數字電視TS碼流協議簡要分析

唐文昊 廖斌蘭 唐霓云 莫東海

一、IP封裝的TS碼流

TS碼流經過IP打包后能被網絡設備轉發和交換，通過光纖、衛星、微波等方式接入各個臺站。信源交換機的監控口靜態綁定了碼流的組播地址，使監控口始終轉發碼流。通過抓包可以觀察到標準網絡幀結構。每個幀長為1358字節，包括MAC頭（14字節）、IP頭（20字節）、UDP頭（8字節）和7個碼流包（每個188字節）共1358字節。一個幀最多封裝七個碼流包，否則會超過以太幀的最大長度上限1518字節而無法傳輸。

如圖1所示，抓包工具Wireshark中顯示的幀結構，有七個以ISO/IEC開頭的行，每行標識一個標準碼流包。PID和CC是碼流包頭部中的兩個重要參數：包ID和連續計數。

圖1 衛星接收機發出的被封裝的TS碼流

二、TS碼流包及其頭部

TS碼流傳輸使用了IP組播技術，組播地址為IP報文的目的地址，一份碼流能同時被轉發到多個設備（如IP復用器、碼流記錄儀、分析儀、自臺監控服務器等），只需給接收設備添加組播地址加入組播組即可。分析時根據邏輯連接進行過濾，把光纖信源中央八套節目碼流（12.171.30.93:2560->239.171.30.5:4000）分離出來，再將各底層頭部剝除，留下應用層的碼流包。碼流包長度為188字節，包含4字節頭部和184字節載荷。載荷既可以是音視頻編碼數據，也可以是控制信息表PSISI。圖2為光纖信源中央八套節目TS碼流中的“空”碼流包。

圖2 光纖信源中央八套節目TS碼流中的“空”碼流包

TS碼流包中的數據是大尾（big-endian）字節序，數據的低位保存在內存的高地址，與Windows系統相反。“空”碼流包的載荷部分全部是0xff，只有頭部有數據。4字節的頭部包含了8個參數，分別是同步字節、傳輸誤碼指示符、有效荷載單元起始指示符、傳輸優先級、PID、傳輸加擾控制、自適應控制和連續計數器。第一個字節是固定的0x47，‘G’的ASCII碼，標識碼流包起始位置，錯誤或丟失將產生290一級錯誤中的同步字節錯誤或同步丟失錯誤。PID（Packet ID）用中間的13個比特表示，標識此碼流包的類型，即數據載荷解析的方式，標識此包是音、視頻還是信息表。PID為0x1ffff時為“空”包，載荷不需要解析。連續計數用末尾的4個比特標識，同類型的下一個包的計數值會遞增，計數值累計到0xf之后再回到0。組播的傳輸層是UDP協議，沒有保證可靠交付，網絡不良時會使連續計數亂序、丟失，從而產生一級錯誤中的連續計數錯誤。

三、PSI（節目專用信息）

TS碼流中還存在其他控制信息PSI和SI（業務信息）。PSI定義了4種表（有資料說5種），SI定義了9種表。PSI的作用是從碼流中定位節目的音視頻流，是必備的。SI根據業務功能不同是可選的。PSI中用于定位節目音視頻流的表有兩種：PAT（節目關聯表）和PMT（節目映射表）。定位過程如下。

1.PAT的PID固定為0，可從碼流中直接找出PAT，一個碼流只有一個PAT流；

2.PAT中包含一或多個PMT的PID，可根據PAT找出碼流中所有的PMT，碼流中有多少個節目就有多少個PMT流；

3.PMT中包含節目的音、視頻流的PID，可根據PMT找出碼流中的音視頻流并提取出PES（打包的基本流）；

4.由PES解包出ES（基本流）再送入解碼器解碼。

在光纖信源中央八套節目碼流中，每秒傳輸5個PAT包。其數據載荷是一樣的，只有頭部的連續計數在遞增。光纖信源中央八套節目TS碼流PAT包的頭部如圖3所示。包頭以0x47開頭，PID為0，數據載荷作為PAT解析。第三項Payload Unit Start Indicator:1，說明這是PAT的第一個碼流包，如果表很大，會被分到多個碼流包中。

圖3 光纖信源中央八套節目TS碼流PAT包的頭部

如圖4，PSI的第一個碼流包中，頭部之后的一字節（第5個字節）表示指針域（也叫適配域長度），指出到PAT還有多少字節。這里為0，所以PAT從第6個字節開始，再根據PAT第四項表示的長度45字節（從此項之后開始算），PAT到第54個字節結束，只占用一個碼流包，之后用0xff填充。

圖4 光纖信源中央八套節目TS碼流PAT包

PAT前8字節的結構固定，第4、5字節表示碼流ID，占16bit，理論上一個連接可以傳輸65535個碼流。從第9字節開始，是包含九個元素的數組，每個元素4字節，共36字節。每個元素包含2字節的節目號和2字節的PMT的PID，PID用低13位標識，但第一個元素是例外，它的節目號為0，PID是NIT（網絡信息表）的PID（固定的0x10）。之后的八個元素對應了中央八套節目。以第二個元素為例，節目號為0x12d，它的PMT的PID是0x101，如圖5所示。

圖5 節目號0x12d的PMT包

每秒鐘有3、4個同節目的PMT包傳輸。PMT表從第6個字節開始，前12個字節的結構固定。第11、12字節的低12位表示節目的描述信息長度，這里為5，此后緊跟5字節的描述信息。信息類型由第1字節的tag決定，這里是最大傳輸比特率。描述信息之后緊接著多個流信息，流信息前5個字節的結構是固定的。此PMT中總共包含兩個流信息，第1字節表示流的類型，值分別為0x42和0x6，表示AVS視頻和AC3音頻。第2、3字節的低13位表示流的PID，值分別為0x200和0x28a。第4、5字節的低12位表示流描述信息總長度。因為描述信息本身含有長度，所以可以判斷出每個描述信息的位置。第一個流信息包含2個描述信息，第二個流信息則包含4個描述信息。描述信息包括流ID、最大比特率、注冊信息、網絡層信息等。至此，節目的AVS視頻流PID=0x200、AC3音頻流PID=0x28a已找出。

四、時鐘與節目名稱

PCR是節目參考時鐘，由編碼器生成，供解碼器解碼時進行同步。PMT開頭第9、10字節低13位標識PCR存在的PID，在圖5中是0x200。也就是說，這里的PCR只穿插在視頻流中，音頻流中沒有（PCR可以插入音頻流，也可以使用自己獨立的PID）。帶有PCR的視頻流包每秒有5個。PCR存在于視頻流中的適配域，頭部之后的第5字節指針域（適配域長度）在PAT、PMT中為0，而帶有PCR的視頻流包中是7。7字節中的第1字節是8個標志位，PCR標志置1。后6字節是參考時鐘，參考時鐘會有規律地遞增。實際上PCR只用了42位，包括33位基礎位和9位擴展位。擴展位是基礎位的低位，表達更精細的數值，最大值是300而不是512，超過300歸零并給基礎位加1。除了PCR，PES層中還有兩個同步信息DTS和PTS，同步機制比較復雜，這里不詳細展開。

SDT（服務描述表）中包含了節目的類型、名稱等信息，它的PID是固定的0x11。SDT表起始的11個字節的頭部也是固定的。在中央八套節目TS碼流的SDT中，頭部之后跟著的是8個服務（節目）描述信息。第一個描述信息描述了節目號為0x12d的節目。在描述信息的服務名字段中，可以看到節目名稱為CCTV-1。

五、總結

ISO13818-1碼流標準已經使用了十幾年，它詳細地定義了音視頻流及其控制信息，是一套非常成熟的傳輸標準。標準中定義的TS流不但能單獨傳輸，也容易被TCP/IP等網絡承載。碼流的使用者只要了解重要的部分，借助碼流分析儀或碼流分析軟件，就能迅速地判斷碼流信號質量的高低，分析碼流質量變差的原因，找到問題根源，對碼流進行恢復。