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单芯片MPEG-2编解码器及其应用

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    自1994年以来,视讯技术有了突飞猛进的发展。随着数字电视的出现,会议电视的应用越来越广泛。视讯技术的视频信号数据压缩的国际标准和数字电视传输标准已公布,这对于推动数字电视的发展起到了很大的促进作用。到目前为止,国内各行各业,尤其是广播电视行业在MPEG-2方面的应用普及得很快。我们所看到的卫星电视节目绝大多数都是基于MPEG-2的编码压缩标准。同时,会议电视监控系统也逐步转向以MPEG-2 为压缩标准,以此为基础来开展视讯方面的业务。

    近一两年来,基于MPEG-2的视讯应用发展迅速。综合国内交通系统、公安系统、金融系统以及专网的会议电视的应用,证明了MPEG-2比H.261的图像质量和稳定性等方面都完善了很多。

一、 MPEG-2视频编码标准
    MPEG-2是目前应用比较广泛的一个会议电视标准,它包括系统视频、系统音频以及性能测试等几大部分。

1. MPEG-2的几种格式
    在图像质量方面,MPEG-2可以分为四种等级。

2.码率计算
    如果使用8bit采样,可以计算出对标准PAL制电视信号进行采样后的4:2:2格式图像码率分为三种。

亮度信号码率为:720×576×25×8=82.944(Mbit/s);
色度信号码率为:2×1/2×720×576×25×8=82.944(Mbit/s);
总码率为:82.944Mbit/s+52.944Mbit/s=165.888Mbit/s,压缩到1/27后为6.144Mbit/s。

3. MPEG-2亮、色格式和图像编码类型
    (帧内帧)类型压缩比是7:1,P(预测帧)类型压缩比是20:1,B(双向预测帧)类型压缩比是50:1,它们平均压缩比例是27:1。这些压缩比都是建立在不影响图像质量的基础上的。无论是MPEG-1或者是MPEG-2,其不同的图像质量所采用的压缩措施基本相同,即压缩倍数都是27倍左右。

4.压缩措施
(1)对色差信号进行亚采样,减少数据量(压缩2倍);
(2)采用运动补偿技术减少帧间冗余度(压缩2~3倍);
(3)做二维DCT变换,去除空间相关性;
(4)对DCT系数进行量化,舍去不重要的信息,将量化后的DCT系数按照频率重新排序(3,4项共压缩5~7倍);
(5)将DCT系数进行变字长编码和游程编码(压缩1.3~1.5倍);
(6)对每块直流分量(DC)进行预测差分编码(压缩2~3倍)。

5. MPEG-2码流复用
    信号传输必须考虑到信息包的识别和数据长度等问题。音频、视频及数字信号首先经过MPEG-2编码器进行数据压缩,通过节目复用器形成基本码流(ES),基本码流经过打包后形成有包头的基本码流(PES)。代表不同音频、视频信号的PES被送入传输复用器进行系统复用,复用后的码流叫做传输流(TS)。传输流中包括多个节目源的不同信号,为了区分这些信号,在系统复用器上需要加入服务信息(SI),使接收端可以识别不同的节目。为了便于理解DVB传输系统的服务信息,下面对传输码流的结构进行简单的介绍。[nextpage]

    传输码流的长度定义为188个字节。其中,包头4个字节,包括同步字节、节目的识别号等。包头后面是需要传送的有用信息,包括音频、视频和数据信息,通常是184个字节长度,有时在有用信息中插入一段适配区域,用于补充长度不完整的传输流,放置解码时钟(PCR)。传输流的字头是识别传输流的关键,它由32个比特组成。

    在字头的32个比特中,13位的PID码特别重要,它是辨别码流信息性质的关键,是节目信息的“身份证”,不同的电视节目和服务信息(SI)对应不同的PID码。对于一台解码接收机而言,为了找到它所要接收的电视节目,它首先要通过PID码找到服务信息所对应的不同表格(Table),DVB标准定义了如下服务信息条目:
PAT:Program Allocation Table 节目分配表;
CAT:Conditional Access Table 有条件接收表;
PMT:Program Map Table 节目映射表;
NIT:Network Information Table 网络信息表;
SDT:Service Description Table 服务描述表;
EIT:Event Information Table 事件信息表;
TDT:Time and Date Table 时间日前表。

    通过这些服务信息,可以查到所要接收节目的PID码和对应的PCR,节目就可以还原。

6.MPEG-2系统
    MPEG-2视频应用系统如图2所示。其基本结构分为对视频信号的压缩、传输和解压缩三大部分。在压缩端,又可分为编码和复接两大部分。目前,多路复用一般采用的是统计复用。MPEG-2码流的速率是灵活可变的,对于静止画面比较多的图像节目,其数据流的速率是比较低的;对于运动画面或者细节画面多的图像节目,其速率相对比较高。使用统计复用可以使不同的节目传送组合在一起,取长补短,这也是目前广播部门使用的比较多的传输方法。

二、单片MPEG-2编/解码器DVx 功能
    数字电视的广泛应用,首先需解决的是费用的问题。单片MPEG-2编/解码器采用C-Cube拥有专利的编码算法,DVx 数字视频处理器在提供高质量的4:2:2格式MPEG-2图像的同时,还大大节省了码率。此外,单片的结构还减少了产品的成本,提高了可靠性,并缩短了面市时间。DVx 采用了先进的平面结构来完成全部的MPEG-2实时压缩,对于不同层次的应用,可采用一个或多个芯片并下装相应的微码。32位内置RISC CPU指令集被扩展用来完成MPEG-2压缩、解压缩和特殊视频效果。一个可编程的运动估值处理器(ME)从CPU获得指令,并对指定帧进行分层运动估计操作。协处理器(DSP)每秒完成16亿次像素级算数运算。

1. DVx 关键技术
    DVx 关键技术体现在12个方面:(1)高度集成;(2)低存储器需求;(3)音频支持;(4)可编程滤波器;(5)80Mbytes/sec芯片间数据交换速率;(6)统一的应用程序接口API;(7)优秀的视频质量;(8)灵活的比特率控制;(9)可变画面组(GOP)结构;(10)实时监控;(11)HDTV格式;(12)低延时编/解码。

2. DVx 的内部结构
    DVx 内部结构包括MicroSPARC RISC内核(其中还包括指令高速缓冲存储器、数据存储器)、DSP协处理器、运动估值处理器、各种通信接口及缓冲存储器等。

3. SDRAM接口
    SDRAM接口产生支持SDRAM的地址和控制信号。SDRAM时钟为100MHz,DVx 使用外部DRAM存储代码和数据。例如,当对MPEG-2视频编码时,DRAM中包含:(1)应用程序代码;(2)输入帧的视频捕捉缓冲器;(3)运动估计的子采样视频缓冲器;(4)参考帧;(5)速率缓冲器;(6)编码算法的码表和其它数据等。[nextpage]

4.单片自适应场/帧编码器构成
    单片自适应场/帧编码器主压缩芯片DVx 可接收来自标准DI接口的数据或复合/分量模拟视频信号,经由Philips专用芯片SAA7111进行转换,转换后的视频数据借助于SDRAM存储器完成对视频数据的MPEG-2压缩。压缩后的数据,由DVx 直接通过PCI总线送至系统。音频信号经A/D变换,变换后的数据通过PCI总线的接口送至系统。系统对视频、音频数据进行存储,或进行远程传输。

5. 单片解码器的构成
    DVx 接收由系统经PCI总线送来的MPEG-2视频数据和未压缩的音频数据,经DVx 处理后输出并行DI格式数字视频,再经解压缩,然后经过Philips的专用芯片SAA7125,将该视频数据转化为复合或分量模拟视频信号输出。音频数据被送到音频数/模转换器,并被转化为模拟音频信号输出。

三、 MPEG-2应用实例
MPEG-2可以用于多路微波CATV系统、远程教学、远程医疗和远程会议等系统中。
MPEG-2在IP方式会议电视主会中的应用。

四、IP实时视频通信
    TCP/IP协议最初是为实时数据业务而设计的,IP协议负责主机之间的数据传输,不进行检错和纠错,因此经常发生数据丢失或失序现象。为保证数据的可靠传输,人们将TCP协议用于 IP数据的传输,提高检错、纠错能力。当检测到数据包丢失或错误时,要求发送端重发,但这样不可避免地引起传输时延和占用网络带宽。因此传统的 IP网传送实时音频、视频能力较差。为了使 IP网络不仅能传送非实时的数据信息,而且还能传送实时的多媒体数据信息,国际标准化组织,如 ITU、 IETF等开始起草并完成了一些用于 IP实时通信的标准,以确保 IP网上业务的服务质量QoS要求,如实时传输协议/实时控制协议 RTP/RTCP(Read Time Protocol/Real Time Control Protocol)资源预留协议 RSVP(Resource Reservation Protocol)、IP多点广播技术以及 H.323标准等。

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