關鍵詞：音畫不同步 MPEG-2 PCR DTS PTS 編碼器 解碼器
隨着我國數字電視的迅猛發展，以及城市廣電網絡數字化改造的推進，越來越多的人們開始采用機頂盒來收看數字電視節目。但在通過機頂盒收看電視節目的過程中，觀眾有時會發現一些音畫不同步的現象。這也引起了我們的注意。
現象及測試
貴陽市在2007年底基本完成了廣電網絡數字化改造，貴州電視台的節目也都進入了數字網絡傳輸。在進入數字網以后，我們發現，我台的幾套節目在有些地區出現了音畫不同步的現象，特別是衛視頻道和百姓頻道在播報新聞時尤其明顯。為了弄清楚問題出現在哪里，我們決定，在我台節目的整個傳輸路徑，作一個唇音同步測試。用來做測試的設備是泰克公司的WFM7120，在做音/視頻延時測量時，還需要通過TG700 DVG7產生一串短促的彩條視頻信號，在這組視頻信號中嵌入音頻序列，其間隔為5s，將這樣的信號送入被測系統，最后將信號送到WFM7120里以測量音、視頻之間的定時差。
播控中心內部測試
如圖1所示，為了測量在電視台系統內部是否存在音/視頻時延差，我們利用檢修時間將TG700產生的測試信號錄入播出硬盤，通過硬盤播放，以及將測試信號分別輸入到延時器和幀同步模塊后，在一個頻道上播出，然后我們在傳送部將信號傳到網絡公司的編碼器之前，對這三路信號進行測量。測量結果顯示，這三路信號的音/視頻時延差均不超過12ms，即不夠一場，表明信號在播控中心不存在音畫不同步問題。
不同機頂盒的測試
第二個測量點，我們選擇了網絡公司的前端機房。如圖2所示，在這里，我們選取了現在國內使用的主要幾個品牌的機頂盒做測試，將TG700的測試信號，通過原來我們在用的編碼器編碼后，插入我們現在在播的頻道，然后在前端機房用機頂盒把電視信號解調出來。解出來的音/視頻信號，再通過一台松下公司的D950錄像機，把模擬的信號進行A/D和加嵌處理后，送到WFM7120進行測量。測量結果顯示，這幾種機頂盒的音/視頻時延差表現不一，有的超前了150ms，有的滯后了300ms。這表明不同的機頂盒，對同樣的數字電視信號進行解調、解碼后保持音/視頻信號之間的同步關系有不同的能力。
不同編碼器的測試
如圖3所示，我們仍然用TG700信號發生器，對不同編碼器進行測試，擦啟用編碼器、調制器和機頂盒構建了一個模擬的播出/收看環境。在這里，我們采用了不同品牌的幾種編碼器，對TG700的測試信號進行編碼后，經過相同的調制器調制，再用同一個機頂盒把信號解出來，同樣經過D950處理后送到WFM7120測量。最后測量的結果是，它們的音/視頻時延差有的是30ms，有的則達到了300ms，表明了不同的編碼器，對機頂盒最終收看信號的音/視頻同步有較大影響。
原因分析
MPEG-2系統的定時原理
目前，在我國的數字電視傳輸系統中， MPEG-2標准作為重要的音視頻壓縮標准，在對信號源端的節目信號壓縮、編碼、復用，以及接收端對信號的解復用和解碼部分，得到了廣泛的應用。而我們正在使用的數字傳輸系統，正是基於MPEG-2標准的系統。下面我們來看看MPEG-2的系統結構，如圖4中所示。
由圖4中可看出，音視頻信號在經過壓縮編碼器去掉冗余信息后，形成基本碼流。這個基本碼流並不能被直接存儲或傳送，還必須送入特定的打包器，把基本碼流按一定的格式分成段落，並加入特定的標識字符，形成所謂的打包基本碼流(PES)。PES包是長度不固定的音、視頻數據包，再把音視頻PES包，以及輔助數據送入傳輸子系統，分割成一個又一個長度固定為188b的小數據包，並通過時分多工復用形成單一的TS流，該TS流經過信道傳輸后到達接收端。
眾所周知，同步是實現電視正確顯示的必要條件。對數字電視來說，由於在壓縮編碼過程中，利用緩存器對信號存儲，復用器中信號的時間軸是變動的，加上數據冗余量大小的不同，壓縮比也不同，因此時間軸變動很大，尤其是在幀組層處理中，B幀和P幀的順序也發生了變化。所有這些，使得數字電視信號的同步，完全失去了原來序列的概念。實現同步的有效辦法，就是在信號碼流中，每經過一個規定的間隔加入一個時間標簽。有了這個標簽，就可以在接收端在顯示之前的解碼過程中，根據這個時間標簽進行重新排序，重建在壓縮編碼之前圖像的順序，以及聲音和圖像之間的時間關系，從而實現圖像同步及聲音與圖像同步。
由圖4還可看出，MPEG-2編碼器中有單一的共同系統時鍾STC (27MHz)，此時鍾用來產生指示音頻/視頻正確解碼和顯示時序的時間標簽，同時，可用來指示在抽樣瞬間系統時鍾時間的瞬時值。該時鍾由輸入視頻的行同步鎖相，當輸入是SDI信號時，由其時鍾經10分頻產生編碼器的系統時鍾。正是編碼器中共同系統時鍾的出現，以及解碼器中時鍾的重新生成和時間標簽的正確使用，才為解碼器中操作的正確同步提供了基准。為實現編解碼器的時鍾同步，在編碼器中對STC系統時鍾進行計數，每隔一定的傳輸時間，在經過選擇的TS包的適應頭中，傳輸該計數器的抽樣值給接收機，作為解碼器的節目時鍾參考信號，既PCR。PCR有效位為42b，其中高33b為PCR_Base，是以27MHz時鍾，經300分頻后的時鍾為單位的計數值，低9b為PCR_Extension，是以27MHz時鍾為單位的計數值。除PCR外，解碼時間標簽DTS和顯示時間標簽PTS，也非常重要。它們與PCR_Base相似，也是以編碼器27MHz的系統時鍾，經300分頻后為單位的計數值來創建的。其中，DTS用於指示解碼器何時對接收的圖像、音頻幀進行解碼，PTS用於通知何時顯示已解碼的圖像幀。
在使用雙向編碼時，對某一圖像的解碼，必須在其顯示之前的一段時間內進行，這樣它才能作為解碼B幀圖像的源數據。例如，圖像的顯示順序是IBBP，但圖像的傳輸順序則是IPBB。MPEG參考模型認為解碼是瞬間發生的，即解碼、顯示同時進行。對於音頻幀和圖像B幀來說，解碼時間和顯示時間是一致的，PTS與DTS相同，因此只要傳輸PTS。對於視頻I幀和P幀來說，由於存在幀重新排序，解碼時間和顯示時間不一樣，此時必須同時傳送PTS與DTS。當解碼器接收到IPBB圖像序列時，它必須在解碼第一個B幀圖像之前，對I幀和P幀圖像解碼。解碼器每次只能解碼一幀圖像，因此先對I幀圖像解碼並將其存儲起來，待P幀圖像被解碼時，就輸出顯示已解碼的I幀圖像，隨后才解碼顯示B幀圖像。表1、2、3、4所示，是編碼器輸入、輸出的圖像順序、各幀的PTS、DTS值，以及解碼器對各幀圖像的解碼和顯示順序。
表1中，13幀圖像構成一個圖像組，第1幀I幀采用幀內編碼，第2、3B幀是由第1、4幀通過雙向預測得到，第4幀P幀是由第1幀通過前向預測而得。編碼器在編完第1幀后，先緩存第2、3幀圖像，對第4幀圖像進行編碼，然后再對第2、3幀圖像進行編碼，依次類推，最后得到的編碼輸出順序如表2所示。
由表3和表4可看出，當解碼器接收到某個含有一個I幀圖像的存取單元時，在其文件數據包中應含有DTS與PTS，這兩個標簽的值之間的時間間隔為一個圖像周期。在I幀圖像之后是P幀，其文件數據包中也應有一個DTS和一個PTS，這兩個標簽的值之間的時間間隔是三個圖像周期。然后是兩個B幀，其文件數據包中只含有PTS。也就是說，I幀圖像在解碼后要延時一幀后才播放顯示，在顯示I幀時對第4幀P幀進行解碼，但不播放顯示，先緩存起來，當1I幀播放顯示完后，立即解碼顯示2B幀，然后是3B幀，過后才顯示緩存的4P幀，同時對7P幀進行解碼並緩存，依次類推。可見，解碼顯示的圖像順序，與表1的圖像輸入順序是一致的。
解碼器(機頂盒)的定時原理
PTS和DTS只是一個33b的數值，如果沒有PCR所代表的時間軸做參考，這個數值是沒有意義的。為了保持正確解碼，必須使編碼器和解碼器(機頂盒)的系統時鍾保持鎖定，即它們的頻率保持一致，以及它們各自的計數器的初始值一致。
解碼器(機頂盒)中有一個頻率為27MHz左右的壓控振盪器(VCO)，輸出信號作為系統時鍾送入計數器中產生當前的STC樣值，它與PCR一樣也是42b的一個數值。其中，高33b是以27MHz經過300粉頻后的時鍾為單位的計數值，低9b是以27MHz時鍾為單位的計數值。當一個新節目到達解碼器(機頂盒)時，解碼器(機頂盒)從碼流中獲得PCR值，用其PCR_Extention值與當前STC的低9b位作比較，得到誤差信號，再通過鎖相環電路去調整壓控振盪器，使解碼器(機頂盒)的系統時鍾頻率，與編碼器的系統時鍾頻率保持一致。從碼流中依次獲得各幀的PTS與DTS值，將其和當前STC值的高33b位作比較。如果DTS值大於STC值，則對碼流進行緩存，同時監測STC值的變化，當STC值增大到與DTS值相等時，對該幀碼流進行解碼，當STC值與PTS值相等時，播放該幀。如果由於傳輸網絡的緩沖延時抖動，當碼流到達解碼器(機頂盒)時，其PTS值已經小於STC值，則解碼器(機頂盒)跳過這一幀，丟棄該幀數據。由於PTS和DTS是根據PCR值產生的，因此必須將獲得的第一個PCR值，作為初始值去置位解碼器(機頂盒)的STC計數器，使它們的值一樣，否則，將導致時基不同，從而解碼出錯。音頻與視頻的處理相似，只是不存在時序重排的問題。圖5所示是解碼器(機頂盒)PCR工作原理圖。
音畫不同步產生原因
在實際應用中，有些編碼器由於輸入視頻信號的時基不穩，導致其輸出時鍾發生抖動，幀同步的間隔不是40ms。這些編碼器，在根據PCR和緩沖延時設定初始的DTS值后，每幀的DTS值，由上一個DTS加上一個固定值得到(該值可由如下計算而得：27MHz經300分頻后為90kHz，PAL制電視每秒為25幀，由此，該值是90000/25=3600)，並根據幀類型和GOP類型計算出PTS值。但這段時間PCR值並不是增加3600，導致DTS和PTS相對PCR變大或變小。有些解碼器(機頂盒)沒有采用壓控震盪器，其系統時鍾為固定的27MHz，只是用接收到的PCR值，初始化本地系統時鍾計數器的值。編碼器和解碼器(機頂盒)之間不能保持嚴格的鎖定，這樣就可能導致解碼器(機頂盒)丟幀。而有的解碼器(機頂盒)在發生丟幀的情況后就不再嚴格按DTS和PTS解碼顯示，而是根據緩沖區的情況來解碼，由於視音頻編碼的延時不一樣，就可能導致音畫不同步。
此外，在從編碼器到解碼器(機頂盒)的傳輸過程中，由於存在着復用器、調制器等變延時緩存的環節，可能導致PCR包的傳輸延時不恆定，有大有小。如果不對PCR進行修正，也可能導致以上問題的發生。
總結
由以上分析可以看出，編碼器和解碼器(機頂盒)都有可能導致音畫不同步的發生。我台在對各品牌的編碼器進行測試后，選擇了一家測試指標比較好的編碼器，替換下原來的編碼器，使得電視音畫不同步的現象得到了較大改善。而網絡公司在下一步引進機頂盒的工作中，也將加強對相關指標進行測試，以改善廣大觀眾的收視質量。當然，在推進我國廣播電視數字化的進程中，還需要我們廣大電視工作者，以及各設備生產廠家的共同努力，才能最終取得圓滿成功。
（全文完）