CN101222626A - 一种数字电视信号码流特征提取与识别方法及其设备 - Google Patents

一种数字电视信号码流特征提取与识别方法及其设备 Download PDF

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Abstract

一种数字电视信号码流特征提取与识别方法及其设备属于通信领域。本发明提出一种简单有效的描述数字电视码流的特征参数,并利用特征参数来识别数字电视码流内容。本发明提供的设备,包括:发送端包括至少一个采集装置以及与其相耦合的处理器;接收端包括至少一个采集装置以及与其相耦合的控制处理器。本发明克服了目前数字信号传输监测采用的码流比对方法依赖于原始发送信号码流的局限性。通过对数字电视码流特征进行提取与识别,只需要利用一个低带宽的信道传输特征参数,使数字电视信号监测点可灵活地分布到数字电视广播网络覆盖的范围内任何地点,有效扩大监测范围。

Description

一种数字电视信号码流特征提取与识别方法及其设备
技术领域
本发明属于通信技术领域,主要涉及数字电视信号传输过程中干扰信号的监测和识别,是一种基于数字电视信号码流特征的码流内容识别方法。
背景技术
在数字广播电视系统中,为了保障安全播出,提高播出质量,需要建立安全播出监测控制系统。电视台节目通过卫星、有线和地面数字电视广播覆盖全国,需要相应地建立卫星、有线和地面数字电视广播监测网络系统。
广播电视监控系统主要根据干扰的性质,采用信道传输误码率作为监测参数和判断依据,这种方法对于自然干扰及单频干扰,可以精确地判断出受到干扰的情况;但是,对于人为的同参数同特征干扰,即干扰信号码流在传输流层面特征与正常信号一样,依靠误码率和传输流分析不能准确判断,需要采用对码流内容进行识别的方式才能正确判断。
目前,对码流内容进行识别主要采用码流比对技术,即在发送端对发送码流和接收回来的码流进行逐个比特的比对方法进行内容识别。由于广播电视系统是一个点到面的传输系统,这种在发送端用发送前的码流与接收会的码流进行比对,只能判断出这一条传输路径的干扰情况,对于其它传输路径的干扰情况是无法进行判断的。因此,也就无法准确判断整个广播电视传输网受到的干扰情况。
解决这个问题的办法是建立广播电视监测网络,将监控点从发送前端分布到整个广播网络的各点,这样,可以提高干扰判断的准确性。但也带来一个问题,在监测点对两路码流进行比对,就需要将一路参考码流用相同的带宽的通道传输到监测点,这会造成信道资源的极大浪费。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种数字电视信号传输码流特征的提取与识别方法。使数字电视信号监测点可以灵活、有效地分布到数字电视广播网络覆盖的范围内,以实现对数字电视信号受干扰或攻击情况的自动监测,自动发出预警信号,自动确认干扰信号种类和受干扰的情况。
本发明提供一种数字信号传输码流特征提取与识别设备,其特征在于,包括:
发送端包括至少一个采集装置,用于实时采集调制之前的码流;
在发送端装置中包括与所述采集装置相耦合的处理器,所述发送端处理器包括:
码流输入监测单元:用于判断所述的调制前的码流是否有输入;
特征数据提取运算单元:用于从采集到的调制前的码流中提取特征数据,从采集到的调制前的码流中提取码流的时间信息,将得到的特征数据和时间信息传送给特征数据包处理单元;
特征数据包处理单元:根据数据包协议,对特征数据和时间信息进行打包处理,即将特征数据、时间信息与连续同步数据及特征数据包比特校验数据一起设置于特征数据包中的相应字段上,形成特征数据包,将特征数据包传送给特征数据包发送单元;
特征数据包发送单元:根据网络传输协议,将特征数据包以数据流的形式通过封闭的内部网络发往位于接收端的监测点;
接收端包括至少一个采集装置,用于实时采集接收到的码流;
在接收端装置中包括与所述采集装置相耦合的控制处理器,所述接收端控制处理器包括:
码流输入监测单元:用于判断所接收码流是否有输入,监测连续的同步包头,确认是否是传输流信号;查看传输包中的错误指示,并设置错误标记;
特征数据流接收监测单元:判断是否收到所述的特征数据流;监测接收到的特征数据包中的连续性计数字段,发现数据包不连续处,若在设定的排序范围门限值以内,则对特征数据包进行重排序操作,若超出排序范围门限值,则丢弃数据包;查看特征数据包中的比特校验数据字段,丢弃传输过程中出错的特征数据包;将重新排序后的特征数据包传送给同步处理单元和特征数据比对单元;
同步处理单元:将从特征数据包中得到的时间信息与接收码流中的时间信息进行比对,如不一致,用下一个特征数据包中的时间信息继续寻找,若在搜索范围门限值以内找到一致处,即找到了同步,从采集的下行码流中提取特征数据,交由特征数据比对单元处理;当超过设定的预警门限值或者搜索范围门限值未找到一致处则认为无法同步,输出无法同步报警信息;
特征数据比对处理单元:用于从采集到的接收码流中提取特征数据,从特征数据包得到特征数据,将从接收端采集的码流中提取的特征数据和从特征数据包中得到的特征数据进行比对处理,并统计比对结果;
监测数据综合处理输出单元:将各单元的处理结果由本地界面视频和/或音响输出;或者由本地数字、模拟及开关量控制输出;或者通过以太网口输出;或者通过串行接口控制命令输出。
应用上述设备进行数字信号传输码流特征提取与识别方法,其特征在于,包括以下步骤:
发送端:
从数字电视信号发送端采集调制前的码流;
从采集到的调制前的码流中提取特征数据,从采集到的调制前的码流中提取出码流的时间信息,将提取的特征数据、时间信息与连续同步数据、特征数据包比特校验数据一起设置于特征数据包中的相应字段上,形成特征数据包;
将特征数据包以数据流的形式通过封闭的内部网络发往位于接收端的监测点;
接收端:
判断所接收码流是否有输入,监测连续的同步包头,确认是否是传输流信号;查看传输包中的错误指示,并设置错误标志。
从数字信号接收端采集接收到的码流;从采集的码流中提取标识码流的特征数据;从封闭的内部网络接收特征数据包;
判断接收端是否收到所述的特征数据流;监测接收到的特征数据包中的连续性计数字段,发现数据包不连续处,若在设定的排序范围门限值以内,则对特征数据包进行重排序操作,若超出排序范围门限值,则丢弃数据包;查看特征数据包中的比特校验数据字段,丢弃传输过程中出错的特征数据包;将重新排序后的特征数据包传送给同步处理单元和特征数据比对单元;
查看特征数据包中的比特校验数据字段,丢弃传输过程中出错的特征数据包;
对从特征数据包中提取出的时间信息和接收码流的时间信息进行比对,如不一致,用下一个特征数据包中的时间信息继续搜寻,若在搜索范围门限值以内找到一致处,即找到了同步,从采集的下行码流中提取特征数据,交由特征数据比对单元处理;当超过设定的预警门限值或者搜索范围门限值未找到一致处,则认为无法同步,输出报警信息;
从采集到的接收码流中提取运算得出特征数据,从特征数据包得出特征数据,将从接收端采集的码流中提取的特征数据和从封闭的内部网络接收到的特征数据进行比对处理,并统计比对结果;
将处理结果由本地界面视频和/或音响输出;或者由本地数字、模拟及开关量控制输出;或者通过以太网口输出;或者通过串行接口控制命令输出。
进一步,对特征数据的描述包括:单个数据统计段内TS包数量;
以及以下三种描述之一或者任意组合;单个数据统计段内的“0x00”字节或“0xFF”字节的统计数量;单个数据统计段内同一类型TS包中的“0x00”字节或“0xFF”字节的统计数量;单个数据统计段内同一类型TS包数据字节的CRC校验字;
对单个数据统计段的描述为:从一个净荷单元起始指示为1的TS包开始,到下一个净荷单元起始指示为1的TS包之间的数据字节。
采用本发明描述的特征数据优点在于:只要保证单个数据统计段内TS包数量不变,单个数据统计段内的“0x00”字节或“0xFF”字节的统计数量(或单个数据统计段内所有同类型TS包中的“0x00”字节或“0xFF”字节的统计数量,或单个数据统计段内所有同一类型TS包数据字节的CRC校验字)不变,即可以基本确定TS流内容没有被改变;提取特征数据的方法简单可靠,只需要在TS流这一层次进行处理,不需要深入到PES流及ES流层次,保证了处理速度的快捷,适合实时监测场合;特征数据的数据量很少,大约不到TS流的数据量的0.07%,有效节约了传输特征数据的信道资源。
进一步,从发送端的码流中提取出码流中的时间信息,时间信息采用PES头中的PTS显示时间戳和DTS解码时间戳,根据特征数据的描述,提取单个统计数据段内的第一个TS包内的DTS数值,将DTS数值插入特征数据包的时间信息字段;如果该TS包内没有DTS,只有PTS,则提取PTS数值,将PTS数值插入特征数据包的时间信息字段;若此TS包内不存在PTS字段,则不提取时间信息。
采用上述提取码流中的时间信息方法,其优点在于:可以保证提取的各个统计字段内的时间信息是依次递增,这种数据特性可以降低时间信息同步处理过程的复杂性,简化时间信息同步处理过程。
本发明的应用在于,通过提供一种数字电视信号码流特征提取与识别方法。使数字电视信号监测点可以灵活地分布到数字电视广播网络覆盖的范围内任何地点,可以应用到数字卫星电视广播系统、数字有线电视广播系统、数字地面电视广播系统的监测,可以实现对数字电视信号受干扰或攻击情况的自动监测,自动发出预警信号,自动确认干扰信号种类,并采取相应的策略,实现广播电视安全播出的要求。
附图说明
图1为本发明的码流特征提取装置结构框图;
图2为本发明的码流特征提取及识别装置结构框图;
图3为本发明的码流特征提取及识别装置在数字卫星电视广播系统中的应用示意图;
图4具体实施采用的装置;
图5发送端处理流程图;
图6特征数据报接收及处理流程图;
图7同步及特征数据比对处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。如图4所示,是本发明一种数字电视码流信号特征提取与识别装置的一个实施例的硬件处理平台。该硬件处理平台采用计算机+PCI码流采集卡的方式,PCI码流采集卡采用蓝拓扑MPEG2传输流数据采集卡BSRC-11,计算机型号为:Intel(R)Pentium(R)4、CPU 2.93GHz、1GB内存。发送端和接收端的功能在所述的硬件平台上实现。具体功能的实现则由计算机软件编程完成。硬件处理平台不限于计算机,可采用工控机、嵌入式系统、DSP数字信号处理平台或专用的数字信号处理系统,码流采集卡不限于采用PCI接口方式,可采用USB、1394、并行等接口方式。
发送端功能的实现,如附图4所示,计算机通过PCI码流采集卡将码流数据采集到系统的缓存器中,根据程序指令对缓冲器中的码流数据进行特征提取,形成特征数据包,通过以太网接口发出。附图5是本发明发送端功能的流程图,首先判断采集卡有无信号输入,若没有信号输入,进行无信号输入告警,若识别到信号输入,检查传输包同步字节是否正常,同步字节异常,进行同步字节异常告警,若同步字节正常,则从码流数据中找一个净荷单元起始指示(Payload_unit_start_indicator)为1的视频TS包,在该TS包中提取DTS和PTS数值。接着查找到下一个净荷单元起始指示(Payload_unit_start_indicator)为1的同类型视频TS包,统计这两个TS包之间的TS包的总数,统计这两个TS包之间的字节0x00(或0xFF)的个数(或对TS包之间的字节进行CRC校验得到校验数据)得到特征数据0,分别统计这两个TS包之间具有相同PID号的视音频TS包中的字节0x00(或0xFF)的个数(或对这两个TS包之间同类型TS包中的字节进行CRC校验得到校验数据)作为相同PID类型的TS包的特征数据N,提取PID数值PID#N。将得到的各特征数据按照下面两种特征数据包结构进行打包。
简单参数类型数据包:
  包头同步   数据包连续计数   参数类型  PID#0  DTS或PTS   TS包数量   特征数据0   校验数据
8bit      8bit       7bit   16bit  33bit    16bit     16bit     16bit
Figure S2008100573756D00061
 8bit     8bit     7bit   33bit    16bit   16bit  16bit  16bit   ……  16bit   16bit    16bit
其中,包头同步用于数据包头的识别,数据包连续计数用来发现特征数据包的不连续处,参数类型用于说明特征数据包中是否载有特征数据以及特征数据的类型,从参数类型之后开始到纠错编码之前是特征数据。打包之后,将特征数据包通过封闭的内部网络发送到接收端装置。
特征数据包的长度可变,其长度与参数类型选择以及码流中复用的节目数量多少有关。若选择简单参数类型的特征参数,数据中不出现各类视音频PID号及特征数据。此时,特征数据包长度为120bit(15Byte),根据实验统计结果表明,通常单节目码流中两个同类型净荷单元起始指示(Payload_unit_start_indicator)为1的TS包之间的平均字节数约为数百个传输包,如果按250个传输包来计算,共有51000个Byte。这样,在单节目码流的情况下,简单类型的特征参数为15个Byte,只相当传输码流的0.029%。若选择完整参数类型的特征参数,通常单节目码流中有一路视频流和两路音频流,特征数据包中增加3个描述PID号和特征数据N的参数数据,共需增加12个Byte,这样特征数据包长度为25个Byte,相当于传输码流的0.049%。即使是多路节目传输码流的情况,虽然复杂类型的特征数据包长度会增加,但是两个同类型净荷单元起始指示(Payload_unit_start_indicator)为1的TS包之间的平均字节数也会随着复用节目路数的增加而增加,经过实验测试表明特征数据包的数据量大约相当于传输流数据的0.07%左右。因此,带宽资源得到极大的节约。特征数据打包后,通过网络接口发送。
接收端装置功能的实现,如图4所示,计算机通过PCI码流采集卡将码流数据采集到系统的缓存器中,同时,通过以太网接口接收来自发送端的特征数据包,按照附图6所示的流程对接收到的特征数据进行监测和排序处理,首先判断有无接收到特征数据流,若无特征数据流输入,设置无特征数据流输入指示,继续进行判断;若判断接收到特征数据流输入,设置有特征数据流输入指示,检验特征数据包是否存在传输误码,若存在误码,丢弃该数据包,继续进行有无接收数据流的判断;若特征数据包无传输误码,则对接收到的数据包进行搜索范围为4个数据包的重排序,回到有无特征数据流判断。
接收端的同步处理和特征数据比对过程按照附图7所示流程进行,通过检测PCI码流采集卡的状态指示,判断有无信号输入,并给出有无输入信号指示;查看传输流缓存器内前5个传输包的同步头是否正常,若异常给出传输流同步字节异常告警,若同步字节正常,用链表缓存中头结点内的特征数据包的时间信息(即从特征数据包中提取出的时间信息)进行同步,在接收码流中搜索时间信息进行比对,如不一致,用下一个特征数据包中的时间信息继续搜寻,若在下一个缓冲数据块达到之前找到一致处,即找到了同步,从采集的接收端码流中提取特征数据,进行特征数据比对;若在下一个缓冲数据块到来之前找不到一致处,对计数器M加1,继续下个缓冲数据的同步,如果M>15,则认为无法同步,对M清零,输出无法同步报警信息,并继续进行时间信息的同步搜索。
时间信息同步后,进行特征数据提取,特征数据比对是在TS流中,统计从搜寻到的时间信息所在的TS包开始到下一时间信息所在的TS包之间的TS包数量以及字节为0x00的字节数(0xFF的个数或CRC校验数据),将这两个数与特征数据包中对应的特征数据进行比较,若相同,确定TS码流来自合法的发送前端;若TS包数量不同,表明码流中内容通过复用方式被改变(通过复用替换了一路码流、过滤掉一路码流或复用入另外一路码流),连续4个特征数据包中的TS包数量与码流中提取的TS包数量比对不一致,即给出码流告警指示;若TS包数量相同,“0x00”的字节(0xFF的个数或CRC校验数据)不同,表明码流中某路码流的部分内容被篡改,比如某一路节目内容不变,被叠加了字幕。连续4个特征数据包中的“0x00”的字节(0xFF的个数或CRC校验数据)与码流中提取的“0x00”的字节(0xFF的个数或CRC校验数据)比对不一致,即给出码流异常告警指示。对码流的状态判断如下表:
  判断条件   告警状态指示
  采集卡无信号输入   无信号输入告警
采集卡有信号输入 传输流同步字节异常   同步字节异常告警(输入信号不符合传输流码流规范)
传输流同步字节正常   时间信息不能同步   时间信息同步失败告警
时间信息同步  连续4次特征数据(总字节数)比对不一致   码流异常告警,传输流被改变(通过复用替换了码流、过滤掉码流或复用入另外码流)
 连续4次特征数据(“0x00”的字节数)比对不一致 码流异常告警,传输码流的部分内容被篡改
 特征数据比对完全一致 确认传输流为正常状态
采用简单特征参数只能整体上对码流是否通过复用方式被改变或内容被部分篡改的情况进行告警,但不能给出码流中具体情况。采用完整特征参数,可以监测码流中复用每一路码流的内容是否完整地来自合法的前端。通过在特征参数包中增加码流中包含的各路码流的PID和特征数据,在时间信息同步的条件下,判断比较特征数据包中的PID、特征参数与码流中提取的PID、特征参数,可以识别码流中是否复用了码流、过滤了码流、替换了码流或部分修改了码流内容。采用完整特征参数时,具体识别判断见下表
  判断条件  告警状态指示
时间信息已同步   TS包数量不同   PID不一致   传输码流中多出PID 在传输流中复用了部分码流,显示多出的PID
  传输码流中缺少PID 被过滤掉部分码流,显示缺少的PID
传输码流PID不一致 被过滤并复用了码流,显示不一致的PID
PID一致   全部特征数据比对不同 全部码流内容被替换
  部分特征数据比对不同  特征数据比对不同的部分PID号的码流内容被替换
  TS包数量相同 PID一致   全部特征数据比对不同 各个PID号的码流内容都被部分修改
部分特征数据比对不同 特征数据比对不同的部分PID号码流内容被部分修改
  特征数据比对全部相同 确认传输码流全部内容正确
图3示出了一种应用情况,在数字卫星电视广播系统的前端,利用本发明的发送端装置采集复用后,经前端分配器输出的码流,提取码流特征,并通过封闭的内部网络,将码流特征送到本发明的接收端装置。同时,前端分配器输出的另一路相同的码流经过调制、变频和功放经卫星天线发射出去。在接收监测端接收解调卫星信号后,输出的码流经接收端分配器分配后,输入到本发明的接收端装置,接收端装置对接收的信号分析处理后,可以实现对数字电视信号受干扰或攻击情况的自动监测,自动发出预警信号,自动确认干扰信号种类,并采取相应的策略,实现广播电视安全播出的要求。并且很重要的是,带宽资源得到极大的节约。

Claims (4)

1.一种数字信号传输码流特征提取与识别设备,其特征在于,包括:
发送端包括至少一个采集装置,用于实时采集调制之前的码流;
在发送端装置中包括与所述采集装置相耦合的处理器,所述发送端处理器包括:
码流输入监测单元:用于判断所述的调制前的码流是否有输入;
特征数据提取运算单元:用于从采集到的调制前的码流中提取特征数据,从采集到的调制前的码流中提取码流的时间信息,将得到的特征数据和时间信息传送给特征数据包处理单元;
特征数据包处理单元:根据数据包协议,对特征数据和时间信息进行打包处理,即将特征数据、时间信息与连续同步数据及特征数据包比特校验数据一起设置于特征数据包中的相应字段上,形成特征数据包,将特征数据包传送给特征数据包发送单元;
特征数据包发送单元:根据网络传输协议,将特征数据包以数据流的形式通过封闭的内部网络发往位于接收端的监测点;
接收端包括至少一个采集装置,用于实时采集接收到的码流;
在接收端装置中包括与所述采集装置相耦合的控制处理器,所述接收端控制处理器包括:
码流输入监测单元:用于判断所接收码流是否有输入,监测连续的同步包头,确认是否是传输流信号;查看传输包中的错误指示,并设置错误标记;
特征数据流接收监测单元:判断是否收到所述的特征数据流;监测接收到的特征数据包中的连续性计数字段,发现数据包不连续处,若在设定的排序范围门限值以内,则对特征数据包进行重排序操作,若超出排序范围门限值,则丢弃数据包;查看特征数据包中的比特校验数据字段,丢弃传输过程中出错的特征数据包;将重新排序后的特征数据包传送给同步处理单元和特征数据比对单元;
同步处理单元:将从特征数据包中得到的时间信息与接收码流中的时间信息进行比对,如不一致,用下一个特征数据包中的时间信息继续寻找,若在搜索范围门限值以内找到一致处,即找到了同步,从采集的下行码流中提取特征数据,交由特征数据比对单元处理;当超过设定的预警门限值或者搜索范围门限值未找到一致处则认为无法同步,输出无法同步报警信息;
特征数据比对处理单元:用于从采集到的接收码流中提取特征数据,从特征数据包得到特征数据,将从接收端采集的码流中提取的特征数据和从特征数据包中得到的特征数据进行比对处理,并统计比对结果;
监测数据综合处理输出单元:将各单元的处理结果由本地界面视频和/或音响输出;或者由本地数字、模拟及开关量控制输出;或者通过以太网口输出;或者通过串行接口控制命令输出。
2.应用权利要求1的设备进行数字信号传输码流特征提取与识别方法,其特征在于,包括以下步骤:
发送端:
从数字电视信号发送端采集调制前的码流;
从采集到的调制前的码流中提取特征数据,从采集到的调制前的码流中提取出码流的时间信息,将提取的特征数据、时间信息与连续同步数据、特征数据包比特校验数据一起设置于特征数据包中的相应字段上,形成特征数据包;
将特征数据包以数据流的形式通过封闭的内部网络发往位于接收端的监测点;
接收端:
判断所接收码流是否有输入,监测连续的同步包头,确认是否是传输流信号;查看传输包中的错误指示,并设置错误标志。
从数字信号接收端采集接收到的码流;从采集的码流中提取标识码流的特征数据;从封闭的内部网络接收特征数据包;
判断接收端是否收到所述的特征数据流;监测接收到的特征数据包中的连续性计数字段,发现数据包不连续处,若在设定的排序范围门限值以内,则对特征数据包进行重排序操作,若超出排序范围门限值,则丢弃数据包;查看特征数据包中的比特校验数据字段,丢弃传输过程中出错的特征数据包;将重新排序后的特征数据包传送给同步处理单元和特征数据比对单元;
查看特征数据包中的比特校验数据字段,丢弃传输过程中出错的特征数据包;
对从特征数据包中提取出的时间信息和接收码流的时间信息进行比对,如不一致,用下一个特征数据包中的时间信息继续搜寻,若在搜索范围门限值以内找到一致处,即找到了同步,从采集的下行码流中提取特征数据,交由特征数据比对单元处理;当超过设定的预警门限值或者搜索范围门限值未找到一致处,则认为无法同步,输出报警信息;
从采集到的接收码流中提取运算得出特征数据,从特征数据包得出特征数据,将从接收端采集的码流中提取的特征数据和从封闭的内部网络接收到的特征数据进行比对处理,并统计比对结果;
将处理结果由本地界面视频和/或音响输出;或者由本地数字、模拟及开关量控制输出;或者通过以太网口输出;或者通过串行接口控制命令输出。
3.根据权利要求2的数字信号传输码流特征提取与识别方法,其特征在于,对特征数据的描述包括:单个数据统计段内TS包数量;
以及以下三种描述之一或者任意组合;单个数据统计段内的“0x00”字节或“0xFF”字节的统计数量;单个数据统计段内同一类型TS包中的“0x00”字节或“0xFF”字节的统计数量;单个数据统计段内同一类型TS包数据字节的CRC校验字;
对单个数据统计段的描述为:从一个净荷单元起始指示为1的TS包开始,到下一个净荷单元起始指示为1的TS包之间的数据字节。
4.根据权利要求2的数字信号传输码流特征提取与识别方法,其特征在于,从发送端的码流中提取出码流中的时间信息,时间信息采用PES头中的PTS显示时间戳和DTS解码时间戳,根据特征数据的描述,提取单个统计数据段内的第一个TS包内的DTS数值,将DTS数值插入特征数据包的时间信息字段;如果该TS包内没有DTS,只有PTS,则提取PTS数值,将PTS数值插入特征数据包的时间信息字段;若此TS包内不存在PTS字段,则不提取时间信息。
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