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复用器
阅读:11297时间:2010-10-08 09:26:24

  复用器是一种综合系统,通常包含一定数目的数据输入,n个地址输入(以二进制形式选择一种数据输入)。复用器有一个单独的输出,与选择的数据输入值相同。复用技术可能遵循以下原则之一,如:TDM、FDM、CDM 或 WDM。复用技术也应用于软件操作上,如:同时将多线程信息流传送到设备或程序中。

时分

  时分复用是指一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲,同时在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号等的技术。电信中基本采用的信道带宽为 DS0,其信道宽为 64 kbps。

  电话网络(PSTN)基于 TDM 技术,通常又称为 TDM 访问网络。电话交换通过一些格式支持 TDM:DS0、T1/E1 TDM 以及 BRI TDM。E1 TDM 支持2.048 Mbps通信链路,将它划分为32个时隙,每间隔为64 kbps 。T1 TDM 支持1.544 Mbps 通信链路,将它划分为24个时隙,每间隔为64 kbps,其中 8 kbps 信道用于同步操作和维护过程。E1 和 T1 TDM 最初应用于电话公司的数字化语音传输,与后来出现的其它类型数据没有什么不同。E1 和 T1 TDM 目前也应用于广域网链路。BRI TDM 是通过交换机基本速率接口(BRI,支持基本速率 ISDN,并可用作一个或多个静态 PPP 链路的数据信道)提供。基本速率接口具有2个64 kbps 时隙。TDMA 也应用于移动无线通信的信元网络。

  时分复用器是一种利用 TDM 技术的设备,主要用于将多个低速率数据流结合为单个高速率数据流。来自多个不同源的数据被分解为各个部分(位或位组),并且这些部分以规定的次序进行传输。这样每个输入数据流即成为输出数据流中的一个“时间片段”。必须维持好传输顺序,从而输入数据流才可以在目的端进行重组。特别值得注意的是,相同设备通过相同 TDM 技术原理却可以执行相反过程,即:将高速率数据流分解为多个低速率数据流,该过程称为解除复用技术。因此,在同一个箱子中同时存在时分复用器和解复用器(Demultiplexer)是常见的。

波分

  WDM技术原理

  在模拟载波通信系统中,通常采用频分复用方法提高系统的传输容量,充分利用电缆的带宽资源,即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号,接收端根据各载波频率的不同,利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样,在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量,在接收端采用解复用器(等效于光带通滤波器)将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大,一般采用波长来定义频率上的差别,该复用方法称为波分复用[2]。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源,根据每一信道光波的频率(或波长)不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道,把光波作为信号的载波,在发送端采用波分复用器(合波器)将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端,再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时),从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可实现双向传输。根据波分复用器的不同,可以复用的波长数也不同,从2个至几十个不等,一般商用化是8波长和16波长系统,这取决于所允许的光载波波长的间隔大小,图1给出了其系统组成。

  波分复用器

  WDM本质上是光频上的频分复用FDM技术,每个波长通路通过频域的分割实现。每个波长通路占用一段光纤的带宽,与过去同轴电缆FDM技术不同的是:

  (1)传输媒质不同,WDM系统是光信号上的频率分割,同轴系统是电信号上的频率分割利用。

  (2)在每个通路上,同轴电缆系统传输的是模拟信号4KHz语音信号,而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb/s或更高速率的数字系统。

  WDM技术的主要特点

  WDM技术具有很多优势。可利用光纤的带宽资源,使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍;多波长复用在单模光纤中传输,在大容量长途传输时可大量节约光纤;对于早期安装的电缆,芯数较少,利用波分复用无需对原有系统作较大的改动即可进行扩容操作;由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立,因而可以传输特性完全不同的信号,完成各种电信业务信号的综合与分离,包括数字信号和模拟信号,以及PDH信号和SDH信号的综合与分离;波分复用通道对数据格式透明,即与信号速率及电调制方式无关。

数据

  数据复用器是采用时分复用(TDM)技术实现的64Kbps五通道同步复用器,将多路9600-38.4Kbps的数据复用到一条64Kbps的数据信道上,从而节省通信线路费用及设备费用。每个子通道都有一个96位弹性存贮器以支持尾接电路,使子通道可以尾接一条通信线路延伸至远程。每个子通道可以增加同/异步转换模块,使子通道可以连接任何异步通信设备。

时分多路复用

  为了提高信道利用率,使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰,称多路复用。采用较多的是频分多路复用和时分多路复用。频分多路复用用于模拟通信,例如载波通信,时分多 路复用用于数字通信,例如PCM通信。

  时分多路复用通信,是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。由前述的抽样理论可知,抽样的一个重要作用,是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号,其在信道上 占用时间的有限性,为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具体说,就是把时间分成一些 均匀的时间间隙,将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙,以达到互相分开,互不干扰的目的。各路信号经低通滤波器将频带限制在3400Hz以下,然后加到快速电子旋转开关(称分配器)开关不断重复地作匀速旋转,每旋转 一周的时间等于一个抽样周期T,这样就做到对每一路信号每隔周期T时间抽样一次。由此可 见,发端分配器不仅起到抽样的作用,同时还起到复用合路的作用。合路后的抽样信号送到 PCM编码器进行量化和编码,然后将数字信码送往信道。在收端将这些从发送端送来的各路 信码依次解码,还原后的PAM信号,由收端分配器旋转开关K2依次接通每一路信号,再经低通平滑,重建成话音信号。由此可见收端的分配器起到时分复用的分路作用,所以收端分 配器又叫分路门。

  要注意的是:为保证正常通信,收、发端旋转开关必须同频同相。同频是指的旋转速度要完全相同,同相指的是发端旋转开关连接第一路信号时,收端旋转 开关K2也必须连接第一路,否则收端将收不到本路信号,为此要求收、发双方必须保持严 格的同步。

频分多路

  在多路载波电话中采用单边带调制频分复用,主要是为了最大限度地节省传输频带。每路电话信号限带于300-3400Hz,单边带调制后其带宽与调制信号相同。为了在邻路已调信号间留有保护频带,以便滤波器有可实现的过渡带,通常每路话音信号取4kHz作为标准频带。 为了大容量载波电话在传输中合群、分群的方便,现已形成一套标准的等级。

  基群由12路话音信号组成,频分多路复用后的已调信号的频谱。应当指出,各种等级群路信号的基本频带并不是在实际信道中传输的频带,在送入信道前常常还要进行一次频谱搬移。另外,由上述频谱可知,各种载波频率的产生、 调制、解调及滤波是载波电话设备中的主要组成部分。

数字电视中的PCR校正技术

  一. 引言

  在数字电视广播系统中,节目复用器和传输流再复用器是必不可少的。节目复用器的作用是将编码后的视频基本流(ES)、音频基本流、节目描述信息(Program Specification Information,PSI)和辅助数据按MPEG-2系统层标准规定的格式复用成为一个传输流。同时,为了使收发端同步工作,系统时钟(STC)计数器的值将被插入到相应包的PCR字段中去。按照输出传输流中所含的节目数,传输流分为单节目传输流(SPTS)和多节目传输流(MPTS),相应地,节目复用器也被分为单节目复用器和多节目复用器。在传输流最终被送到信道设备进行信道发送之前,需要一台设备将不同来源的传输流合成为一个新的传输流,即传输流再复用器。同时,数据广播、电子节目指南(Electrical Program Guide,EPG)、条件接收(Conditional Access CA)等服务信息(SI)一般也通过再复用器插入到输出传输流。PCR校正是复用器的关键技术之一,PCR的作用是将发端的27MHz的时钟以PCR时间戳的形式注入码流中,而收端是否能够根据该信息无偏差地恢复出发端的参考时钟以达到收发同步,在对系统的性能有至关重要的影响,所以本文对 PCR校正进行了详细的介绍。

  二. MPEG-2系统层标准

  MPEG-2标准,即ISOIEC13818是数字电视系统的基础,它规定了两种系统层码流格式:一种是节目码流(Program Stream,PS),即PS复用器将一个或几个具有公共时间基准的PES包组合成单一码流,包的长度相对较长而且不固定,它适用于错误相对较少、信道较好的环境,如演播室、家庭环境存储媒介中。另一种是传输码流(Transport Stream,TS),即PES流进入传输复用器中切割成一个个固定长度为188字节的包。适用于较容易发生错误的环境,如广播传输信道。在MPEG-2传输流中,包长固定为188byte每个包由4byte包头、可变数字节的适配域(Adaptation field)以及净荷(Payload)组成。包头包括:同步字节、根据内容不同且长度固定为13bit的包标识(Packet Identifier,PID)、包连续计数器及其他各种标志位.在自适应字段中,比较重要的信息包括42bit的节目时钟基准(Program Clock Reference,PCR)字段。

  三. 复用器的关键技术

  如果在一个电视频道内复用几路TS流,也即在一个常规频道内传输多套数字电视节目,则称为多路节目的双层复用。第一层复用称为节目复用,第二层复用称为传输复用。传输复用器的基本功能是将来自不同传输流的包进行重新组合,然后放到输出传输流中去。其关键技术有PCR的校正、PSI信息的重构和PID的映射。

  (1)PCR校正(PCR correction):PCR由33bit基值(Base)和9bit扩展值(Extension)组成,PCR值以系统参考时钟周期为单位记录了源端的时间信息,对于整个数字电视系统的同步起着关键作用。在节目复用器中,有一个分为两段的42bitPCR计数器,分别对应传输流PCR字段的基值和扩展值。扩展值以节目复用器系统参考时钟(2MHz)为基准在0~299之间循环计数;扩展值每计到300时清零,同时,基值加1。在PCR字段最后1个字节离开节目复用器前的那一时刻,基值和扩展值分别被插入到传输流包的相应位置。在接收端,通过对PCR值的提取,利用锁相环电路恢复出与源端基本一致的27MHz时钟,作为接收端工作的基准时钟。在再复用器中,由于输入传输流的各个包经过再复用器的处理后延时各不相同,有必要对各个节目PCR字段的内容分别进行修正,这种操作称为PCR校正。其基本算法用公式表示如下:

  其中,PCRin和PCRout分别为同一个包的PCR字段在进入再复用器和离开再复用器时的数值; 为此字段数据随着相应的传输流包在整个再复用器进行各种处理后产生的延时总和。

  (2)PSI信息由MPEG-2标准规定,记录了关于信道、传输流和节目的基本信息。它主要包括节目关联表(Program Association Table,PAT)、节目映射表(Program Map Table,PMT)、网络信息表(Network Information Table,NIT)和条件接收表(Conditional Access Table,CAT)。PSI的插入可以看作再复用器数据插入功能的一个特例。因为再复用器的输出传输流是由多个输入传输流和数据组合而成,所以输出TS的PSI信息需要根据输出流的组成结构重新生成。为了保证码流的随机接入性,MPEG-2标准规定PSI表的重复间隔不得超过100ms,而DVB标准则更加严格,要求不得超过40ms。

  (3)PID映射(PID mapping):在同一个传输流中,不同数据包PID的分配是互不冲突的,当来自多个传输流的包复用到一起时,则可能发生PID冲突的现象。另外,用户也可能需要修改某些PID,或将某些PID的包过滤掉。修改PID、根据PID使包选择性通过等操作统称为PID映射。

  四. PCR校正的重要性及PCR抖动

  1.PCR校正的重要性

  PCR是TS流中节目参考时钟的英文缩写,利用PCR可以使数字电视接收机或机顶盒的解码视频输出与编码器端的视频源同步。从MPEG-2的模型来看,必须要保证传输系统是一个恒定延时系统,它的端到端的延迟(从信号进入编码器到信号从解码器输出)是一个常数。如果不进行校正或者校正精度不能满足要求,解码器所恢复的图像容易掉彩色,还会出现周期性的黑屏现象,同时图像会伴有马赛克,严重时会出现死机。

  PCR是整个MPEG-2传输系统中的统一时钟,它的作用是将发端的27MHz时钟以PCR时间戳的形式注入码流中,而收端是否能够根据该信息无偏差地恢复出发端的参考时钟以达到收发时钟的同步,这对系统的性能有至关重要的影响,因此对PCR的研究一直是热点问题,其中主要的难点是如何校正并消除人为处理和网路阻塞等影响带来的PCR抖动。

  2.非均匀延时和PCR抖动

  通常情况下,经过复用和再复用后,PCR值并不能完全精确地反映信源编码端的时间信息,这种现象称为PCR抖动(PCR jitter)。复用器增加的PCR抖动量主要有以下几个来源:①本地27MHz时钟与节目复用器中系统参考时钟不一致;②本地27MHz时钟与输入传输流时钟不一致;③本地27MHz时钟与输出传输流时钟不一致。

  下面通过一个例子说明非均匀延迟。假若在某TS流中,PCR1和PCR2之间的原始码速率是a,设为所表示的换算为秒的时间,两者的间隔为m1(bit),显然,根据PCR原理得到a=m1/△PCR。现在,由于传输过程中的各种原因,PCR1和PCR2之间的码流速率变为b,两者间隔为m2,如果要求b=m2/△PCR(即变化后的PCR仍然能够准确地反映当前速率),则必须有:

  满足式(1)的延迟称为均匀延迟,否则称为非均匀延迟,显然在一个随机变化的网路中均匀延迟几乎是不可能的,我们把这种非均匀延迟带来的PCR值不能正确放映码流当前的速率信息的状况称为PCR抖动。

  引起非均匀延迟的原因主要有两大类:一类是数据在网路中传输时端到端的非均匀传输延迟造成的,这类抖动一般来说都比较小,大多数系统是可以容忍的;另一类是根据传输的需要人为的改变码速率所引起的,码流复用和码速率调整所引起的PCR抖动都属于这一类,这类情况所引起的抖动一般是比较大的。PCR抖动较大会对收端恢复同步时钟产生很大的影响,如果抖动过大会进一步影响图像画面的效果。不同的系统能够容忍的最大抖动是不同的,在DVB系统中要求小于500ns,因此要对PCR进行校正。

  五. PCR 校正的基本原理

  1.TS流的帧结构

  有线电视传送采用GB/17975.1-2000中规定的MPEG-2传送层,MPEG-2数据传送层由188个字节的包组成,每个包由分组包头及有效负荷组成,如图1所示。包含PCR的TS流包结构如图2所示。

PCR的TS流包结构图

  2.PCR的作用

  PCR是节目参考时钟的英文缩写。包头自适应区中周期性地包含6个字节的编码,用来产生解码器的锁定时钟。利用节目参考时钟,可使数字电视接收机或机顶盒的解码视频输出锁定于编码器输入端的视频信号源。在编码器/复用器中,节目时钟锁定于输入视频信号,由于标清电视(SD)视频(625行50Hz或525行59.94Hz)以27MHz时钟为基准,那么节目时钟也就是27MHz。PCR是计数器的抽点表示,由节目时钟驱动,以某种特定的时间周期(推荐为40ms,ISO/IEC13818-1规定为100ms)插入到流中。

  3.PCR的产生及再生

  传输中的为一路节目提供参考时钟,其中节目为具有共同时间基点的基本流集合,将被同步解码和显示。传输流中可能有多路节目,每一路节目都有独立的时间基点和各自的。PCR分两部分编码:一部分以系统时钟频率27MHz的1/300为计数单位,称为PCR[_] base(方程<1>),它的作用是在解码器切换节目时,提供给解码器PCR计数器的初始值。另一部分以系统时钟频率27MHz作为计数单位,称为PCR[_] ext(方程<2>),它的作用是通过解码器端的锁相环电路修正解码器的系统时钟,使其达到和编码器一致。编码在PCR(i)中的数值代表了t(i),i指包含PCR[_] base字段的最后一位的字节。具体表达式如下:

  由5.2节可知,PCR的取样时钟为27MHz,也就是说,单个时钟周期为37ns,因此,PCR的插入误差不得大于37ns。此外,复用器中的PCR插入机制应能在TS流中确定的准确位置,从而插入正确的数值,该位置的任何计算错误将会导致PCR不准确。对于再复用器和QAM调制器由于必须改变TS流中数据包的相对位置,因此当再插入PCR值时,其相应变化量应当反映任何位置的变化。由此可见,由27MHz时钟以及复用器(或再复用器和QAM调制器)的插入(或再插入)的计算错误会造成PCR的不准确,必须进行PCR校正。

  六. PCR校正的方法

  不同的复用器中,由于PCR校正实现的方法各不相同,以附加PCR抖动大小(即校正精度)为主要指标的性能差别也很大。下面分别介绍几种PCR校正方法。

  1.基于相同实际的PCR校正方案

  在13818协议中并没有对PCR的时基作明确的规定,即1路TS流中的多路节目的PCR 可以使用相互独立的时基,也可以使用统一时基(显然现实中不同节目的产生是不相关的,所以往往在复用时保留原有不相关的时基),PCR的作用在于为收端提供一个时钟基准,所需要的是PCR之间的差值,而每一个PCR的绝对值是没有意义的。所以,利用一个本地27MHz时钟按照13818协议的规则重新生成42位PCR值,当TS流中存在多路节目时,不区分当前的PCR域内为哪一路节目的PCR,而是利用一个统一的时钟根据时间在每一个PCR域内顺序置入新的PCR值,这样多路节目的PCR共享一个时基,而在恢复时钟时无需判断是哪一路节目的PCR,只需根据PCR的先后顺序进行锁相恢复即可。由于第二次PCR置入是在速率变化之后,最终输出的PCR值可以无抖动地反映调整之后的码流速率,可见尽管码率调整使得PCR出现抖动,但是重新置入PCR使得抖动消除。

  2.关于基于相同时基的PCR校正策略的改进[4]

  基于相同时基的PCR校正方法存在一定的弊端,由于采用本地27MHz时钟进行PCR的重新置入,最终恢复出来的27MHz时钟必然是本地的参考时钟,假如这个时钟与原参考时钟有偏差,那么这个偏差将不断积累,假如原参考时钟是产生PS流时产生PCR的参考时钟(这个时钟也是最终收端所需要的时钟基准),这个偏差的积累最终可能导致缓冲区的溢出并使解码产生不良效果,所以在置入时准确地恢复出原27MHz时钟,使重新置入PCR参考时钟无偏差或偏差较小,基于此,对该方案提出了改进。

  具体方法是从第一次PCR的重新注入开始,每一次重新注入PCR之前,首先通过,码流中的原有PCR恢复出参考时钟,并用这一时钟来产生新的PCR,从PS流开始,第一次引起PCR抖动的是MPEG-2复用器,而在码流被复用以前其PCR是完全没有抖动的,从这里开始使用上述方法,可以解决时钟偏移量积累的问题。最终的整体FPGA实现框图如下。

PCR系统图

  3.改进的PCR校正算法

  改进的PCR调整方法有别于原来的方法,它不是对原有的PCR值进行修改,而是重新生成正确的PCR值,并替代原有的PCR值。基本原理是用本地27MHz时钟计数值代替原有的PCR值,同时保存它们之间的差值,在用这个差值调整PTS,DTS值。如图4所示,原PCR值进入PCR校正模块, 被本地27MHz时钟计数值代替输出,同时计算两者的差值并保存到RAM中;如图5所示,原PTS,DTS值进入PTS,DTS 校正模块,原PTS和DTS值减去保存在RAM中的相应差值,输出正确的PTS和DTS值。

  七. 结束语

  在复用器系统中凡涉及到TS流的解复用和在复用都不可避免的要涉及到PCR校正问题。通过分析PCR校正的原因,介绍PCR校正的基本原理和现有的一些不同的PCR校正方法,可以为以后的研究和设计奠定一定的基础。

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