الكلمات الرئيسية: غير متزامن الصوت والفيديو MPEG-2 PCR DTS PTS Encoder Decoder
مع التطور السريع للتلفزيون الرقمي في بلدي وتقدم التحول الرقمي لشبكات الإذاعة والتلفزيون الحضرية ، بدأ المزيد والمزيد من الناس في استخدام أجهزة الاستقبال الرقمي لمشاهدة البرامج التلفزيونية الرقمية. ولكن في عملية مشاهدة البرامج التلفزيونية من خلال جهاز فك التشفير ، يجد المشاهدون أحيانًا أن بعض الصوت والفيديو غير متزامنين. هذا أيضا لفت انتباهنا.
الظاهرة والاختبار
أكملت مدينة Guiyang بشكل أساسي التحول الرقمي لشبكتها الإذاعية والتلفزيونية في نهاية عام 2007 ، ودخلت برامج محطة Guizhou TV أيضًا في نقل الشبكة الرقمية. بعد دخول الشبكة الرقمية وجدنا أن عدة برامج لمحطتنا ظهرت عليها ظاهرة عدم تزامن الصوت والفيديو في بعض المناطق ، خاصة عند بث الخبر على قناة الفيديو الفضائية وقناة الناس. من أجل معرفة مكان المشكلة ، قررنا إجراء اختبار مزامنة الشفاه على مسار الإرسال الكامل لبرنامجنا. المعدات المستخدمة للاختبار هي Tektronix WFM7120. عند إجراء قياس تأخير الصوت / الفيديو ، من الضروري أيضًا إنشاء سلسلة من إشارات الفيديو ذات شريط الألوان القصير من خلال TG700 DVG7 ، ويتم تضمين التسلسل الصوتي في هذه المجموعة من إشارات الفيديو بفاصل 5 ثوانٍ ، وإرسال مثل هذه الإشارة إلى النظام قيد الاختبار ، وأخيرًا أرسل الإشارة إلى WFM7120 لقياس فرق التوقيت بين الصوت والفيديو.
اختبار داخلي لمركز مراقبة البث
كما هو موضح في الشكل 1 ، من أجل قياس ما إذا كان هناك اختلاف في تأخير الصوت / الفيديو في نظام محطة التلفزيون ، نستخدم وقت الفحص لتسجيل إشارة الاختبار التي تم إنشاؤها بواسطة TG700 في قرص البث الثابت ، وتشغيلها من خلال القرص الصلب ، وإدخال إشارة الاختبار إلى التأخير. بعد وحدة تزامن الإطار ، يتم بثها على قناة ، ثم نقيس هذه الإشارات الثلاث قبل أن يرسل قسم الإرسال الإشارة إلى مشفر شركة الشبكة. تظهر نتائج القياس أن فرق تأخير الصوت / الفيديو لهذه الإشارات الثلاث لا يتجاوز 12 مللي ثانية ، أي أن مجالًا واحدًا غير كافٍ ، مما يشير إلى أن الإشارة لا تعاني من مشكلة تزامن الصوت والفيديو في مركز التحكم في البث.
اختبار أجهزة فك التشفير المختلفة
بالنسبة لنقطة القياس الثانية ، اخترنا غرفة الكمبيوتر الأمامية لشركة الشبكة. كما هو مبين في الشكل 2 ، هنا ، اخترنا العلامات التجارية الرئيسية لأجهزة فك التشفير المستخدمة حاليًا في الصين للاختبار. بعد تشفير إشارة الاختبار TG700 من خلال برنامج التشفير الأصلي الذي نستخدمه ، أدخلها في القناة التي نبثها حاليًا. ثم استخدم جهاز فك التشفير في غرفة الكمبيوتر الأمامية لإزالة تشكيل إشارة التلفزيون. ثم يتم إرسال إشارة الصوت / الفيديو التي تم فك تشفيرها إلى WFM7120 للقياس بعد A / D وتضمين الإشارة التناظرية من خلال مسجل فيديو Panasonic D950. تظهر نتائج القياس أن اختلاف تأخير الصوت / الفيديو لهذه الأنواع من أجهزة فك التشفير مختلفة ، فبعضها يسبق 150 مللي ثانية ، وبعضها متأخر بمقدار 300 مللي ثانية. يوضح هذا أن أجهزة فك التشفير المختلفة لديها قدرات مختلفة للحفاظ على علاقة التزامن بين إشارات الصوت / الفيديو بعد إزالة التشكيل وفك تشفير نفس إشارة التلفزيون الرقمي.
اختبار مختلف المشفرات
كما هو مبين في الشكل 3 ، ما زلنا نستخدم مولد إشارة TG700 لاختبار مشفرات مختلفة ، وتمكين المشفر والمحول وصندوق فك التشفير لبناء بيئة بث / عرض محاكاة. هنا ، نستخدم عدة برامج تشفير من مختلف العلامات التجارية. بعد تشفير إشارة الاختبار TG700 ، يتم تشكيلها بواسطة نفس المغير ، ثم يتم فك تشفير الإشارة بواسطة نفس جهاز فك التشفير. تتم معالجتها أيضًا بواسطة D950 وإرسالها إلى WFM7120 للقياس. نتيجة القياس النهائية هي أن بعض اختلافات تأخير الصوت / الفيديو هي 30 مللي ثانية ، وبعضها يصل إلى 300 مللي ثانية ، مما يشير إلى أن المشفرات المختلفة لها تأثير أكبر على تزامن الصوت / الفيديو لإشارة المشاهدة النهائية لجهاز فك التشفير.
تحليل السبب
مبدأ توقيت نظام MPEG-2
في الوقت الحالي ، في نظام نقل التلفزيون الرقمي في بلدي ، يعد معيار MPEG-2 معيارًا مهمًا لضغط الصوت والفيديو. يقوم بضغط وتشفير وتعدد إرسال إشارات البرنامج في نهاية المصدر ، ويزيل تعدد الإرسال ويفك تشفير الإشارات عند الطرف المستقبل. تم استخدامه على نطاق واسع. يعتمد نظام النقل الرقمي الذي نستخدمه على معيار MPEG-2. دعونا نلقي نظرة على هيكل نظام MPEG-2 ، كما هو موضح في الشكل 4.
يمكن أن نرى من الشكل 4 أن إشارات الصوت والفيديو تشكل دفقًا أساسيًا بعد إزالة المعلومات الزائدة عن طريق تشفير الضغط. لا يمكن تخزين دفق الكود الأولي هذا أو نقله مباشرة. يجب أن يتم إرسالها إلى باكر معين. ينقسم تدفق الكود الأولي إلى فقرات وفقًا لتنسيق معين ، ويتم إضافة رموز تعريف محددة لتشكيل ما يسمى بتيار الكود الأولي المعبأ (PES). حزم PES هي حزم بيانات صوت وفيديو ذات أطوال متغيرة. ثم يتم إرسال رزم PES السمعية والبصرية والبيانات المساعدة إلى نظام الإرسال الفرعي ، والتي تنقسم إلى رزم بيانات صغيرة بطول ثابت قدره 188b ومضاعفة الإرسال بتعدد الإرسال بتقسيم الوقت. يتشكل تدفق TS واحد ، ويصل تدفق TS إلى الطرف المستقبل بعد الإرسال عبر القناة.
كما نعلم جميعًا ، تعد المزامنة شرطًا ضروريًا لعرض التلفزيون الصحيح. بالنسبة للتلفزيون الرقمي ، نظرًا لاستخدام المخزن المؤقت لتخزين الإشارة أثناء عملية الضغط والتشفير ، يتم تغيير المحور الزمني للإشارة في معدد الإرسال ، بالإضافة إلى اختلاف مقدار تكرار البيانات ، كما تختلف نسبة الضغط ، وبالتالي فإن محور الوقت تغييرات كبيرة ، خاصة في معالجة طبقة مجموعة الإطارات ، كما تم تغيير ترتيب الإطارات B والإطارات P. كل هذا يجعل تزامن الإشارات التلفزيونية الرقمية يفقد تمامًا مفهوم التسلسل الأصلي. تتمثل إحدى الطرق الفعالة لتحقيق التزامن في إضافة تسمية زمنية إلى تدفق كود الإشارة في كل مرة يمر فيها فاصل زمني محدد. باستخدام هذه العلامة ، يمكن إعادة ترتيب الطرف المستقبل وفقًا لعلامة الوقت هذه أثناء عملية فك التشفير قبل العرض ، وإعادة بناء ترتيب الصورة قبل الضغط والتشفير ، وعلاقة الوقت بين الصوت والصورة ، وبالتالي تحقيق مزامنة الصورة و الصوت متزامن مع الصورة.
يمكن أيضًا أن نرى من الشكل 4 أن هناك ساعة نظام مشتركة واحدة STC (27 ميجاهرتز) في مشفر MPEG-2. تُستخدم هذه الساعة لإنشاء طابع زمني يشير إلى فك التشفير الصحيح وعرض توقيت الصوت / الفيديو. في نفس الوقت ، يمكن استخدامه للإشارة إلى أخذ العينات القيمة اللحظية لوقت ساعة النظام اللحظي. يتم قفل الساعة طورًا بواسطة تزامن الخط لفيديو الإدخال. عندما يكون الإدخال إشارة SDI ، يتم إنشاء ساعة نظام المشفر بواسطة الساعة مقسومة على 10. إنه ظهور ساعة نظام مشتركة في المشفر ، وكذلك إعادة توليد الساعة في وحدة فك التشفير والصحيح استخدام الطوابع الزمنية ، التي توفر الأساس للمزامنة الصحيحة للعمليات في وحدة فك التشفير. من أجل تحقيق تزامن ساعة الكودك ، تُحسب ساعة نظام STC في المشفر ، وتُرسل قيمة أخذ العينات للعداد إلى المستقبل في رأسية التكيف لرزمة TS المختارة في كل وقت إرسال معين ، باعتباره فك تشفير الإشارة المرجعية لساعة البرنامج الخاصة بالمعالج ، وهي PCR. بتة PCR الصالحة هي 42b ، من بينها أعلى 33b هو PCR_Base ، وهي قيمة العد في وحدة الساعة 27MHz والساعة مقسومة على 300 ، و 9b المنخفضة هي PCR_Extension ، وهي قيمة العد في الساعة 27MHz كوحدة. بالإضافة إلى PCR ، فإن تسمية وقت فك التشفير DTS وتسمية وقت العرض PTS مهمان للغاية أيضًا. إنها تشبه PCR_Base. يتم إنشاؤها أيضًا باستخدام ساعة نظام 27 ميجاهرتز لجهاز التشفير ، مقسومة على 300 كقيمة عدد الوحدات. من بينها ، يتم استخدام DTS لإرشاد مفكك الشفرة عند فك تشفير الصورة المستقبلة والإطار السمعي ، ويستخدم PTS للإخطار بموعد عرض إطار الصورة الذي تم فك تشفيره.
عند استخدام التشفير ثنائي الاتجاه ، يجب تنفيذ فك تشفير صورة معينة خلال فترة زمنية قبل عرضها ، بحيث يمكن استخدامها كبيانات مصدر لفك تشفير صورة الإطار B. على سبيل المثال ، ترتيب عرض الصور هو IBBP ، لكن ترتيب نقل الصور هو IPBB. يعتقد النموذج المرجعي MPEG أن فك التشفير يحدث على الفور ، أي يتم تنفيذ فك التشفير والعرض في نفس الوقت. بالنسبة لإطارات الصوت وإطارات الصور B ، فإن وقت فك التشفير ووقت العرض هو نفسه ، و PTS هو نفسه DTS ، لذلك لا يلزم إرسال سوى PTS. بالنسبة لإطارات الفيديو I والأطر P ، نظرًا لإعادة ترتيب الإطارات ، يختلف وقت فك التشفير ووقت العرض ، ويجب إرسال PTS و DTS في نفس الوقت. عندما يستقبل مفكك الشفرة تتابع صور IPBB ، يجب أن يفك تشفير صور الرتل I والإطار P قبل فك تشفير أول صورة إطار B. يمكن لوحدة فك التشفير فك شفرة إطار واحد فقط للصورة في كل مرة ، لذا فهي تقوم أولاً بفك تشفير صورة الإطار I وتخزينها. عندما يتم فك تشفير صورة الإطار P ، فإنها تخرج وتعرض صورة الإطار I التي تم فك تشفيرها ، ثم تقوم بفك تشفير وعرض صورة الإطار B. وتبين الجداول 1 و 2 و 3 و 4 تتابع صور المدخلات والمخرجات للمشفر ، وقيمتي PTS و DTS لكل رتل ، وتتابع فك التشفير وعرض كل رتل للصورة بواسطة مفكك الشفرة.
في الجدول 1 ، 13 إطارًا من الصور تشكل مجموعة من الصور ، يستخدم الإطار الأول I إطار تشفير داخل الإطار ، ويتم الحصول على الإطارات B الثانية والثالثة عن طريق التنبؤ ثنائي الاتجاه من الإطارين الأول والرابع ، والإطار الرابع P frame هو مرت بالإطار الأول. مشتق من التنبؤ المسبق. بعد ترميز الإطار الأول ، يقوم المشفر أولاً بتخزين الإطارات الثانية والثالثة مؤقتًا ، ثم يقوم بترميز الإطار الرابع ، ثم يقوم بترميز الإطارين الثاني والثالث ، وما إلى ذلك ، ويتم عرض تسلسل الإخراج المشفر النهائي في الجدول 2 الموضح.
يتضح من الجدول 3 والجدول 4 أنه عندما يستقبل مفكك الشفرة وحدة نفاذ معينة تحتوي على صورة إطار I ، يجب أن تحتوي حزمة بيانات الملف على DTS و PTS ، والوقت بين قيم هاتين العلامتين الفاصل الزمني هو واحد فترة الصورة. بعد أن تكون صورة الإطار I هي الإطار P ، يجب أن يكون هناك أيضًا DTS و PTS في حزمة بيانات الملف ، ويكون الفاصل الزمني بين قيم العلامتين ثلاث فترات للصور. ثم هناك إطاران من النوع B ، تحتوي حزم بيانات الملف منهما فقط على المواد السمية الثابتة. وهذا يعني أنه سيتم تشغيل صورة الإطار I وعرضها بعد تأخير إطار واحد بعد فك التشفير. عندما يتم عرض الإطار I ، يتم فك تشفير الإطار الرابع للإطار P ، لكن لا يتم تشغيله وعرضه. يتم تخزينها مؤقتًا أولاً ، وبعد تشغيل إطار 1I وعرضه ، قم بفك تشفير وعرض إطارات 2B على الفور ، ثم إطارات 3B ، ثم عرض إطارات 4P المخزنة ، وفك تشفير الإطارات 7P وخزنها مؤقتًا في نفس الوقت ، وهكذا. يمكن ملاحظة أن تسلسل الصور المفكوكة والمعروضة يتوافق مع تسلسل إدخال الصورة في الجدول 1.
مبدأ توقيت وحدة فك التشفير (فك التشفير)
PTS و DTS هي قيم 33b فقط. إذا لم تكن هناك إشارة إلى محور الوقت الذي يمثله PCR ، فإن هذه القيمة لا معنى لها. من أجل الحفاظ على فك التشفير الصحيح ، يجب أن تظل ساعات النظام الخاصة بجهاز التشفير وفك التشفير (صندوق فك التشفير) مقفلة ، أي أن تردداتها تظل كما هي ، والقيم الأولية للعدادات الخاصة بها هي نفسها.
يوجد مذبذب يتم التحكم فيه بالجهد (VCO) بتردد حوالي 27 ميجاهرتز في وحدة فك التشفير (جهاز فك التشفير). يتم إرسال إشارة الخرج إلى العداد كساعة النظام لتوليد قيمة عينة STC الحالية ، وهي قيمة 42b مثل PCR. من بينها ، القيمة العالية 33 ب هي قيمة العد في وحدة الساعة 27 ميجاهرتز بعد 300 تردد وردي ، و 9 ب المنخفضة هي قيمة العد في وحدة الساعة 27 ميجاهرتز. عندما يصل برنامج جديد إلى وحدة فك التشفير (جهاز فك التشفير) ، يحصل جهاز فك التشفير (جهاز فك التشفير) على قيمة PCR من تدفق الكود ، ويقارن قيمة PCR_Extention الخاصة به مع أقل 9b بت من STC الحالية ، ويحصل على الخطأ إشارة ، ثم يمر عبر دائرة حلقة مغلقة الطور. اضبط المذبذب الذي يتم التحكم فيه بالجهد بحيث يكون تردد ساعة النظام لوحدة فك التشفير (جهاز فك التشفير) متسقًا مع تردد ساعة النظام الخاص بجهاز التشفير. احصل على قيم PTS و DTS لكل رتل بالتتابع من قطار الشفرة ، وقارنها بالبتات العالية 33b لقيمة STC الحالية. إذا كانت قيمة DTS أكبر من قيمة STC ، يتم تخزين دفق التعليمات البرمجية مؤقتًا ويتم مراقبة تغيير قيمة STC في نفس الوقت. عندما تزيد قيمة STC لتساوي قيمة DTS ، يتم فك تشفير قطار شفرة الرتل. عندما تكون قيمة STC مساوية لقيمة PTS ، قم بتشغيل الإطار. إذا كان بسبب اهتزاز تأخير المخزن المؤقت لشبكة الإرسال ، عندما يصل تدفق الشفرة إلى مفكك التشفير (صندوق فك التشفير) ، تكون قيمة PTS الخاصة به أقل بالفعل من قيمة STC ، ثم يتخطى مفكك التشفير (صندوق فك التشفير) هذا الإطار و يتجاهل بيانات الإطار. نظرًا لأن PTS و DTS يتم إنشاؤهما استنادًا إلى قيمة PCR ، يجب استخدام أول قيمة PCR تم الحصول عليها كقيمة أولية لتعيين عداد STC الخاص بوحدة فك التشفير (فك التشفير) لجعل قيمهما متطابقة ، وإلا ، ستكون القاعدة الزمنية مختلفة. ، وبالتالي خطأ في فك التشفير. تتشابه معالجة الصوت والفيديو ، لكن لا توجد مشكلة في إعادة ترتيب التوقيت. يوضح الشكل 5 الرسم التخطيطي لمبدأ العمل لجهاز فك التشفير (جهاز فك التشفير) PCR.
أسباب عدم مزامنة الصوت والفيديو
في التطبيقات العملية ، تتسبب بعض أجهزة التشفير في حدوث ارتعاش في ساعة الإخراج الخاصة بها بسبب القاعدة الزمنية غير المستقرة لإشارة فيديو الإدخال ، كما أن الفاصل الزمني لمزامنة الإطار ليس 40 مللي ثانية. بالنسبة لهذه المشفرات ، بعد ضبط قيمة DTS الأولية وفقًا لـ PCR وتأخير التخزين المؤقت ، يتم الحصول على قيمة DTS لكل إطار عن طريق إضافة قيمة ثابتة إلى DTS السابق (يمكن حساب هذه القيمة على النحو التالي: 27 ميجا هرتز مقسومة على 300 وهي 90 كيلو هرتز ، وتلفاز PAL 25 إطارًا في الثانية ، وبالتالي فإن القيمة 90000/25 = 3600) ، ويتم حساب قيمة PTS وفقًا لنوع الإطار ونوع GOP. ومع ذلك ، لم تزد قيمة PCR بمقدار 3600 خلال هذه الفترة ، مما تسبب في زيادة DTS و PTS أو تصغيره مقارنةً بـ PCR. لا تستخدم بعض أجهزة فك التشفير (أجهزة فك التشفير) مذبذبًا يتم التحكم فيه بالجهد ، وساعة نظامها عبارة عن 27 ميجاهرتز ثابتة ، ولكنها تستخدم قيمة PCR المستلمة لتهيئة قيمة عداد ساعة النظام المحلي. لا يمكن لجهاز التشفير ووحدة فك التشفير (جهاز فك التشفير) الحفاظ على قفل صارم ، مما قد يتسبب في قيام وحدة فك التشفير (جهاز فك التشفير) بإسقاط الإطارات. ومع ذلك ، فإن بعض أجهزة فك التشفير (أجهزة فك التشفير) لم تعد تقوم بفك الشفرة وعرضها بشكل صارم وفقًا لـ DTS و PTS بعد فقدان الإطار ، ولكنها تقوم بفك التشفير وفقًا لحالة المخزن المؤقت ، نظرًا لاختلاف تأخير ترميز الفيديو والصوت ، فقد يتسبب ذلك في حدوث صوت اللوحة غير متزامنة.
بالإضافة إلى ذلك ، في عملية الإرسال من المشفر إلى مفكك الشفرة (صندوق فك التشفير) ، نظرًا لوجود وصلات عازلة تأخير متغيرة مثل معددات الإرسال والمعدلات ، قد لا يكون تأخير إرسال رزم PCR ثابتًا ، حيث يتفاوت من كبير إلى صغير. إذا لم يتم تصحيح PCR ، فقد تحدث المشكلات المذكورة أعلاه أيضًا.
لنلخص
من التحليل أعلاه ، يمكن ملاحظة أن كلاً من المشفر ووحدة فك التشفير (جهاز فك التشفير) قد يتسببان في حدوث عدم تزامن الصوت والفيديو. بعد اختبار المشفرات لمختلف العلامات التجارية ، اختارت محطتنا برنامج تشفير بمؤشرات اختبار أفضل واستبدلت المشفر الأصلي ، مما أدى إلى تحسن كبير في ظاهرة عدم تزامن الصوت والصورة في التلفزيون. في الخطوة التالية لتقديم أجهزة فك التشفير ، ستعمل شركات الشبكات أيضًا على تعزيز اختبار المؤشرات ذات الصلة لتحسين جودة تقييمات الجمهور. بالطبع ، في عملية النهوض برقمنة الراديو والتلفزيون في بلدي ، ما زلنا بحاجة إلى الجهود المشتركة لعمال التلفزيون ومصنعي المعدات لدينا من أجل تحقيق النجاح الكامل في النهاية.
لدينا غيرها من المنتجات:
