数字电视音视频同步问题解析

数字电视音视频同步问解析 源于2002年 记录广电数字化 关键词:音画不同步 MPEG-2 PCR DTS PTS 编码器 解码器 随着我国数字电视的迅猛发展，以及城市广电网络数字化改造的推进，越来越多的人们开始 采用机顶盒来收看数字电视节目。但在通过机顶盒收看电视节目的过程中，观众有时会发现 一些音画不同步的现象。这也引起了我们的注意。 现象及测试 贵阳市在2007年底基本完成了广电网络数字化改造，贵州电视台的节目也都进入了数字网 络传输。在进入数字网以后，我们发现，我台的几套节目在有些地区出现了音画不同步的现 象，特别是卫视频道和百姓频道在播报新闻时尤其明显。为了弄清楚问题出现在哪里，我们 决定，在我台节目的整个传输路径，作一个唇音同步测试。用来做测试的设备是泰克公司的 WFM7120，在做音/视频延时测量时，还需要通过TG700 DVG7产生一串短促的彩条视频 信号，在这组视频信号中嵌入音频序列，其间隔为5s，将这样的信号送入被测系统，最后 将信号送到WFM7120里以测量音、视频之间的定时差。 播控中心 www.dvbcn.com 让运营者和师在交流中发展数字电视 源于2002年 记录广电数字化 处理后，送到WFM7120进行测量。测量结果显示，这几种机顶盒的音/视频时延差现不 一，有的超前了150ms，有的滞后了300ms。这表明不同的机顶盒，对同样的数字电视信 号进行解调、解码后保持音/视频信号之间的同步关系有不同的能力。 不同编码器的测试 如图3所示，我们仍然用TG700信号发生器，对不同编码器进行测试，擦启用编码器、调 制器和机顶盒构建了一个模拟的播出/收看环境。在这里，我们采用了不同品牌的几种编码 器，对TG700的测试信号进行编码后，经过相同的调制器调制，再用同一个机顶盒把信号 解出来，同样经过D950处理后送到WFM7120测量。最后测量的结果是，它们的音/视频 时延差有的是30ms，有的则达到了300ms，表明了不同的编码器，对机顶盒最终收看信号 的音/视频同步有较大影响。 原因分析 MPEG-2系统的定时原理 目前，在我国的数字电视传输系统中， MPEG-2作为重要的音视频压缩标准，在对信 号源端的节目信号压缩、编码、复用，以及接收端对信号的解复用和解码部分，得到了广泛 的应用。而我们正在使用的数字传输系统，正是基于MPEG-2标准的系统。下面我们来看 看MPEG-2的系统结构，如图4中所示。 由图4中可看出，音视频信号在经过压缩编码器去掉冗余信息后，形成基本码流。这个基 本码流并不能被直接存储或传送，还必须送入特定的打包器，把基本码流按一定的分成 段落，并加入特定的标识字符，形成所谓的打包基本码流(PES)。PES包是长度不固定的音、 视频数据包，再把音视频PES包，以及辅助数据送入传输子系统，分割成一个又一个长度 固定为188b的小数据包，并通过时分多工复用形成单一的TS流，该TS流经过信道传输 后到达接收端。 众所周知，同步是实现电视正确显示的必要条件。对数字电视来说，由于在压缩编码过程中， 利用缓存器对信号存储，复用器中信号的时间轴是变动的，加上数据冗余量大小的不同，压 缩比也不同，因此时间轴变动很大，尤其是在帧组层处理中，B帧和P帧的顺序也发生了 变化。所有这些，使得数字电视信号的同步，完全失去了原来序列的概念。实现同步的有效 办法，就是在信号码流中，每经过一个规定的间隔加入一个时间标签。有了这个标签，就可 以在接收端在显示之前的解码过程中，根据这个时间标签进行重新排序，重建在压缩编码之 前图像的顺序，以及声音和图像之间的时间关系，从而实现图像同步及声音与图像同步。 DVBCN数字电视中文网 www.dvbcn.com 让运营者和工程师在交流中发展数字电视 源于2002年 记录广电数字化 由图4还可看出，MPEG-2编码器中有单一的共同系统时钟STC (27MHz)，此时钟用来产 生指示音频/视频正确解码和显示时序的时间标签，同时，可用来指示在抽样瞬间系统时钟 时间的瞬时值。该时钟由输入视频的行同步锁相，当输入是SDI信号时，由其时钟经10分 频产生编码器的系统时钟。正是编码器中共同系统时钟的出现，以及解码器中时钟的重新生 成和时间标签的正确使用，才为解码器中操作的正确同步提供了基准。为实现编解码器的时 钟同步，在编码器中对STC系统时钟进行计数，每隔一定的传输时间，在经过选择的TS 包的适应头中，传输该计数器的抽样值给接收机，作为解码器的节目时钟参考信号，既PCR。 PCR有效位为42b，其中高33b为PCR_Base，是以27MHz时钟，经300分频后的时钟 为单位的计数值，低9b为PCR_Extension，是以27MHz时钟为单位的计数值。除PCR 外，解码时间标签DTS和显示时间标签PTS，也非常重要。它们与PCR_Base相似，也 是以编码器27MHz的系统时钟，经300分频后为单位的计数值来创建的。其中，DTS用 于指示解码器何时对接收的图像、音频帧进行解码，PTS用于通知何时显示已解码的图像 帧。 DVBCN数字电视中文网 www.dvbcn.com 让运营者和工程师在交流中发展数字电视 源于2002年 记录广电数字化 在使用双向编码时，对某一图像的解码，必须在其显示之前的一段时间 www.dvbcn.com 让运营者和工程师在交流中发展数字电视 源于2002年 记录广电数字化 PTS和DTS只是一个33b的数值，如果没有PCR所代表的时间轴做参考，这个数值是没 时钟保 有意义的。为了保持正确解码，必须使编码器和解码器(机顶盒)的系统持锁定，即它 们的频率保持一致，以及它们各自的计数器的初始值一致。 解码器(机顶盒)中有一个频率为27MHz左右的压控振荡器(VCO)，输出信号作为系统时钟 送入计数器中产生当前的STC样值，它与PCR一样也是42b的一个数值。其中，高33b 是以27MHz经过300粉频后的时钟为单位的计数值，低9b是以27MHz时钟为单位的计 数值。当一个新节目到达解码器(机顶盒)时，解码器(机顶盒)从码流中获得PCR值，用其 PCR_Extention值与当前STC的低9b位作比较，得到误差信号，再通过锁相环电路去调 )的系统时钟频率，与编码器的系统时钟频率 整压控振荡器，使解码器(机顶盒 保持一致。从 码流中依次获得各帧的PTS与DTS值，将其和当前STC值的高33b位作比较。如果DTS 值大于STC值，则对码流进行缓存，同时监测STC值的变化，当STC值增大到与DTS值 相等时，对该帧码流进行解码，当STC值与PTS值相等时，播放该帧。如果由于传输网络 的缓冲延时抖动，当码流到达解码器(机顶盒)时，其PTS值已经小于STC值，则解码器(机 顶盒)跳过这一帧，丢弃该帧数据。由于PTS和DTS是根据PCR值产生的，因此必须将获 得的第一个PCR值，作为初始值去置位解码器(机顶盒)的STC计数器，使它们的值一样， 否则，将导致时基不同，从而解码出错。音频与视频的处理相似，只是不存在时序重排的问 题。图5所示是解码器(机顶盒)PCR工作原理图。 音画不同步产生原因 在实际应用中，有些编码器由于输入视频信号的时基不稳，导致其输出时钟发生抖动，帧同 步的间隔不是40ms。这些编码器，在根据PCR和缓冲延时设定初始的DTS值后，每帧的 DTS值，由上一个DTS加上一个固定值得到(该值可由如下计算而得:27MHz经300分频 后为90kHz，PAL制电视每秒为25帧，由此，该值是90000/25=3600)，并根据帧类型和 GOP类型计算出PTS值。但这段时间PCR值并不是增加3600，导致DTS和 PTS相对 PCR变大或变小。有些解码器(机顶盒)没有采用压控震荡器，其系统时钟为固定的27MHz， 只是用接收到的PCR值，初始化本地系统时钟计数器的值。编码器和解码器(机顶盒)之间 不能保持严格的锁定，这样就可能导致解码器(机顶盒)丢帧。而有的解码器(机顶盒)在发生 DVBCN数字电视中文网 www.dvbcn.com 让运营者和工程师在交流中发展数字电视 源于2002年 记录广电数字化 丢帧的情况后就不再严格按DTS和PTS解码显示，而是根据缓冲区的情况来解码，由于视 音频编码的延时不一样，就可能导致音画不同步。 此外，在从编码器到解码器(机顶盒)的传输过程中，由于存在着复用器、调制器等变延时缓 存的环节，可能导致PCR包的传输延时不恒定，有大有小。如果不对PCR进行修正，也 可能导致以上问题的发生。 总结 由以上分析可以看出，编码器和解码器(机顶盒)都有可能导致音画不同步的发生。我台在对 各品牌的编码器进行测试后，选择了一家测试指标比较好的编码器，替换下原来的编码器， 使得电视音画不同步的现象得到了较大改善。而网络公司在下一步引进机顶盒的工作中，也 将加强对相关指标进行测试，以改善广大观众的收视质量。当然，在推进我国广播电视数字 化的进程中，还需要我们广大电视工作者，以及各设备生产厂家的共同努力，才能最终取得 圆满成功。 DVBCN数字电视中文网 www.dvbcn.com 让运营者和工程师在交流中 发展数字电视