Palavras-chave: Decodificador Assíncrono de Áudio e Vídeo MPEG-2 PCR DTS PTS
Com o rápido desenvolvimento da televisão digital em meu país e o avanço da transformação digital das redes urbanas de rádio e televisão, cada vez mais pessoas começaram a usar decodificadores para assistir a programas de televisão digital. Mas, no processo de assistir a programas de TV por meio de um decodificador, os espectadores às vezes descobrem que parte do áudio e do vídeo estão fora de sincronia. Isso também chamou nossa atenção.
Fenômeno e teste
A cidade de Guiyang basicamente concluiu a transformação digital de sua rede de rádio e televisão no final de 2007, e os programas da Estação de TV de Guizhou também entraram na transmissão digital. Depois de entrar na rede digital, constatamos que vários programas da nossa emissora apresentavam o fenômeno da não sincronização de áudio e vídeo em algumas áreas, principalmente quando a notícia era veiculada no canal de vídeo satélite e no canal de pessoas. Para descobrir onde está o problema, decidimos realizar um teste de sincronização labial em todo o caminho de transmissão do nosso programa. O equipamento usado para o teste é o Tektronix WFM7120. Ao fazer a medição de atraso de áudio / vídeo, também é necessário gerar uma série de sinais de vídeo de barra de cores curtas através do TG700 DVG7, e a sequência de áudio é incorporada neste grupo de sinais de vídeo com um intervalo de 5s, envie esse sinal para o sistema em teste e, por fim, envie o sinal ao WFM7120 para medir a diferença de tempo entre o áudio e o vídeo.
Teste interno do centro de controle de transmissão
Conforme mostrado na Figura 1, a fim de medir se há diferença de atraso de áudio / vídeo no sistema da estação de TV, usamos o tempo de inspeção para gravar o sinal de teste gerado pelo TG700 no disco rígido de transmissão, reproduzi-lo através do disco rígido, e insira o sinal de teste no retardador. Após o módulo de sincronização de quadros, ele é transmitido em um canal e, então, medimos esses três sinais antes que o departamento de transmissão transmita o sinal para o codificador da empresa de rede. Os resultados da medição mostram que a diferença de atraso de áudio / vídeo desses três sinais não ultrapassa 12ms, ou seja, um campo não é suficiente, indicando que o sinal não apresenta problema de sincronização de áudio e vídeo na central de controle de transmissão.
Teste de diferentes decodificadores
Para o segundo ponto de medição, escolhemos a sala de informática front-end da empresa de rede. Conforme mostrado na Figura 2, aqui selecionamos as principais marcas de decodificadores usados atualmente na China para teste. Depois de codificar o sinal de teste TG700 por meio do codificador original que estamos usando, insira-o no canal que estamos transmitindo no momento. Em seguida, use um decodificador na sala do computador front-end para demodular o sinal de TV. O sinal decodificado de áudio / vídeo é então enviado ao WFM7120 para medição após A / D e incorporação do sinal analógico por meio de um gravador de vídeo Panasonic D950. Os resultados da medição mostram que a diferença de atraso de áudio / vídeo desses tipos de decodificadores é diferente, alguns estão à frente de 150 ms e alguns estão atrasados em 300 ms. Isso mostra que diferentes decodificadores têm diferentes recursos para manter a relação de sincronização entre os sinais de áudio / vídeo após demodular e decodificar o mesmo sinal de TV digital.
Teste de diferentes codificadores
Conforme mostrado na Figura 3, ainda usamos o gerador de sinal TG700 para testar diferentes codificadores e habilitar o codificador, o modulador e o decodificador para construir um ambiente de transmissão / visualização simulado. Aqui, usamos vários codificadores de marcas diferentes. Após codificar o sinal de teste do TG700, ele é modulado pelo mesmo modulador e, em seguida, o sinal é decodificado pelo mesmo decodificador. Também é processado pelo D950 e enviado ao WFM7120 para medição. O resultado final da medição é que algumas de suas diferenças de atraso de áudio / vídeo são 30 ms e algumas chegam a 300 ms, indicando que diferentes codificadores têm um impacto maior na sincronização de áudio / vídeo do sinal de visualização final do decodificador.
Análise de causa
O princípio de temporização do sistema MPEG-2
Atualmente, no sistema de transmissão de TV digital do meu país, o padrão MPEG-2 é um importante padrão de compressão de áudio e vídeo. Ele comprime, codifica e multiplexa sinais de programa na extremidade de origem e desmultiplexa e decodifica sinais na extremidade de recepção. Tem sido amplamente utilizado. O sistema de transmissão digital que estamos usando é baseado no padrão MPEG-2. Vamos dar uma olhada na estrutura do sistema do MPEG-2, conforme mostrado na Figura 4.
Pode-se ver na Figura 4 que os sinais de áudio e vídeo formam um fluxo básico depois que as informações redundantes são removidas pelo codificador de compressão. Este fluxo de código elementar não pode ser armazenado ou transmitido diretamente. Deve ser enviado a um empacotador específico. O fluxo de código elementar é dividido em parágrafos de acordo com um determinado formato, e caracteres de identificação específicos são adicionados para formar o chamado fluxo de código elementar empacotado (PES). Os pacotes PES são pacotes de dados de áudio e vídeo com comprimentos variáveis. Em seguida, os pacotes PES de áudio e vídeo e os dados auxiliares são enviados para o subsistema de transmissão, que são divididos em pequenos pacotes de dados com um comprimento fixo de 188b e multiplexados por multiplexação por divisão de tempo. Um único fluxo de TS é formado e o fluxo de TS atinge a extremidade receptora após a transmissão através do canal.
Como todos sabemos, a sincronização é uma condição necessária para a exibição correta da TV. Para TV digital, uma vez que o buffer é usado para armazenar o sinal durante o processo de compressão e codificação, o eixo do tempo do sinal no multiplexador é alterado, mais a quantidade de redundância de dados é diferente, a taxa de compressão também é diferente, então o eixo do tempo Grandes mudanças, especialmente no processamento da camada de grupo de quadros, a ordem dos quadros B e P também mudou. Tudo isso faz com que a sincronização dos sinais de TV digital perca completamente o conceito de sequência original. Uma maneira eficaz de obter a sincronização é adicionar um rótulo de tempo ao fluxo de código do sinal sempre que um intervalo especificado tiver passado. Com esta etiqueta, a extremidade receptora pode ser reordenada de acordo com esta etiqueta de tempo durante o processo de decodificação antes da exibição, reconstruir a ordem da imagem antes da compressão e codificação, e a relação de tempo entre som e imagem, alcançando assim a sincronização de imagem e o som é sincronizado com a imagem.
Também pode ser visto na Figura 4 que há um único relógio de sistema comum STC (27 MHz) no codificador MPEG-2. Este relógio é usado para gerar um carimbo de hora que indica a decodificação correta e o tempo de exibição de áudio / vídeo. Ao mesmo tempo, pode ser usado para indicar a amostragem O valor instantâneo da hora do relógio do sistema instantâneo. O relógio é bloqueado por fase pela sincronização de linha do vídeo de entrada. Quando a entrada é um sinal SDI, o relógio do sistema do codificador é gerado pelo relógio dividido por 10. É o surgimento de um relógio do sistema comum no codificador, bem como a regeneração do relógio no decodificador e o correto uso de carimbos de data / hora, que fornecem a base para a sincronização correta das operações no decodificador. A fim de realizar a sincronização do relógio do codec, o relógio do sistema STC é contado no codificador e o valor de amostragem do contador é transmitido ao receptor no cabeçalho de adaptação do pacote TS selecionado a cada certo tempo de transmissão, como uma decodificação O sinal de referência do relógio do programa do processador, que é PCR. O bit válido de PCR é 42b, entre os quais o 33b alto é PCR_Base, que é o valor de contagem na unidade do clock de 27 MHz e o clock dividido por 300, e o 9b baixo é PCR_Extension, que é o valor de contagem no clock de 27 MHz como a unidade. Além do PCR, o rótulo de tempo de decodificação DTS e o rótulo de tempo de exibição PTS também são muito importantes. Eles são semelhantes ao PCR_Base. Eles também são criados com o clock do sistema de 27 MHz do codificador, dividido por 300 como o valor de contagem da unidade. Entre eles, o DTS é usado para instruir o decodificador quando decodificar a imagem e o quadro de áudio recebidos, e o PTS é usado para notificar quando exibir o quadro de imagem decodificado.
Ao usar a codificação bidirecional, a decodificação de uma determinada imagem deve ser realizada dentro de um período de tempo antes de ser exibida, para que possa ser usada como a fonte de dados para decodificar a imagem B-frame. Por exemplo, a ordem de exibição das imagens é IBBP, mas a ordem de transmissão das imagens é IPBB. O modelo de referência MPEG acredita que a decodificação ocorre instantaneamente, ou seja, a decodificação e a exibição são realizadas ao mesmo tempo. Para quadros de áudio e quadros de imagem B, o tempo de decodificação e o tempo de exibição são os mesmos, e PTS é o mesmo que DTS, portanto, apenas PTS precisa ser transmitido. Para quadros I e quadros P de vídeo, devido à reordenação de quadros, o tempo de decodificação e o tempo de exibição são diferentes, e PTS e DTS devem ser transmitidos ao mesmo tempo. Quando o decodificador recebe a sequência de imagens IPBB, ele deve decodificar as imagens de quadro I e P-frame antes de decodificar a primeira imagem de quadro B. O decodificador só pode decodificar um quadro de imagem por vez, então ele primeiro decodifica a imagem do quadro I e a armazena. Quando a imagem do quadro P é decodificada, ele produz e exibe a imagem do quadro I decodificada e, em seguida, decodifica e exibe a imagem do quadro B. As tabelas 1, 2, 3 e 4 mostram a sequência das imagens de entrada e saída do codificador, os valores PTS e DTS de cada quadro e a sequência de decodificação e exibição de cada quadro da imagem pelo decodificador.
Na Tabela 1, 13 quadros de imagens constituem um grupo de imagens, o primeiro quadro I usa codificação intra-quadro, o segundo e o terceiro quadro B são obtidos por predição bidirecional do primeiro e quarto quadros, e o quarto quadro P é passou pelo primeiro quadro. Derivado da previsão direta. Depois de codificar o primeiro quadro, o codificador primeiro armazena em buffer o segundo e o terceiro quadros, codifica o quarto quadro e, em seguida, codifica o segundo e o terceiro quadros e assim por diante, e a sequência de saída codificada final é mostrada na tabela 2 mostrada.
Pode-se observar na Tabela 3 e na Tabela 4 que quando o decodificador recebe uma determinada unidade de acesso contendo uma imagem de quadro I, o pacote de dados do arquivo deve conter DTS e PTS, o tempo entre os valores dessas duas tags O intervalo é um período de imagem. Depois que a imagem do quadro I é o quadro P, também deve haver um DTS e um PTS no pacote de dados do arquivo, e o intervalo de tempo entre os valores das duas tags é de três períodos de imagem. Depois, há dois quadros B, cujos pacotes de dados de arquivo contêm apenas PTS. Ou seja, a imagem do quadro I será reproduzida e exibida após um atraso de um quadro após a decodificação. Quando o quadro I é exibido, o quarto quadro P é decodificado, mas não é reproduzido e exibido. Ele é armazenado em cache primeiro e, depois que o quadro 1I é reproduzido e exibido, decodifica e exibe os quadros 2B imediatamente, depois os quadros 3B, exibe os quadros 4P armazenados em buffer e decodifica e armazena os quadros 7P ao mesmo tempo e assim por diante. Pode-se ver que a sequência de imagens decodificadas e exibidas é consistente com a sequência de entrada de imagem na Tabela 1.
Princípio de tempo do decodificador (decodificador)
PTS e DTS são apenas valores 33b. Se não houver referência ao eixo do tempo representado por PCR, este valor não faz sentido. Para manter a decodificação correta, os relógios do sistema do codificador e do decodificador (set-top box) devem ser mantidos travados, ou seja, suas frequências são mantidas as mesmas e os valores iniciais de seus respectivos contadores são os mesmos.
Há um oscilador controlado por tensão (VCO) com uma frequência de cerca de 27 MHz no decodificador (set-top box). O sinal de saída é enviado para o contador como o relógio do sistema para gerar o valor da amostra STC atual, que é um valor de 42b como PCR. Entre eles, o alto 33b é o valor de contagem na unidade de clock de 27 MHz após a frequência rosa 300, e o baixo 9b é o valor de contagem na unidade de clock de 27 MHz. Quando um novo programa chega ao decodificador (set-top box), o decodificador (set-top box) obtém o valor PCR do fluxo de código, compara seu valor PCR_Extention com os bits 9b inferiores do STC atual e obtém o erro sinal e, em seguida, passa pelo circuito de loop de bloqueio de fase. Ajuste o oscilador controlado por tensão de forma que a frequência do relógio do sistema do decodificador (set-top box) seja consistente com a frequência do relógio do sistema do codificador. Obtenha os valores PTS e DTS de cada quadro sequencialmente a partir do fluxo de código e compare-os com os bits 33b altos do valor STC atual. Se o valor DTS for maior que o valor STC, o fluxo de código é armazenado em buffer e a alteração do valor STC é monitorada ao mesmo tempo. Quando o valor STC aumenta para igualar o valor DTS, o fluxo de código de quadro é decodificado. Quando o valor STC for igual ao valor PTS, reproduza o quadro. Se, devido ao jitter de atraso do buffer da rede de transmissão, quando o fluxo de código atinge o decodificador (set-top box), seu valor PTS já é menor que o valor STC, então o decodificador (set-top box) pula este quadro e descarta os dados do quadro. Uma vez que PTS e DTS são gerados com base no valor de PCR, o primeiro valor de PCR obtido deve ser usado como o valor inicial para definir o contador STC do decodificador (set-top box) para tornar seus valores iguais, caso contrário, o a base de tempo será diferente. , Portanto, erro de decodificação. O processamento de áudio e vídeo é semelhante, mas não há problema de rearranjo de tempo. A Figura 5 mostra o diagrama do princípio de funcionamento do decodificador (set-top box) PCR.
Razões para áudio e vídeo fora de sincronia
Em aplicações práticas, alguns codificadores causam jitter em seu clock de saída devido à base de tempo instável do sinal de vídeo de entrada, e o intervalo de sincronização de quadro não é de 40ms. Para esses codificadores, após definir o valor DTS inicial de acordo com PCR e atraso de buffer, o valor DTS de cada quadro é obtido adicionando um valor fixo ao DTS anterior (este valor pode ser calculado da seguinte forma: 27MHz é dividido por 300 É 90 kHz e PAL TV é de 25 quadros por segundo. Portanto, o valor é 90000/25 = 3600), e o valor PTS é calculado de acordo com o tipo de quadro e o tipo de GOP. No entanto, o valor de PCR não aumentou em 3600 durante este período, o que fez com que DTS e PTS se tornassem maiores ou menores em relação ao PCR. Alguns decodificadores (decodificadores) não usam um oscilador controlado por voltagem e o relógio do sistema é de 27 MHz fixo, mas usa o valor de PCR recebido para inicializar o valor do contador de relógio do sistema local. O codificador e o decodificador (decodificador) não podem manter um bloqueio estrito, o que pode fazer com que o decodificador (decodificador) perca quadros. No entanto, alguns decodificadores (set-top boxes) não decodificam mais estritamente de acordo com DTS e PTS após a perda de quadro, mas decodificam de acordo com a situação do buffer, porque o atraso da codificação de vídeo e áudio é diferente, pode causar áudio A pintura está fora de sincronia.
Além disso, no processo de transmissão do codificador para o decodificador (set-top box), devido à existência de links de buffer de retardo variável, como multiplexadores e moduladores, o retardo de transmissão de pacotes PCR pode não ser constante, variando de grande a pequeno. Se o PCR não for corrigido, os problemas acima também podem ocorrer.
Resumindo
A partir da análise acima, pode-se perceber que tanto o codificador quanto o decodificador (set-top box) podem causar a ocorrência de assincronização de áudio e vídeo. Depois de testar os codificadores de várias marcas, nossa estação escolheu um codificador com melhores indicadores de teste e substituiu o codificador original, o que melhorou bastante o fenômeno de que o áudio e a imagem da TV estão fora de sincronia. Na próxima etapa da introdução de decodificadores, as empresas de rede também fortalecerão o teste de indicadores relevantes para melhorar a qualidade das classificações de audiência. É claro que, no processo de avanço da digitalização do rádio e da televisão em meu país, ainda precisamos dos esforços conjuntos de nossos trabalhadores de televisão e fabricantes de equipamentos para finalmente alcançar um sucesso completo.
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