1 引言
隨著數(shù)字電視技術(shù)的日漸成熟，我國電視網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化也正在進(jìn)行中。為了保證數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和傳輸質(zhì)量，必須采取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備作為輔助。碼流分析儀就是適應(yīng)數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求而開發(fā)的一種碼流監(jiān)測(cè)和分析設(shè)備。
目前市場(chǎng)上的碼流分析設(shè)備主要有嵌入式和"PCI板卡+PC機(jī)"兩種實(shí)現(xiàn)模式。嵌入式碼流分析儀成本較低，但是功能相對(duì)簡(jiǎn)單，無法滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求，并且由于資源的限制，不適合或者無法完成大容量的碼流存儲(chǔ)備份等功能。"PCI板卡+PC機(jī)"的實(shí)現(xiàn)模式克服了這些缺點(diǎn)，卻存在價(jià)格較高的問題。比如美國泰克公司和后來一些廠家出產(chǎn)的碼流分析儀，價(jià)格都比較昂貴。我們分析對(duì)比了市場(chǎng)上的碼流分析儀產(chǎn)品后，自主研發(fā)出了性能良好的PCI板卡，并在此基礎(chǔ)上，選用國產(chǎn)工業(yè)控制機(jī)作為平臺(tái)，構(gòu)建了性能優(yōu)良、成本較低的碼流分析儀系統(tǒng)。

筆者在整個(gè)系統(tǒng)的研制過程中，主要從事碼流分析儀軟件部分的開發(fā)。因此，本文將在對(duì)MPEG-2背景知識(shí)和碼流分析儀整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，討論軟件部分的實(shí)現(xiàn)。

2 MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)概述

2．1 MPEG-2與TS流
MPEG-2是如今數(shù)字電視領(lǐng)域系統(tǒng)層的普遍標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了傳送流(TS)和程序流(節(jié)目流)(PS)2種結(jié)構(gòu)。其中TS流適合于信道狀況相對(duì)惡劣，具有較高誤碼率的場(chǎng)合，因此已成為我國數(shù)字電視領(lǐng)域普遍使用的一種碼流格式。
TS流的組成過程是將原始的視頻和音頻信息按照適當(dāng)?shù)某叽鐒澐譃镋S流，之后對(duì)ES包附加信息形成PES包，再按照一定的規(guī)則，將SI和PSI信息或者PES包附加上系統(tǒng)層控制信息而成為TS包，從而組成完整的TS流。TS包有2種尺寸188 B或者204 B，后者加入了循環(huán)校驗(yàn)信息。

2．2 TS流的整體結(jié)構(gòu)

2．2．1 TS流系統(tǒng)層結(jié)構(gòu)
TS流系統(tǒng)層由有效負(fù)載和系統(tǒng)層信息構(gòu)成。
TS流系統(tǒng)層信息就是在PES包組成TS流的過程中，為了使碼流適合于信道傳輸和接收端恢復(fù)數(shù)據(jù)而添加的TS包頭和其他相關(guān)控制信息。系統(tǒng)層信息可以分為3類，即TS包頭信息、SI信息、PSI信息。

TS包頭是TS包的標(biāo)識(shí)部分，以0X47標(biāo)志一個(gè)TS包的開始，共4 B，包含了與當(dāng)前TS包相關(guān)的其他信息。其中比較重要的有PID，adaption_field_control，continuity_counter等信息，PID標(biāo)識(shí)了當(dāng)前TS包攜帶的數(shù)據(jù)內(nèi)容(有效數(shù)據(jù)、SI或PSI信息)，adaption_field _control表示當(dāng)前包攜帶調(diào)整字段和有效負(fù)載的情況(共2位，位表示有無調(diào)整字段，第二位表示有無有效負(fù)載)，continuity_counter是具有同一PID值的TS包之間的連續(xù)計(jì)數(shù)值。
從系統(tǒng)層的角度來看，TS包的結(jié)構(gòu)一般有以下幾種：有調(diào)整字段又有有效負(fù)載，只有調(diào)整字段沒有有效負(fù)載，只有有效負(fù)載沒有調(diào)整字段。這里所說的有效負(fù)載指的是原來PES包所包含的信息，PES包被分段后用來組成TS包，攜帶有SI和PSI信息的數(shù)據(jù)包不含有效負(fù)載。

2．2．2 PSI表
PSI即程序特殊信息，他包括所有使解碼器能進(jìn)行程序的多路解調(diào)的規(guī)格化數(shù)據(jù)和私有數(shù)據(jù)。在傳送流中，程序特殊信息被分為4類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，即程序相關(guān)表(PAT)、程序映射表(PMT)、網(wǎng)絡(luò)信息表(NIT)和條件訪問表(CAT)，這些表被分段插入傳送流分組中。在接收端，解碼器可根據(jù)這些信息確定節(jié)目路數(shù)、每路節(jié)目包含的數(shù)據(jù)類型、PID分配情況等重要信息。

2．2．3 SI表
SI即業(yè)務(wù)信息，他定義了9種業(yè)務(wù)信息表，包括業(yè)務(wù)群關(guān)聯(lián)表(BAT)、業(yè)務(wù)描述表(SDT)、事件信息表(EIT)、運(yùn)行狀態(tài)表(RST)、時(shí)間和日期表(TDT)、時(shí)間偏移表(TOT)、填充表(ST)、選擇信息表(SIT)、間斷信息表(DIT)。SI表中所包含的信息，對(duì)于解碼而言，并無多大貢獻(xiàn)，所以在進(jìn)行碼流分析儀設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)于這一部分信息僅做了提取和翻譯，并沒有進(jìn)行太多的處理。

3 TS流的重要測(cè)試指標(biāo)

3．1 290信息
290定義了3級(jí)錯(cuò)誤。這里的錯(cuò)誤有著廣泛的含義，他們主要是用來檢測(cè)在傳輸過程中所發(fā)生的錯(cuò)誤和碼流本身的幀結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)不一致的地方。這些不一致給碼流的傳輸和接收帶來了隱患，有些甚至?xí)苯釉斐蓚鬏敽徒邮盏腻e(cuò)誤。錯(cuò)誤級(jí)別劃分的主要依據(jù)是錯(cuò)誤對(duì)接收的影響程度。大概說明如下：
(1)優(yōu)先級(jí)：可解碼的必要條件。
(2)第二優(yōu)先級(jí)：建議做連續(xù)的或定期的監(jiān)測(cè)。
(3)第三優(yōu)先級(jí)：與應(yīng)用有關(guān)的監(jiān)測(cè)。
具體錯(cuò)誤的定義，讀者可參閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在此不作說明。

3．2 PCR間隔與PCR抖動(dòng)
PCR是系統(tǒng)層的時(shí)鐘信息，由提取的PCR字段可計(jì)算出碼流的當(dāng)前速率和平均速率，這些值在碼流傳輸和接收解碼中起著至關(guān)重要的作用。PCR間隔是指具有相同PCR_PID的PCR數(shù)值出現(xiàn)的時(shí)間間隔，PCR抖動(dòng)是指由當(dāng)前PCR字段獲得的當(dāng)前速率和平均速率的偏差程度。在290里定義了與．PCR相關(guān)的錯(cuò)誤，在理想解碼器緩沖區(qū)分析的過程中，PCR值也作為一個(gè)重要的參數(shù)來決定碼流的每一個(gè)字節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)緩沖區(qū)的時(shí)間。

3．3理想解碼器緩沖區(qū)
MPEG-2相關(guān)協(xié)議里提出了理想解碼器的模型，在解碼器模型中，定義了上溢、下溢和清空3種緩沖區(qū)錯(cuò)誤。這些緩沖區(qū)錯(cuò)誤主要是由于各緩沖區(qū)尺寸和輸入輸出速率不匹配造成的。在實(shí)際的硬件電路設(shè)計(jì)中，并非所有的緩沖區(qū)都按照理想解碼器的模型來設(shè)計(jì)，但是根據(jù)理想解碼器模型，可以對(duì)碼流的速率匹配問題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的分析，防止實(shí)際接收機(jī)因?yàn)榇a流的時(shí)鐘問題而產(chǎn)生錯(cuò)誤。

4 MPEG-2碼流分析儀的整體設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的碼流分析儀采用軟硬結(jié)合的結(jié)構(gòu)，硬件部分主要包括碼流發(fā)送卡和碼流接收卡2塊板卡。硬件板卡通過PCI總線和工控機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)碼流的讀寫與發(fā)送功能。發(fā)送卡和接收卡之間可通過標(biāo)準(zhǔn)的ASI和SPI接口進(jìn)行碼流的發(fā)送和接收。硬件板卡與軟件層的通信通過驅(qū)動(dòng)程序來完成，在分析過程中軟件部分和硬件板卡通過事件和消息進(jìn)行交互。動(dòng)態(tài)鏈接庫完成數(shù)據(jù)傳遞和分析的主體功能，上層的應(yīng)用程序調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和終的界面顯示。碼流分析儀整體的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖中硬件的主要部分用FPGA實(shí)現(xiàn)，PCI接口使用專用PCI接口芯片PCI9054進(jìn)行控制，在碼流傳輸過程中，依靠大容量的RAM進(jìn)行輔助緩存。因?yàn)榇a流讀寫的速率很高。如果使用PIO方式進(jìn)行控制硬盤讀寫則無法滿足碼流寫入的速度要求，所以在硬件設(shè)計(jì)中，使用板卡本身的芯片進(jìn)行DMA控制，滿足了讀寫速率的要求。驅(qū)動(dòng)程序使用WINDDK和Driver Studio開發(fā)完成。上層軟件的設(shè)計(jì)思想和注意事項(xiàng)在后面將做詳細(xì)的說明。

5 MPEG-2碼流分析儀的軟件部分設(shè)計(jì)
圖2所示為MPEG-2碼流分析儀模塊圖，其中碼流發(fā)送與接收模塊，數(shù)據(jù)接口與信息提取、離線分析、在線分析3個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)以及主程序與人機(jī)界面為系統(tǒng)的軟件部分。軟件部分采用Visual C++開發(fā)，詳細(xì)模塊關(guān)系和數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

圖3中，層是發(fā)送卡和接收卡，板卡通過PCI插槽和PC機(jī)進(jìn)行通信；驅(qū)動(dòng)程序通過消息和中斷以及Windows句柄來完成硬件和軟件的交互與控制；DLL通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的接口間接控制硬件，并且根據(jù)獲得的碼流或參數(shù)完成復(fù)雜的運(yùn)算，通過其提供給應(yīng)用程序的接口，DLL完成與應(yīng)用程序之間信息的交互和控制；應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)界面及終分析結(jié)果的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)顯示。分析軟件的分析工作流程在圖4中給出。

如圖4所示，首先由應(yīng)用程序選擇實(shí)時(shí)分析或者離線分析。若進(jìn)行實(shí)時(shí)分析則執(zhí)行如下流程：
通過驅(qū)動(dòng)的接口查詢接收卡狀態(tài)是否正常，若接收卡正常則檢測(cè)當(dāng)前接收卡是否在接收碼流，若正在傳輸碼流則調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫中的實(shí)時(shí)分析預(yù)處理模塊(由于碼流以高速發(fā)送，而軟件處理速度相對(duì)較慢，所以這個(gè)模塊主要完成硬件與軟件分析之間為匹配速率而進(jìn)行的一些格式轉(zhuǎn)換和預(yù)處理)，經(jīng)過預(yù)處理后先搜索同步頭建立同步，之后按照?qǐng)D中所示的順序進(jìn)行分析，分析過程由動(dòng)態(tài)鏈接庫完成，在應(yīng)用程序界面上實(shí)時(shí)地顯示各種參數(shù)和錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)情況、出現(xiàn)位置；或者實(shí)時(shí)繪制PCR曲線。

離線分析的流程和在線分析類似，區(qū)別在于離線分析是從硬盤讀入碼流，而不是從接收卡獲得碼流，參數(shù)的顯示也是在完全分析完之后才顯示，所以中間分析的過程相對(duì)較長，其好處在于，可以對(duì)整段的碼流進(jìn)行分析，從而對(duì)碼流的狀況有更加全面和準(zhǔn)確的把握。
碼流收發(fā)控制流程相對(duì)簡(jiǎn)單，主要問題在于驅(qū)動(dòng)的開發(fā)和調(diào)用。軟件中涉及的其他功能，如圖3中上層所表示的復(fù)用與碼流修改等，都是根據(jù)碼流本身的結(jié)構(gòu)，直接修改文件形式的碼流而完成的，在此不再作詳細(xì)說明。

6 結(jié)語
本文主要討論了碼流分析儀所要分析的關(guān)鍵參數(shù)、整體結(jié)構(gòu)和軟件部分的設(shè)計(jì)。在整個(gè)軟件開發(fā)中，使用了多線程技術(shù)以提高軟件的運(yùn)行效率，使用動(dòng)態(tài)鏈接庫來提高程序的可擴(kuò)展性，并且在初步功能完成之后，對(duì)軟件的運(yùn)行效率和整體性能進(jìn)行了評(píng)估，在評(píng)估的基礎(chǔ)上對(duì)軟件的整體結(jié)構(gòu)和代碼進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了性能要求。文中涉及的硬件板卡和軟件部分都已經(jīng)通過調(diào)試并且投入使用。