數(shù)字視頻中信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

數(shù)字視頻中信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

（6月第67頁）。4數(shù)據(jù)通道和蒸發(fā)兩端契約在數(shù)字視頻中借用數(shù)據(jù)鏈路層和協(xié)議層的概念是為了理解數(shù)據(jù)通道和收發(fā)兩端約定的協(xié)議。具體到數(shù)字視頻就是與成幀、同步、差錯(cuò)控制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。4.1基于鎖相能力適應(yīng)的sdv/eav信號格式GB/T14857-1993和GB/T17953-2000對SDI信號格式進(jìn)行了規(guī)定，包括：編碼特性、數(shù)據(jù)格式、信號結(jié)構(gòu)、定時(shí)基準(zhǔn)碼。與差錯(cuò)控制相關(guān)的內(nèi)容有：碼字加擾、傳輸順序、邏輯規(guī)定等。其中碼字加擾采用G1(x)×G2(x)的多項(xiàng)式進(jìn)行隨機(jī)化，G1(x)=x標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定從0到3和從1020到1023范圍的數(shù)據(jù)字（10比特系統(tǒng)），電平為0和255的數(shù)據(jù)字（8比特系統(tǒng)），是專供同步基準(zhǔn)信號使用的，不能作為視頻數(shù)據(jù)出現(xiàn)。一般設(shè)備不會出現(xiàn)這種錯(cuò)誤，但在測試中也發(fā)現(xiàn)過一些插入數(shù)字水印的設(shè)備使用了這些值，在通常圖像下不會暴露問題，但遇到高亮圖像時(shí)，下游設(shè)備會發(fā)生同步丟失。雖然在這一層將原始信號中的連“0”或連“1”消除了（如EAV和SAV含有較多連0串），但是對于某些信號，如紫色和灰色影調(diào)、亮綠和暗綠影調(diào)，又有可能引入新的長連0、連1字串，這也是上一節(jié)強(qiáng)調(diào)采用GB/T18472-2001《數(shù)字編碼彩色電視用測試信號》規(guī)定的電纜均衡器測試信號和鎖相環(huán)電路等測試信號的原因。這里簡要介紹一下當(dāng)時(shí)制定該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思路：考慮到碼字加擾的生成多項(xiàng)式，設(shè)計(jì)出Y和C分別連續(xù)賦值192.00和102.00，對應(yīng)為淺綠色的圖像，一旦加擾器初始化之后（大約需要幾行的時(shí)間），將重復(fù)地輸出19個(gè)連續(xù)的高電平、其后緊隨1個(gè)低電平；或者19個(gè)連續(xù)的低電平、其后緊隨1個(gè)高電平。因此形成一個(gè)正或負(fù)極性的低頻信號，帶有較大的直流成分，產(chǎn)生對接收端均衡器較大的測試壓力。鎖相能力適應(yīng)測試的原理是產(chǎn)生具有大低頻分量和小高頻分量（也即電平過零跳變較少）的信號，通過加擾試算，設(shè)計(jì)出Y和C分別連續(xù)賦值128.00和68.00，對應(yīng)深綠色的圖像，可以重復(fù)產(chǎn)生20個(gè)連續(xù)的高電平和20個(gè)連續(xù)的低電平，能夠?qū)邮斩说臅r(shí)鐘恢復(fù)、相位鎖定和判決產(chǎn)生較大的測試壓力。另外，均衡器的測試要依靠帶有極性偏置的串行信號，所以必須確保能實(shí)現(xiàn)正、負(fù)極性兩種偏置。為使逐幀改變偏置的極性，在一個(gè)圖像場內(nèi)所有行中的所有數(shù)據(jù)字的代數(shù)總和必須為奇數(shù)，因此定義了信號中第一場第一有效行中的最后一個(gè)樣值Y樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)字隔幀地從192.00變?yōu)?2.00（凈改變了1個(gè)數(shù)據(jù)比特）。這樣，偏置極性將以幀頻交替變化。通過這兩項(xiàng)測試，可檢查系統(tǒng)中各級設(shè)備在數(shù)據(jù)鏈路層的同步、成幀、誤碼性能。系統(tǒng)的定時(shí)基準(zhǔn)是使用SAV和EAV進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在其4個(gè)10比特的字中，前3個(gè)字為固定前綴，第4個(gè)字包含的信息定義了場的識別（F）、場/幀消隱期（V）和行消隱期（H），并在其中安排了4個(gè)比特的校驗(yàn)位，能夠?qū)崿F(xiàn)糾正1個(gè)比特錯(cuò)、發(fā)現(xiàn)2個(gè)比特錯(cuò)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)同步的魯棒性。關(guān)于這里的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)其實(shí)無需對整個(gè)SAV或EAV進(jìn)行，因?yàn)榇蟛糠直忍刂凳强梢灶A(yù)知的，所以只是針對F、V和H的接收比特，因?yàn)閷π袌鑫恢玫闹甘痉浅Ｖ匾?。對于老?比特SDTV系統(tǒng)，SAV和EAV只使用比特序號9至2的8個(gè)比特；但在所有HDTV系統(tǒng)中全部使用10比特的SAV和EAV。SAV和EAV的具體數(shù)值在GB/T17953-2000中規(guī)定如表2(10比特系統(tǒng)）：在實(shí)際測試中，國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)方式都并不適合于數(shù)值比對，為了工程使用方便，在測試中可以使用下面這個(gè)表格，與儀器的顯示方式相吻合，非常便于對照（10比特系統(tǒng)），見表3。SAV和EAV看似簡單，但往往串在系統(tǒng)中的某些設(shè)備會引入錯(cuò)誤，所以也是必測項(xiàng)目之一。GY/T155-2000和GY/T157-2000對HD-SDI信號格式進(jìn)行了規(guī)定。HD-SDI的比特串行數(shù)據(jù)由圖像數(shù)據(jù)、圖像定時(shí)基準(zhǔn)碼、行號數(shù)數(shù)據(jù)、誤碼檢測碼、輔助數(shù)據(jù)和消隱數(shù)據(jù)組成。其中行號數(shù)數(shù)據(jù)由指明行號數(shù)的兩個(gè)字組成，緊接在EAV之后。誤碼檢測碼為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRCC），用以檢測有效數(shù)字行、EAV和行號數(shù)數(shù)據(jù)中的誤碼，它由兩個(gè)字組成，決定于下列生成多項(xiàng)式：EDC(x)=x數(shù)據(jù)復(fù)用后的傳送順序如圖1所示。新的HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)BT.1120-6補(bǔ)充規(guī)定了雙鏈路接口，使接口的標(biāo)稱時(shí)鐘頻率為兩種,即1.485GHz和2.97GHz（或2.97/1.001GHz）。其中2.97GHz用于雙鏈路操作，2.97/1.001GHz用于單鏈路操作。新的2.97GHz時(shí)鐘允許通過鏈路A和鏈路B兩個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸。每個(gè)鏈路的串行數(shù)據(jù)流又包含兩個(gè)信道，第1信道（Y信道）和第2信道（C“A”分量為輔助數(shù)據(jù)分量，由用戶依據(jù)應(yīng)用予以定義。A分量應(yīng)用于非圖像數(shù)據(jù)的場合下，輔助信號的比特深度限制于最大8比特。HD-SDI信號格式的其他內(nèi)容與SDI的情況基本相似，包括測試信號的賦值也適用。高清標(biāo)準(zhǔn)對定時(shí)參考信號的表達(dá)方式同樣不適合于數(shù)值比對,為了工程使用方便,本文提供下面這個(gè)表格,與儀器的顯示方式相吻合,可用于測試對照。不同于標(biāo)清電視,我國只有625/50i一種格式,而我國的HDTV視頻格式規(guī)定了1125/50i和1125/24p兩種。表5是50i隔行系統(tǒng)的參數(shù),對24p逐行系統(tǒng)可以參照標(biāo)準(zhǔn)自行填寫。4.3將adf嵌入到附屬數(shù)據(jù)格式(1)GY/T160-2000規(guī)定了附屬數(shù)據(jù)包的格式和應(yīng)用附屬數(shù)據(jù)空間的協(xié)議。格式包括：附屬數(shù)據(jù)包類型（分為類型1和類型2，其中類型1只使用一個(gè)字作為數(shù)據(jù)標(biāo)識，而類型2使用兩個(gè)字作為數(shù)據(jù)標(biāo)識）、附屬數(shù)據(jù)標(biāo)志（ADF）、數(shù)據(jù)標(biāo)識（DID）、數(shù)據(jù)塊序號（DBN）、補(bǔ)充數(shù)據(jù)標(biāo)識（SDID）、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)（DC）、用戶數(shù)據(jù)字（UDW）、校驗(yàn)和（CS），見圖2。附屬數(shù)據(jù)包必須緊隨在指明附屬數(shù)據(jù)空間開始的EAV或SAV定時(shí)基準(zhǔn)信號之后。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：如果該空間中的前三個(gè)字不是ADF(00.0hFF.ChFF.Ch)，則可以認(rèn)為不存在附屬數(shù)據(jù)包，整個(gè)區(qū)域即可以用于插入附屬數(shù)據(jù)包。但是，目前有一些設(shè)備采用了非標(biāo)的私有協(xié)議，既要傳遞私有數(shù)據(jù)又不使用ADF標(biāo)志，如果使用了這樣的設(shè)備將會在系統(tǒng)中埋下隱患，且此種問題較為常見（最近北京電視臺的專家在測試中也發(fā)現(xiàn)有這一類的問題），應(yīng)該在測試中認(rèn)真檢查。(2)GY/T161-2000規(guī)定了嵌入到附屬數(shù)據(jù)空間內(nèi)的數(shù)字音頻、輔助數(shù)據(jù)及其有關(guān)控制信息的傳輸協(xié)議。包括：可用的附屬空間、放置位置、音頻數(shù)據(jù)包的格式化（通道對的定義、傳輸順序、無效通道定義、取樣頻率、包長度）、音頻控制包、擴(kuò)展數(shù)據(jù)包的格式化、音頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、音頻數(shù)據(jù)包、擴(kuò)展數(shù)據(jù)包、音頻控制包結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)。其中,音頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含了AES/EBU子幀映射到連續(xù)附屬數(shù)據(jù)字的映射關(guān)系,以及Z比特的定義。音頻控制包規(guī)定了音頻組的關(guān)系、音頻幀號、音頻幀字比特位、取樣頻率指示、延時(shí)指示等重要信息。(4)GY/T163-2000主要規(guī)定的是附屬數(shù)據(jù)空間內(nèi)時(shí)間碼和控制碼的傳輸格式。在實(shí)際測試中，此部分并未作為測試的重點(diǎn)，也少有見到出錯(cuò)的設(shè)備。對開發(fā)人員來說，應(yīng)特別注意附屬數(shù)據(jù)空間內(nèi)時(shí)間碼和控制碼在SDI和HD-SDI中的不同，可具體參看該標(biāo)準(zhǔn)。4.4同步機(jī)輸出擺動(dòng)的測量與同步要求相關(guān)的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T167-2000《數(shù)字分量演播室的同步基準(zhǔn)信號》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20562-2006《演播室串行數(shù)字信號抖動(dòng)技術(shù)參數(shù)與測量方法》。GY/T167-2000規(guī)定了數(shù)字分量演播室及設(shè)備視頻信號的同步方法，它保證了信號切換時(shí)畫面不出現(xiàn)滾動(dòng)、跳動(dòng)和彩色失真等現(xiàn)象。GY/T167-2000規(guī)定了輸入同步和輸出同步。輸入同步是指數(shù)字分量演播室或設(shè)備由輸入信號所同步。當(dāng)同步到輸入信號時(shí)，設(shè)備必需從輸入視頻信號中獲取時(shí)鐘和定時(shí)基準(zhǔn)信息。輸出同步是指兩個(gè)或更多信號源的同步。對于全數(shù)字環(huán)境，可以采用符合GB/T17953的數(shù)字信號作為同步基準(zhǔn)。對于模擬、數(shù)字混合環(huán)境，可以采用對建立時(shí)間和抖動(dòng)容限稍加改進(jìn)的模擬黑場來保證系統(tǒng)的同步。對模擬黑場同步信號的指標(biāo)要求，除原有的幅度、頻差等指標(biāo)外（此處略，可見標(biāo)準(zhǔn)GB3174-1995），應(yīng)重點(diǎn)測量兩項(xiàng)：(1)行同步脈沖前沿的建立時(shí)間，不應(yīng)超過210ns，測量時(shí)應(yīng)讀取在10%和90%幅度值之間時(shí)間。這比普通模擬黑場行同步前沿建立時(shí)間的200±100ns要求略有不同。(2)抖動(dòng)，行同步脈沖各個(gè)前沿的定時(shí)應(yīng)在前沿平均定時(shí)的±2.5ns范圍之內(nèi),測量至少一場時(shí)間。這是GY/T167-2000和ITU-RBT.711的規(guī)定。SMPTE318M的規(guī)定更為嚴(yán)格，為峰-峰2ns。我們在實(shí)際測試中比較：如果針對同步機(jī)輸出信號，使用SMPTE的峰-峰2ns更為合適一些。GB/T20562-2006《演播室串行數(shù)字信號抖動(dòng)技術(shù)參數(shù)與測量方法》修改采用了ITU-RBT.1363，它規(guī)定了固有抖動(dòng)、輸出抖動(dòng)、輸入抖動(dòng)容限、抖動(dòng)傳遞以及各自的測量方法。由于內(nèi)容很多，本文篇幅所限，不再詳述。高清系統(tǒng)推薦采用雙極性三電平的同步信號，具體參數(shù)見GY/T155-2000。在我們的測試中，體會到抖動(dòng)對數(shù)字系統(tǒng)的影響很大。在一些“疑難雜癥”的測試中，曾發(fā)現(xiàn)低頻抖動(dòng)超標(biāo)、圖像閃爍等現(xiàn)象，由于是間歇性的問題，給測試帶來很大困難。在多次測試后，才查出是由于下級設(shè)備的輸入抖動(dòng)容限較?。ūM管是國外某名牌設(shè)備），而前級輸出抖動(dòng)較大，產(chǎn)生了時(shí)有時(shí)無的問題。所以對數(shù)字系統(tǒng)的測試，前級和后級的抖動(dòng)相關(guān)指標(biāo)非常重要。在選購設(shè)備時(shí)，也應(yīng)考慮選擇輸入容限較大、輸出抖動(dòng)較小的設(shè)備，至少應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。4.5ASI信號格式和協(xié)議的所有要求數(shù)字壓縮視頻由MPEG-2分為ES層、PS層、TS層，其中TS層的作用應(yīng)屬于數(shù)據(jù)鏈路層的范疇。具體內(nèi)容由GB/T17975.1-2000《信息技術(shù)運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音信息的通用編碼第1部分系統(tǒng)》規(guī)定。有關(guān)的測試項(xiàng)目和技術(shù)要求在GY/T221-2006《有線數(shù)字電視系統(tǒng)技術(shù)要求和測量方法》的第6章進(jìn)行了規(guī)定，其大部分內(nèi)容與DVB的ETR101209相近，另外還根據(jù)我國的使用實(shí)際情況和DVB后來的一些相關(guān)文件，補(bǔ)充規(guī)定了部分表的間隔等其他內(nèi)容。主要也分為三級測量：(1)第一優(yōu)先級測量項(xiàng)目包括：TS同步丟失、同步字節(jié)錯(cuò)誤、連續(xù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤、PID錯(cuò)誤等共6項(xiàng)；(2)第二優(yōu)先級測量項(xiàng)目包括：傳輸錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、PCR間隔錯(cuò)誤、PCR不連續(xù)錯(cuò)誤、PCR精確度錯(cuò)誤等共7項(xiàng)；(3)第三優(yōu)先級測量項(xiàng)目包括：SI表間隔錯(cuò)誤、緩沖器錯(cuò)誤、未引用PID錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)延時(shí)錯(cuò)誤等共14項(xiàng)?！CR頻率偏移（PCR＿FO），限值±810Hz;·PCR漂移速率（PCR＿DR），限值75mHz，也可用近似值10ppm/h;·PCR總體抖動(dòng)（PCR＿OJ），限值25μs;·PCR精確度（PCR＿AC），也可稱相位誤差、誤差，限值±500ns大多數(shù)測試人員對TS的三級測試都比較熟悉，但在測試配置上往往容易忽略。對PCR相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試時(shí)，最關(guān)鍵的是正確選擇測試濾波器，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了四種濾波器，各自的特性總結(jié)如表6:從實(shí)際使用看，對MPEG-2的TS流應(yīng)優(yōu)先選擇MGF1。但遺憾的是，目前有些碼流分析儀內(nèi)部采用的是MGF3。就在最近的一次設(shè)備入網(wǎng)測試中，發(fā)現(xiàn)我們實(shí)驗(yàn)室的泰克MTS300測得的被測設(shè)備PCR誤差隨時(shí)間越長越大，最終超出了標(biāo)準(zhǔn)限值，而被測廠家稱自己在家測的PCR誤差一直是接近0。因此在實(shí)驗(yàn)室又使用了其他兩種碼流分析儀，確實(shí)都測出像廠家所說的結(jié)果。經(jīng)進(jìn)一步比較測試和分析，就是因?yàn)槭褂玫臏y試濾波器失配，導(dǎo)致廠家開發(fā)人員未能發(fā)現(xiàn)重要的技術(shù)問題。如使用這樣的設(shè)備，在長時(shí)間的漂移后可能導(dǎo)致下游設(shè)備PCR失鎖，引起長間隔、不定期的圖像破壞。文中提到的標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)問題，如有需要可與作者聯(lián)系:dengxiangdong@.4.2hd-sdi的配套數(shù)據(jù)信號傳輸協(xié)議比較常見的問題出在Z比特和控制包,一些設(shè)備輸出的取樣頻率指示、比特位信息等存在錯(cuò)誤。我們在給中央電視臺的測試、解放軍電視大樓的測試中都發(fā)現(xiàn)有此類錯(cuò)誤,在系統(tǒng)連接和信號輸出時(shí)會導(dǎo)致有用比特?fù)p耗、頻率轉(zhuǎn)換,音頻質(zhì)量下降,甚至無法使用。(3)GY/T162-2000更進(jìn)一步規(guī)定了在HD-SDI的附屬數(shù)據(jù)信號空間中24比特?cái)?shù)字音頻的傳輸協(xié)議。除了規(guī)定映射關(guān)系、各音頻幀中音頻樣值的排列等,它增加了對音頻數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)能力,其使用的ECC糾錯(cuò)碼針對從ADF第一個(gè)字到UDW17的24個(gè)字進(jìn)行校驗(yàn),糾錯(cuò)編碼為BCH(31,