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)字化也正在進行中。為了保證數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)和傳輸質(zhì)量，必須采取相應(yīng)的監(jiān)測設(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)測和分析設(shè)備。
目前市場上的碼流分析設(shè)備主要有嵌入式和"PCI板卡+PC機"兩種實現(xiàn)模式。嵌入式碼流分析儀成本較低，但是功能相對簡單，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備份等功能。"PCI板卡+PC機"的實現(xiàn)模式克服了這些缺點，卻存在價格較高的問題。比如美國泰克公司和后來一些廠家出產(chǎn)的碼流分析儀，價格都比較昂貴。我們分析對比了市場上的碼流分析儀產(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)控制機作為平臺，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MPEG-2背景知識和碼流分析儀整體結(jié)構(gòu)進行分析的基礎(chǔ)上，討論軟件部分的實現(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惡劣，具有較高誤碼率的場合，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)識部分，以0X47標(biāo)志一個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)、運行狀態(tài)表(RST)、時間和日期表(TDT)、時間偏移表(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，對于解碼而言，并無多大貢獻，所以在進行碼流分析儀設(shè)計的時候，對于這一部分信息僅做了提取和翻譯，并沒有進行太多的處理。

3 TS流的重要測試指標(biāo)

3．1 290信息
290定義了3級錯誤。這里的錯誤有著廣泛的含義，他們主要是用來檢測在傳輸過程中所發(fā)生的錯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誤。錯誤級別劃分的主要依據(jù)是錯誤對接收的影響程度。大概說明如下：
(1)優(yōu)先級：可解碼的必要條件。
(2)第二優(yōu)先級：建議做連續(xù)的或定期的監(jiān)測。
(3)第三優(yōu)先級：與應(yīng)用有關(guān)的監(jiān)測。
具體錯誤的定義，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
PCR是系統(tǒng)層的時鐘信息，由提取的PCR字段可計算出碼流的當(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)的時間間隔，PCR抖動是指由當(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)的錯誤，在理想解碼器緩沖區(qū)分析的過程中，PCR值也作為一個重要的參數(shù)來決定碼流的每一個字節(jié)進入系統(tǒng)緩沖區(qū)的時間。

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)錯誤。這些緩沖區(qū)錯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。在實際的硬件電路設(shè)計中，并非所有的緩沖區(qū)都按照理想解碼器的模型來設(shè)計，但是根據(jù)理想解碼器模型，可以對碼流的速率匹配問題進行標(biāo)準(zhǔn)化的分析，防止實際接收機因為碼流的時鐘問題而產(chǎn)生錯誤。

4 MPEG-2碼流分析儀的整體設(shè)計
本文所設(shè)計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總線和工控機進行通信，實現(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行交互。動態(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)用動態(tài)鏈接庫的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和終的界面顯示。碼流分析儀整體的設(shè)計如圖1所示。

圖中硬件的主要部分用FPGA實現(xiàn)，PCI接口使用專用PCI接口芯片PCI9054進行控制，在碼流傳輸過程中，依靠大容量的RAM進行輔助緩存。因為碼流讀寫的速率很高。如果使用PIO方式進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)計中，使用板卡本身的芯片進行DMA控制，滿足了讀寫速率的要求。驅(qū)動程序使用WINDDK和Driver Studio開發(fā)完成。上層軟件的設(shè)計思想和注意事項在后面將做詳細(xì)的說明。

5 MPEG-2碼流分析儀的軟件部分設(shè)計
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個動態(tài)鏈接庫(DLL)以及主程序與人機界面為系統(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機進行通信；驅(qū)動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)人機界面及終分析結(jié)果的靜態(tài)與動態(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)用程序選擇實時分析或者離線分析。若進行實時分析則執(zhí)行如下流程：
通過驅(qū)動的接口查詢接收卡狀態(tài)是否正常，若接收卡正常則檢測當(dāng)前接收卡是否在接收碼流，若正在傳輸碼流則調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的實時分析預(yù)處理模塊(由于碼流以高速發(fā)送，而軟件處理速度相對較慢，所以這個模塊主要完成硬件與軟件分析之間為匹配速率而進行的一些格式轉(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，之后按照圖中所示的順序進行分析，分析過程由動態(tài)鏈接庫完成，在應(yīng)用程序界面上實時地顯示各種參數(shù)和錯誤的統(tǒng)計情況、出現(xiàn)位置；或者實時繪制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較長，其好處在于，可以對整段的碼流進行分析，從而對碼流的狀況有更加全面和準(zhǔn)確的把握。
碼流收發(fā)控制流程相對簡單，主要問題在于驅(qū)動的開發(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。在整個軟件開發(fā)中，使用了多線程技術(shù)以提高軟件的運行效率，使用動態(tài)鏈接庫來提高程序的可擴展性，并且在初步功能完成之后，對軟件的運行效率和整體性能進行了評估，在評估的基礎(chǔ)上對軟件的整體結(jié)構(gòu)和代碼進行了優(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。