MPEG-2信道解复用器的DSP+FPGA设计

数字高清晰度电视(High Definition Television)简称HDTV，是继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视系统。其图像细腻逼真，质量与35 mm电影相当，再配以环绕音响，使收视效果大幅度提高。它将成为21世纪的主要电视产品，具有潜在的巨大经济效益。因此，日、欧、美等发达国家都相继投入了大量人力、物力来开发HDTV系统。我国从1996年启动国家重大产业工程项目HDTV功能样机系统研究开发工程。

1 MPEG-2标准简介以及数字电视功能分析

MPEG（Motion pictures expert group）译为运动图像专家组，他是在ISO的召集下，为数字视频和音频制定压缩标准的专家组。该组织于1994年推出MPEG-2标准。此标准分为4个文件，分别是：

系统层（System,ISO13818-1）描述视频，音频的数据复用方式和视频，音频同步方式。

视频压缩层（Video，ISO13818-2）描述数字视频编码方式和解码过程。

音频压缩层（Audio,ISO13818-3）描述数字音频编码方式和解码过程。

一致性（Conformance,ISO13818-4）说明测试编码码流的过程，检验是否符合前3个文件的规定。

MPEG-2运动图像及其伴音通用国际标准在数字音/视频领域得到了广泛的应用。在MPEG-2中，定义了两种形式的码流，即传输流（TS）和节目流(PS)。节目流一般用于相对无错的环境中，如交互式多媒体业务，其长度是可变的。传输流则用于有错误的环境中，如数字电视的地面广播传输，其分组长度固定为188 b。传输流和节目流都是编码后的基本数据流（ES）按照一定的格式打包后形成PES包，再加上一些系统级信息而构成。码流的形成过程可以用图1来表示。其中，采样得到的视频数据流和音频数据流经过编码器后，成为MPEG-2 基本流（ES），再通过打包，成为包化ES流（PES）,再经过传输复用器，将音频PES，视频PES,以及其他的数据和控制信息，转换成MPEG2传输流（TS）.TS流经过信道编码和调制之后，发送到信道中。在接收端，正好相反，经过解调，信道解码和前向纠错之后，再通过传输解复用器，分别输出视频PES流，音频PES流，以及数据和控制信息，再通过视频解码器和音频解码器后，分别送入DTV显示系统和音频播放系统。



2 关于传输流以及传输流中几个重要概念

传输流TS包的结构如图2所示。



传输流由一道或多道节目组成，每道节目由一个或多个原始流和一些其他流复合在一起，包括视频流，音频流，节目特殊信息流和其他数据包。

首先介绍视频和音频PES流是如何转换成TS流的。PES流是由视频或音频基本流分别打包处理后形成的PES包系列，PES包的长度是不定的。每个PES包的包头携带了：

流标识(SID)由同一个ES经打包处理后得到的PES，其流标识相同。

显示时间戳（PTS）用于视频和音频之间的同步控制，它指示对解码后视频和音频播放的适当时刻。

解码时间戳（DTS）用于视频基本流解码器和音频基本流解码器的同步控制，它指示对视频和音频基本流解码的适当时刻基本流的速率控制信息。

由于TS包长固定为188 b，所以在打包时，PES包长若大于188 b,则对其进行分段处理，因为PES是放在TS包的有效载荷区进行传送的，所以分段后每段大小为184 b,不足184 b的加上适应字段构成184 b，有没有适应字段则由包头中的适应字段控制来指示。每段加上TS包头就形成一个TS包。

TS包包头中各字段含义如下：

同步字节指示一个TS包的开始。

传输错误指示表示该传输包在传输过程中有无错误。

有效传输开始指示若有效载荷区传输的是来自PES包的数据,则有效传输开始指示表示有效载荷区的第一字节是否为被分段的PES包的起首字节。若有效载荷区传输的是来自节目特殊信息的数据，则有效传输开始指示表示载荷区第一字节是否是PSI数据起首字节的位置指针。

传输优先指示表示的是具有相同的PID的传输包的优先级。

连续计数器PID相同的传输包的计数。

此外，在TS包包头的调整字段中，有一个重要的域PCR,即节目时钟基准。它以固定的频率插入包头。在解码端，正是根据PCR来恢复系统时钟的。

PSI信息使用4个表来定义码流的结构，分别为节目关联表（PAT）、节目映射表(PMT)、条件接收表（CAT）和网络信息表（NIT）。其中，最重要的表信息是PAT和PMT。PAT是PSI信息的根，其PID是0，表中列出了传送码流中所有节目的节目映射表的PID，PMT表中列出与该节目有关的所有基本码流，如视频、音频和PCR及有关信息的PID。除PAT表包的PID永远是0外，还有两种包的PID是预留的：

①空包，用来作码流填充，PID是8191。

②CAT包，PID值是1。所有PSI信息必须以一定的频率发送，每秒钟至少要发送20次。