基于TSoIP技術的廣播電視機房傳輸應用模式探析

張迎春

（仙居縣傳媒中心，浙江 臺州 317300）

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，大數據技術和超高清視頻內容逐步被大眾所追捧。傳統廣播網絡的傳播機制受限于頻點資源，不足以滿足市場大眾化需求。改造廣播電視網絡傳輸技術勢在必行[1]。TS流是基于MPEG-2壓縮編碼的數據傳輸流，用于傳輸廣播電視音視頻素材或用戶信息。網際互連協議（Internet Protocol，IP）是為計算機網絡連接設計的相關協議。TSoIP就是在遵循IP協議的基礎上，將TS流進行網絡傳輸。TSoIP的主要功能是實現數字電視與廣播電視業務模式轉換，使廣播電視數字電視節目通過IP網絡形式進行傳輸。廣播電視IP化傳輸具有結構簡單、拓展靈活、傳輸速度快且射頻距離遠等優勢。將TS數據流轉化為IP流進行傳輸，對于突破現有廣播電視行業發展具有積極作用。本文基于TSoIP技術的廣播電視機房應用模式，對廣播電視從TS數據流轉為IP流的傳輸的運行方式進行了分析，采用MPEG-2編碼器對傳輸內容進行壓縮，借助靜態碼率平滑算法（SRS）對TS流的碼率值進行計算，并利用計數差方式對TS流中的PCR基準值進行了校正，實現了將TS數據流封裝打包為IP數據流的傳輸方式，提高了廣播電視服務品質。

1 廣播電視音視頻壓縮

一般情況下，當播放視頻內容的圖像分辨率達到720×576的標準清晰度時，該視頻節目的有效原始碼率為166 Mb·s-1，即視頻編碼產生的數據容量值為20 MB·s-1，72 GB·h-1[2]。因此，采用MPEG-2壓縮編碼數據傳輸至關重要。TS流是一種基于MPEG-2壓縮編碼的數據傳輸流，在傳輸廣播數字電視音視頻節目或用戶信息中起著重要作用。基于MPEG-2壓縮編碼的數據傳輸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，待傳輸的音視頻數據流，經音視頻編碼器對其進行編碼后，輸出被打包壓縮的基本碼流PES，經處理后的數據流含解碼器所必備的原始視音頻恢復信息?；敬a流通過數據傳輸且被分解打包，形成了PES數據包，經PS/TS復用器工作后，分別成為節目碼流（PS）或傳輸碼流（TS）。

MPEG-2編碼壓縮利用音視頻傳輸圖像的統計特性，根據傳輸音視頻的時間或空間冗余對音視頻進行動態調整壓縮。該技術通過對碼率進行分配，去除掉音視頻圖像中所存有的冗余信息[3]。MPEG-2的編碼應用幀內對其進行編碼，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幀，不存在運動補償；P幀采用圖像前向時間預測，即在音視頻相應宏塊像素中，通過幀內編碼或正向預測獲得數據；B幀作為雙向時間預測，其圖像既與過去出現的圖像幀相關，同時也能預測未來即將出現的圖像幀[4]。解碼器在對碼流進行處理期間，需要對各幀節點進行重排，用以恢復音視頻中的原始圖像。若需去除音視頻圖像中的時間冗余，則需要采用運動估計技術將音視頻中的當前宏塊同其他前后方向參考幀像素作出匹配，獲得最佳運動矢量，通過運動矢量將過去幀進行位移疊加，可求取相應的誤差值，獲取具體幀節點。TSoIP技術將廣播電視數字視音頻素材做壓縮處理后，即可同步TS碼率波動，使數字電視節目以適合寬帶IP網絡的形式輸出。

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，導致廣播時出現失幀、跳幀的現象。為解決這一問題，在TSoIP技術的運用中，需平滑TS數據流量包，可通過靜態碼率平滑算法（SRS）的緩沖機制進一步實現。該方法可同步應用于測試TS流碼率波動。

采用靜態碼率平滑法（SRS），需在數據流中提前配置足量緩沖區，并在相應緩沖區域中設置好閾值。假設TS數據流的緩沖區域大小為N，則該緩沖區域中可以存儲N個TS包。設定該緩沖區的相對閾值為X，且緩沖區域處于半滿狀態，則該區域的數值為X=N/2。TS流在分發模塊期間，將TS包存儲至該緩沖區域，且對該區域中的TS包數量進行監控。設定緩沖區域監控速率為A，監控到的包數為B。監控包數B決定是否對TS流量進行IP封裝打包。若B>X，則將TS數據流交給IP進行封裝打包；若緩沖區域中TS流量包同監控包B剛好達到閾值X，則依照SRS靜態碼平滑算法，將TS數據包發送至下一個緩沖監控區中。采用SRS靜態碼率平滑算法，只需預先緩存X個TS數據包，就可以在下個監控周期內封存并打包相應IP數據，監控測試如圖3所示。

圖3 SRS對輸入碼流的平滑

由圖3可知，采用SRS靜態碼率平滑算法，可將不規律的碼流變得規律平滑，監控輸出所得的碼流變動速率接近數據輸入平均碼率。通過對當前緩沖區域中的數據占有率閾值位置關系進行分析，可有效判定該區域的數據是否需要進行緩沖處理，以此實現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系統對廣播電視音頻進行壓縮，為預防MPEG-2中存在不恒定延時狀況，PCR校正算法基于計數值差進行運算，根據碼率記錄時間或延遲信息，對PCR包中的具體閾值進行校正，以此得出新的PCR基準值，確定TS包的位置，解決傳輸過程中的延時問題。校正算法如式（1）所示。

式中：?PCR代表PCR在運行中的實際延遲，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的初始值進行校正，因而只會對PCR的校正項產生一定影響。由于其所引入的偏差值較低，對于解碼器時鐘恢復而言，不會產生明顯影響。此外，該校正方式應用計數值之差的計算方法，波率偏差不存在累計時長等問題。即便出現一定偏差，對于解碼端的緩沖也基本不造成影響。為實現IP入口兼容，還需要PID信息區分若干TS流，如圖4所示。

圖4 TS流中TS包的位置關系

圖4為采用計數差對PCR進行校正后的TS流。由于傳輸TS流的最終目標是實現IP數據流的轉化傳輸，因而，需對若干間隔TS流進行數據保存，采用RAM可實現存儲需求。

假 設TSt-1與TSt之 間 的 包 間 隔 為?Tt，t代表TS數據流中的第t個數據流量包。為了便于對PCR包進行表述，采用PCRj示意TS數據流中第j個PCR包。

當TSt包進入PCR校正模塊后，將當前包間隔計數器的值?Tt進行保存，且提取出相應數據流初始信息，如PID初始數據，將其設定為PCRflag，并根據PCRflag判定該TSt數據包是否屬于PCR包。如果確定是PCR包，則提取相應信息，將其記為PCRj。

根據PID初始數據信息，搜索RAM中的對應數據流量。通過流量通道ch(k)，讀取對應通道中的PCR值，將其記為PCRt-1。若TSt包是普遍應用的TS數據流包，則將?Tt疊加到PCRt-1之上，重新寫入RAM對應的PCR字節中；若TSt包是對應的PCR包，則將相應的PCRt-1與?Tt插入至TSt包的PCR字節中，將RAM中現有的PCRt-1轉換成PCRj。經上述方式對PCR作出校正后，即可完成相應步驟。PCR校正算法如式（2）所示。

式中：m代表PCRj-1后一個TS包，n代表現有的PCRj包，即目前的TS數據流包屬于PCR包，PCRj′則代表PCRj經校正后的值代表第j個PCR包同第j-1個PCR包之間形成的TS數據流的總間隔。

由于采用PCR的差值，可以反映出TS數據流的關系。因而，通過上述公式推算，改進后的PCR校正差值如式（3）所示。

當TS數據流在緩沖區域取得具體閾值，則可滿足RAM存儲需求，解決傳輸過程中的延時問題。當TS碼率波動得到同步，TS數據在以太網上傳輸，匯入IP流后實現整體傳輸過程。

3 實現IP流傳輸

基于TSoIP技術的廣播電視機房傳輸將同步波動后的TS數據遵循一定的IP協議，實現IP流傳輸，實現了數字化的傳播運行。IP廣播技術將有線電視網絡光纖IP化，既保留了有線電視網絡廣播特性，又滿足了終端用戶交互業務和寬帶互聯網業務的需求，實現了超大帶寬雙向接入全業務融合的創新[5]。采用保留獨立通道的IP廣播技術方案，幾乎沒有額外損耗，在IP調度分發制播系統中，經濟高效、無差錯傳輸TS數據流是實現廣播電視數據傳輸的最終目標。經MPEG-2編碼壓縮后，在編碼器內部進行運算，對TS流進行處理做IP封裝，此時編碼器IP端口輸出廣播電視信息碼流。當IP碼流輸出至相應地區交換機中，經交換機工作處理后，由另一個端口對信息進行輸出。信息流通過網絡透傳板持續傳輸，將處理后的IP數據映射至相應的SDI信號中。通過SDI傳輸，將IP碼流傳輸至中心傳輸設備，所有IP碼流匯聚至千兆網處理板，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化傳輸應用的普及，基于IP技術的傳輸方式使得整個廣播電視傳輸架構變得更加高效，從而節省了帶寬傳輸資源。

4 結 語

采用TSoIP技術可有效降低廣播電視機房設備成本，應用MPEG-2編碼壓縮，有效提升了音視頻素材的傳播效率。通過對數據信息TS流計算處理，將TS數據流打包至IP流進行封裝傳輸，有效提升了廣播電視傳輸實際業務速率。該技術的應用具有一定的便利性和通用性，通過配置普通交換機，IP接口的輸出流就可以在物理上實現交換共用，節省了電纜接口的使用量，提高了機房空間的利用率，為電視廣播產業的發展提速帶來了新的機遇。