Формирование транспортного потока данных в устройствах кодирования MPEG-2

Структура транспортного потока. Системная часть стандарта MPEG-2 регламентирует порядок формирования единого (транспортного) потока данных из множества элементарных потоков. Обобщенная функциональная схема образования транспортного потока данных методом мультиплексирования одного видео и одного звукового элементарных потоков иллюстрируется рис. 6.20. Из рисунка видно, что после сжатия звуковой и видеоинформации на выходах соответствующих кодеров формируются элементарные потоки (ES - Elementary Stream) данных. Каждый из элементарных потоков поступает на вход соответствующего формирователя пакетированного элементарного потока (PES - Packetized Elementary Stream). В результате на его выходе образуется разделенная во времени последовательность пакетов. Причем любой PES-пакет содержит кодированные байты только одного элементарного потока данных. PES-пакеты состоят из заголовка и следующего за ним пакета данных переменной длины (достаточно большой - до 64 кбайт). Длина PES-пакетов не фиксируется стандартом, так как данные пакеты не предназначены для использования в качестве самостоятельной единицы. Заголовок PES-пакетов начинается со стартового кода объемом три байта, затем следует код идентификации объемом в один байт, который обеспечивает распознавание до 16 видео- и 32 аудиопрограмм. Причем каждая из этих 48 программ может иметь «данные пользователя». Эта информация предназначена для обеспечения адресуемости потока данных. Кроме того, заголовок PES-пакетов может содержать метки времени декодирования и/или воспроизведения, а также ряд флагов, несущих информацию о зашифрованности сигнала, о дополнительной коррекции ошибок.

Рис. 6.20. Функциональная схема формирователя транспортного потока данных в устройствах кодирования MPEG-2

Из всех подаваемых на вход мультиплексора PES-пакетов, соответствующих, например, телевизионным сигналам нескольких программ, формируется транспортный поток данных. Кроме PES-пакетов, на мультиплексор, образующий транспортный поток, подаются сигналы синхронизации в виде временных меток и различные другие цифровые данные, например, телетекст, коды доступа и т.д. Транспортный поток предназначен для использования в устройствах хранения информации, в системах передачи, т.е. в средах с вероятностным воздействием шумов, с возможностью возникновения потерь. Пакеты транспортного потока имеют фиксированную длину в 188 байт, из которых 4 байта выделяются на заголовок и 184 байта - на полезные данные. Это могут быть видео- или звукоданные, данные пользователя или пустые байты (1111 1111), называемые стаффингом. Каждый пакет переносит данные только одного вида. Размер пакета транспортного потока выбран для совместимости с широко применяемым на сетях связи стандартом асинхронной передачи данных ATM. Ячейка ATM имеет длину 53 байта, из которых полезных - 47 байт (с учетом одного байта на уровень адаптации). Следовательно, один транспортный пакет MPEG-2 длиной 188 байт упаковывается в 4 пакета ATM. Структура заголовка пакета транспортного потока MPEG-2 показана на рис. 6.21 [18].

Первый байт заголовка - байт синхронизации - содержит зарезервированное кодовое число 0x47, легко опознаваемое демультиплексором. Так как заголовки транспортных пакетов следуют с интервалом в 188 байт, то это упрощает определение начала пакета. Далее идут три однобитовых флага (ошибки передачи, начала пакета PES и приоритетной передачи) и 13-битовый идентификатор типа пакета PID (Packet IDentifier), указывающий на принадлежность пакета тому или иному потоку данных, т.е. он опознает пакеты, принадлежащие одному элементарному потоку.

Рис. 6.21. Структура заголовка пакета транспортного потока MPEG-2

PID служит основным признаком, по которому демультиплексор сортирует приходящие PES-пакеты на приемной стороне. Из общего числа 8192 возможных значений PID 16 выделены на общесистемные цели, номер 8191 закреплен за стаффинговыми байтами, остальные могут назначаться пользователями произвольно для отдельных компонент своих программ.

Еще один байт в заголовке транспортного потока содержит три необходимых указателя:

- двухбитовый указатель скремблирования - свидетельствует о наличии или отсутствии скремблирования транспортного потока;

- двухбитовый индикатор наличия полей адаптации в нагрузке транспортного пакета.

Поле адаптации занимает часть области полезных данных и служит для ввода управляющих и вспомогательных сигналов, передаваемых не в каждом транспортном пакете. Поле адаптации может также использоваться для передачи данных пользователя, в этом случае оно разбивается на секции.

Значение указателя наличия полей адаптации 0x1 означает, что поле адаптации отсутствует и в пакете транспортного потока передаются данные видео или звука; 0x2 присваивается пакету, в котором часть области полярных данных занимает поле адаптации, остальное занято стаффингом; индикатор, установленный на 0x3, свидетельствует об одновременном наличии и поля адаптации, и полезных данных. Отметим, что заголовки пакета транспортного потока и поля адаптации не скремблируются.

Четырехбитовый счетчик непрерывности PES-пакетов увеличивает свое значение на единицу при поступлении каждого следующего PES-пакета с данным РЮ и обнуляется после каждого 15-20 пакета. Он позволяет декодеру обнаруживать потерю PES-пакета и принимать меры по его замене или к маскированию ошибок, которые могут возникнуть из-за его потери.

Область полезных данных пакета транспортного потока значительно меньше, чем обычная длина PES-пакета, поэтому последний для укладки в транспортные пакеты должен разрезаться. Стандарт определяет, что первый байт PES-пакета должен обязательно совпадать с первым байтом области полезных данных пакета транспортного потока, а конец PES-пакета - с концом одного из последующих транспортных пакетов. В случае если данные одного PES-пакета заканчиваются в середине пакета транспортного потока, то оставшееся место заполняется байтами дополнительной информации.

Рис. 6.22. Структура потоков данных в устройствах кодирования MPEG-2

Структуры элементарного потока данных (а), PES-пакетов (б) и пакетов транспортного потока (в) представлены на рис. 6.22.

Контрольные вопросы:

6.1. Поясните осциллограмму полного телевизионного сигнала на строчном интервале.

6.2. Дайте количественную оценку параметров основных составляющих полного телеаизионного сигнала.

6.3. Проанализируйте форму телевизионного сигнала на кадровом интервале.

6.4. Каким способом осуществляется разделение сигналов синхронизации строк и полей?

6.5. Назовите основные особенности сигналов синхронизации при чересстрочной развертке.

6.6. Приведите количественную оценку граничным частотам телевизионного сигнала.

6.7. Охарактеризуйте структуру спектра телевизионного сигнала.

6.8. Сформулируйте основные принципы построения совместимых систем цветного телевидения.

6.9. Перечислите основные способы обработки видеосигналов в видеоуси-лительном тракте телевизионных систем.

6.10. Каким образом производится коррекция апертурных искажений видеосигналов?

6.11. С какой целью видеосигналы телевизионной камеры подвергаются электронной цветокоррекции?

6.12. Поясните необходимость коррекции нелинейных искажений видеосигналов.

6.13. Как осуществляется гамма-коррекция в современных телевизионных системах?

6.14. Расскажите о необходимости восстановления средней составляющей, телевизионного сигнала.

6.15. Какими способами можно реализовать схемы восстановления средней составляющей телевизионного сигнала?

6.16. В чем заключаются трудности подавления шумов в телевизионном сигнале?

6.17. Поясните основные принципы работы шумоподавителей, используемых в телевизионных системах.

6.18. Перечислите особенности построения системы цифрового телевидения.

6.19. Как производится дискретизация телевизионных сигналов?

6.20. Каким образом осуществляется квантование телевизионных сигналов?

6.21. Дайте краткую характеристику международным стандартам цифрового преобразования телевизионных сигналов.

6.22. Сформулируйте основные положения стандарта кодирования MPEG-2.

6.23. Расскажите об особенностях компрессии видеоданных.

6.24. Назовите типы кодируемых кадров в стандарте MPEG-2 и дайте им краткую характеристику.

6.25. Поясните механизм компенсации движения в стандарте кодирований MPEG-2.

6.26. Объясните принципы использования ДКП в стандарте кодирования MPEG-2.

6.27. Как формируется транспортный поток данных в устройствах кодирования MPEG-2?