数字电视时钟恢复和减小PCR抖动影响的方法

2010-03-14王妍，杨波

电视技术 2010年10期

王妍，杨波

（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）

1 引言

为了实现数字电视系统中的实时解码、播放和音视频同步，MPEG-2标准规定在编码端采用一个公共的系统时钟参考[1-2]。在传输流的TS，PES和ES 3个不同的码流层次中规定了不同的时间信息字段，通过这些字段的联合作用来完成接收端的实时解码和同步，依次是节目时钟参考（Program Clock Reference，PCR）、解码时间戳（Decode Time Stamp，DTS）和显示时间戳（Presentation Time Stamp，PTS）以及 VBV_Delay 域。

PCR字段有着关键的作用，因为解码端解码时首先需要利用PCR字段完成本地系统时钟恢复，进而借助DTS和PTS使音视频的解码与播放达到同步状态。然而传输网络的延迟和抖动、节目切换、节目再复用等因素会造成PCR抖动，直接影响到音视频的解码及同步性能。由此可见，时钟恢复和减小PCR抖动影响是数字电视系统中音视频同步的关键所在，也是工程应用中的一个难题。

笔者在分析基本的本地系统时钟恢复原理和PCR抖动成因之外，介绍了数字电视芯片PLM3K平台的时钟恢复和减小PCR抖动影响的方案，该方案具有较高的工程应用价值，且已成功商用化。

2 本地系统时钟恢复

一般来说，接收端的本地系统时钟恢复有2种方法：锁相环法和异步置数法。MPEG-2标准介绍了锁相环法，即接收系统通过相位锁定环（Phase Locked Loop，PLL）来恢复系统时钟，该法是经典的时钟恢复方法，输出的时钟频率和编码端严格匹配，但也有部分接收系统采用独立生成的系统时钟，时钟频率和编码端并不严格匹配，随着时间的推移，会引起系统的误差积累，因此在必要之时需要通过PCR字段更新系统时钟的计数器来校正系统时钟，这就是异步置数法。

2.1 锁相环法

锁相环法的原理图如图1所示。

其基本工作原理是：当一个新节目开始，第一个PCR被载入计数器，其后是PLL闭环操作。在每个PCR达到解码器的时刻，它的值与当前计数器值作比较，差值为一个数值，一个部分以90 kHz为单位，另一个部分以27 MHz为单位。该差值被线性化到单个的数值空间，通常以27 MHz为单位，称为e，e值序列输入到低通滤波增益。该阶段的输出是一个控制信号f，用于控制压控晶振的瞬时频率。压控的输出是一个标称值为27 MHz的振荡信号，即可用作本地的系统时钟，同时该时钟输入到计数器中生成当前的计数值。

2.2 异步置数法

异步置数法的基本原理图如图2所示。

可以直接恢复本地27MHz的系统时钟，该法比锁相环法简单，但时钟精度却比不上锁相环。因此，必要时需要用PCR字段更新系统时钟计数器，以此校正系统时钟的频率偏差。

3 PCR抖动的原因及影响

网络或传输流在复合器使从编码器或存储系统到解码器的数据传输延迟不同，将导致PCR值和实际接收值之间产生差异，这就是PCR抖动。

PCR抖动会影响到本地系统时钟的恢复，在锁相环法中会延长锁定时间甚至无法锁定；在异步置数法中会导致系统时钟计数器的数值错误，进而导致解码缓冲区发生上溢或下溢以及音视频不同步等现象。PCR抖动产生的原因大致有2种：网络传输和再复用。

1）对于网络传输引起的情况。实际的网络存在传输时延和时延抖动、媒体共享系统队列延迟或网络存取时间变化，接收端收到的PCR具有可变延迟，这种PCR抖动范围较小，持续时间较短。

2）对于再复用情况。传输流数据分组的顺序和相对位置发生变化，因此PCR位置的改变会使原先正确的PCR值不再正确，并没有反映它们经过一定的延迟后被传送的时间，这种PCR抖动范围较大，持续时间长。

减小PCR抖动影响的方法[3-6]有增大解码缓冲区来扩大PCR抖动的范围、对PCR进行常量基础之上的校正和结合时钟恢复的具体方案来选择适合实际平台的具体方案等。

4 时钟恢复及减小PCR抖动方案

PLM3K是一款高清数字电视芯片，它通过硬件方法独立生成系统时钟，并通过软件方法利用PCR字段校正时钟精准度和减小PCR抖动的影响，原理框图如图3所示，硬件和软件的 “沟通桥梁”是2个寄存器：STC计数器和PCR寄存器。STC计数器对本地独立产生的系统时钟进行周期计数；PCR寄存器存储并更新接收到的PCR字段。具体流程图如图4所示。

当一个新节目开始或者节目中插播广告等其他流节目，或从插播中回到原始节目，用PCR寄存器中的值初始化STC寄存器。

PCR寄存器在前后相邻2个PCR字段的差值与STC寄存器差值的差值freqTole在某种程度上反映了PLM3K自主产生的时钟频率与编码端的系统时钟的偏差以及PCR的抖动情况。笔者采用渐进法的思想在前一次PCR抖动平均值VarValue的基础上计算新的PCR抖动平均值，当freqTole落入观察区域，则计算更新VarValue；而VarValue一旦落入校正区域，即对本地时钟频率进行校正。观察区域和校正区域如图5所示。

本方案对时钟的校正不仅会更新STC寄存器，也会对系统时钟的频率精度进行反馈微调。-810～+810Hz频段共等分为30段，频率间隔均是54 Hz，因此频率调节共分30挡。在去除VarValue表征的PCR抖动影响后，可计算出期望频率与实际频率的差值落在哪个区域中，进而计算出精细的频率校正值，重新设置相关寄存器，从而到达校正系统时钟频率的效果。