Từ khóa: Âm thanh và video không đồng bộ Bộ giải mã mã hóa MPEG-2 PCR DTS PTS
Với sự phát triển nhanh chóng của truyền hình kỹ thuật số ở nước tôi và sự tiến bộ của quá trình chuyển đổi kỹ thuật số của mạng lưới phát thanh và truyền hình đô thị, ngày càng nhiều người bắt đầu sử dụng đầu thu kỹ thuật số để xem các chương trình truyền hình kỹ thuật số. Nhưng trong quá trình xem các chương trình truyền hình qua đầu thu kỹ thuật số, người xem đôi khi nhận thấy một số âm thanh và hình ảnh không đồng bộ. Điều này cũng thu hút sự chú ý của chúng tôi.
Hiện tượng và thử nghiệm
Thành phố Quý Dương về cơ bản đã hoàn thành quá trình chuyển đổi kỹ thuật số của mạng phát thanh và truyền hình vào cuối năm 2007, và các chương trình của Đài truyền hình Quý Châu cũng đã đi vào chuyển đổi mạng kỹ thuật số. Sau khi vào mạng kỹ thuật số, chúng tôi nhận thấy một số chương trình của đài có hiện tượng không đồng bộ âm thanh và hình ảnh ở một số khu vực, nhất là khi bản tin được phát trên kênh truyền hình vệ tinh và kênh dân sinh. Để tìm ra vấn đề ở đâu, chúng tôi đã quyết định tiến hành kiểm tra hát nhép trên toàn bộ đường truyền của chương trình của mình. Thiết bị được sử dụng cho bài kiểm tra là Tektronix WFM7120. Khi thực hiện đo độ trễ âm thanh / video, cũng cần tạo ra một chuỗi tín hiệu video thanh màu ngắn thông qua TG700 DVG7 và chuỗi âm thanh được nhúng trong nhóm tín hiệu video này với khoảng thời gian là 5 giây, gửi tín hiệu như vậy tới hệ thống đang thử nghiệm và cuối cùng gửi tín hiệu đến WFM7120 để đo chênh lệch thời gian giữa âm thanh và video.
Kiểm tra nội bộ trung tâm điều khiển phát sóng
Như trong Hình 1, để đo xem có chênh lệch độ trễ âm thanh / video trong hệ thống đài truyền hình hay không, chúng tôi sử dụng thời gian kiểm tra để ghi tín hiệu thử nghiệm do TG700 tạo ra vào đĩa cứng phát sóng, phát qua đĩa cứng, và đầu vào tín hiệu kiểm tra cho bộ trễ. Sau khi mô-đun đồng bộ khung, nó được phát trên một kênh, và sau đó chúng tôi đo ba tín hiệu này trước khi bộ phận truyền dẫn truyền tín hiệu đến bộ mã hóa của công ty mạng. Kết quả đo cho thấy, chênh lệch độ trễ âm thanh / hình ảnh của ba tín hiệu này không vượt quá 12ms, tức là một trường không đủ, chứng tỏ tín hiệu không có vấn đề về đồng bộ âm thanh và hình ảnh trong trung tâm điều khiển phát sóng.
Thử nghiệm các hộp giải mã tín hiệu khác nhau
Đối với điểm đo thứ hai, chúng tôi chọn phòng máy tính phía trước của công ty mạng. Như trong Hình 2, ở đây, chúng tôi đã chọn các thương hiệu chính của hộp set-top hiện đang được sử dụng ở Trung Quốc để thử nghiệm. Sau khi mã hóa tín hiệu thử nghiệm TG700 thông qua bộ mã hóa ban đầu mà chúng tôi đang sử dụng, hãy chèn nó vào kênh chúng tôi hiện đang phát. Sau đó, sử dụng hộp giải mã tín hiệu trong phòng máy tính phía trước để giải điều chế tín hiệu TV. Tín hiệu âm thanh / video được giải mã sau đó được gửi đến WFM7120 để đo sau A / D và nhúng tín hiệu tương tự qua đầu ghi video Panasonic D950. Kết quả đo cho thấy độ trễ âm thanh / video của các loại hộp giải mã này là khác nhau, một số đi trước 150ms và một số trễ hơn 300ms. Điều này cho thấy các hộp set-top khác nhau có các khả năng khác nhau để duy trì mối quan hệ đồng bộ giữa các tín hiệu âm thanh / video sau khi giải điều chế và giải mã cùng một tín hiệu TV kỹ thuật số.
Thử nghiệm các bộ mã hóa khác nhau
Như trong Hình 3, chúng tôi vẫn sử dụng bộ tạo tín hiệu TG700 để kiểm tra các bộ mã hóa khác nhau và cho phép bộ mã hóa, bộ điều chế và hộp giải mã tín hiệu để xây dựng môi trường phát / xem mô phỏng. Ở đây, chúng tôi sử dụng một số bộ mã hóa của các thương hiệu khác nhau. Sau khi mã hóa tín hiệu thử nghiệm của TG700, nó được điều chế bởi cùng một bộ điều chế, và sau đó tín hiệu được giải mã bởi cùng một hộp giải mã. Nó cũng được xử lý bởi D950 và gửi đến WFM7120 để đo. Kết quả đo cuối cùng là một số khác biệt về độ trễ âm thanh / video của chúng là 30ms và một số đạt tới 300ms, cho thấy rằng các bộ mã hóa khác nhau có tác động lớn hơn đến việc đồng bộ hóa âm thanh / video của tín hiệu xem cuối cùng của hộp giải mã tín hiệu.
Phân tích nguyên nhân
Nguyên tắc thời gian của hệ thống MPEG-2
Hiện nay, trong hệ thống truyền hình kỹ thuật số của nước ta, chuẩn MPEG-2 là một chuẩn nén âm thanh và hình ảnh quan trọng. Nó nén, mã hóa và ghép các tín hiệu chương trình ở đầu nguồn, và phân kênh và giải mã tín hiệu ở đầu nhận. Đã được sử dụng rộng rãi. Hệ thống truyền dẫn kỹ thuật số chúng tôi đang sử dụng dựa trên tiêu chuẩn MPEG-2. Hãy xem cấu trúc hệ thống của MPEG-2, như trong Hình 4.
Có thể thấy từ Hình 4 rằng các tín hiệu âm thanh và hình ảnh tạo thành một dòng cơ bản sau khi thông tin dư thừa được bộ mã hóa nén loại bỏ. Dòng mã sơ cấp này không thể được lưu trữ hoặc truyền trực tiếp. Nó phải được gửi đến một nhà đóng gói cụ thể. Dòng mã sơ cấp được chia thành các đoạn văn theo một định dạng nhất định và các ký tự nhận dạng cụ thể được thêm vào để tạo thành cái gọi là dòng mã sơ cấp đóng gói (PES). Gói PES là gói dữ liệu âm thanh và video có độ dài thay đổi. Sau đó, các gói PES âm thanh và video và dữ liệu phụ được gửi đến hệ thống con truyền dẫn, hệ thống này được chia thành các gói dữ liệu nhỏ có độ dài cố định là 188b và được ghép kênh bằng cách ghép kênh phân chia theo thời gian. Một luồng TS duy nhất được hình thành và luồng TS đến đầu nhận sau khi truyền qua kênh.
Như chúng ta đã biết, đồng bộ hóa là điều kiện cần thiết để hiển thị TV chính xác. Đối với TV kỹ thuật số, vì bộ đệm được sử dụng để lưu tín hiệu trong quá trình nén và mã hóa, trục thời gian của tín hiệu trong bộ ghép kênh bị thay đổi, cộng với lượng dữ liệu dự phòng khác nhau, tỷ lệ nén cũng khác nhau, do đó trục thời gian Những thay đổi lớn, đặc biệt là trong xử lý lớp nhóm khung, thứ tự của khung B và khung P cũng đã thay đổi. Tất cả những điều này làm cho việc đồng bộ hóa các tín hiệu truyền hình kỹ thuật số hoàn toàn mất đi khái niệm về trình tự ban đầu. Một cách hiệu quả để đạt được đồng bộ hóa là thêm nhãn thời gian vào dòng mã tín hiệu mỗi khi một khoảng thời gian xác định trôi qua. Với thẻ này, đầu nhận có thể được sắp xếp lại theo thẻ thời gian này trong quá trình giải mã trước khi hiển thị, xây dựng lại thứ tự của hình ảnh trước khi nén và mã hóa, và mối quan hệ thời gian giữa âm thanh và hình ảnh, do đó đạt được đồng bộ hóa hình ảnh và âm thanh được đồng bộ với hình ảnh.
Cũng có thể thấy từ Hình 4 rằng có một xung nhịp hệ thống chung duy nhất STC (27MHz) trong bộ mã hóa MPEG-2. Đồng hồ này được sử dụng để tạo ra một dấu thời gian cho biết thời gian giải mã và hiển thị chính xác của âm thanh / video. Đồng thời, nó có thể được sử dụng để chỉ ra lấy mẫu Giá trị tức thời của thời gian đồng hồ hệ thống tức thời. Đồng hồ được khóa pha bởi đồng bộ hóa dòng của video đầu vào. Khi đầu vào là tín hiệu SDI, đồng hồ hệ thống của bộ mã hóa được tạo ra bởi đồng hồ chia cho 10. Đó là sự xuất hiện của đồng hồ hệ thống chung trong bộ mã hóa, cũng như sự tái tạo của đồng hồ trong bộ giải mã và chính xác. sử dụng tem thời gian, tạo cơ sở cho việc đồng bộ hóa chính xác các hoạt động trong bộ giải mã. Để nhận ra sự đồng bộ đồng hồ của codec, đồng hồ hệ thống STC được đếm trong bộ mã hóa và giá trị lấy mẫu của bộ đếm được truyền tới bộ thu trong tiêu đề thích ứng của gói TS đã chọn mỗi lần truyền nhất định, như một giải mã Tín hiệu tham chiếu đồng hồ chương trình của bộ xử lý, là PCR. Bit hợp lệ PCR là 42b, trong đó 33b cao là PCR_Base, là giá trị đếm theo đơn vị của đồng hồ 27MHz và đồng hồ chia cho 300, và 9b thấp là PCR_Extension, là giá trị đếm trong đồng hồ 27MHz với tư cách là đơn vị. Ngoài PCR, nhãn thời gian giải mã DTS và nhãn thời gian hiển thị PTS cũng rất quan trọng. Chúng tương tự như PCR_Base. Chúng cũng được tạo với đồng hồ hệ thống 27MHz của bộ mã hóa, chia cho 300 làm giá trị đếm đơn vị. Trong số đó, DTS được sử dụng để hướng dẫn bộ giải mã khi nào sẽ giải mã khung hình ảnh và âm thanh nhận được, và PTS được sử dụng để thông báo khi nào hiển thị khung hình ảnh đã giải mã.
Khi sử dụng mã hóa hai chiều, việc giải mã một hình ảnh nhất định phải được thực hiện trong một khoảng thời gian trước khi nó được hiển thị, để nó có thể được sử dụng làm dữ liệu nguồn để giải mã hình ảnh B-frame. Ví dụ: thứ tự hiển thị của hình ảnh là IBBP, nhưng thứ tự truyền của hình ảnh là IPBB. Mô hình tham chiếu MPEG tin rằng quá trình giải mã xảy ra tức thời, tức là giải mã và hiển thị được thực hiện cùng một lúc. Đối với khung âm thanh và khung hình ảnh B, thời gian giải mã và thời gian hiển thị giống nhau, và PTS giống như DTS, do đó chỉ cần truyền PTS. Đối với khung video I và khung P, do sắp xếp lại thứ tự khung, thời gian giải mã và thời gian hiển thị khác nhau, đồng thời PTS và DTS phải được truyền cùng một lúc. Khi bộ giải mã nhận được chuỗi hình ảnh IPBB, nó phải giải mã hình ảnh I-frame và P-frame trước khi giải mã hình ảnh B-frame đầu tiên. Bộ giải mã chỉ có thể giải mã một khung hình ảnh tại một thời điểm, vì vậy trước tiên nó giải mã hình ảnh khung hình I và lưu trữ nó. Khi hình ảnh khung P được giải mã, nó sẽ xuất và hiển thị hình ảnh khung I đã giải mã, sau đó giải mã và hiển thị hình ảnh khung B. Bảng 1, 2, 3 và 4 hiển thị trình tự các hình ảnh đầu vào và đầu ra của bộ mã hóa, các giá trị PTS và DTS của mỗi khung hình, và trình tự giải mã và hiển thị của mỗi khung hình ảnh bởi bộ giải mã.
Trong Bảng 1, 13 khung hình ảnh tạo thành một nhóm hình ảnh, khung hình I đầu tiên sử dụng mã hóa nội khung, khung hình B thứ hai và thứ ba thu được bằng cách dự đoán hai chiều từ khung hình thứ nhất và thứ tư và khung hình thứ tư P là qua khung đầu tiên. Bắt nguồn từ dự đoán phía trước. Sau khi mã hóa khung đầu tiên, bộ mã hóa đầu tiên đệm khung thứ hai và thứ ba, mã hóa khung thứ tư, sau đó mã hóa khung thứ hai và thứ ba, v.v. và chuỗi đầu ra được mã hóa cuối cùng được hiển thị trong bảng 2 được hiển thị.
Qua bảng 3 và bảng 4 có thể thấy rằng khi bộ giải mã nhận được một đơn vị truy cập nào đó có chứa ảnh khung I thì gói dữ liệu tệp cần chứa DTS và PTS, thời gian giữa các giá trị của hai thẻ này khoảng là một thời kỳ hình ảnh. Sau hình ảnh khung I là khung P, cũng phải có một DTS và một PTS trong gói dữ liệu tệp và khoảng thời gian giữa các giá trị của hai thẻ là ba khoảng thời gian hình ảnh. Sau đó, có hai khung B, các gói dữ liệu tệp chỉ chứa PTS. Có nghĩa là, hình ảnh khung hình I sẽ được phát và hiển thị sau một khoảng thời gian trễ của một khung hình sau khi giải mã. Khi khung I được hiển thị, khung P khung thứ tư được giải mã, nhưng nó không được phát và hiển thị. Nó được lưu vào bộ nhớ đệm đầu tiên, và sau khi khung 1I được phát và hiển thị, Giải mã và hiển thị khung 2B ngay lập tức, sau đó là khung 3B, sau đó hiển thị khung 4P được đệm, đồng thời giải mã và đệm khung 7P, v.v. Có thể thấy, trình tự hình ảnh được giải mã và hiển thị phù hợp với trình tự nhập hình ảnh trong Bảng 1.
Nguyên lý thời gian của bộ giải mã (set-top box)
PTS và DTS chỉ có giá trị 33b. Nếu không có tham chiếu đến trục thời gian được biểu diễn bởi PCR, giá trị này là vô nghĩa. Để duy trì giải mã chính xác, đồng hồ hệ thống của bộ mã hóa và bộ giải mã (set-top box) phải được khóa, nghĩa là tần số của chúng được giữ nguyên và các giá trị ban đầu của bộ đếm tương ứng của chúng giống nhau.
Có một bộ dao động điều khiển điện áp (VCO) với tần số khoảng 27MHz trong bộ giải mã (hộp giải mã). Tín hiệu đầu ra được gửi đến bộ đếm dưới dạng đồng hồ hệ thống để tạo ra giá trị mẫu STC hiện tại, là giá trị 42b giống như PCR. Trong đó, 33b cao là giá trị đếm theo đơn vị xung nhịp 27MHz sau tần số 300 màu hồng, và 9b thấp là giá trị đếm theo đơn vị xung nhịp 27MHz. Khi một chương trình mới đến bộ giải mã (set-top box), bộ giải mã (set-top box) sẽ lấy giá trị PCR từ luồng mã, so sánh giá trị PCR_Extention của nó với 9b bit thấp hơn của STC hiện tại và nhận được lỗi tín hiệu, và sau đó đi qua mạch vòng khóa pha. Điều chỉnh bộ dao động điều khiển bằng điện áp sao cho tần số đồng hồ hệ thống của bộ giải mã (hộp giải mã) phù hợp với tần số đồng hồ hệ thống của bộ mã hóa. Nhận các giá trị PTS và DTS của từng khung một cách tuần tự từ dòng mã và so sánh chúng với các bit 33b cao của giá trị STC hiện tại. Nếu giá trị DTS lớn hơn giá trị STC, dòng mã được lưu vào bộ đệm và sự thay đổi giá trị STC được theo dõi cùng một lúc. Khi giá trị STC tăng lên bằng giá trị DTS, dòng mã khung được giải mã. Khi giá trị STC bằng giá trị PTS, Phát khung hình. Nếu do chập chờn bộ đệm của mạng truyền dẫn, khi dòng mã đến bộ giải mã (set-top box), giá trị PTS của nó đã nhỏ hơn giá trị STC, thì bộ giải mã (set-top box) sẽ bỏ qua khung này và loại bỏ dữ liệu khung. Vì PTS và DTS được tạo dựa trên giá trị PCR, nên giá trị PCR đầu tiên thu được phải được sử dụng làm giá trị ban đầu để đặt bộ đếm STC của bộ giải mã (set-top box) để làm cho giá trị của chúng giống nhau, nếu không, cơ sở thời gian sẽ khác nhau. , Do đó lỗi giải mã. Quá trình xử lý âm thanh và video tương tự nhau, nhưng không có vấn đề về việc sắp xếp lại thời gian. Hình 5 mô tả sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ giải mã (set-top box) PCR.
Lý do cho âm thanh và video không đồng bộ
Trong các ứng dụng thực tế, một số bộ mã hóa gây ra hiện tượng chập chờn trong đồng hồ đầu ra của chúng do cơ sở thời gian không ổn định của tín hiệu video đầu vào và khoảng thời gian đồng bộ hóa khung hình không phải là 40ms. Đối với các bộ mã hóa này, sau khi đặt giá trị DTS ban đầu theo PCR và độ trễ bộ đệm, giá trị DTS của mỗi khung hình thu được bằng cách thêm một giá trị cố định vào DTS trước đó (giá trị này có thể được tính như sau: 27MHz chia cho 300 Chính xác là 90kHz và PAL TV là 25 khung hình / giây. Do đó, giá trị là 90000/25 = 3600) và giá trị PTS được tính theo loại khung hình và loại GOP. Tuy nhiên, giá trị PCR không tăng 3600 trong giai đoạn này, điều này làm cho DTS và PTS trở nên lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với PCR. Một số bộ giải mã (set-top box) không sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp và đồng hồ hệ thống của chúng là 27MHz cố định, nhưng sử dụng giá trị PCR nhận được để khởi tạo giá trị của bộ đếm đồng hồ hệ thống cục bộ. Bộ mã hóa và bộ giải mã (set-top box) không thể duy trì khóa chặt chẽ, điều này có thể khiến bộ giải mã (set-top box) giảm khung hình. Tuy nhiên, một số bộ giải mã (set-top box) không còn giải mã và hiển thị nghiêm ngặt theo DTS và PTS sau khi mất khung hình, mà giải mã theo tình trạng của bộ đệm, do độ trễ của mã hóa video và âm thanh khác nhau nên có thể gây ra âm thanh. Bức tranh không đồng bộ.
Ngoài ra, trong quá trình truyền từ bộ mã hóa đến bộ giải mã (set-top box), do sự tồn tại của các liên kết đệm có độ trễ thay đổi như bộ ghép kênh và bộ điều chế, độ trễ truyền của các gói PCR có thể không cố định, thay đổi từ lớn đến nhỏ. Nếu PCR không được sửa chữa, các vấn đề trên cũng có thể xảy ra.
tóm lại
Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng cả bộ mã hóa và bộ giải mã (set-top box) đều có thể gây ra hiện tượng không đồng bộ âm thanh và hình ảnh. Sau khi thử nghiệm các bộ mã hóa của nhiều thương hiệu khác nhau, đài của chúng tôi đã chọn một bộ mã hóa có chỉ số kiểm tra tốt hơn và thay thế bộ mã hóa ban đầu, giúp cải thiện đáng kể hiện tượng hình ảnh và âm thanh trên TV không đồng bộ. Trong bước tiếp theo của việc giới thiệu set-top box, các công ty mạng cũng sẽ tăng cường kiểm tra các chỉ số liên quan để cải thiện chất lượng xếp hạng của khán giả. Tất nhiên, trong quá trình tiến tới số hóa đài phát thanh và truyền hình của đất nước tôi, chúng ta vẫn cần sự chung sức của những người làm công tác truyền hình và các nhà sản xuất thiết bị để cuối cùng đạt được thành công trọn vẹn.
sản phẩm khác của chúng tôi:
