ATM網(wǎng)絡(luò)MPEG-Ⅱ比特率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

MPEG-Ⅱ作為一種運(yùn)動(dòng)圖像國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，數(shù)字視頻廣播（DVB）已經(jīng)將MPEG-Ⅱ作為一種源格式。在許多實(shí)際應(yīng)用中包括衛(wèi)星廣播、數(shù)字電纜和高清晰度電視HDTV，MPEG-Ⅱ分組是通過(guò)編碼器同步接口輸入到信道中。而在寬帶數(shù)字通信網(wǎng)中如ADSL，F(xiàn)TTC和寬帶IDSL是將MPEG-Ⅱ分組轉(zhuǎn)化成另外一種網(wǎng)絡(luò)傳輸分組，在這種情況下，一定數(shù)目的傳輸流分組被壓縮成一個(gè)ATM AAL-5 PDU單元，在分組交換時(shí)，PDU被分解成幾個(gè)ATM單元。至于有多少傳輸流分組壓縮成為ATM AAL-5 PDU單元，主要與ATM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有關(guān)，一般是2個(gè)傳輸流分組壓縮成一個(gè)AAL-5 PDU單元。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腗PEG-2傳輸流需要內(nèi)部的分組延遲進(jìn)行時(shí)間上的控制，這種控制主要是為了發(fā)送程序參考時(shí)鐘，從而在系統(tǒng)接收端進(jìn)行解碼時(shí)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行恢復(fù)。同時(shí)也可以避免解碼器的輸入緩沖的上溢和下溢。

在設(shè)計(jì)一個(gè)視頻發(fā)送系統(tǒng)的時(shí)候，對(duì)MPEG-Ⅱ傳輸流的比特率實(shí)行精確的控制就顯得尤為重要。當(dāng)MPEG-Ⅱ分組進(jìn)行直接傳送時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間的控制是比較簡(jiǎn)單的，關(guān)鍵問(wèn)題是如何對(duì)視頻源的輸入時(shí)間進(jìn)

2 網(wǎng)絡(luò)堵塞和系統(tǒng)參考時(shí)鐘的恢復(fù)

根據(jù)MPEG-Ⅱ國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，編碼器將系統(tǒng)參考時(shí)鐘（27 MHz）的1/33進(jìn)行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定擴(kuò)展和處理后作為程序參考時(shí)鐘PCR嵌入到傳輸流分組中。因此在解碼器端，通過(guò)對(duì)PCR的恢復(fù)就可以確定編碼的系統(tǒng)時(shí)鐘，從而達(dá)到編解碼的同步。由于在傳輸流中，含有PCR字段分組的PID值在程序映射表（PMT）得到確定。根據(jù)這個(gè)含有PCR字段的分組PID就可以參考設(shè)置將第一個(gè)含有PCR的分組作為系統(tǒng)時(shí)鐘STC的參考PCR，然后將其余的含有PCR字段的傳輸分組中的PCR的值通過(guò)一定的方式處理就可以恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘?；謴?fù)系統(tǒng)時(shí)鐘的方法如下：

(1)將第一個(gè)PCR的值對(duì)STC進(jìn)行初始化。

(2)考慮解碼器輸入緩沖的上溢和下溢的影響，對(duì)其大小進(jìn)行一定的估計(jì)，從而確定解碼輸入緩沖。根據(jù)當(dāng)前MPEG-Ⅱ傳輸流的最大碼率計(jì)算，連續(xù)含有PCR字段的分組的時(shí)間間隔必須小于0.1 s。

(3)對(duì)于連續(xù)到達(dá)的PCR的值進(jìn)行鎖定，通過(guò)和第一個(gè)PCR的值進(jìn)行對(duì)比，就可以確定STC。

由于在MPEG解復(fù)用器輸出到緩沖器的過(guò)程中以往沒(méi)能對(duì)其碼速進(jìn)行測(cè)量，從而會(huì)造成緩沖的上溢，而在視頻和音頻解碼器端，在緩沖輸入到解碼器的過(guò)程中，同樣原因而造成緩沖的下溢。為此在ATM/CATV網(wǎng)絡(luò)到MPEG解復(fù)用器的過(guò)程中，如果能夠添加一個(gè)接收器的比特監(jiān)控單元，將能夠減少由于網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成的麻煩。

如果從傳輸分組中得到的含有PCR字段的分組，由于網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成PCR的值隨機(jī)延遲，解碼器和嵌入的系統(tǒng)處理器，將會(huì)按照一定的算法對(duì)PCR的值進(jìn)行校正，從而恢復(fù)STC。這個(gè)校正和當(dāng)前的MPEG比特率有密切關(guān)系，是將當(dāng)前MPEG比特率對(duì)PCR的值進(jìn)行一定的補(bǔ)償從而恢復(fù)PCR的原值。如果對(duì)當(dāng)前的PCR不進(jìn)行校正，那么視頻解碼、圖像和D/A轉(zhuǎn)換都會(huì)由于這個(gè)STC的無(wú)法恢復(fù)而受到影響。為此，在整個(gè)解碼器或者解復(fù)用器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)當(dāng)前MPEG比特率的實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)量是至關(guān)重要的，它的目的就是為了對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和監(jiān)控。如果在接收器中能夠?qū)崟r(shí)跟蹤測(cè)試當(dāng)前的比特率的話，那么基本上ATM/CATV網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲（網(wǎng)絡(luò)堵塞）將會(huì)在解碼器端得到實(shí)時(shí)的補(bǔ)償。

3 接收端MPEG比特率的測(cè)量算法

在ATM或者CATV網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，MPEG-Ⅱ傳輸分組由于網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成的隨機(jī)延遲，使得在解復(fù)用器或者解碼器端接收到的分組系統(tǒng)時(shí)鐘和發(fā)送端輸出的有一定的偏移，在理想情況下，往往對(duì)這個(gè)偏移不進(jìn)行考慮，但正是由于這一點(diǎn)而造成視頻解碼無(wú)法正常工作，或者圖像無(wú)法恢復(fù)到原先的狀態(tài)。在這種情況下，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘STC的恢復(fù)將會(huì)在一個(gè)不確定的狀態(tài)下進(jìn)行。為了避免這種情況的發(fā)生，就必須對(duì)STC的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，將當(dāng)前得到的PCR的值和本地產(chǎn)生的時(shí)鐘進(jìn)行比較，比較的公式推導(dǎo)如下：

(ΔSTC-ΔPCR)ΔSTC=(Δb/ΔPCR-Rf)(Δb/ΔPCR)(1)

式中：ΔSTC＝STC(t)-STC(t-1)

ΔPCR＝PCR(t)-PCR(t-1)

Δb=b(t)-b(t-1)

t——PCR到達(dá)時(shí)間；

b(t)——在PCR到達(dá)時(shí)間t時(shí)刻累加的比特?cái)?shù)；

Rf——在兩個(gè)連續(xù)過(guò)程和更多的PCR之間的運(yùn)行時(shí)間比特率。

如果這里用Sf來(lái)替代Δb/ΔPCR，那么（1）式就可以變?yōu)椋邯?

（ΔSTC-ΔPCR）/ΔSTC=(Sf-Rf) /Sf(2)

在上式中

Rf＝(ΔSTC/ΔPCR)K(3)

而在可變速率MPEG-Ⅱ傳輸流（VBR）中由于Sf是一個(gè)變量，因此（2）式可以演變成為：

Rf＝（ΔSTC