基于TSoIP技术的广播电视机房传输应用模式探析

张迎春

（仙居县传媒中心，浙江 台州 317300）

0 引 言

随着科学技术的不断发展，大数据技术和超高清视频内容逐步被大众所追捧。传统广播网络的传播机制受限于频点资源，不足以满足市场大众化需求。改造广播电视网络传输技术势在必行[1]。TS流是基于MPEG-2压缩编码的数据传输流，用于传输广播电视音视频素材或用户信息。网际互连协议（Internet Protocol，IP）是为计算机网络连接设计的相关协议。TSoIP就是在遵循IP协议的基础上，将TS流进行网络传输。TSoIP的主要功能是实现数字电视与广播电视业务模式转换，使广播电视数字电视节目通过IP网络形式进行传输。广播电视IP化传输具有结构简单、拓展灵活、传输速度快且射频距离远等优势。将TS数据流转化为IP流进行传输，对于突破现有广播电视行业发展具有积极作用。本文基于TSoIP技术的广播电视机房应用模式，对广播电视从TS数据流转为IP流的传输的运行方式进行了分析，采用MPEG-2编码器对传输内容进行压缩，借助静态码率平滑算法（SRS）对TS流的码率值进行计算，并利用计数差方式对TS流中的PCR基准值进行了校正，实现了将TS数据流封装打包为IP数据流的传输方式，提高了广播电视服务品质。

1 广播电视音视频压缩

一般情况下，当播放视频内容的图像分辨率达到720×576的标准清晰度时，该视频节目的有效原始码率为166 Mb·s-1，即视频编码产生的数据容量值为20 MB·s-1，72 GB·h-1[2]。因此，采用MPEG-2压缩编码数据传输至关重要。TS流是一种基于MPEG-2压缩编码的数据传输流，在传输广播数字电视音视频节目或用户信息中起着重要作用。基于MPEG-2压缩编码的数据传输TS流形成过程如图1所示。

图1 广播电视音视频压缩过程

由图1可知，待传输的音视频数据流，经音视频编码器对其进行编码后，输出被打包压缩的基本码流PES，经处理后的数据流含解码器所必备的原始视音频恢复信息。基本码流通过数据传输且被分解打包，形成了PES数据包，经PS/TS复用器工作后，分别成为节目码流（PS）或传输码流（TS）。

MPEG-2编码压缩利用音视频传输图像的统计特性，根据传输音视频的时间或空间冗余对音视频进行动态调整压缩。该技术通过对码率进行分配，去除掉音视频图像中所存有的冗余信息[3]。MPEG-2的编码应用帧内对其进行编码，图像一般分为I帧、P帧、B帧三类。其中，I帧是用于解码的基准帧，不存在运动补偿；P帧采用图像前向时间预测，即在音视频相应宏块像素中，通过帧内编码或正向预测获得数据；B帧作为双向时间预测，其图像既与过去出现的图像帧相关，同时也能预测未来即将出现的图像帧[4]。解码器在对码流进行处理期间，需要对各帧节点进行重排，用以恢复音视频中的原始图像。若需去除音视频图像中的时间冗余，则需要采用运动估计技术将音视频中的当前宏块同其他前后方向参考帧像素作出匹配，获得最佳运动矢量，通过运动矢量将过去帧进行位移叠加，可求取相应的误差值，获取具体帧节点。TSoIP技术将广播电视数字视音频素材做压缩处理后，即可同步TS码率波动，使数字电视节目以适合宽带IP网络的形式输出。

2 同步TS码率波动

2.1 平滑TS流码率

传输码流（TS）的码率在音频压缩过程中可能会遇到一些影响因素，致使TS流码率起伏较大，导致广播时出现失帧、跳帧的现象。为解决这一问题，在TSoIP技术的运用中，需平滑TS数据流量包，可通过静态码率平滑算法（SRS）的缓冲机制进一步实现。该方法可同步应用于测试TS流码率波动。

采用静态码率平滑法（SRS），需在数据流中提前配置足量缓冲区，并在相应缓冲区域中设置好阈值。假设TS数据流的缓冲区域大小为N，则该缓冲区域中可以存储N个TS包。设定该缓冲区的相对阈值为X，且缓冲区域处于半满状态，则该区域的数值为X=N/2。TS流在分发模块期间，将TS包存储至该缓冲区域，且对该区域中的TS包数量进行监控。设定缓冲区域监控速率为A，监控到的包数为B。监控包数B决定是否对TS流量进行IP封装打包。若B>X，则将TS数据流交给IP进行封装打包；若缓冲区域中TS流量包同监控包B刚好达到阈值X，则依照SRS静态码平滑算法，将TS数据包发送至下一个缓冲监控区中。采用SRS静态码率平滑算法，只需预先缓存X个TS数据包，就可以在下个监控周期内封存并打包相应IP数据，监控测试如图3所示。

图3 SRS对输入码流的平滑

由图3可知，采用SRS静态码率平滑算法，可将不规律的码流变得规律平滑，监控输出所得的码流变动速率接近数据输入平均码率。通过对当前缓冲区域中的数据占有率阈值位置关系进行分析，可有效判定该区域的数据是否需要进行缓冲处理，以此实现TS码率平滑，解决音频失帧、跳帧的问题。

2.2 校正具体阈值

通过MPEG-2系统对广播电视音频进行压缩，为预防MPEG-2中存在不恒定延时状况，PCR校正算法基于计数值差进行运算，根据码率记录时间或延迟信息，对PCR包中的具体阈值进行校正，以此得出新的PCR基准值，确定TS包的位置，解决传输过程中的延时问题。校正算法如式（1）所示。

式中：∆PCR代表PCR在运行中的实际延迟，PCRnew代表被纠正后的PCR校正值，PCRold代表PCR包中原有的PCR初始值。

该校正算法基于原PCR的初始值进行校正，因而只会对PCR的校正项产生一定影响。由于其所引入的偏差值较低，对于解码器时钟恢复而言，不会产生明显影响。此外，该校正方式应用计数值之差的计算方法，波率偏差不存在累计时长等问题。即便出现一定偏差，对于解码端的缓冲也基本不造成影响。为实现IP入口兼容，还需要PID信息区分若干TS流，如图4所示。

图4 TS流中TS包的位置关系

图4为采用计数差对PCR进行校正后的TS流。由于传输TS流的最终目标是实现IP数据流的转化传输，因而，需对若干间隔TS流进行数据保存，采用RAM可实现存储需求。

假 设TSt-1与TSt之 间 的 包 间 隔 为∆Tt，t代表TS数据流中的第t个数据流量包。为了便于对PCR包进行表述，采用PCRj示意TS数据流中第j个PCR包。

当TSt包进入PCR校正模块后，将当前包间隔计数器的值∆Tt进行保存，且提取出相应数据流初始信息，如PID初始数据，将其设定为PCRflag，并根据PCRflag判定该TSt数据包是否属于PCR包。如果确定是PCR包，则提取相应信息，将其记为PCRj。

根据PID初始数据信息，搜索RAM中的对应数据流量。通过流量通道ch(k)，读取对应通道中的PCR值，将其记为PCRt-1。若TSt包是普遍应用的TS数据流包，则将∆Tt叠加到PCRt-1之上，重新写入RAM对应的PCR字节中；若TSt包是对应的PCR包，则将相应的PCRt-1与∆Tt插入至TSt包的PCR字节中，将RAM中现有的PCRt-1转换成PCRj。经上述方式对PCR作出校正后，即可完成相应步骤。PCR校正算法如式（2）所示。

式中：m代表PCRj-1后一个TS包，n代表现有的PCRj包，即目前的TS数据流包属于PCR包，PCRj´则代表PCRj经校正后的值代表第j个PCR包同第j-1个PCR包之间形成的TS数据流的总间隔。

由于采用PCR的差值，可以反映出TS数据流的关系。因而，通过上述公式推算，改进后的PCR校正差值如式（3）所示。

当TS数据流在缓冲区域取得具体阈值，则可满足RAM存储需求，解决传输过程中的延时问题。当TS码率波动得到同步，TS数据在以太网上传输，汇入IP流后实现整体传输过程。

3 实现IP流传输

基于TSoIP技术的广播电视机房传输将同步波动后的TS数据遵循一定的IP协议，实现IP流传输，实现了数字化的传播运行。IP广播技术将有线电视网络光纤IP化，既保留了有线电视网络广播特性，又满足了终端用户交互业务和宽带互联网业务的需求，实现了超大带宽双向接入全业务融合的创新[5]。采用保留独立通道的IP广播技术方案，几乎没有额外损耗，在IP调度分发制播系统中，经济高效、无差错传输TS数据流是实现广播电视数据传输的最终目标。经MPEG-2编码压缩后，在编码器内部进行运算，对TS流进行处理做IP封装，此时编码器IP端口输出广播电视信息码流。当IP码流输出至相应地区交换机中，经交换机工作处理后，由另一个端口对信息进行输出。信息流通过网络透传板持续传输，将处理后的IP数据映射至相应的SDI信号中。通过SDI传输，将IP码流传输至中心传输设备，所有IP码流汇聚至千兆网处理板，将音视频信号传输至各家庭用户中。随着广播电视音视频TSoIP化传输应用的普及，基于IP技术的传输方式使得整个广播电视传输架构变得更加高效，从而节省了带宽传输资源。

4 结 语

采用TSoIP技术可有效降低广播电视机房设备成本，应用MPEG-2编码压缩，有效提升了音视频素材的传播效率。通过对数据信息TS流计算处理，将TS数据流打包至IP流进行封装传输，有效提升了广播电视传输实际业务速率。该技术的应用具有一定的便利性和通用性，通过配置普通交换机，IP接口的输出流就可以在物理上实现交换共用，节省了电缆接口的使用量，提高了机房空间的利用率，为电视广播产业的发展提速带来了新的机遇。