地面數(shù)字電視碼流分析系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

周沫 汪波 江蘇省廣播電視總臺發(fā)射傳輸臺

1.背景

江蘇省地面數(shù)字播出網(wǎng)按省域單頻網(wǎng)、市域單頻網(wǎng)、全省各縣多頻網(wǎng)的組合方式建設(shè)，播出中央、省、市、縣節(jié)目。信號前端系統(tǒng)分省前端、各地市前端、各縣前端三級結(jié)構(gòu)，各前端按IP方式進(jìn)行分級復(fù)用。與傳統(tǒng)的ASI復(fù)用方案相比，全網(wǎng)IP架構(gòu)結(jié)構(gòu)清晰、集成度高、信號調(diào)度快捷。

施工過程需要對前端編碼器、復(fù)用器、交換機(jī)、單頻網(wǎng)適配器、發(fā)射機(jī)輸入端等各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行碼流分析比較，確定信號完好、定位故障節(jié)點(diǎn)。但在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)常用的碼流分析系統(tǒng)，功能都不夠完善，如TS-Reader能實(shí)現(xiàn)碼率監(jiān)控、節(jié)目列表掃描，但是不能實(shí)現(xiàn)AVS+/DRA的節(jié)目解碼；TeleSight能實(shí)現(xiàn)AVS+的節(jié)目解碼，但不能實(shí)現(xiàn)碼流的自動探測。未發(fā)現(xiàn)一款碼流分析系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)地面數(shù)字電視信號調(diào)試必須的SIP包分析功能。因此，需要一套碼流分析系統(tǒng)，既有便攜性，又具備地面數(shù)字電視系統(tǒng)需要的碼流分析和調(diào)試功能。

2. 功能需求分析

按照實(shí)際工程需要，本項目開發(fā)的碼流探測分析系統(tǒng)，至少具備以下基本功能：

（1）TS流自動探測：不需要手動填寫目的地址、源地址、組播地址等信息，能自動獲取所有傳入數(shù)據(jù)包并篩選出TS流，詳細(xì)顯示流列表。

（2）TS流手動探測：具備組播組加入申請功能。

（3）碼率監(jiān)控和報警：監(jiān)測TS流總碼率及所有PID的傳輸碼率，顯示所有PSI/SI信息。

（4）節(jié)目列表掃描：不論是SPTS還是MPTS，都能實(shí)現(xiàn)節(jié)目掃描。

（5）TR101-290錯誤檢查：支持實(shí)時監(jiān)測錯誤信息。

（6）TSoIP流錯誤檢查：具備基本的IP層錯誤檢查功能。

（7）AVS+/DRA節(jié)目解碼預(yù)覽：支持AVS/AVS+/H.264視頻解碼，DRA/MP2/AAC等音頻解碼，可根據(jù)讀取的節(jié)目表選擇節(jié)目，也可以指定PID解碼視音頻。

（8）單頻網(wǎng)SIP包分析：地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)信號中SIP包信息的檢查和分析。

3.技術(shù)方案設(shè)計

系統(tǒng)使用Microsoft Visual Studio開發(fā)工具以C#編寫，窗體部分使用Windows Forms設(shè)計，共兩個應(yīng)用窗體界面： 碼流探測、碼率監(jiān)控、節(jié)目信息顯示、錯誤記錄、節(jié)目解碼預(yù)覽在一個界面，SIP分析在另一個界面。

3.1 碼流探測

工程施工過程中發(fā)現(xiàn)，碼流分析系統(tǒng)需要具備自動探測功能，一是為了方便操作，不需要每個節(jié)目手動掃描，二是實(shí)現(xiàn)查看某端口的所有節(jié)目，確保節(jié)目沒有變多或遺漏。但是常見的TS碼流分析系統(tǒng)在TS組播碼流獲取時，需要手動輸入組播地址，并不能實(shí)現(xiàn)自動探測的功能。本系統(tǒng)根據(jù)使用需求，支持自動探測所有傳入組播流，同時也支持手動輸入組播地址加入組播組。碼流探測界面如圖1所示。

圖1 碼流探測界面

自動探測功能（節(jié)目左下角）：用戶選擇綁定本機(jī)某個網(wǎng)卡即可探測所有傳入的TS流，包括推送的組播流。主動加入組播組功能：也可通過自行添加組播地址加入組播組以獲得組播碼流。界面中每一行均為一個獲取的TS流信息，左邊為數(shù)據(jù)包源地址、端口，右邊為目的地址、端口。

TS流是基于Packet的位流格式，每個包是188個字節(jié)（或204個字節(jié)，在188個字節(jié)后加上了16字節(jié)的CRC校驗數(shù)據(jù)，其他格式一樣）。一個TS包的格式見圖2。

圖2 TS包格式

具體實(shí)現(xiàn)搜索TS流的方法為建立.net中socket對象綁定指定的本地地址并探測傳入的所有數(shù)據(jù)。根據(jù)上述TS流特征過濾收到的數(shù)據(jù)包中的TS流并將基本信息顯示在界面中。部分代碼見圖3。

圖3 TS流綁定代碼

3.2 碼率分析

在探測界面中選擇某個TS流并點(diǎn)擊開始分析后，軟件將對該TS流進(jìn)行詳細(xì)分析、監(jiān)控。本程序中設(shè)計一個TS_Deal類來完成所有TS碼流信息的監(jiān)測、分析功能。該類的實(shí)例綁定一個TS流后，便會持續(xù)收取碼流，在TS_Deal實(shí)例中，每隔一定時間對已獲取的所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，內(nèi)容包括：（1）分析TS包頭：根據(jù)上一節(jié)TS_header的結(jié)構(gòu)，解析每個TS包的包頭，解析后即得到該TS包對應(yīng)的PID、同步字節(jié)、包遞增計數(shù)器、加密標(biāo)志等信息。

（2）計算總碼率：在一定時間后計算緩存中的TS包個數(shù)，算得總碼率。

（3）統(tǒng)計PID信息：每個PID碼率與計算總碼率類似，每隔一定時間計算每個PID包個數(shù)，從而得到每個PID碼率，核心代碼如圖4。

最后，將上文所述的計算總碼率和每個PID碼率信息實(shí)時展示到窗口界面。

圖4 PID統(tǒng)計代碼

3.3 節(jié)目信息

解析SDT、PAT、CAT、PMT表并分析錯誤信息，通過PID判斷表類型，根據(jù)每個表結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。首先解析PAT表，獲取碼流中所有節(jié)目列表，PAT表結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中，程序在解析到N環(huán)部分的時候，會讀取并保存節(jié)目列表及其PID。PAT表列出了TS流中所有的節(jié)目列表，以及節(jié)目對應(yīng)的PID值，這個PID值表征的是該節(jié)目對應(yīng)的PMT表的PID值。

圖5 PAT表結(jié)構(gòu)

PMT提供一路節(jié)目包含的所有原始碼流的PID映射表，程序在讀取N環(huán)的時候會讀取該節(jié)目所有的碼流列表及其PID，解析的時候可以根據(jù)PID來分離。節(jié)目時鐘參考PCR的PID和視頻的PID是相等的。由PAT得出所有的節(jié)目列表，根據(jù)一個節(jié)目篩選出等于該節(jié)目PID的TS包，就可以得到該節(jié)目的所有碼流的PID映射表。最后，通過SDT表的解析獲得所有節(jié)目的節(jié)目名稱、服務(wù)名稱等信息。

以PAT表為例，解析代碼如圖6所示。

最后，將PAT、PMT、SDT表解析后將節(jié)目信息整理并通過界面右側(cè)treeview顯示出來。

圖6 PAT表結(jié)構(gòu)解析代碼

3.4 節(jié)目解碼

根據(jù)上文獲取節(jié)目列表后提供節(jié)目選擇界面，將對應(yīng)節(jié)目視音頻PID的TS包發(fā)送給解碼模塊并將視音頻解碼展示在界面中，也支持指定PID進(jìn)行指定格式的音頻或視頻解碼。

3.5 錯誤分析

錯誤變量使用TR101_Status結(jié)構(gòu)體定義，記錄錯誤狀態(tài)及錯誤發(fā)生的次數(shù)，在使用中需檢測的錯誤內(nèi)容見圖7。

圖7 TR101-290錯誤分析代碼

根據(jù)TR101-290，在上文搜索SDT、PAT、PMT等表時分析碼流中的錯誤信息，錯誤解析后，將錯誤內(nèi)容和錯誤個數(shù)展示在界面下方，當(dāng)發(fā)生錯誤時對應(yīng)項目顯示為紅色以及錯誤個數(shù)，軟件中提供了6個一級錯誤及傳輸錯誤、CAT錯誤，兩個二級錯誤的檢測。在IP傳輸層面，按照IP包的時間間隔計數(shù)并做統(tǒng)計報警。

以連續(xù)計數(shù)錯誤代碼舉例見圖8。

圖8 連續(xù)計數(shù)錯誤分析代碼

圖9 SIP包分析模塊

3.6 單頻網(wǎng)SIP包分析模塊

為了地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)測試需要，加入了單頻網(wǎng) SIP包分析模塊，功能界面如圖9所示。

圖10 SIP表結(jié)構(gòu)

在地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)中，適配器每1秒鐘向輸入的TS碼流中插入1個SIP，插入時刻與GPS的1pps對齊，SIP包的格式與MPEG2-TS包格式相同，由4字節(jié)的包頭和184字節(jié)的數(shù)據(jù)字段組成，SIP表結(jié)構(gòu)見圖10。

程序?qū)ζ渲蠸I_SIP中包含的信息進(jìn)行解析，展現(xiàn)在界面中，并將每個參數(shù)錯誤記錄次數(shù)展現(xiàn)在參數(shù)右側(cè)，方便工程中進(jìn)行闡述核對和分析。

同時程序中實(shí)時統(tǒng)計SIP包間隔并計算SIP偏差，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸中可能有誤差，程序提供SIP累計偏差調(diào)整統(tǒng)計精度。計算部分代碼見圖11。

最后在界面中展示每次SIP間隔、偏差和累計偏差并以圖表形式展現(xiàn)間隔分布。

4.系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)是在江蘇省地面數(shù)字電視施工階段，按照實(shí)際需求進(jìn)行的研發(fā)，并進(jìn)行了多次修改，操作簡便、功能完善。應(yīng)用該系統(tǒng)，技術(shù)人員能快速測試到所有傳入的TS流、監(jiān)測所有PID的傳輸速率、實(shí)時顯示TR101-290錯誤信息，并能提供聲音、畫面實(shí)時播放功能。對于單頻網(wǎng)信號，能進(jìn)行SIP包的檢測和分析。在快速定位信號故障節(jié)點(diǎn)方面，系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，極大地提高了施工的效率。

圖11 SIP分析代碼