MPTS轉多路SPTS的IP輸出實現

王 濤

(綿陽叁吉網絡科技有限公司，四川 綿陽 621000)

數字電視在我國經過十多年的發展，目前已經形成了從衛星到有線再到地面無線的全方位多方面的發展態勢，同時隨著國務院關于推進三網融合試點工作的進一步開展，IPTV，OTT等網絡新媒體也在各地大力發展了起來。在衛星、地面和有線數字電視廣播領域，通常為了節約寶貴的信號帶寬和頻率資源，都會將編碼好的單個數字電視節目復用成多節目傳輸流(MPTS)的形式再傳輸到終端用戶。IPTV和OTT網絡新媒體通常也會采用衛星、地面或有線數字電視網絡中傳輸的這些信號作為直播源。但是，由于IP網絡的帶寬是共享帶寬，而且往往都非常有限，如果將MPTS通過IP傳送到用戶終端將會非常浪費帶寬并且會產生擁塞，同時也不便于IPTV核心設備對節目的管理，不利于實現節目點播和節目的時移、快進快退等功能。因此，就需要一種將復用的多節目傳輸流中的多個節目分別輸出到不同IP端口的設備，本文介紹了實現這種MPTS轉多路SPTS(單節目傳輸流)的IP輸出的方法。

1 MPTS概述

多節目傳輸流(MPTS)由多個節目復用而成，它包含了多套節目的音視頻PES和相應的PSI、SI信息，如節目關聯表(PAT)、節目映射表(PMT)、服務描述表(SDT)、網絡信息表(NIT)等。為了獲得每個節目的音視頻PID、PCR PID等信息，首先需要解析MPTS的PSI、SI信息，在得到每一路節目的PID信息之后，只需要分別進行簡單的PID過濾就可以把每路節目的音視頻傳輸小包分別開來，同時由于原來的PSI、SI信息已經不能直接用于SPTS中，所以也一起被過濾掉。單節目的傳輸流要讓終端能正確解碼至少必須要具備PAT表和PMT表，因此作為最簡系統，必須要實現PAT和PMT的重構。

從MPTS中通過PID過濾和重構PAT/PMT表以后得到SPTS，經過IP輸出，雖然通過VLC播放器等工具完全可以正常播放，但是由于其傳輸包減少等變化，造成原來的PCR字段相對位置發生變化，從而必然引起了PCR的抖動，因此必須對PCR字段進行相應修正。然而，由于單個節目的傳輸流小包在原來MPTS中位置的隨機性和突發性，使得過濾后的SPTS在傳輸速率上變得突發和不均勻，這樣就無法對PCR進行修正。因此，需要采用FIFO和插空包的機制來平滑碼率，使得在勻速傳輸的SPTS上實現PCR修正成為可能。

多個獨立的SPTS傳輸流分別進入幀緩存，同時FEC發生器產生FEC包，它們一道經過通道選擇邏輯被分時送往RTP/UDP/IP封包，然后經過千兆以太網MAC送PHY輸出。整個系統實現的邏輯框圖如圖1所示。

2 PSI解析

圖1 系統框圖

對于完成MPTS到SPTS的功能來說，有兩種方法可以實現。一是采用解復用的方法，把輸入的傳送流解復用為PES流，同時記錄時序信息，然后在保持原來時序關系的基礎上重新組合各路PES流。二是直接利用原傳送流小包結構的方法，由于輸入的傳送流為已經打好的188 byte長的小包，因此考慮直接利用原打好的小包結構，扔掉原傳送流中其他節目的各小包和全部空包及無關包，并修改其中需要修改的PSI信息(主要是重構PAT和PMT表)來保證碼流語法結構的正確。第一種方法在理論上可以實現，但在系統實現上非常繁瑣。在這里采用了第二種方法。

在整個系統的輸入端應該包括一個傳送流包解析功能，根據碼流中的節目特殊信息表和PID值分離復用在一起的視頻、音頻、輔助數據等，但這個過程和傳送流解復用不同。解復用需要把傳送流解碼到PES甚至ES層，解碼器解復用時還必須利用PCR進行時鐘的恢復。在這里稱為解傳送流包，而不稱為解復用，因為只需要把每個節目的音頻視頻及PCR小包保留不動，其他的包過濾掉即可。解傳送流包的過程實際上是一個PSI信息處理器對碼流中PSI信息的處理。首先從輸入節目中獲得PID為0x0000的PAT表，根據PAT表找到PMT表的PID值，然后根據PMT找到節目中音視頻和輔助數據等的PID值，然后根據PID從輸入的傳送流中分離出不同的數據流。同時根據PMT表中的PCR_PID值確定攜帶有PCR的PID號。PSI信息解析以后被丟棄，同時為了對帶有自適應域的傳送流包處理方便，解傳送流包后暫時保留原來的自適應域，而不是完全解成PES流，這樣在重打傳送流包時只要直接引用原來的傳輸流包即可，而不必再考慮PES包的對齊等工作，從而大大加快處理的速度。圖2顯示了如上所述的PSI解析過程［1］。

圖2 TS流的PSI解析

根據圖2所示關系，分別解析出個節目的音頻、視頻和PCR PID等信息，就可以根據標準語法重構PAT和PMT表了。動態生成的節目特殊信息表PAT，PMT等要滿足MPEG-2及DVB標準語法的規范，并且32位的CRC需要動態地在線生成。關于PAT，PMT表的具體語法在ISO13818-1(MPEG-2系統層標準)中有詳細敘述，篇幅有限，本文不再贅述。

本部分的功能由ST公司的嵌入式解碼控制芯片STi7105實現。

3 PCR校正

針對單節目碼流的突發性和間歇性，采用FIFO緩存和插空包的機制來平滑碼率，使得在勻速傳輸的SPTS上實現PCR修正成為可能。由于之前的MPTS中所有空包和無用信息都已經被過濾掉了，所以必須采用碼率上變換的方法把SPTS的輸出勻速碼率調整到比平均碼率稍大一些的速率，具體大小需要根據FIFO緩存的深度和SPTS最大突發碼率的大小來確定，前提是保證FIFO不發生向上溢出，而在FIFO下溢讀空時則填以空包。

由SPTS生成策略可以看出，由于PSI信息的更新必然造成本節目PCR字段到達解碼器時間的變化，因此必須將此時間抖動轉化為PCR值的修正，即

式中:PCRnew為新的PCR，替換原來的PCR值;ΔPCR表示多余節目過濾和PSI信息修改引入的PCR抖動值。這樣經過了校正后的PCR不再有抖動。注意式(1)中的校正通常應該為負數，因為由于空包和PSI及多余包的丟棄將導致PCR的超前，所以本質上應為減，在實際設計中，可能會發生如圖3所示的PCR抖動的極端情況。由于PCR最大的超前是在原兩個PCR之間全為空包時的情況下發生的，所以其PCR的校正應為30 ms×90000=2700 s(假設PCR插入間隔為30 ms)。由于PCR只對相對值有效，故而對每一個PCR加減一個常數不產生任何其他影響，dconst即為該常數。采用PCR修正的優點是處理較為簡單，但是需要消耗的硬件資源較大，并且有一定的誤差，因為PCR修正以后雖然基本上消除了傳送流包變化引起的PCR抖動，但是相對于每一路節目而言，抖動除了在需要插入PSI信息和極少量空包時發生，另外引起PCR的抖動誤差是在單傳送流緩存中，而PCR的修正則正好消除了該誤差［2］。本部分的功能由FPGA實現。

圖3 PCR改變的一種極端情況

4 TS OVER IP輸出

TS OVER IP是一種將數字音視頻傳輸流加以一定的協議封裝后在IP網絡媒介上傳輸的技術。由于視頻傳輸的特性，傳輸過程中丟失個別包被允許，故通常采用面向非連接的UDP協議，在需要FEC前向糾錯的時候也采用RTP協議(Real-time Transport Protocol，實時傳輸協議)來傳輸。RTP協議提供包序列的檢測、排序等UDP協議不能完成的功能。同時，Pro-MPEG Code of Practice#3是設計用來提供FEC糾錯編碼的國際標準，用以保證實時傳輸的可靠性。

在TS OVER IP中，TS流最終被封裝為IP幀，按照以太網協議，默認的最大傳輸單元(MTU)為1500，為了保證含有TS包的IP幀不被分片傳輸，就需要每個IP幀傳輸的TS字節數少于1500，因此每個IP幀傳輸的TS包個數為1～7個TS包(7×204=1428＜1500)。具體封包個數可以根據需要而定，每個IP幀封裝的TS包個數越多，載荷效率就越高，只是萬一丟包后丟失的TS包個數更多。在IP封裝以前按先后順序需要進行FEC包頭(如果需要FEC功能)、RTP包頭及UDP包頭的封裝，具體封裝示意圖見圖4 所示［3］。

圖4 TS OVER IP封裝示意圖

4.1 RTP模塊

RTP是在RFC3550中規定的。RTP協議建立在UDP用戶數據報協議之上，詳細規定了在互聯網上傳遞音頻和視頻的標準數據包格式。如果要對包進行FEC糾錯編碼，就需要用到RTP協議，實現FEC糾錯編碼的原理框圖如圖5所示。

圖5 RTP協議封裝

FEC包是基于矩陣運算產生的。矩陣的大小由參數L和D決定。L是用于產生幀的非連續TS包的長度，D是矩陣深度。通常情況下，含TS包的幀和含行、列FEC包的幀用不同的目的端口區分開來，分別為m，m+1和m+2［4］。

4.2 UDP/IP模塊

UDP協議的傳輸過程不需要來回確認，當它和RTP協議一起使用時特別適合傳輸高帶寬的音視頻數據。

UDP/IP模塊對RTP模塊封裝后的數據包加上相應的UDP頭部和IP頭部，并送往MAC模塊，原理框圖如圖6所示。同時，該模塊還要對接收到的幀進行解析，以響應ARP協議等，用以獲取目的IP的MAC地址。

圖6 UDP/IP模塊

4.3 以太網MAC

MAC層實現IP層和PHY層的互連，本例使用FPGA器件廠家提供的IP核，在此不再贅述。本部分的TS OVER IP功能全部由FPGA實現。

5 結束語

本文所述技術過程全部在Xilinx公司的FPGA芯片XC6SLX16-2FTG256C上實現，結合ST公司的嵌入式解碼控制芯片STi7105實現了6路IP輸出的接收解碼器。該產品已經成功應用于湖北省網絡電視臺，并被以色列、泰國等地IPTV集成商選用。

［1］鐘玉琢.MPEG-2運動圖像壓縮編碼國際標準及MPEG的新進展［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［2］金盛.數字電視系統層傳送流復用及相關問題研究［D］.上海:上海交通大學，2002.

［3］Xilinx.UG463:Video Over IP User Guide［EB/OL］.［2012-05-10］.http://wenku.baidu.com/view/f3a1564d2b160b4e767fcffa.html.

［4］Pro-MPEG Code of Practice#3 release 2，Transmission of professional MPEG-2 transport streams over IP networks［S］.2004.