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PCR测量

2009-12-22 章文辉 中国传媒大学 依马狮广电网


    随着MPEG压缩技术的应用,几路不同的电视节目共享同一传输流进行传送成为现实,人们开发了一种同步机制来接收节目,这种同步机制的原理是通过发送原始时钟频率的数字取样值实现同步。这些原始时钟频率的取样值被称作节目时钟基准(PCR),应用节目时钟基准需要一种全新的抖动效果测量方法。
    数字电视的同步处理的一个主要问题是同步处理的输入信号源产生抖动,数字电视信号极易受到这类问题的影响。由于模拟电视信号和数字电视信号的不同,抖动产生的问题也有不同的表现形式。
    如果各路节目最初是同步生成的,那么TS流的各路节目共享同一套PCR取样值。实际上各路节目不一定相互关联,它们之间不一定互相同步。在这种情况下,每一路节目都应有一套独立的PCR取样值。压缩视频信号通常使用两种同步信号:一帧或一场的显示时间;重建压缩前原始信号所用的取样时钟。这些同步信息都被嵌入在压缩数据流中,显示时间标记(PTS)提供了帧同步,节目时钟基准(PCR)主要用于恢复取样频率。
    这里,主要介绍ETR290文件的TR101 290推荐的PCR抖动测量方法。
一. PCR的产生
    当输出比特率和PCR间隔值(DVB推荐的间隔不能大于40ms)设置到复用器后,复用器可以计算出哪个传输包需要包含PCR值以及具体的PCR值的大小。
    PCR值被嵌入到传输流中称为PCR-base和PCR-ext的两个区域,并用27Mhz时钟作为单位的时间t(i)指示,这里的i是包含PCR-base的最后一个比特的字节索引号。PCR(i)的计算公式如下:  
    PCR(i) = PCR_base(i)*300+PCR_ext(i)
    PCR_base(i)=[(system_clock_frequency*t(i)) DIV 300] MOD 2^33
    PCR_ext(i)=[(system_clock_frequency*t(i)) DIV 1] MOD 300

PCR测量

    图1显示了对601数字视频信号进行编码时,产生和插入PCR值的过程框图。我们可以看到在相应的PCR区域编码的PCR值是从输入的视频信号本身提取,没有使用稳定的主时钟基准。实际上,使用输入视频信号来提取时钟基准,为了适当地解码和显示信号,传输链末端的解码器必须准确地锁定这个信号。
    27MHz时钟是从27MHz或270MHz数字分量信号或复合模拟视频信号的副载波中提取。这个从视频信号中提取并用于MPEG-2压缩处理的27MHz参考时钟会与标称频率存在小的偏差。随着时间变化,这个参考时钟可能在频率和速度或漂移率方面存在慢的变化,同时还可能带有称为抖动的小幅度快速频率变化,抖动的幅度是测量的项目。
    从图1可以看出,在一个TS流中至少需要为每个节目提供两个独立的时钟:与节目相关的PCR值和TS流本身的码率。在接收端的解码器需锁定TS流码率,而重建的视频信号应与PCR值锁定。
测量时需要考虑测量基准,对于频率偏置、漂移率和总的抖动的测量,应该使用一个独立、精确和稳定的时钟基准。对于PCR精度测量,使用标称TS码率。

PCR测量

二. PCR抖动的来源
    在输入视频信号中出现的各类频率变化都被传递到编码的PCR值。但是,这不是嵌入到TS流的PCR值的抖动的唯一来源。
    下面是引起PCR误差和PCR抖动的来源:
    (1)计算过程中的算法误差。这种情况下,在ISO/IEC13818中被称为PCR精度,应限制在500ns以内。
    (2)时间标记数字的取舍。通常发生在编码复用、再复用和重新进行时间标记编码阶段。
    (3)载有PCR信息的TS包在TS流的再定位和移动。可能发生在输入输出码率相同的再复用阶段,本地节目插入后,没有携带二次时间标记。
    (4)当通过包交换网络传输TS流时,携带PCR信息的字节在TS流中再定位和移动。
    A.PDH填充过程;B.ATM信元分配;C.SDH/SONET指针移动;D.ASI填充字节插入;E.如果从解码器中提取的TS流再次用来传输,公共接口间隙的插入和删除。F.再复用过程。
    (5)在复用和解复用过程中,用于产生PCR时间标记的时钟中存在的物理抖动。

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三. PCR测量参数
    DVB-MG定义了四种PCR测量参数来检测包含在TS流中的节目PCR,这四种PCR测量参数定义如下:
    PCR准确度(Program Clock Reference-Accuracy)是指实际的PCR值和根据该字节在TS流中实际位置的索引所应具有的PCR值之间的差值。由于PCR数值不准或者复用过程中的PCR值的变更均可导致PCR不准确,PCR数值的不准可能由于27MHz参考时钟频率的误差或者是计数器的错误引起的。PCR准确度使用ns作为度量单位。ISO/IEC13818规定的PCR不准确度容限是±500ns。图2显示了测量PCR准确度的原理图。对可变比特率传输流的PCR-AC测量结果没有实际意义。
    PCR频率偏置(Program Clock Reference-Frequency Offset)是指节目时钟频率和按照绝对基准所测得的标称时钟频率之间的差值。以Hz为单位的PCR频率偏置计算公式为:测得的频率-标称频率。用ppm的PCR频率偏置计算公式为:[测得的频率(Hz)-标称频率(Hz)]/标称频率(MHz)。ISO/IEC13818-1规定的容限是±810Hz或±30ppm。
    PCR漂移率(Program Clock Reference-Drift-Rate)测量频率对节目时钟频率和标称时钟频率之差的低频分量的一阶导数。
    PCR漂移率参数的测量单位为mHz/sec(在27MHz处)或ppm/hour。ISO/IEC13818-1规定的容限是±75mHz/sec(在27MHz处)或±10ppm/hour。
    PCR全抖动(Program Clock Reference-Overall Jitter)应该到达某一测量点与以到达该点的PCR值之差的高频分量的瞬时值。PCR全抖动包括了PCR不准确度、物理链路抖动和PCR到达时间抖动。由于数据率和线路速率不同步引起不确定的网络延时,会造成PCR到达时间抖动。PCR全抖动的度量单位为ns。没有规定容限大小,如果传输过程中的抖动为零,这个参数相当于ISO/IEC13818规定的PCR准确度的最大容限为±500ns。上述三个参数PCR-OJ、PCR-FO和PCR-DR的测量原理框图如图3所示。
    PCR参数的仪器测量如图4。

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