數(shù)字電視TS碼流協(xié)議簡(jiǎn)要分析

唐文昊 廖斌蘭 唐霓云 莫東海

一、IP封裝的TS碼流

TS碼流經(jīng)過(guò)IP打包后能被網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)和交換，通過(guò)光纖、衛(wèi)星、微波等方式接入各個(gè)臺(tái)站。信源交換機(jī)的監(jiān)控口靜態(tài)綁定了碼流的組播地址，使監(jiān)控口始終轉(zhuǎn)發(fā)碼流。通過(guò)抓包可以觀察到標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)。每個(gè)幀長(zhǎng)為1358字節(jié)，包括MAC頭（14字節(jié)）、IP頭（20字節(jié)）、UDP頭（8字節(jié)）和7個(gè)碼流包（每個(gè)188字節(jié)）共1358字節(jié)。一個(gè)幀最多封裝七個(gè)碼流包，否則會(huì)超過(guò)以太幀的最大長(zhǎng)度上限1518字節(jié)而無(wú)法傳輸。

如圖1所示，抓包工具Wireshark中顯示的幀結(jié)構(gòu)，有七個(gè)以ISO/IEC開(kāi)頭的行，每行標(biāo)識(shí)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)碼流包。PID和CC是碼流包頭部中的兩個(gè)重要參數(shù)：包ID和連續(xù)計(jì)數(shù)。

圖1 衛(wèi)星接收機(jī)發(fā)出的被封裝的TS碼流

二、TS碼流包及其頭部

TS碼流傳輸使用了IP組播技術(shù)，組播地址為IP報(bào)文的目的地址，一份碼流能同時(shí)被轉(zhuǎn)發(fā)到多個(gè)設(shè)備（如IP復(fù)用器、碼流記錄儀、分析儀、自臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器等），只需給接收設(shè)備添加組播地址加入組播組即可。分析時(shí)根據(jù)邏輯連接進(jìn)行過(guò)濾，把光纖信源中央八套節(jié)目碼流（12.171.30.93:2560->239.171.30.5:4000）分離出來(lái)，再將各底層頭部剝除，留下應(yīng)用層的碼流包。碼流包長(zhǎng)度為188字節(jié)，包含4字節(jié)頭部和184字節(jié)載荷。載荷既可以是音視頻編碼數(shù)據(jù)，也可以是控制信息表PSISI。圖2為光纖信源中央八套節(jié)目TS碼流中的“空”碼流包。

圖2 光纖信源中央八套節(jié)目TS碼流中的“空”碼流包

TS碼流包中的數(shù)據(jù)是大尾（big-endian）字節(jié)序，數(shù)據(jù)的低位保存在內(nèi)存的高地址，與Windows系統(tǒng)相反。“空”碼流包的載荷部分全部是0xff，只有頭部有數(shù)據(jù)。4字節(jié)的頭部包含了8個(gè)參數(shù)，分別是同步字節(jié)、傳輸誤碼指示符、有效荷載單元起始指示符、傳輸優(yōu)先級(jí)、PID、傳輸加擾控制、自適應(yīng)控制和連續(xù)計(jì)數(shù)器。第一個(gè)字節(jié)是固定的0x47，‘G’的ASCII碼，標(biāo)識(shí)碼流包起始位置，錯(cuò)誤或丟失將產(chǎn)生290一級(jí)錯(cuò)誤中的同步字節(jié)錯(cuò)誤或同步丟失錯(cuò)誤。PID（Packet ID）用中間的13個(gè)比特表示，標(biāo)識(shí)此碼流包的類(lèi)型，即數(shù)據(jù)載荷解析的方式，標(biāo)識(shí)此包是音、視頻還是信息表。PID為0x1ffff時(shí)為“空”包，載荷不需要解析。連續(xù)計(jì)數(shù)用末尾的4個(gè)比特標(biāo)識(shí)，同類(lèi)型的下一個(gè)包的計(jì)數(shù)值會(huì)遞增，計(jì)數(shù)值累計(jì)到0xf之后再回到0。組播的傳輸層是UDP協(xié)議，沒(méi)有保證可靠交付，網(wǎng)絡(luò)不良時(shí)會(huì)使連續(xù)計(jì)數(shù)亂序、丟失，從而產(chǎn)生一級(jí)錯(cuò)誤中的連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

三、PSI（節(jié)目專(zhuān)用信息）

TS碼流中還存在其他控制信息PSI和SI（業(yè)務(wù)信息）。PSI定義了4種表（有資料說(shuō)5種），SI定義了9種表。PSI的作用是從碼流中定位節(jié)目的音視頻流，是必備的。SI根據(jù)業(yè)務(wù)功能不同是可選的。PSI中用于定位節(jié)目音視頻流的表有兩種：PAT（節(jié)目關(guān)聯(lián)表）和PMT（節(jié)目映射表）。定位過(guò)程如下。

1.PAT的PID固定為0，可從碼流中直接找出PAT，一個(gè)碼流只有一個(gè)PAT流；

2.PAT中包含一或多個(gè)PMT的PID，可根據(jù)PAT找出碼流中所有的PMT，碼流中有多少個(gè)節(jié)目就有多少個(gè)PMT流；

3.PMT中包含節(jié)目的音、視頻流的PID，可根據(jù)PMT找出碼流中的音視頻流并提取出PES（打包的基本流）；

4.由PES解包出ES（基本流）再送入解碼器解碼。

在光纖信源中央八套節(jié)目碼流中，每秒傳輸5個(gè)PAT包。其數(shù)據(jù)載荷是一樣的，只有頭部的連續(xù)計(jì)數(shù)在遞增。光纖信源中央八套節(jié)目TS碼流PAT包的頭部如圖3所示。包頭以0x47開(kāi)頭，PID為0，數(shù)據(jù)載荷作為PAT解析。第三項(xiàng)Payload Unit Start Indicator:1，說(shuō)明這是PAT的第一個(gè)碼流包，如果表很大，會(huì)被分到多個(gè)碼流包中。

圖3 光纖信源中央八套節(jié)目TS碼流PAT包的頭部

如圖4，PSI的第一個(gè)碼流包中，頭部之后的一字節(jié)（第5個(gè)字節(jié)）表示指針域（也叫適配域長(zhǎng)度），指出到PAT還有多少字節(jié)。這里為0，所以PAT從第6個(gè)字節(jié)開(kāi)始，再根據(jù)PAT第四項(xiàng)表示的長(zhǎng)度45字節(jié)（從此項(xiàng)之后開(kāi)始算），PAT到第54個(gè)字節(jié)結(jié)束，只占用一個(gè)碼流包，之后用0xff填充。

圖4 光纖信源中央八套節(jié)目TS碼流PAT包

PAT前8字節(jié)的結(jié)構(gòu)固定，第4、5字節(jié)表示碼流ID，占16bit，理論上一個(gè)連接可以傳輸65535個(gè)碼流。從第9字節(jié)開(kāi)始，是包含九個(gè)元素的數(shù)組，每個(gè)元素4字節(jié)，共36字節(jié)。每個(gè)元素包含2字節(jié)的節(jié)目號(hào)和2字節(jié)的PMT的PID，PID用低13位標(biāo)識(shí)，但第一個(gè)元素是例外，它的節(jié)目號(hào)為0，PID是NIT（網(wǎng)絡(luò)信息表）的PID（固定的0x10）。之后的八個(gè)元素對(duì)應(yīng)了中央八套節(jié)目。以第二個(gè)元素為例，節(jié)目號(hào)為0x12d，它的PMT的PID是0x101，如圖5所示。

圖5 節(jié)目號(hào)0x12d的PMT包

每秒鐘有3、4個(gè)同節(jié)目的PMT包傳輸。PMT表從第6個(gè)字節(jié)開(kāi)始，前12個(gè)字節(jié)的結(jié)構(gòu)固定。第11、12字節(jié)的低12位表示節(jié)目的描述信息長(zhǎng)度，這里為5，此后緊跟5字節(jié)的描述信息。信息類(lèi)型由第1字節(jié)的tag決定，這里是最大傳輸比特率。描述信息之后緊接著多個(gè)流信息，流信息前5個(gè)字節(jié)的結(jié)構(gòu)是固定的。此PMT中總共包含兩個(gè)流信息，第1字節(jié)表示流的類(lèi)型，值分別為0x42和0x6，表示AVS視頻和AC3音頻。第2、3字節(jié)的低13位表示流的PID，值分別為0x200和0x28a。第4、5字節(jié)的低12位表示流描述信息總長(zhǎng)度。因?yàn)槊枋鲂畔⒈旧砗虚L(zhǎng)度，所以可以判斷出每個(gè)描述信息的位置。第一個(gè)流信息包含2個(gè)描述信息，第二個(gè)流信息則包含4個(gè)描述信息。描述信息包括流ID、最大比特率、注冊(cè)信息、網(wǎng)絡(luò)層信息等。至此，節(jié)目的AVS視頻流PID=0x200、AC3音頻流PID=0x28a已找出。

四、時(shí)鐘與節(jié)目名稱(chēng)

PCR是節(jié)目參考時(shí)鐘，由編碼器生成，供解碼器解碼時(shí)進(jìn)行同步。PMT開(kāi)頭第9、10字節(jié)低13位標(biāo)識(shí)PCR存在的PID，在圖5中是0x200。也就是說(shuō)，這里的PCR只穿插在視頻流中，音頻流中沒(méi)有（PCR可以插入音頻流，也可以使用自己獨(dú)立的PID）。帶有PCR的視頻流包每秒有5個(gè)。PCR存在于視頻流中的適配域，頭部之后的第5字節(jié)指針域（適配域長(zhǎng)度）在PAT、PMT中為0，而帶有PCR的視頻流包中是7。7字節(jié)中的第1字節(jié)是8個(gè)標(biāo)志位，PCR標(biāo)志置1。后6字節(jié)是參考時(shí)鐘，參考時(shí)鐘會(huì)有規(guī)律地遞增。實(shí)際上PCR只用了42位，包括33位基礎(chǔ)位和9位擴(kuò)展位。擴(kuò)展位是基礎(chǔ)位的低位，表達(dá)更精細(xì)的數(shù)值，最大值是300而不是512，超過(guò)300歸零并給基礎(chǔ)位加1。除了PCR，PES層中還有兩個(gè)同步信息DTS和PTS，同步機(jī)制比較復(fù)雜，這里不詳細(xì)展開(kāi)。

SDT（服務(wù)描述表）中包含了節(jié)目的類(lèi)型、名稱(chēng)等信息，它的PID是固定的0x11。SDT表起始的11個(gè)字節(jié)的頭部也是固定的。在中央八套節(jié)目TS碼流的SDT中，頭部之后跟著的是8個(gè)服務(wù)（節(jié)目）描述信息。第一個(gè)描述信息描述了節(jié)目號(hào)為0x12d的節(jié)目。在描述信息的服務(wù)名字段中，可以看到節(jié)目名稱(chēng)為CCTV-1。

五、總結(jié)

ISO13818-1碼流標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)使用了十幾年，它詳細(xì)地定義了音視頻流及其控制信息，是一套非常成熟的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中定義的TS流不但能單獨(dú)傳輸，也容易被TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)承載。碼流的使用者只要了解重要的部分，借助碼流分析儀或碼流分析軟件，就能迅速地判斷碼流信號(hào)質(zhì)量的高低，分析碼流質(zhì)量變差的原因，找到問(wèn)題根源，對(duì)碼流進(jìn)行恢復(fù)。