Palabras clave: Decodificador de codificador MPEG-2 PCR DTS PTS de audio y video asincrónico
Con el rápido desarrollo de la televisión digital en mi país y el avance de la transformación digital de las redes urbanas de radio y televisión, cada vez más personas han comenzado a utilizar decodificadores para ver programas de televisión digital. Pero en el proceso de ver programas de televisión a través de un decodificador, los espectadores a veces encuentran que algunos audio y video no están sincronizados. Esto también nos llamó la atención.
Fenómeno y prueba
La ciudad de Guiyang básicamente completó la transformación digital de su red de radio y televisión a finales de 2007, y los programas de la estación de televisión de Guizhou también han entrado en la transmisión de la red digital. Luego de ingresar a la red digital, nos encontramos con que varios programas de nuestra estación presentaban el fenómeno de no sincronización de audio y video en algunas áreas, especialmente cuando las noticias se transmitían por el canal de video satelital y el canal de personas. Para averiguar dónde está el problema, decidimos realizar una prueba de sincronización de labios en toda la ruta de transmisión de nuestro programa. El equipo utilizado para la prueba es Tektronix WFM7120. Al realizar la medición de retardo de audio / video, también es necesario generar una serie de señales de video de barras de color cortas a través del TG700 DVG7, y la secuencia de audio está incrustada en este grupo de señales de video con un intervalo de 5s, envíe dicha señal a el sistema bajo prueba y finalmente envíe la señal al WFM7120 para medir la diferencia de tiempo entre audio y video.
Prueba interna del centro de control de transmisión
Como se muestra en la Figura 1, para medir si hay una diferencia de retardo de audio / video en el sistema de la estación de TV, usamos el tiempo de inspección para grabar la señal de prueba generada por TG700 en el disco duro de transmisión, reproducirla a través del disco duro, e introduzca la señal de prueba en el retardador. Después del módulo de sincronización de cuadros, se transmite en un canal, y luego medimos estas tres señales antes de que el departamento de transmisión transmita la señal al codificador de la empresa de la red. Los resultados de la medición muestran que la diferencia de retardo de audio / video de estas tres señales no supera los 12ms, es decir, un campo no es suficiente, lo que indica que la señal no tiene el problema de sincronización de audio y video en el centro de control de transmisión.
Prueba de diferentes decodificadores
Para el segundo punto de medición, elegimos la sala de computadoras front-end de la empresa de redes. Como se muestra en la Figura 2, aquí, hemos seleccionado las principales marcas de decodificadores que se utilizan actualmente en China para realizar pruebas. Después de codificar la señal de prueba TG700 a través del codificador original que estamos usando, insértelo en el canal que estamos transmitiendo actualmente. Luego, use un decodificador en la sala de computadoras de front-end para demodular la señal de TV. La señal de audio / video decodificada se envía a WFM7120 para su medición después de A / D y la incorporación de la señal analógica a través de una grabadora de video Panasonic D950. Los resultados de la medición muestran que la diferencia de retardo de audio / video de estos tipos de decodificadores es diferente, algunos están por delante de 150 ms y otros por 300 ms. Esto muestra que diferentes decodificadores tienen diferentes capacidades para mantener la relación de sincronización entre las señales de audio / video después de demodular y decodificar la misma señal de TV digital.
Prueba de diferentes codificadores
Como se muestra en la Figura 3, todavía usamos el generador de señal TG700 para probar diferentes codificadores y habilitar el codificador, el modulador y el decodificador para construir un entorno de transmisión / visualización simulado. Aquí utilizamos varios codificadores de diferentes marcas. Después de codificar la señal de prueba del TG700, es modulada por el mismo modulador, y luego la señal es decodificada por el mismo decodificador. También es procesado por D950 y enviado a WFM7120 para su medición. El resultado final de la medición es que algunas de sus diferencias de retardo de audio / video son de 30 ms y algunas alcanzan los 300 ms, lo que indica que los diferentes codificadores tienen un mayor impacto en la sincronización de audio / video de la señal de visualización final del decodificador.
Análisis de causa
El principio de temporización del sistema MPEG-2
En la actualidad, en el sistema de transmisión de televisión digital de mi país, el estándar MPEG-2 es un estándar importante de compresión de audio y video. Comprime, codifica y multiplexa señales de programa en el extremo fuente y demultiplexa y decodifica señales en el extremo receptor. Ha sido ampliamente utilizado. El sistema de transmisión digital que utilizamos se basa en el estándar MPEG-2. Echemos un vistazo a la estructura del sistema de MPEG-2, como se muestra en la Figura 4.
Puede verse en la Figura 4 que las señales de audio y video forman un flujo básico después de que el codificador de compresión elimina la información redundante. Este flujo de código elemental no se puede almacenar ni transmitir directamente. Debe enviarse a un empaquetador específico. El flujo de código elemental se divide en párrafos de acuerdo con un cierto formato, y se agregan caracteres de identificación específicos para formar el llamado flujo de código elemental empaquetado (PES). Los paquetes PES son paquetes de datos de audio y video con longitudes variables. Luego, los paquetes PES de audio y video y los datos auxiliares se envían al subsistema de transmisión, que se dividen en pequeños paquetes de datos con una longitud fija de 188b y se multiplexan mediante multiplexación por división de tiempo. Se forma un único flujo de TS y el flujo de TS llega al extremo receptor después de la transmisión a través del canal.
Como todos sabemos, la sincronización es una condición necesaria para la visualización correcta del televisor. Para la televisión digital, dado que el búfer se usa para almacenar la señal durante el proceso de compresión y codificación, el eje de tiempo de la señal en el multiplexor cambia, además la cantidad de redundancia de datos es diferente, la relación de compresión también es diferente, por lo que el eje del tiempo Grandes cambios, especialmente en el procesamiento de la capa del grupo de fotogramas, el orden de los fotogramas B y P también ha cambiado. Todo esto hace que la sincronización de las señales de TV digital pierda por completo el concepto de secuencia original. Una forma eficaz de lograr la sincronización es agregar una etiqueta de tiempo al flujo de código de señal cada vez que ha pasado un intervalo específico. Con esta etiqueta, el extremo receptor se puede reordenar de acuerdo con esta etiqueta de tiempo durante el proceso de decodificación antes de la visualización, reconstruir el orden de la imagen antes de la compresión y codificación, y la relación de tiempo entre el sonido y la imagen, logrando así la sincronización de la imagen y el el sonido está sincronizado con la imagen.
También se puede ver en la Figura 4 que hay un único reloj de sistema común STC (27MHz) en el codificador MPEG-2. Este reloj se utiliza para generar una marca de tiempo que indica la decodificación correcta y la sincronización de visualización de audio / video. Al mismo tiempo, se puede utilizar para indicar muestreo El valor instantáneo de la hora del reloj del sistema instantáneo. El reloj está bloqueado en fase por la sincronización de línea del video de entrada. Cuando la entrada es una señal SDI, el reloj del sistema del codificador es generado por el reloj dividido por 10. Es la aparición de un reloj del sistema común en el codificador, así como la regeneración del reloj en el decodificador y la correcta uso de sellos de tiempo, que proporcionan la base para la correcta sincronización de las operaciones en el decodificador. Para realizar la sincronización del reloj del códec, el reloj del sistema STC se cuenta en el codificador y el valor de muestreo del contador se transmite al receptor en el encabezado de adaptación del paquete TS seleccionado cada cierto tiempo de transmisión, como una decodificación. La señal de referencia del reloj del programa del procesador, que es PCR. El bit válido de PCR es 42b, entre los cuales el alto 33b es PCR_Base, que es el valor de conteo en la unidad del reloj de 27MHz y el reloj dividido por 300, y el bajo 9b es PCR_Extension, que es el valor de conteo en el reloj de 27MHz. como la unidad. Además de la PCR, la etiqueta de tiempo de decodificación DTS y la etiqueta de tiempo de visualización PTS también son muy importantes. Son similares a PCR_Base. También se crean con el reloj del sistema de 27 MHz del codificador, dividido por 300 como valor de recuento de unidades. Entre ellos, DTS se usa para indicar al decodificador cuándo decodificar la imagen recibida y el cuadro de audio, y PTS se usa para notificar cuándo mostrar el cuadro de imagen decodificado.
Cuando se utiliza la codificación bidireccional, la decodificación de una determinada imagen debe realizarse dentro de un período de tiempo antes de que se muestre, de modo que pueda utilizarse como la fuente de datos para decodificar la imagen de cuadro B. Por ejemplo, el orden de visualización de las imágenes es IBBP, pero el orden de transmisión de las imágenes es IPBB. El modelo de referencia MPEG cree que la decodificación se produce instantáneamente, es decir, la decodificación y la visualización se realizan al mismo tiempo. Para los fotogramas de audio y los fotogramas de la imagen B, el tiempo de decodificación y el tiempo de visualización son los mismos, y PTS es el mismo que DTS, por lo que solo es necesario transmitir PTS. Para los fotogramas I y los fotogramas P de vídeo, debido al reordenamiento de los fotogramas, el tiempo de decodificación y el tiempo de visualización son diferentes, y PTS y DTS deben transmitirse al mismo tiempo. Cuando el decodificador recibe la secuencia de imágenes IPBB, debe decodificar las imágenes I-frame y P-frame antes de decodificar la primera imagen B-frame. El decodificador solo puede decodificar un cuadro de imagen a la vez, por lo que primero decodifica la imagen I frame y la almacena. Cuando se decodifica la imagen del cuadro P, genera y muestra la imagen del cuadro I decodificada, y luego decodifica y muestra la imagen del cuadro B. Las tablas 1, 2, 3 y 4 muestran la secuencia de las imágenes de entrada y salida del codificador, los valores PTS y DTS de cada cuadro, y la secuencia de decodificación y visualización de cada cuadro de la imagen por el decodificador.
En la Tabla 1, 13 cuadros de imágenes constituyen un grupo de imágenes, el primer cuadro I usa codificación intra-cuadro, el segundo y tercer cuadro B se obtienen mediante predicción bidireccional del primer y cuarto cuadro, y el cuarto cuadro P es pasado por el primer fotograma. Derivado de predicción anticipada. Después de codificar el primer fotograma, el codificador primero almacena en búfer el segundo y tercer fotogramas, codifica el cuarto fotograma y luego codifica el segundo y tercer fotogramas, y así sucesivamente, y la secuencia de salida codificada final se muestra en la tabla 2 mostrada.
Puede verse en la Tabla 3 y la Tabla 4 que cuando el decodificador recibe una determinada unidad de acceso que contiene una imagen de trama I, el paquete de datos del archivo debe contener DTS y PTS, el tiempo entre los valores de estas dos etiquetas El intervalo es uno período de la imagen. Después de que la imagen del cuadro I es el cuadro P, también debe haber un DTS y un PTS en el paquete de datos del archivo, y el intervalo de tiempo entre los valores de las dos etiquetas es de tres períodos de imagen. Luego hay dos tramas B, cuyos paquetes de datos de archivo solo contienen PTS. Es decir, la imagen I frame se reproducirá y mostrará después de un retraso de un frame después de la decodificación. Cuando se muestra el cuadro I, el cuadro P del cuarto cuadro se decodifica, pero no se reproduce ni se muestra. Primero se almacena en caché, y después de reproducir y mostrar el cuadro 1I, decodificar y mostrar cuadros 2B inmediatamente, luego cuadros 3B, luego mostrar los cuadros 4P almacenados en búfer y decodificar y almacenar en búfer los cuadros 7P al mismo tiempo, y así sucesivamente. Puede verse que la secuencia de imágenes decodificadas y mostradas es consistente con la secuencia de entrada de imágenes en la Tabla 1.
Principio de sincronización del decodificador (decodificador)
PTS y DTS son solo valores de 33b. Si no hay ninguna referencia al eje de tiempo representado por PCR, este valor no tiene sentido. Para mantener una decodificación correcta, los relojes del sistema del codificador y decodificador (decodificador) deben mantenerse bloqueados, es decir, sus frecuencias se mantienen iguales y los valores iniciales de sus respectivos contadores son los mismos.
Hay un oscilador controlado por voltaje (VCO) con una frecuencia de aproximadamente 27MHz en el decodificador (decodificador). La señal de salida se envía al contador como reloj del sistema para generar el valor de muestra de STC actual, que es un valor de 42b como PCR. Entre ellos, el 33b alto es el valor de conteo en la unidad de reloj de 27MHz después de la frecuencia rosa 300, y el 9b bajo es el valor de conteo en la unidad de reloj de 27MHz. Cuando llega un nuevo programa al decodificador (decodificador), el decodificador (decodificador) obtiene el valor de PCR del flujo de código, compara su valor de PCR_Extention con los 9b bits inferiores del STC actual y obtiene el error señal, y luego pasa por el circuito de bucle de bloqueo de fase. Ajuste el oscilador controlado por voltaje para que la frecuencia del reloj del sistema del decodificador (decodificador) sea consistente con la frecuencia del reloj del sistema del codificador. Obtenga los valores PTS y DTS de cada trama secuencialmente del flujo de código y compárelos con los 33b bits altos del valor STC actual. Si el valor DTS es mayor que el valor STC, el flujo de código se almacena en búfer y el cambio del valor STC se monitorea al mismo tiempo. Cuando el valor de STC aumenta para igualar el valor de DTS, se decodifica el flujo de código de trama. Cuando el valor STC es igual al valor PTS, reproduce el fotograma. Si debido a la fluctuación de retardo del búfer de la red de transmisión, cuando el flujo de código llega al decodificador (decodificador), su valor de PTS ya es menor que el valor de STC, entonces el decodificador (decodificador) omite esta trama y descarta los datos de la trama. Dado que PTS y DTS se generan en base al valor de PCR, el primer valor de PCR obtenido debe usarse como valor inicial para configurar el contador STC del decodificador (decodificador) para que sus valores sean iguales, de lo contrario, el la base de tiempo será diferente. , Por lo tanto, error de decodificación. El procesamiento de audio y video es similar, pero no hay problema de reordenamiento de tiempos. La Figura 5 muestra el diagrama de principio de funcionamiento del decodificador (decodificador) PCR.
Razones por las que el audio y el video no están sincronizados
En aplicaciones prácticas, algunos codificadores provocan fluctuaciones en su reloj de salida debido a la base de tiempo inestable de la señal de vídeo de entrada, y el intervalo de sincronización de cuadros no es de 40 ms. Para estos codificadores, después de establecer el valor DTS inicial de acuerdo con la PCR y el retardo de almacenamiento en búfer, el valor DTS de cada cuadro se obtiene agregando un valor fijo al DTS anterior (este valor se puede calcular de la siguiente manera: 27MHz se divide por 300 Es 90 kHz y PAL TV es de 25 cuadros por segundo. Por lo tanto, el valor es 90000/25 = 3600), y el valor de PTS se calcula de acuerdo con el tipo de cuadro y el tipo de GOP. Sin embargo, el valor de la PCR no aumentó en 3600 durante este período, lo que provocó que DTS y PTS fueran más grandes o más pequeños en relación con la PCR. Algunos decodificadores (decodificadores) no usan un oscilador controlado por voltaje, y su reloj de sistema es de 27MHz fijo, pero usa el valor de PCR recibido para inicializar el valor del contador de reloj del sistema local. El codificador y el decodificador (decodificador) no pueden mantener un bloqueo estricto, lo que puede hacer que el decodificador (decodificador) pierda fotogramas. Sin embargo, algunos decodificadores (decodificadores) ya no decodifican y muestran estrictamente de acuerdo con DTS y PTS después de la pérdida de cuadros, sino que decodifican de acuerdo con la situación del búfer, debido a que el retraso de la codificación de video y audio es diferente, puede causar audio La pintura no está sincronizada.
Además, en el proceso de transmisión del codificador al decodificador (decodificador), debido a la existencia de enlaces de búfer de retardo variable como multiplexores y moduladores, el retardo de transmisión de los paquetes de PCR puede no ser constante, variando de grandes a pequeña. Si no se corrige la PCR, también pueden ocurrir los problemas anteriores.
para resumir
A partir del análisis anterior, se puede ver que tanto el codificador como el decodificador (decodificador) pueden causar la aparición de asincronización de audio y video. Después de probar los codificadores de varias marcas, nuestra estación eligió un codificador con mejores indicadores de prueba y reemplazó el codificador original, lo que mejoró enormemente el fenómeno de que el audio y la imagen del televisor no están sincronizados. En el siguiente paso de la introducción de decodificadores, las empresas de redes también fortalecerán la prueba de indicadores relevantes para mejorar la calidad de las calificaciones de audiencia. Por supuesto, en el proceso de avanzar en la digitalización de la radio y la televisión de mi país, todavía necesitamos los esfuerzos conjuntos de nuestros trabajadores de televisión y los fabricantes de equipos para finalmente lograr un éxito totalv.
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