ATM網絡MPEG-Ⅱ比特率測量系統的設計

MPEG-Ⅱ作為一種運動圖像國際標準已經得到廣泛應用，數字視頻廣播（DVB）已經將MPEG-Ⅱ作為一種源格式。在許多實際應用中包括衛星廣播、數字電纜和高清晰度電視HDTV，MPEG-Ⅱ分組是通過編碼器同步接口輸入到信道中。而在寬帶數字通信網中如ADSL，FTTC和寬帶IDSL是將MPEG-Ⅱ分組轉化成另外一種網絡傳輸分組，在這種情況下，一定數目的傳輸流分組被壓縮成一個ATM AAL-5 PDU單元，在分組交換時，PDU被分解成幾個ATM單元。至于有多少傳輸流分組壓縮成為ATM AAL-5 PDU單元，主要與ATM網絡協議有關，一般是2個傳輸流分組壓縮成一個AAL-5 PDU單元。一個網絡中傳輸的MPEG-2傳輸流需要內部的分組延遲進行時間上的控制，這種控制主要是為了發送程序參考時鐘，從而在系統接收端進行解碼時對系統時鐘進行恢復。同時也可以避免解碼器的輸入緩沖的上溢和下溢。

在設計一個視頻發送系統的時候，對MPEG-Ⅱ傳輸流的比特率實行精確的控制就顯得尤為重要。當MPEG-Ⅱ分組進行直接傳送時，系統時間的控制是比較簡單的，關鍵問題是如何對視頻源的輸入時間進

2 網絡堵塞和系統參考時鐘的恢復

根據MPEG-Ⅱ國際標準，編碼器將系統參考時鐘（27 MHz）的1/33進行編碼，編碼后的數據進行一定擴展和處理后作為程序參考時鐘PCR嵌入到傳輸流分組中。因此在解碼器端，通過對PCR的恢復就可以確定編碼的系統時鐘，從而達到編解碼的同步。由于在傳輸流中，含有PCR字段分組的PID值在程序映射表（PMT）得到確定。根據這個含有PCR字段的分組PID就可以參考設置將第一個含有PCR的分組作為系統時鐘STC的參考PCR，然后將其余的含有PCR字段的傳輸分組中的PCR的值通過一定的方式處理就可以恢復系統時鐘。恢復系統時鐘的方法如下：

(1)將第一個PCR的值對STC進行初始化。

(2)考慮解碼器輸入緩沖的上溢和下溢的影響，對其大小進行一定的估計，從而確定解碼輸入緩沖。根據當前MPEG-Ⅱ傳輸流的最大碼率計算，連續含有PCR字段的分組的時間間隔必須小于0.1 s。

(3)對于連續到達的PCR的值進行鎖定，通過和第一個PCR的值進行對比，就可以確定STC。

由于在MPEG解復用器輸出到緩沖器的過程中以往沒能對其碼速進行測量，從而會造成緩沖的上溢，而在視頻和音頻解碼器端，在緩沖輸入到解碼器的過程中，同樣原因而造成緩沖的下溢。為此在ATM/CATV網絡到MPEG解復用器的過程中，如果能夠添加一個接收器的比特監控單元，將能夠減少由于網絡堵塞而造成的麻煩。

如果從傳輸分組中得到的含有PCR字段的分組，由于網絡堵塞而造成PCR的值隨機延遲，解碼器和嵌入的系統處理器，將會按照一定的算法對PCR的值進行校正，從而恢復STC。這個校正和當前的MPEG比特率有密切關系，是將當前MPEG比特率對PCR的值進行一定的補償從而恢復PCR的原值。如果對當前的PCR不進行校正，那么視頻解碼、圖像和D/A轉換都會由于這個STC的無法恢復而受到影響。為此，在整個解碼器或者解復用器的系統設計過程中，對當前MPEG比特率的實時監控和測量是至關重要的，它的目的就是為了對當前網絡傳輸的延遲進行實時的測量和監控。如果在接收器中能夠實時跟蹤測試當前的比特率的話，那么基本上ATM/CATV網絡的傳輸延遲（網絡堵塞）將會在解碼器端得到實時的補償。

3 接收端MPEG比特率的測量算法

在ATM或者CATV網絡傳輸過程中，MPEG-Ⅱ傳輸分組由于網絡堵塞而造成的隨機延遲，使得在解復用器或者解碼器端接收到的分組系統時鐘和發送端輸出的有一定的偏移，在理想情況下，往往對這個偏移不進行考慮，但正是由于這一點而造成視頻解碼無法正常工作，或者圖像無法恢復到原先的狀態。在這種情況下，對系統時鐘STC的恢復將會在一個不確定的狀態下進行。為了避免這種情況的發生，就必須對STC的狀態進行檢測，將當前得到的PCR的值和本地產生的時鐘進行比較，比較的公式推導如下：

(ΔSTC-ΔPCR)ΔSTC=(Δb/ΔPCR-Rf)(Δb/ΔPCR)(1)

式中：ΔSTC＝STC(t)-STC(t-1)

ΔPCR＝PCR(t)-PCR(t-1)

Δb=b(t)-b(t-1)

t——PCR到達時間；

b(t)——在PCR到達時間t時刻累加的比特數；

Rf——在兩個連續過程和更多的PCR之間的運行時間比特率。

如果這里用Sf來替代Δb/ΔPCR，那么（1）式就可以變為：

（ΔSTC-ΔPCR）/ΔSTC=(Sf-Rf) /Sf(2)

在上式中

Rf＝(ΔSTC/ΔPCR)K(3)

而在可變速率MPEG-Ⅱ傳輸流（VBR）中由于Sf是一個變量，因此（2）式可以演變成為：

Rf＝（ΔSTC