 PCR一樣也是42b的一個(gè)數(shù)值。其中，高33b是以27MHz經(jīng)過(guò)300粉頻后的時(shí)鐘為單位的計(jì)數(shù)值，低9b是以27MHz時(shí)鐘為單位的計(jì)數(shù)值。當(dāng)一個(gè) 新節(jié)目到達(dá)解碼器(機(jī)頂盒)時(shí)，解碼器(機(jī)頂盒)從碼流中獲得PCR值，用其PCR_Extention值與當(dāng)前STC的低9b位作比較，得到誤差信號(hào)， 再通過(guò)鎖相環(huán)電路去調(diào)整壓控振蕩器，使解碼器(機(jī)頂盒)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，與編碼器的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率保持一致。從碼流中依次獲得各幀的PTS與DTS值，將其 和當(dāng)前STC值的高33b位作比較。如果DTS值大

13、于STC值，則對(duì)碼流進(jìn)行緩存，同時(shí)監(jiān)測(cè)STC值的變化，當(dāng)STC值增大到與DTS值相等時(shí)，對(duì)該幀碼 流進(jìn)行解碼，當(dāng)STC值與PTS值相等時(shí)，播放該幀。如果由于傳輸網(wǎng)絡(luò)的緩沖延時(shí)抖動(dòng)，當(dāng)碼流到達(dá)解碼器(機(jī)頂盒)時(shí)，其PTS值已經(jīng)小于STC值，則解 碼器(機(jī)頂盒)跳過(guò)這一幀，丟棄該幀數(shù)據(jù)。由于PTS和DTS是根據(jù)PCR值產(chǎn)生的，因此必須將獲得的第一個(gè)PCR值，作為初始值去置位解碼器(機(jī)頂盒) 的STC計(jì)數(shù)器，使它們的值一樣，否則，將導(dǎo)致時(shí)基不同，從而解碼出錯(cuò)。音頻與視頻的處理相似，只是不存在時(shí)序重排的問(wèn)題。圖5所示是解碼器(機(jī)頂 盒)PCR工作原理圖。 音畫(huà)不同步產(chǎn)生原因 在實(shí)際應(yīng)用中，有些編碼器由

14、于輸入視頻信號(hào)的時(shí)基不穩(wěn)，導(dǎo)致其輸出時(shí)鐘發(fā)生抖動(dòng)，幀同步的間隔不是40ms。這些編碼器，在根據(jù)PCR和緩 沖延時(shí)設(shè)定初始的DTS值后，每幀的DTS值，由上一個(gè)DTS加上一個(gè)固定值得到(該值可由如下計(jì)算而得：27MHz經(jīng)300分頻后為90kHz，PAL 制電視每秒為25幀，由此，該值是90000/25=3600)，并根據(jù)幀類(lèi)型和GOP類(lèi)型計(jì)算出PTS值。但這段時(shí)間PCR值并不是增加3600，導(dǎo)致 DTS和PTS相對(duì)PCR變大或變小。有些解碼器(機(jī)頂盒)沒(méi)有采用壓控震蕩器，其系統(tǒng)時(shí)鐘為固定的27MHz，只是用接收到的PCR值，初始化本地系統(tǒng) 時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值。編碼器和解碼器(機(jī)頂盒)之間不能保持嚴(yán)格的鎖定，這樣就可能導(dǎo)致解碼器(機(jī)頂盒)丟幀。而有的解碼器(機(jī)頂盒)在發(fā)生丟幀的情況后就不 再?lài)?yán)格按DTS和PTS解碼顯示，而是根據(jù)緩沖區(qū)的情況來(lái)解碼，由于視音頻編碼的延時(shí)不一樣，就可能導(dǎo)致音畫(huà)不同步。 此外，在從編碼器到解碼器(機(jī)頂盒)的傳輸過(guò)程中，由于存在著復(fù)用器、調(diào)制器等變延時(shí)緩存的環(huán)節(jié)，可能導(dǎo)致PCR包的傳輸延時(shí)不恒定，有大有小。如果不對(duì)PCR進(jìn)行修正，也