数字视频中信息传输标准的设计

数字视频中信息传输标准的设计

（6月第67页）。4数据通道和蒸发两端契约在数字视频中借用数据链路层和协议层的概念是为了理解数据通道和收发两端约定的协议。具体到数字视频就是与成帧、同步、差错控制相关的标准和协议。4.1基于锁相能力适应的sdv/eav信号格式GB/T14857-1993和GB/T17953-2000对SDI信号格式进行了规定，包括：编码特性、数据格式、信号结构、定时基准码。与差错控制相关的内容有：码字加扰、传输顺序、逻辑规定等。其中码字加扰采用G1(x)×G2(x)的多项式进行随机化，G1(x)=x标准规定从0到3和从1020到1023范围的数据字（10比特系统），电平为0和255的数据字（8比特系统），是专供同步基准信号使用的，不能作为视频数据出现。一般设备不会出现这种错误，但在测试中也发现过一些插入数字水印的设备使用了这些值，在通常图像下不会暴露问题，但遇到高亮图像时，下游设备会发生同步丢失。虽然在这一层将原始信号中的连“0”或连“1”消除了（如EAV和SAV含有较多连0串），但是对于某些信号，如紫色和灰色影调、亮绿和暗绿影调，又有可能引入新的长连0、连1字串，这也是上一节强调采用GB/T18472-2001《数字编码彩色电视用测试信号》规定的电缆均衡器测试信号和锁相环电路等测试信号的原因。这里简要介绍一下当时制定该标准的设计思路：考虑到码字加扰的生成多项式，设计出Y和C分别连续赋值192.00和102.00，对应为浅绿色的图像，一旦加扰器初始化之后（大约需要几行的时间），将重复地输出19个连续的高电平、其后紧随1个低电平；或者19个连续的低电平、其后紧随1个高电平。因此形成一个正或负极性的低频信号，带有较大的直流成分，产生对接收端均衡器较大的测试压力。锁相能力适应测试的原理是产生具有大低频分量和小高频分量（也即电平过零跳变较少）的信号，通过加扰试算，设计出Y和C分别连续赋值128.00和68.00，对应深绿色的图像，可以重复产生20个连续的高电平和20个连续的低电平，能够对接收端的时钟恢复、相位锁定和判决产生较大的测试压力。另外，均衡器的测试要依靠带有极性偏置的串行信号，所以必须确保能实现正、负极性两种偏置。为使逐帧改变偏置的极性，在一个图像场内所有行中的所有数据字的代数总和必须为奇数，因此定义了信号中第一场第一有效行中的最后一个样值Y样点的数据字隔帧地从192.00变为32.00（净改变了1个数据比特）。这样，偏置极性将以帧频交替变化。通过这两项测试，可检查系统中各级设备在数据链路层的同步、成帧、误码性能。系统的定时基准是使用SAV和EAV进行实现，在其4个10比特的字中，前3个字为固定前缀，第4个字包含的信息定义了场的识别（F）、场/帧消隐期（V）和行消隐期（H），并在其中安排了4个比特的校验位，能够实现纠正1个比特错、发现2个比特错，进一步提高了系统同步的鲁棒性。关于这里的检错和纠错其实无需对整个SAV或EAV进行，因为大部分比特值是可以预知的，所以只是针对F、V和H的接收比特，因为对行场位置的指示非常重要。对于老的8比特SDTV系统，SAV和EAV只使用比特序号9至2的8个比特；但在所有HDTV系统中全部使用10比特的SAV和EAV。SAV和EAV的具体数值在GB/T17953-2000中规定如表2(10比特系统）：在实际测试中，国际标准和国家标准的表达方式都并不适合于数值比对，为了工程使用方便，在测试中可以使用下面这个表格，与仪器的显示方式相吻合，非常便于对照（10比特系统），见表3。SAV和EAV看似简单，但往往串在系统中的某些设备会引入错误，所以也是必测项目之一。GY/T155-2000和GY/T157-2000对HD-SDI信号格式进行了规定。HD-SDI的比特串行数据由图像数据、图像定时基准码、行号数数据、误码检测码、辅助数据和消隐数据组成。其中行号数数据由指明行号数的两个字组成，紧接在EAV之后。误码检测码为循环冗余校验码（CRCC），用以检测有效数字行、EAV和行号数数据中的误码，它由两个字组成，决定于下列生成多项式：EDC(x)=x数据复用后的传送顺序如图1所示。新的HD-SDI标准BT.1120-6补充规定了双链路接口，使接口的标称时钟频率为两种,即1.485GHz和2.97GHz（或2.97/1.001GHz）。其中2.97GHz用于双链路操作，2.97/1.001GHz用于单链路操作。新的2.97GHz时钟允许通过链路A和链路B两个数据流传输。每个链路的串行数据流又包含两个信道，第1信道（Y信道）和第2信道（C“A”分量为辅助数据分量，由用户依据应用予以定义。A分量应用于非图像数据的场合下，辅助信号的比特深度限制于最大8比特。HD-SDI信号格式的其他内容与SDI的情况基本相似，包括测试信号的赋值也适用。高清标准对定时参考信号的表达方式同样不适合于数值比对,为了工程使用方便,本文提供下面这个表格,与仪器的显示方式相吻合,可用于测试对照。不同于标清电视,我国只有625/50i一种格式,而我国的HDTV视频格式规定了1125/50i和1125/24p两种。表5是50i隔行系统的参数,对24p逐行系统可以参照标准自行填写。4.3将adf嵌入到附属数据格式(1)GY/T160-2000规定了附属数据包的格式和应用附属数据空间的协议。格式包括：附属数据包类型（分为类型1和类型2，其中类型1只使用一个字作为数据标识，而类型2使用两个字作为数据标识）、附属数据标志（ADF）、数据标识（DID）、数据块序号（DBN）、补充数据标识（SDID）、数据计数（DC）、用户数据字（UDW）、校验和（CS），见图2。附属数据包必须紧随在指明附属数据空间开始的EAV或SAV定时基准信号之后。标准规定：如果该空间中的前三个字不是ADF(00.0hFF.ChFF.Ch)，则可以认为不存在附属数据包，整个区域即可以用于插入附属数据包。但是，目前有一些设备采用了非标的私有协议，既要传递私有数据又不使用ADF标志，如果使用了这样的设备将会在系统中埋下隐患，且此种问题较为常见（最近北京电视台的专家在测试中也发现有这一类的问题），应该在测试中认真检查。(2)GY/T161-2000规定了嵌入到附属数据空间内的数字音频、辅助数据及其有关控制信息的传输协议。包括：可用的附属空间、放置位置、音频数据包的格式化（通道对的定义、传输顺序、无效通道定义、取样频率、包长度）、音频控制包、扩展数据包的格式化、音频数据结构、扩展数据结构、音频数据包、扩展数据包、音频控制包结构及数据。其中,音频数据结构包含了AES/EBU子帧映射到连续附属数据字的映射关系,以及Z比特的定义。音频控制包规定了音频组的关系、音频帧号、音频帧字比特位、取样频率指示、延时指示等重要信息。(4)GY/T163-2000主要规定的是附属数据空间内时间码和控制码的传输格式。在实际测试中，此部分并未作为测试的重点，也少有见到出错的设备。对开发人员来说，应特别注意附属数据空间内时间码和控制码在SDI和HD-SDI中的不同，可具体参看该标准。4.4同步机输出摆动的测量与同步要求相关的是行业标准GY/T167-2000《数字分量演播室的同步基准信号》和国家标准GB/T20562-2006《演播室串行数字信号抖动技术参数与测量方法》。GY/T167-2000规定了数字分量演播室及设备视频信号的同步方法，它保证了信号切换时画面不出现滚动、跳动和彩色失真等现象。GY/T167-2000规定了输入同步和输出同步。输入同步是指数字分量演播室或设备由输入信号所同步。当同步到输入信号时，设备必需从输入视频信号中获取时钟和定时基准信息。输出同步是指两个或更多信号源的同步。对于全数字环境，可以采用符合GB/T17953的数字信号作为同步基准。对于模拟、数字混合环境，可以采用对建立时间和抖动容限稍加改进的模拟黑场来保证系统的同步。对模拟黑场同步信号的指标要求，除原有的幅度、频差等指标外（此处略，可见标准GB3174-1995），应重点测量两项：(1)行同步脉冲前沿的建立时间，不应超过210ns，测量时应读取在10%和90%幅度值之间时间。这比普通模拟黑场行同步前沿建立时间的200±100ns要求略有不同。(2)抖动，行同步脉冲各个前沿的定时应在前沿平均定时的±2.5ns范围之内,测量至少一场时间。这是GY/T167-2000和ITU-RBT.711的规定。SMPTE318M的规定更为严格，为峰-峰2ns。我们在实际测试中比较：如果针对同步机输出信号，使用SMPTE的峰-峰2ns更为合适一些。GB/T20562-2006《演播室串行数字信号抖动技术参数与测量方法》修改采用了ITU-RBT.1363，它规定了固有抖动、输出抖动、输入抖动容限、抖动传递以及各自的测量方法。由于内容很多，本文篇幅所限，不再详述。高清系统推荐采用双极性三电平的同步信号，具体参数见GY/T155-2000。在我们的测试中，体会到抖动对数字系统的影响很大。在一些“疑难杂症”的测试中，曾发现低频抖动超标、图像闪烁等现象，由于是间歇性的问题，给测试带来很大困难。在多次测试后，才查出是由于下级设备的输入抖动容限较小（尽管是国外某名牌设备），而前级输出抖动较大，产生了时有时无的问题。所以对数字系统的测试，前级和后级的抖动相关指标非常重要。在选购设备时，也应考虑选择输入容限较大、输出抖动较小的设备，至少应符合标准的指标要求。4.5ASI信号格式和协议的所有要求数字压缩视频由MPEG-2分为ES层、PS层、TS层，其中TS层的作用应属于数据链路层的范畴。具体内容由GB/T17975.1-2000《信息技术运动图像及其伴音信息的通用编码第1部分系统》规定。有关的测试项目和技术要求在GY/T221-2006《有线数字电视系统技术要求和测量方法》的第6章进行了规定，其大部分内容与DVB的ETR101209相近，另外还根据我国的使用实际情况和DVB后来的一些相关文件，补充规定了部分表的间隔等其他内容。主要也分为三级测量：(1)第一优先级测量项目包括：TS同步丢失、同步字节错误、连续计数错误、PID错误等共6项；(2)第二优先级测量项目包括：传输错误、CRC错误、PCR间隔错误、PCR不连续错误、PCR精确度错误等共7项；(3)第三优先级测量项目包括：SI表间隔错误、缓冲器错误、未引用PID错误、数据延时错误等共14项。·PCR频率偏移（PCR＿FO），限值±810Hz;·PCR漂移速率（PCR＿DR），限值75mHz，也可用近似值10ppm/h;·PCR总体抖动（PCR＿OJ），限值25μs;·PCR精确度（PCR＿AC），也可称相位误差、误差，限值±500ns大多数测试人员对TS的三级测试都比较熟悉，但在测试配置上往往容易忽略。对PCR相关指标进行测试时，最关键的是正确选择测试滤波器，标准规定了四种滤波器，各自的特性总结如表6:从实际使用看，对MPEG-2的TS流应优先选择MGF1。但遗憾的是，目前有些码流分析仪内部采用的是MGF3。就在最近的一次设备入网测试中，发现我们实验室的泰克MTS300测得的被测设备PCR误差随时间越长越大，最终超出了标准限值，而被测厂家称自己在家测的PCR误差一直是接近0。因此在实验室又使用了其他两种码流分析仪，确实都测出像厂家所说的结果。经进一步比较测试和分析，就是因为使用的测试滤波器失配，导致厂家开发人员未能发现重要的技术问题。如使用这样的设备，在长时间的漂移后可能导致下游设备PCR失锁，引起长间隔、不定期的图像破坏。文中提到的标准以及技术问题，如有需要可与作者联系:dengxiangdong@.4.2hd-sdi的配套数据信号传输协议比较常见的问题出在Z比特和控制包,一些设备输出的取样频率指示、比特位信息等存在错误。我们在给中央电视台的测试、解放军电视大楼的测试中都发现有此类错误,在系统连接和信号输出时会导致有用比特损耗、频率转换,音频质量下降,甚至无法使用。(3)GY/T162-2000更进一步规定了在HD-SDI的附属数据信号空间中24比特数字音频的传输协议。除了规定映射关系、各音频帧中音频样值的排列等,它增加了对音频数据的纠错能力,其使用的ECC纠错码针对从ADF第一个字到UDW17的24个字进行校验,纠错编码为BCH(31,