5 Transport Multiplex

Der Ausgang eines MPEG-Encoders liefert je einen Video- und Audio-Bitstrom, die Elementary Streams (ES) genannt werden. Die Aufgabe des Multiplexers ist es, mehrere Programme, weitere Daten und Zusatinformationen im Zeitmultiplex zu einem einzigen Transportstream zusammenzufassen, der die Nettodatenrate des Transponders aufweist. Ferner werden Massnahmen zur Taktregenerierung im Decoder und zur Synchronisierung von Video und Audio (Lippensynchronität) getroffen. Der Multiplexer sollte folgende Anforderungen erfüllen:

• die zeitsynchronen Bild- und Tonkomponenten müssen wieder synchron regene- rierbar sein
• möglichst grosse Zahl von Einzelkomponenten
• freie Wahl der Datenraten der Komponenten
• Datenübertragung in Paketen konstanter Länge, die jeweils nur Daten einer einzigen Komponente enthalten

5.1 Struktur des Transportstreams

Nachfolgend wird der Aufbau eines Transportstreams Anhand des Tektronix MTS-100 Multiplexers aufgezeigt.

5.1.1 Tektronix MTS-100

Der MTS-100, den uns die Firma Tektronix freundlicherweise vier Tage zur Verfügung stellte, ist ein Multiplexer und Analyser auf PC-Basis. Über die Schnittstellen oder von der Festplatte ist der Multiplex von Elementary Streams und Zusatzinformationen zu einem Transportstream möglich (dies jedoch nicht in Echtzeit), der dann gemäss des DVB Standards für die Modulation vorbereitet werden kann. Umgekehrt ist die Analyse eines demodulierten Transportstreams bezüglich der Einhaltung der von MPEG definierten Semantik und der Syntax möglich. Ferner werden Übertragungsfehler angezeigt, und die Synchronisation (Timestamps, siehe Bild 5.4) analysiert. Es können also mit dem MTS-100 DVB Encoder und Decoder auf deren korrekte Funktion überprüft werden, wenn diese den Transportstream an den Schnittstellen herausführen. Dies war bei den beiden Decodern, die uns zur Verfügung standen, nicht der Fall, so dass ein Überprüfen der Geräte durch den MTS-100 nicht möglich war. Wir verwendeten den MTS-100 jedoch als Multiplexer, indem wir vier Elementary Streams (2 Video- und 2 Audiostreams), die auf der Festplatte gespeichert waren, zu einem 10 Mbit/s Transportstream verarbeiteten. Die Bilder 5.1 bis 5.4 (MTS-100 Plots) stammen von diesem Multiplex.
Der Transportstream besteht aus Paketen von 188 Byte Länge, deren Aufbau in Bild 5.2 gezeigt wird. Der Header enthält unter anderem das Synchronisationsbyte, das die Trennung der Pakete erleichtert, ein Error Flag zur Markierung fehlerhafter Dateninhalte und die PID (Paket Kennung). Dem Header folgen als Option n Bytes Adaptionsdaten, die eine datensparende Unterbringung von Steuerdaten möglich macht. Denn diese sind nicht in jedem Paket erforderlich. Der Rest des Pakets (Payload) steht den eigentlichen Nutzdaten zur Verfügung. Diese sind ebenfalls in Paketen (Packetized Elementary Streams, PES) organisiert, die aus Header, Adaptionsdaten, und Nutzdaten bestehen.
Neben den Video- und Audiodaten werden folgende Zusatzinformationen übertragen:

• Program Association Table, PAT Liste der Kennungen (PID) aller Programme
• Program Map Table, PMT Kennungen der Pakete eines Programms
• Conditional Access Table, CAT Daten zur Programmverschlüsselung
• Network Information Table, NIT Daten des Übertragungssystems

Bild 5.1 Transportstream mit Inhalten: PAT, NIT, PMTs und je zwei Video- und Audiostreams

Bild 5.2 Transportstreampaket: 1. Zeile: Header; letztes Feld: Nutzdaten; Rest: Adaptionsdaten

Bild 5.3 Auslastung des 10 Mbit/s Kanals:
        - Paketnummern 50 und 60: Videostreams
        - Paketnummern 51 und 61: Audiostreams (sehr kleiner Anteil)
        - Paketnummer 8191: Stopfbits (freie Kapazität)

Bild 5.4 Ankunft eines I-, P- und zweier B-Bilder, PTS, DTS, PCR

Bild 5.4 zeigt den zeitlichen Zusammenhang der Synchronisationsmarken und die Ankunftszeiten der Daten. Jede Einheit besitzt je eine Marke, die relativ zur Zeitbasis (Program Clock Reference, PCR) den Decodier- und den Präsentationszeitpunkt angibt (Decoding Time Stamp, DTS und Presentation Time Stamp, PTS). Natürlich muss die DTS vor der PTS erscheinen, weil vor der Präsentation zuerst die Decodierung zu erfolgen hat.

5.2 Statistischer Multiplex

Die Multiplexverfahren, die momentan von DVB angewandt werden, reservieren für jede Einzelkomponente eine fixe Datenrate, die sich nach dem Bedarf des Programmes richtet (2 -15 Bit/s). Wie in Kapitel 2 beschrieben wird über ein Rückkopplungspfad die Feinheit der Quantisierung so geregelt, dass die maximale Datenrate nicht überschritten wird. Die maximale Datenrate ist jedoch nur bei komplexen Bildinhalten (Kameraschwenks, schnelle Bewegungen) erforderlich. Während der übrigen Zeit ist die eigentlich benötigte Datenrate geringer, und ein Leerlaufen des Buffers wird durch eine feinere Quantisierung oder sogar durch Stopfbits verhindert. Dies ist ein Verlust in der Effizienz der Komprimierung.

Bild 5.5 Zeitlicher Verlauf der Datenrate eines Programms mit maximal 6 Mbit/s

Ein anderer Ansatz, der von der Firma Imidia aus Kalifornien entwickelt wurde, ist der statistische Multiplex, der die Statistik der parallel übertragenen Programme untereinander berücksichtigt. Es ist nämlich eher unwahrscheinlich, dass die “Datenexplosionen³ auf Grund von komplexen Szenen zur gleichen Zeit auftreten. Das StatMux-System weist nun jedem Programm eine feste Datenrate zu, die dem statistischen Durchschnitt entspricht, und lagert die Datenspitzen als Pakete in Programme aus, die momentan nur wenig Daten zu transportieren haben. Das Prinzip wird in Bild 5.6 verdeutlicht. Auf diese Weise kann die Effizienz der Kompression nochmals bis zu einem Faktor 6 erhöht werden. Ein Transponder soll bis zu 24 Kanälen in "gewohnter Qualität" Platz bieten.
Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist die Kompatibilität zu den bisherigen DVB-Decodern. Die Vermarktung in Europa und die Auslieferung von Testequipment ist bereits im Gange.

Bild 5.6 Auslagerung von Datenspitzen in andere Programme im statistischen Multiplex