Mpeg-2系统原理

2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心1Mpeg-2系统原理2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心2MPEG-2简介•MPEG即活动图象专家组（MovingPictureExpertGroup）,是国际标准化组织IEC/JTC1/SC2/WG11的一个小组•1993年指定出MPEG-1标准（ISO11172),1994制定出MPEG-2标准（ISO13818）•MPEG-1的码速率为1.5Mbps,图象质量略高于家用录像VHS图象质量，MPEG-2的码速率为4-10Mbps,图象质量接近演播室图象质量，是DVB、ASTC采用的图象压缩标准。2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心3•MPEG-2视频,音频部分主要功能是将模拟格式的视频,音频信号压缩成符合MPEG-2标准的数字信号•MPEG系统将视频数据、音频数据按ISO/IEC13818-2、ISO/IEC13818-3打包成基本码流，与节目、条件接受等信息一同进入复用器,最终形成TS流.•分别从MPEG－2编码器中输出的视频，音频和数据基本码流无法直接送信道传输，需要经过打包和复用，形成适合传输的单一的MPEG－2传输码流2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心4MPEG-2标准层次•MPEG-2标准由三个标准组成：•1.ISO/IECIS13818-1（1995）：运动图象与其相关声音的编码－第1部分：系统•2.ISO/IECIS13818-2（1994）：运动图象与其相关声音的编码－第2部分：图象•3.ISO/IECIS13818-3（1995）：运动图象与其相关声音的编码－第3部分：声音•如图2-12020/1/25天柏宽网科技中国营运中心5附图2-12020/1/25天柏宽网科技中国营运中心6MPEG-2视频MPEG-2视频压缩基本原理:MPEG基本编码过程即通过DCT(DiscretecosineTransformation)进行帧间压缩I帧:作为预测基准的独立帧P帧:I的帧前向预测产生B帧:由I帧P帧计算的双向预测帧I帧,或称Intra图像，采用帧内编码，不参照其它图像;P帧,或称Predicted图像,它们参照前一幅I或P图像做运动补偿编码;B帧，或称双向预测图像，它们参照前一幅和后一幅I或P图像做双向运动补偿编码。2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心7附图2-22020/1/25天柏宽网科技中国营运中心8MPEG-2音频•MPEG-2依赖于MUSICAM系统进行音频数据压缩.•MUSICAM方法，即MPEG-1声音标准的第二层，适用于32，44.1，48KHz的取样频率.•声音信号中存在多种冗余度，编码时可以去除这些冗余，在解码时这些冗余可以重建。音频的MPEG-ILayerII编码压缩系统利用了声音的低声音频谱掩蔽效应，这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编码，这一技术的采用可以大大地降低音频编码速率。MPEG-ILayerII音频编码可用于单音，立体声，环绕声和多路多语言声音的编码2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心9MPEG-2系统•MPEG-2系统的基本概念:•ElementaryStream:基本流•PacketizedElementaryStream:包结构基本流(包含PID的基本流)•TransportStream:传输流2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心10MPEG-2指标•根据图像清晰度的不同，MPEG-2信号分成四种信源格式或称“等级”(LEVEL)，从录像带(VCR)的低图像清晰度，到高清晰度电视•DVB视频标准还定义了“类别”(PROFILE)的概念，每一个不同的“类别(PROFILE)能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。•目前通用的MPEG-2指标标准是:MP@ML详见附图2-3——2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心11附图2-32020/1/25天柏宽网科技中国营运中心12•MPEG-2作为一个数字视音频的一种压缩标准被广泛的运用于多媒体、数字存储及数字传输(如数字电视)等领域•其规范主要包括音频编码、视频编码、系统、数字存储规范、复用和测试等几个部分2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心13节目流PS和传输流TS•MPEG-2规定可产生的码流有两中类型：节目流PS和传输流TS•节目流主要用于误码相对较低的演播室和数字存储(如DVD)中•传输流主要用于传输中，它有固定长度的明显特点。这种数据结构运用于DVB的传输层中。2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心14MPEG-2系统模型•在输入端模拟音视频信号经过编码器进行数字化并编码压缩后称为基本码流ES；基本码流再由打包器形成基本上固定的数据包，称为基本打包码流PES；PES再由复用器就形成用于传输的传输流TS或用于存储的节目流PS2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心15ES（ElementaryStream）基本码流•音、视频信号经过编码器之后或数据信号的基本码流。•MPEG-2中图象分成三种编码类型：帧内编码I帧、前向预测编码P帧、双向预测编码B帧。把图象分块后DCT变化得到DCT系数，视频的ES就是DCT系数的堆砌。2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心16PES（PaketizedElementaryStream）•打包基本码流•PES是ES经过打包后的码流，其长度可变。视频一般一帧一个包，音频长度一般不超过64KB，PES码流结构如下：2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心17PES•PES包头由6个字节组成•前3字节为起始码，与MPEG-1相同，为0x000001，标志着PES的开始•再由1个字节表示PES包中信息的种类•包长度由随后的2字节表示，所以总长度为216-1=65535字节，其中包头及起始码占9~262字节，所以允许最大的有用数据净容量为65526个字节•表示PES包长度的2字节可以是0x0000，表示这个包的长度不确定，解码系统只能凭借PES的起始码来区分PES包2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心18PES•在PES的包头，7个标志位表明该PES中是否含有显示时标PTS、解码时标DTS、基本码流速率ES_rate等7种字段。这几种数据为解码器提供必要的时间信息，便于正确的解码2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心19PES•PTS是显示时间标记，有33比特，表明这个PES包中第1个基本单元在解码器中的预定显示时间•DTS是解码时间标记，表明PES包中的第1个基本单元在解码器中的解码时间2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心20PS（ProgramStream）节目流包结构•节目流用于传输可靠性较高的演播室或存储媒体中，如DVD。节目包由一个或几个PES包加上数据包头和系统头构成2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心21TS（TransportStream）传输流•TS结构:•传输流用于远距离广播中的数据传输，因此其数据包必须有形式上较短的稳定结构，主要特点是188字节的固定长度2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心22PES和TS的关系•TS是由PES拆分后加上包头和其它辅助数据构成的2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心23TS自适应区和填充字节•当一个包无适应段时，PES包紧跟在TS的包头后，若有适应段时，PES包头要插到自适应区后•由于一个PES包不一定能分为整数个TS包，最后传输包的一小部分通过填充字节来完成•由4字节的包头加上184字节的数据构成一个TS包•为了降低系统对传输信道的要求，DVB中在信道编码时还要加上16字节的R-S编码，这样就变成了固定长度为204字节的数据包。它能纠正连续16字节的误码，改善系统的误码率。2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心24TS包头2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心25同步字节•包头由4个字节构成，由1字节的同步头为0x47。0x47不是专门用作同步字节的，包内的数据也可能有0x47，所以并不是每个0x47是TS包的开始•为了保证稳定的同步，接收端要不断重复的以188字节的间隔检查同步字节•如果两个47Hex之间的间隔不是188字节，则表明此时的0x47不是真正的同步字节，需要重新同步2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心26传输错误标记•传输错误标记来确定传输过程中的误码。在信道解码时如果发现此包中有不能纠错的位，则解码器会把错误标记位置高，表明此包中有错误，以便后面采取相应的措施。2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心27PID•PID有13位，对于不同的特殊信息的PID是特定的。比如PAT（节目关联表），PID为0x0000；CAT（条件接收表），PID为0x0001。PID为0x1FFF表明此包是空包，只是填充数据，0x0000~0x000F目前保留，所以一般节目的PID从0x0010开始2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心28加密控制段•加密控制段表明TS流是否被加密，MPEG-2可以在不同的层进行加密，在PES包头中同样有加密控制字段来表明是否在PES层中加密，一般00表示无加密2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心29自适应字段•自适应字段控制表明此包中是否含有自适应区。用01表此TS包仅有有效数据，10表明此TS包只有自适应字段，11表明二者都有，00保留2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心30连续计数器•连续计数器是为了随着每个具有相同PID的TS包而增加，为了解码器能确定正确的解码顺序2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心31TS的自适应区•和PES流可选的包头一样，TS有一个可选的自适应区•这个区域主要携带有解码必须的系统参考时间PCR•所以在一定的时间间隔内必须有一个含有自适应区的TS包出现2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心32TS的自适应区2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心33自适应段的长度•用8比特来表示自适应段的长度，若自适应段控制位为11，即该TS包中即含有自适应字段又含有有效载荷则自适应字段的长度标志的值为0~182•若自适应字段控制位为10，即该TS包中只含有自适应字段，则自适应字段的长度的值为183•此时如果有用字段不足以填满TS包，则通过填充填充字段达到固定长度。2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心34字段标志位•字段标志位分别标志是否含有PCR、OPCR、拼接递减计数、私用数据、扩展字段5个数据•PCR有42比特长，由33比特的PCR_base和9比特的PCR_ext组成。PCR表示该字段后的字节达到解码器的时间，是系统参考时钟2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心35系统参考时钟•通常一个TS含有好几路节目，一个节目有好几个基本码流，一个通用的时钟来使解码器和TS同步。这个时钟在PCR中发送，一般最大间隔为40ms就会发送一次PCR。•在接收端应有一个27MHz的计数器，这个计数器从第一个含有PCR的包到达之后计数，后一个PCR值（42比特）和这个计数器去比较。PCR用来给控制解码器27MHz的计数器。这样，就能恢复出TS中的时钟，复用器和解复用器就能达到同步。2020/1/25天柏宽网科技中国营运中心36Q/A