地面数字电视码流分析系统的开发及应用

周沫 汪波 江苏省广播电视总台发射传输台

1.背景

江苏省地面数字播出网按省域单频网、市域单频网、全省各县多频网的组合方式建设，播出中央、省、市、县节目。信号前端系统分省前端、各地市前端、各县前端三级结构，各前端按IP方式进行分级复用。与传统的ASI复用方案相比，全网IP架构结构清晰、集成度高、信号调度快捷。

施工过程需要对前端编码器、复用器、交换机、单频网适配器、发射机输入端等各节点进行码流分析比较，确定信号完好、定位故障节点。但在实际工程中发现常用的码流分析系统，功能都不够完善，如TS-Reader能实现码率监控、节目列表扫描，但是不能实现AVS+/DRA的节目解码；TeleSight能实现AVS+的节目解码，但不能实现码流的自动探测。未发现一款码流分析系统，能实现地面数字电视信号调试必须的SIP包分析功能。因此，需要一套码流分析系统，既有便携性，又具备地面数字电视系统需要的码流分析和调试功能。

2. 功能需求分析

按照实际工程需要，本项目开发的码流探测分析系统，至少具备以下基本功能：

（1）TS流自动探测：不需要手动填写目的地址、源地址、组播地址等信息，能自动获取所有传入数据包并筛选出TS流，详细显示流列表。

（2）TS流手动探测：具备组播组加入申请功能。

（3）码率监控和报警：监测TS流总码率及所有PID的传输码率，显示所有PSI/SI信息。

（4）节目列表扫描：不论是SPTS还是MPTS，都能实现节目扫描。

（5）TR101-290错误检查：支持实时监测错误信息。

（6）TSoIP流错误检查：具备基本的IP层错误检查功能。

（7）AVS+/DRA节目解码预览：支持AVS/AVS+/H.264视频解码，DRA/MP2/AAC等音频解码，可根据读取的节目表选择节目，也可以指定PID解码视音频。

（8）单频网SIP包分析：地面数字电视单频网信号中SIP包信息的检查和分析。

3.技术方案设计

系统使用Microsoft Visual Studio开发工具以C#编写，窗体部分使用Windows Forms设计，共两个应用窗体界面： 码流探测、码率监控、节目信息显示、错误记录、节目解码预览在一个界面，SIP分析在另一个界面。

3.1 码流探测

工程施工过程中发现，码流分析系统需要具备自动探测功能，一是为了方便操作，不需要每个节目手动扫描，二是实现查看某端口的所有节目，确保节目没有变多或遗漏。但是常见的TS码流分析系统在TS组播码流获取时，需要手动输入组播地址，并不能实现自动探测的功能。本系统根据使用需求，支持自动探测所有传入组播流，同时也支持手动输入组播地址加入组播组。码流探测界面如图1所示。

图1 码流探测界面

自动探测功能（节目左下角）：用户选择绑定本机某个网卡即可探测所有传入的TS流，包括推送的组播流。主动加入组播组功能：也可通过自行添加组播地址加入组播组以获得组播码流。界面中每一行均为一个获取的TS流信息，左边为数据包源地址、端口，右边为目的地址、端口。

TS流是基于Packet的位流格式，每个包是188个字节（或204个字节，在188个字节后加上了16字节的CRC校验数据，其他格式一样）。一个TS包的格式见图2。

图2 TS包格式

具体实现搜索TS流的方法为建立.net中socket对象绑定指定的本地地址并探测传入的所有数据。根据上述TS流特征过滤收到的数据包中的TS流并将基本信息显示在界面中。部分代码见图3。

图3 TS流绑定代码

3.2 码率分析

在探测界面中选择某个TS流并点击开始分析后，软件将对该TS流进行详细分析、监控。本程序中设计一个TS_Deal类来完成所有TS码流信息的监测、分析功能。该类的实例绑定一个TS流后，便会持续收取码流，在TS_Deal实例中，每隔一定时间对已获取的所有数据包进行分析，内容包括：（1）分析TS包头：根据上一节TS_header的结构，解析每个TS包的包头，解析后即得到该TS包对应的PID、同步字节、包递增计数器、加密标志等信息。

（2）计算总码率：在一定时间后计算缓存中的TS包个数，算得总码率。

（3）统计PID信息：每个PID码率与计算总码率类似，每隔一定时间计算每个PID包个数，从而得到每个PID码率，核心代码如图4。

最后，将上文所述的计算总码率和每个PID码率信息实时展示到窗口界面。

图4 PID统计代码

3.3 节目信息

解析SDT、PAT、CAT、PMT表并分析错误信息，通过PID判断表类型，根据每个表结构进行解析。首先解析PAT表，获取码流中所有节目列表，PAT表结构如图5所示。图5中，程序在解析到N环部分的时候，会读取并保存节目列表及其PID。PAT表列出了TS流中所有的节目列表，以及节目对应的PID值，这个PID值表征的是该节目对应的PMT表的PID值。

图5 PAT表结构

PMT提供一路节目包含的所有原始码流的PID映射表，程序在读取N环的时候会读取该节目所有的码流列表及其PID，解析的时候可以根据PID来分离。节目时钟参考PCR的PID和视频的PID是相等的。由PAT得出所有的节目列表，根据一个节目筛选出等于该节目PID的TS包，就可以得到该节目的所有码流的PID映射表。最后，通过SDT表的解析获得所有节目的节目名称、服务名称等信息。

以PAT表为例，解析代码如图6所示。

最后，将PAT、PMT、SDT表解析后将节目信息整理并通过界面右侧treeview显示出来。

图6 PAT表结构解析代码

3.4 节目解码

根据上文获取节目列表后提供节目选择界面，将对应节目视音频PID的TS包发送给解码模块并将视音频解码展示在界面中，也支持指定PID进行指定格式的音频或视频解码。

3.5 错误分析

错误变量使用TR101_Status结构体定义，记录错误状态及错误发生的次数，在使用中需检测的错误内容见图7。

图7 TR101-290错误分析代码

根据TR101-290，在上文搜索SDT、PAT、PMT等表时分析码流中的错误信息，错误解析后，将错误内容和错误个数展示在界面下方，当发生错误时对应项目显示为红色以及错误个数，软件中提供了6个一级错误及传输错误、CAT错误，两个二级错误的检测。在IP传输层面，按照IP包的时间间隔计数并做统计报警。

以连续计数错误代码举例见图8。

图8 连续计数错误分析代码

图9 SIP包分析模块

3.6 单频网SIP包分析模块

为了地面数字电视单频网测试需要，加入了单频网 SIP包分析模块，功能界面如图9所示。

图10 SIP表结构

在地面数字电视单频网中，适配器每1秒钟向输入的TS码流中插入1个SIP，插入时刻与GPS的1pps对齐，SIP包的格式与MPEG2-TS包格式相同，由4字节的包头和184字节的数据字段组成，SIP表结构见图10。

程序对其中SI_SIP中包含的信息进行解析，展现在界面中，并将每个参数错误记录次数展现在参数右侧，方便工程中进行阐述核对和分析。

同时程序中实时统计SIP包间隔并计算SIP偏差，由于网络传输中可能有误差，程序提供SIP累计偏差调整统计精度。计算部分代码见图11。

最后在界面中展示每次SIP间隔、偏差和累计偏差并以图表形式展现间隔分布。

4.系统应用

该系统是在江苏省地面数字电视施工阶段，按照实际需求进行的研发，并进行了多次修改，操作简便、功能完善。应用该系统，技术人员能快速测试到所有传入的TS流、监测所有PID的传输速率、实时显示TR101-290错误信息，并能提供声音、画面实时播放功能。对于单频网信号，能进行SIP包的检测和分析。在快速定位信号故障节点方面，系统得到了广泛应用，极大地提高了施工的效率。

图11 SIP分析代码