TS（Transport Stream，传输流）是 MPEG-2 系统层（ISO/IEC 13818-1）定义的一种流封装格式，主要用于数字电视广播（DVB、ATSC）、IPTV 以及蓝光光盘等需要高可靠传输的场景。与面向存储的 PS（Program Stream）不同，TS 被设计为适用于易出错环境（如无线/有线传输）的复用流，具备强大的错误恢复能力、多节目复用能力以及精准的同步机制。
以下从设计哲学、包结构、复用机制、同步与时间、PS/SI 信息、工程实践等方面对 TS 格式进行全面分析。
1. TS 的设计哲学：为传输而生
TS 的设计目标是在存在误码、丢包、抖动的信道中可靠地传输多个节目（如多个电视频道）的音视频数据。其核心特点：
- 固定长度包：TS 包大小固定为 188 字节（或 192/204 字节，含附加纠错）。固定长度简化了同步与解复用器的实现。
- 独立包结构：每个包携带独立的标识（PID），即使连续丢包也不会影响后续包的解复用。
- 丰富的节目特定信息（PSI）：提供节目与流之间的映射关系，支持动态切换。
- 精确的时钟恢复：通过 PCR（节目时钟参考）实现端到端的同步。
- 错误保护：可在包尾添加 RS（Reed-Solomon）纠错码（如 16 字节），形成 204 字节的包。
TS 广泛应用于数字电视、DVB、ATSC、蓝光、IPTV、HLS（作为底层流）等。
2. TS 包结构（188 字节）
每个 TS 包固定为 188 字节，包含头部（4 字节）、可选自适应字段、以及有效负载。
2.1 包头部（4 字节）
| 字段 | 长度 (bit) | 说明 |
|---|---|---|
| sync_byte | 8 | 同步字节，固定为 0x47。 |
| transport_error_indicator | 1 | 传输错误指示，置 1 表示该包至少有一个比特错误（通常由下层设置）。 |
| payload_unit_start_indicator | 1 | 有效负载起始指示。对于 PES 包，为 1 表示该包包含 PES 头；对于 PSI 表，为 1 表示该包包含表的第一个字节。 |
| transport_priority | 1 | 传输优先级（通常用于区分高优先级数据）。 |
| PID | 13 | 包标识符，唯一标识该包所属的流（如视频流、音频流、PSI 表）。 |
| transport_scrambling_control | 2 | 加扰控制（00=无加扰，01/10/11 表示不同加扰模式）。 |
| adaptation_field_control | 2 | 自适应字段控制（01=仅有效负载，10=仅自适应字段，11=两者都有）。 |
| continuity_counter | 4 | 连续性计数器，从 0 到 15 循环，用于检测丢包。 |
2.2 自适应字段（可选）
当 adaptation_field_control 为 10 或 11 时，头部后紧接自适应字段，长度可变。其主要包含：
- adaptation_field_length（1 字节）：自适应字段长度（不含该字段本身）。
- PCR（节目时钟参考，6 字节）：用于恢复解码器时钟，精度为 27 MHz 时钟的 90kHz 和 27MHz 部分。
- OPCR（原始节目时钟参考）：用于记录原始流时间。
- splice_countdown：用于拼接（广告插入）的倒计数。
- private_data_byte：私有数据。
- stuffing_bytes：填充字节（0xFF）。
自适应字段常用于确保 PCR 精确传输，或插入填充以达到恒定码率。
2.3 有效负载
若 adaptation_field_control 为 01 或 11，头部/自适应字段后为有效负载。有效负载可以是 PES 包（承载音视频基本流）或 PSI/SI 表（节目特定信息）。
3. PES 包（Packetized Elementary Stream）
PES 是 TS 中承载基本流（视频、音频、字幕等）的结构。它将连续的基本流切分成数据块，并加上 PES 头，然后分割到连续的 TS 包中。
3.1 PES 包结构
- PES 头：包含流类型标识、PES 包长度、PTS/DTS 时间戳（可选）、数据对齐指示等。
- PES 有效负载：基本流数据（如 H.264 NAL 单元、AAC 帧）。
PTS 和 DTS 是音视频同步的关键：
- PTS（显示时间戳）：指示该帧何时呈现。
- DTS（解码时间戳）：指示该帧何时解码。对于 I/P 帧，PTS = DTS；对于 B 帧，DTS < PTS。
PES 包可以跨多个 TS 包传输（通过 payload_unit_start_indicator 标识起始包）。
4. PSI / SI 信息（节目特定信息与业务信息）
TS 通过 PSI 表来描述节目组成和流映射。PSI 是 MPEG-2 标准定义的必要信息；SI 是 DVB/ATSC 等广播标准扩展的信息。
4.1 主要 PSI 表
| 表名 | PID | 功能 |
|---|---|---|
| PAT（Program Association Table） | 0x0000 | 列出所有节目的 PMT PID。PAT 是解析 TS 的入口。 |
| PMT（Program Map Table） | 由 PAT 分配 | 描述一个节目包含的流（视频、音频、数据），给出各流的 PID、流类型（如 H.264、AAC）。 |
| CAT（Conditional Access Table） | 0x0001 | 提供加扰节目的授权管理信息（ECM、EMM）。 |
| NIT（Network Information Table） | DVB 定义 | 网络信息，如频点、调制参数。 |
| SDT（Service Description Table） | DVB 定义 | 服务名称、服务提供商等。 |
| EIT（Event Information Table） | DVB 定义 | 节目指南（EPG）。 |
4.2 PSI 表的传输方式
PSI 表以 section 为单位，每个 section 包含表标识、版本号、段号、数据等。section 可能跨多个 TS 包（通过 payload_unit_start_indicator 指示 section 开始）。PSI 表循环发送，以便解码器快速获取节目信息。
5. 时间与同步：PCR 与 PTS/DTS
TS 采用两层时间机制：
- 系统时钟（STC）：由 PCR 恢复，频率为 27 MHz。PCR 插入在特定 TS 包的自适应字段中，提供 27 MHz 时钟的采样点。解码器锁相环（PLL）从 PCR 恢复本地时钟。
- 基本流时间：PES 头中的 PTS/DTS（90 kHz 时钟）用于同步音视频。解码器将 PTS/DTS 映射到 STC，判断何时解码和显示。
关键点：
- PCR 频率必须精确，否则会导致缓冲区上溢/下溢。
- 连续 PCR 之间的间隔不超过 100 ms（标准要求）。
6. TS 与 PS 的对比
| 特性 | TS（Transport Stream） | PS（Program Stream） |
|---|---|---|
| 包长度 | 固定 188 字节（可扩展） | 可变长度（通常 2KB 以上） |
| 错误保护 | 内置错误指示，支持 RS 纠错 | 无，依赖上层 |
| 多节目 | 支持多节目复用 | 通常单节目 |
| 随机访问 | 通过 PSI 表和 PES 头可实现 | 需要解析文件 |
| 应用场景 | 广播、流媒体、传输 | 存储、DVD、蓝光（主视频） |
| 同步 | PCR + PTS/DTS | SCR（系统时钟参考）+ PTS/DTS |
7. TS 的典型应用
7.1 数字电视广播
- DVB（欧洲）、ATSC（美国）、ISDB（日本）等标准均使用 TS 作为传输层。
- 单个 TS 可复用多个电视频道，每个频道对应一个节目（program）。
7.2 HLS（HTTP Live Streaming）
- HLS 的分片格式可以是 TS 文件（如 .ts 分片）。TS 内部通常包含 H.264 视频和 AAC 音频，通过 PMT 描述。
- 播放器下载 TS 分片后解析并播放。
7.3 IPTV 与推流
- 很多 IPTV 系统使用 UDP 承载 TS，直接在组播中传输。
- RTMP 推流时，有时会先封装为 TS 再转其他格式。
7.4 蓝光光盘
- 蓝光光盘的 M2TS 格式基于 TS，加入了额外时间戳（ATC 和 STC），用于精确播放。
8. 工程实践与工具
8.1 FFmpeg 中的 TS 处理
FFmpeg 通过 libavformat/mpegts.c 和 libavformat/mpegtsenc.c 实现 TS 的解复用和复用。
# 查看 TS 文件信息
ffprobe input.ts
# 从 MP4 转封装为 TS
ffmpeg -i input.mp4 -c copy output.ts
# 从 TS 提取视频流
ffmpeg -i input.ts -c:v copy -an video.h264
# 生成用于 HLS 的 TS 分片
ffmpeg -i input.mp4 -c copy -f hls -hls_time 10 output.m3u8
8.2 分析工具
- TS 分析工具：
tsduck（TSUtils）、dvbsnoop、tstools。 - 手动分析：使用 hexdump 查看同步字节 0x47，定位包起始。
- Wireshark：支持解析 UDP 封装的 TS 包，显示 PSI 和 PES 内容。
8.3 解析流程
- 同步：在流中搜索 0x47，然后每隔 188 字节检查同步，通常需要连续多个包正确才能确认同步。
- 读取 PID：从头部解析 PID，过滤出 PAT（PID=0x0000）。
- 解析 PAT：获取所有节目的 PMT PID。
- 解析 PMT：获取选定节目下各流（视频、音频）的 PID。
- 根据 PID 读取音视频包：收集 PES 包，提取 PTS/DTS 和基本流数据。
- 递交给解码器。
9. TS 的局限性与扩展
- 固定包大小：导致一定开销，尤其是当基本流需要填充时。
- 时间戳精度：PCR 90kHz 精度对超高清高帧率可能不够，但在广播场景已足够。
- 不支持高级编码：TS 定义时 H.264 还未普及，但通过流类型（如 0x1B = H.264, 0x24 = HEVC）可支持现代编码。
- 与 MP4 的差异：TS 适合传输，MP4 适合存储。TS 的随机访问需要解析 PSI 和 PES，而 MP4 有完整的索引表。
10. 总结
TS 作为数字电视和流媒体领域的基石，其设计充分考虑了信道误码、多节目复用和时钟同步等现实需求。固定包结构、PID 标识、PSI 表以及 PCR/PTS/DTS 三层时间体系，共同构成了一个鲁棒的传输系统。
尽管在互联网点播领域 MP4 占据主导，但 TS 在广电、IPTV、HLS 分片、专业视频传输设备中依然不可或缺。掌握 TS 格式，对于深入理解数字电视系统、流媒体封装以及编解码器的时间同步机制，都具有重要的工程价值。
