（信号与信息处理专业论文）数字高清晰度电视信源解码器的硬件实现.pdf

摘要 i 数字高清晰度电视( h d t v ) 以其潜在的广阔市场和巨大的经济效益，已 经成为国际高科技领域研究开发的热点之一。我国于1 9 9 4 年制定了“分两步 走”的发展战略，数字h d t v 功能样机系统的研制是其中具有重大意义的关 键一步。本论文研究开发的信源解码器是数字h d t v 功能样机系统中的主要 组成部分，对该系统的实现起着重要作用。 数字高清晰度电视系统的视频压缩层和传送层是以m p e g - 2 标准为基础 的，因此，它就成为信源解码器研制工作的主要技术依据。m p e g - 2 标准的视 频部分利用自然活动图像的时间相关性和空间相关性，通过采用运动估计、运 动补偿、离散余弦变换( d c t ) 、量化、游程编码和变字长编码等技术对原始 图像数据进行压缩。由于h d t v 图像的信息量很大，所以对硬件实现的速度 要求很高，因此，本论文的主要目的是在现有的硬件实际条件下，研制出完全 符合m p e g 一2 标准的数字h d t v 信源解码器。) 本文首先在对m p e g 2 标准认真阅读和反复研究的基础上，提出了一个 完整的、切实可行的信源解码器及其核心解码单元的系统框架和硬件实现方 案。根据理论分析、软件仿真和硬件实验的结果，决定采用九块核心解码板并 行解码的方法以突破硬件实现的速度瓶颈。然后，根据系统方案，确定了核心 解码板上各电路的功能划分和接1 2 1 定义，完成了各解码算法和相关解码控制电 路的软硬件设计、调试和测试工作；同时，通过采用加边存储器的方法，很好 地解决了运动矢量过界问题。 、为了提高硬件调试效率，本论文还专门设计了一个简单实用的单步调试 和测试环境，为核心解码板的功能调试、硬件测试和系统联试提供了一个很好 的硬件平台，有效地缩短了硬件调试周期，为整个专题的如期高质量完成提供 了技术保障。核心解码板在调试完成后，先后参加了信源解码器和整个功样机 系统的联试和测试工作，通过一系列完备的软件测试和硬件调试，进一步完善 了整个信源解码器系统的性能，提高了系统的稳定性。1 9 9 8 年9 月8 日至1 】 日，本信源解码器在北京参加了我国自主研制的数字高清晰度电视功能样机系 统的公开演示，获得了成功，并得到了领导和专家们的一致肯定。 由于本论文的主要硬件设计工作均由f p g a 实现，因此对整个信源解码 器的系统原理和实现技术都有了全面深刻的了解和掌握，积累一些宝贵的硬件 调试和测试经验，这为研制开发我国第一代数字h d t v 视频解码专用芯片打 下了坚实的技术基础；同时，由于本方案硬件调整的余地很大，因此也很适合 测试接收机的研制工作，它能够为我国数字电视标准的制定提供一定的帮助。 本论文是在周萍博士的工作基础上进行的，她所提出的视频解码器的实验 方案和初步设计制作的“最小”系统实验板”i ，为本论文工作提供了十分有用 的技术参考。通过长时间的刻苦钻研和不懈努力，本论文在系统方案上更加成 熟和完善，在硬件实现方法上更加科学合理，并进一步对硬件电路进行了精心 设计和改进，最终研制成功一个完整的信源解码器样机系统，其功能完备，测 试方便，工作稳定可靠。 总之，本论文在国内率先用f p g a 等可编程器件研制成功了一个完整的、 可以稳定工作的数字h d t v 信源解码器样机系统，其相关的研究工作还可以 在多方面迸弋步继续下去，它们将为发展我国拥有自主知识产权的新一代电视 产业作出贡献。 关键词：高清晰度电视，信源解码器，弋印触数字视频压缩，现场可编程 门阵列n p 蚪 a b s t r a c t t h e d i g i t a lh i g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ( h d t v ) h a s r e c e i v e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nh i g h t e c hf i e l di nt h ew o r l db e c a u s eo f i t sl a t e n t w i d em a r k e ta n de c o n o m i cp r o f i t i n19 9 4 ，o u rc o u n t r yh a sm a d e t w o s t e p ”s t r a t e g yf o rd e v e l o p i n g h d t va n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ff u n c t i o n p r o t o t y p es y s t e mi s t h ek e ys t e po fs i g n i f i c a n c e t h es o u r c ed e c o d e r r e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d i nt h i st h e s i si st h em a i n p a r to fd i g i t a lh d t v f u n c t i o np r o t o t y p es y s t e ma n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p l e m e n t i n g t h i ss y s t e m t h ev i d e oc o m p r e s s i o n l a y e ra n dt r a n s p o r tl a y e ro fd i g i t a lh d t v s y s t e ma r eb a s e do nt h es t a n d a r dm p e g 一2a n di tf o r m st h et e c h n i c a l b a s i so f t h es o u r c ed e c o d e r i na c c o r d a n c ew i t ht h ev i d e o p a r to f s t a n d a r d m p e g - 2 ，t h ev i d e oc o m p r e s s i o n i s a c c o m p l i s h e db ye x p l o i t i n g t h e t e m p o r a lc o r r e l a t i o na n ds p a t i a lc o r r e l a t i o no f t h em o v i n gp i c t u r e sa n d t a k i n ga d v a n t a g eo fm o t i o ne s t i m a t i o n ，m o t i o nc o m p e n s a t i o n ，d i s c r e t e c o s i n et r a n s f o r m ( o c t ) ，q u a n t i z a t i o n ，r t l nl e n g t hc o d i n ga n dv a r i a b l e l e n g t hc o d i n g ，e t c s i n c et h el a r g eq u a n t i t yo fi n f o r m a t i o no f t h eh d t v p i c t u r e ，t h es p e e do f t h eh a r d w a r em u s tb eh i 【g h e n o u g ht o m e e tt h e d e c o d i n gr e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，t h ea i mo ft h i st h e s i si s d e v e l o p i n g d i g i t a lh d t v s o u r c ed e c o d e r e n t i r e l yc o n f o r m i n g t os t a n d a r dm p e g - 2 u n d e r e x i s t i n gc o n d f f i o n s o f a v a i l a b l eh a r d w a r ed e v i c e s o nt h eb a s i so f m a k i n g as e r i o u ss t u d yo ft h es t a n d a r dm p e g - 2 ，a c o m p l e t ea n df e a s i b l es c h e m eo f t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n o ft h es o u r c ed e c o d e ra n di t s d e c o d i n ge n g i n e i s p r o p o s e d i nt h i s t h e s i s a c c o r d i n g t ot h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，s o f t w a r e s i m u l a t i o na n dh a r d w a r e e x p e r i m e n t s ，t h ep a r a l l e ld e c o d i n gm e t h o d u s i n g n i n eb o a r d si s a d o p t e d t ob r e a k t h r o u g h t h eh a r d w a r e s p e e d b o t t l e n e c k t h ef u n c t i o np a r t i t i o na n d i n t e r f a c e sd e f i n i t i o na r ec o m p l e t e d a n dt h e nt h ed e s i g n ，d e b u g g i n ga n dt e s t o fd e c o d i n ga l g o r i t h m sa n d c o n t r o l l i n g c i r c u i t sh a v e b e e na c c o m p l i s h e d s i m u l t a n e o u s l y , t h e p r o b l e mo fm o t i o n v e c t o r sc r o s s i n gt h eb o r d e ri s p r i m e l ys o l v e db y m e a n so f a d d i t i o n a lb o r d e r l a n dm e m o r y a s p e c i f i cs t e p b y s t e pd e b u g g i n g a n dt e s te n v i r o n m e n ti sb u i l tt o i m p r o v eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ne f f i c i e n c y i tp r o v i d e s ah a r d w a r e p l a t f o r m f o rf u n c t i o n d e b u g g i n g ，t e s t a n da s s o c i a t e d d e b u g g i n g o f d e c o d i n ge n g i n ea n di t i st h eg u a r a n t e eo f a c c o m p l i s h i n g t h ee x c e l l e n t s y s t e m o nt i m e t h e d e v e l o p e dd e c o d i n ge n g i n e t o o k p a r t i nt h e a s s o c i a t e dt e s to f s o u r c ed e c o d e ra n d p r o t o t y p es y s t e m w i t h t h ea i do fa c o m p l e t es e to f s o f t w a r et e s ta n dh a r d w a r ed e b u g g i n g ，t h ep e r f o r m a n c e o fs o u r c ed e c o d e ra n dt h ew o r k i n gs t a b i l i t yo fp r o t o t y p es y s t e ma r e i m p r o v e d t h i ss o u r c ed e c o d e r t o o k p a r ti nt h ec h i n e s eh d t v f u n c t i o n p r o t o t y p es y s t e m d e m o p r e s e n t e ds u c c e s s f u l l yi nb e i j i n gf r o ms e p t8t o 11l a s ty e a ra n dt h ea c h i e v e m e n t sw e r ea f f i r m e db yl e a d e r sa n d e x p e r t s u n a n i m o u s l y s i n c et h eh a r d w a r ed e s i g no ft h e a d o p t e ds c h e m ei s b a s e do n f p g a ，t h es y s t e mp r i n c i p l ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g yo fs o u r c ed e c o d e r a r e t h o r o u g h l yg r a s p e d a n dt h ev a l u a b l e e x p e r i e n c e h a sb e e n a c c u m u l a t e d a l lo f t h e mw i l ll a ya t e c h n o l o g y f o u n d a t i o nf o r d e v e l o p i n g t h ed e c o d e ra s i co ff k r s tg e n e r a t i o no fd i g i t a lh d t v s i m u l t a n e o u s l y , b e c a u s eo fi t sf l e x i b l eh a r d w a r e a r c h i t e c t u r e ，t h es c h e m ep r e s e n t e d i nt h i s t h e s i si sv e r ys u i t e dt ot h et e s tr e c e i v e ra n ds oi tw i l lc o n t r i b u t et om a k i n g n a t i o n a ld i g i t a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d t h i st h e s i si sc a r r i e do u to nt h eb a s i so ft h ew o r k c o m p l e t e db y p h d z h o up i n g 【1 1 t h ee x p e r i m e n t a lv i d e od e c o d e rs c h e m ep r o p o s e d a n dt h em i n i s y s t e mp c b d e s i g n e da n dd e v e l o p e dp r i m i t i v e l yg a v ea v e r y u s e f u lt e c h n i c a lr e f e r e n c et ot h ec u r r e n tr e s e a r c hw o r k w i t ht 1 1 ea l d o f s t u d y i n ga s s i d u o u s l ya n dm a k i n gu n r e m i t t i n ge f f o r t sf o ral o n g t i m e ， t h es y s t e ms c h e m ep r e s e n t e di nt h i st h e s i si sm o r ew e l l a d v i s e da n d p e r f e c ta n dt h em e t h o do fh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni s m o r es c i e n t i f i c a n dr e a s o n a b l e i na d d i t i o n ，t h ec o n c r e t ec i r c u i t sh a v ea l s ob e e nf u r t h e r p a i n s t a k i n g l yd e s i g n e da n dc a r e f u l l ym o d i f i e d i nr e s u l t ，a sac o m p l e t e s y s t e m ，t h e s o u r c ed e c o d e rp r o t o t y p ew i t hp e r f e c t f u n c t i o n ，w o r k i n g s t a b i l i t ya n de a s y o f t e s th a sb e e n a c c o m p l i s h e d i nc o n c l u s i o n ，t h i st h e s i st a k e st h el e a di nd e v e l o p i n gac o m p l e t e a n d w o r k i n gs t a b l yd i g i t a lh d t v s o u r c ed e c o d e rp r o t o t y p es y s t e mb y f p g ai nc h i n a a n dc o r r e l a t i v er e s e a r c h e sm a y g o o nf u r t h e ri nm a n y w a y s t h e y w i l lm a k ec o n t r i b u t i o nt od e v e l o pt h e c o m i n gg e n e r a t i o nt v i n d u s t r y w i t ht h ei n i t i a t i v ek n o w l e d g e p r o p e r t y k e yw o r d s ：h d t v , s o u r c e d e c o d e r , m p e g 一2 ，d i g i t a l v i d e o c o m p r e s s i o n ，f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r m y ( f p g a ) 天津大学博士学位毕业论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高清晰度电视( i t l ) t v ) 的发展 高清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，简称h d t v ) 是继黑白电视、 彩色电视后的新一代电视，它是近2 0 多年来国际性研究开发的热点。它能提 供给人们更清晰的图像质量，更高级的视听享受，并能给观看者以身临其境的 真实感。 根据c c i r 所下权威定义，h d t v 系统应是一个透明系统，当观看距离为 屏幕高度的三倍时，具有正常视力的观众所看到的画面质量跟在原始场景中所 能觉察出的细节一样；演播室的电视信号应具有约两倍于现行标准值的水平和 垂直分解力；其宽高比要扩展到1 6 ：9 ，显示屏幕对角线尺寸在1 米以上。另 外，一般还配有多声道环绕声优质伴音。 对于h d t v 的研究，日本起步较早，1 9 7 2 年就向c c i r 提出h d t v 的提 案，并于1 9 8 4 年率先推出m u s e 制模拟高清晰度电视系统，图像扫描行数提 高到1 1 2 5 行，幅型比1 6 ：9 ，传输基带带宽8 1 m h z 。1 9 8 8 年日本用其h d t v 成功地对汉城奥运会进行了实况转播，并从1 9 8 9 年开始通过卫星的实验广播。 1 9 9 1 年开始正式试播，目前每天已有1 0 小时以上的节目。 欧洲不甘心h d t v 全部市场被日本独占，于1 9 8 6 年春设立了尤里卡9 5 ( e u 9 5 ) 项目，并随即提出了与m a c 制兼容的h d t v 系统。他们设计了一 条从m a c 到h d m a c 逐步过渡到h d t v 的道路，并于1 9 9 2 年夏成功实现 了对巴赛罗那奥运会的h d t v 卫星实况转播。但是h d m a c 系统也是采用模 拟传输方式。 与日本和西欧相比，美国开展h d t v 的研究起步较晚，但发展速度最快。 在1 9 8 7 年以前，美国一直支持日本的模拟m u s e 制式。鉴于h d t v 将会对 人类社会的科技、教育、经济、政治、文化等产生巨大的影响，特别是h d t v 菱堡盔堂堕主堂丝望些笙塞 一兰二- 童堕堡一 所带来的巨大经济利益，美国一改初衷，开始全数字h d t v 的研究。自1 9 8 7 年f c c ( 联邦通讯委员会) 组建了高级电视业务顾问委员会( a c a t s ) 以来， 对建立美国高级电视( a t v ) 的步骤、组织、技术进行了周密的准备。主要分 为三步：第一步决定系统的选择准则，包括频谱利用、经济性和技术先进性的 1 0 条准则；第二步根据以上准则对参加竞争美国标准的系统进行测试；第三 步对测试结果进行比较，试图选定其中最好的系统推荐为美国国家标准。1 9 9 0 年8 月，f c c 发表报告，明确了将优先考虑同播型广播方式，并全面支持全 数字化h d t v 。由于地面广播条件十分恶劣和复杂，频谱资源有限，要想实 现同播政策，就必须采用高效的数据压缩技术( 压缩比要大于2 0 ：1 ) 和先进 的数字传输技术( 提高频谱利用率和抗干扰性能) 。1 9 8 7 年至1 9 9 1 年，美国 共提出了2 4 种a t v 方案。经a c a t s 审查比较，最后留下5 种方案：日本的 窄带m u s e 系统，d i g i c i p h e r 系统，d s c h d t v 系统，a d t v 系统和c c d i g i c i p h e r 系统。其中，窄带m u s e 系统使用模拟传输方式，其余4 种均为 数字传输。经过测试比较，f c c 于1 9 9 3 年2 月2 4 日公布了测试报告，结果 表明数字传输的h d t v 系统性能明显优于模拟传输系统，但4 种数字制式各 有优缺点，并未发现有任何一个系统明显优于其他系统。为了取长补短，同时 也是为了统一国内市场，4 个数字系统的提出者于1 9 9 3 年5 月组成了“大联 盟”( g a ) ，期望集4 个数字方案之长，形成统一的美国国家标准。1 9 9 5 年4 月，a t s c 通过了“a t s c 数字电视标准”，同年8 月g a 样机研制成功，同年 】0 月“a t s c 数字电视标准”被提交给f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月2 6 日，f c c 终于批准了该标准。美国广播组织对此普遍表示欢迎，希望f c c 尽快给每个 电视台分配频道。在从普通电视向数字电视过渡方面，美国采取了强制过渡方 式。1 9 9 7 年4 月f c c 宣布：以4 月7 日为起点，1 8 个月内有2 2 座电视台转 为数字电视播出；2 4 个月内，四大商业电视网在全美十大城市进行数字电视 播出( 其中三大网播出数字h d t v ) ：3 0 个月内有1 7 0 0 个电视台在3 0 个城市 转为数字电视；最终至2 0 0 6 年全美各电视台将取消模拟电视播出。美国打破 常规，进行行政干预，采取加速数字电视发展的举措，引起了世界电视业的极 大关注，其目标显然是瞄准未来的世界市场，企图建立美国在该技术领域的垄 断与领先地位。根据目前进展，9 8 年1 1 月以来已有4 5 个大中型电视台开始 天津大学博u 上学位毕业论文 第一章绪论 通过地面网络广播数字电视信号，其中绝大多数是h d t v 信号，每日广播时 间从8 小时至2 4 小时不等，但目前节日种类还有限。同时，已有三家卫星公 司开始数字h d t v 卫星广播，并迫使美国两大有线电视公司决定9 9 年内开始 数字h d t v 有线电视广播。预计9 9 年5 月1 目前，将有3 0 的美国家庭可以 收看d t v ，收看比率和d t v 节目数随后将迅速增加，美国计划用9 年左右的 时间来完成模拟电视向数字电视的历史性转轨过程。 美国的全数字h d t v 制式及其非过渡方案对欧洲和日本造成了极大的冲 击。欧洲终于在1 9 9 3 年宣布终止h d m a c 的研究，开始将目标转向开发全 数字h d t v 上，并陆续提出了几种方案，例如，h d d i v i n e 系统，s t e r n e h d t v 系统和s p e c t r eh d t v 系统等。1 9 9 3 年9 月，d v b ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) 即数字视频广播项目成立，在欧洲已经开始的数字电视开发工 作从此进入了高潮。但欧洲认为h d t v 的市场尚远，因此，一直专心致力于 数字标准清晰度电视的研究开发，相继制订了卫星数字电视广播传输标准 ( d v b s ) 、有线数字电视广播传输标准( d v b c ) 和地面数字电视广播传输 标准( d v b t ) 。1 9 9 6 年，d v b 的其他标准也陆续出台( 包括共用天线电视 和微波分配等) ，建立了较为完整的标准和业务体系。1 9 9 7 年，d v b 在五大 洲都已开播，服务上百万的观众。到1 9 9 7 年底，欧洲计算机用户已将d v b 卫星数据接收卡插入计算机中，通过卫星进入i n t e r n e t 网络。而在最重要的数 字电视地面广播方面，英国表现最为积极，已于1 9 9 8 年1 1 月开始d t v 地面 广播。至于h d t v ，虽未形成具体标准，但由于已有开发基础，也已具备初 步的h d t v 设备生产能力。目前，已有l o o 多个厂家生产符合d v b 标准的设 备，2 0 0 多家电视台( 包括我国中央电视台和一些地方电视台) 开始了d v b 的各种广播业务。从中可看出，欧洲的策略是：利用s d t v 在目前便于普及 的优势，抢占数字电视的世界市场，加速在全世界普及d v b 标准，以此来与 美国的数字电视标准抗衡。 日本由于其模拟h d t v 卫星广播已形成一定规模，要一下子完全放弃已 不可能，因此其国内一直处于争论和矛盾之中，这在客观上阻碍了其h d t v 系统的研制进度，其典型例子就是在1 9 9 4 年，由于有关厂商的激烈反对，日 本政府不得不重申继续推广m u s e 系统。随着时间的推移，日本也已经承认 丞望丕堂堕主兰堡望些堡塞 一生二主二兰l 堕_ m u s e 系统已不适合于今后电视发展的方向，并制定了逐步发展d t v 的政策： 以数字s d t v 卫星广播为起点，逐步开展有线和地面d t v 广播业务。目前， 日本正在逐步完善和推广其相关的技术标准1 s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a l b r o a d c a s t i n g ) ，并计划在2 0 0 0 年开始卫星数字电视广播，在个别地区开始地 面数字电视试播，从而到2 0 1 0 年最终停止现行的模拟电视广播。其实，日本 的公司开发h d t v 技术历时最久，掌握了生产h d t v 摄录设备、演播室设备 及等离子体平板显示( p d p ) 等产品的技术，并正在分别与美国和欧洲合作， 生产符合他们各自标准的产品。 至于世界上其他一些国家和地区，特别是韩国和我国台湾，本地市场有 限，属出口型经济，生产符合欧、美体制标准( 或它们的组合) 的数字电视接 收机是其中心任务，相信美国新兴的h d t v 市场将会直接促进这些国家和地 区相关产品的研制与开发工作。 1 2 数字电视的特征和美国a t s ch d t v 的特点 由上一节我们不难看出，电视系统的数字化是当今科学技术发展的不可逆 转的大趋势。h d t v 尤其是数字h d t v 带来的不仅仅是图像质量的提高，更 重要的是全球对h d t v 的深入研究促进了数字视音频码率压缩技术和高效信 道编码技术的迅猛发展，结果使得比原来普通电视信息量大得多的h d t v 能 在原来的频道内传送，原来只能传送一路模拟电视的卫星或其它信道现在可以 一传四或一传八，使现有频率资源的利用效率大幅度提高，引起了电视业务和 经营方式及制作方式的巨大变化。加上计算机技术和通信技术的发展，多媒体、 交互式电视等新型业务已经在电视网中出现。总之，电视业务正面l 临着场全 球革命。 电视系统的“全数字化”是指数字形式的信号贯穿整个系统。例如，在系 统中采用了数字图像压缩编码、数字伴音压缩编码、数字多路复用以及数字调 制解调等技术。数字电视信号与模拟电视信号相比，主要有以下特点： 1 可利用当前的数字图像压缩处理技术和数字音频压缩处理技术的最新 发展，来对图像和声音信号进行大幅度的带宽压缩； 丕堡盔堂垫主兰笪兰、业堡；! i ! ； 一 一丝二尘已l j 垒一 2 数字信号在传输过程中产生的失真和噪波不积累，系统的抗干扰能力 强，同时可以使用模拟信号所没有的纠错技术； 3 易于实现加密和多种信息的复用传输： 4 发射功率比采用模拟方式时低得多，可以启用禁用频道，易于进行频 率规划； 5 在不发生传输误码的情况下，接收机解码所得图像质量与演播室图像 质量可以非常接近； 6 适于进入蓬勃发展的数字通信网，可以很方便地和计算机联接，易于 进行图像处理； 7 易于采用数字方式实现对多径反射回波( 重影) 的抑制； 8 容易大规模集成以提高性能价格比，便于大规模生产和维修： 9 存在“峭壁”效应，即一超出服务区，服务质量就急剧变坏； 1 0 需要新频段以进行数字广播； 1 1 观众必须购置新接收机或在现行模拟接收机上添加必要设备( 机顶 盒) ； 1 2 电视台需要大量投资购置新设备。 上述的9 1 2 是数字电视广播的缺点，但综合起来看，只要能充分发挥数 字信号的优势，就能提供高精细、高质量、多频道并与计算机网和通信网密切 结合的新广播业务，其发展前景是不可估量的。 为了适应消费电子、计算机、通信以及信息高速公路的发展，美国a t s c h d t v 系统引入了可互操作性、可靠性和可扩展性的概念。a t s ch d t v 的主 要特点表现在： 其视频压缩采用i s o i e cm p e g 2 标准，是m p e g 一2 的一个子集； 采用8 - v s b 或1 6 v s b 传输，且其传送格式与a t m 保持严格的可互 操作性； 支持多种扫描格式，并能跟计算机图形显示保持互操作性： 支持多种图像格式，并考虑了将来的可扩展性； 声音编码采用杜比公司的a c 3 系统，提供5 1 声道的环绕立体声。 天津大学博士学位毕业论文 第一章绪论 1 9 9 5 年8 月，美国“大联盟”的h d t v 样机系统研制成功，并进行了全 面的室内和野外测试试验，其主要视频编码参数如表1 1 所示。 表1 1美国“大联盟”h d t v 样机系统的主要视频编码参数 视频参数格式1格式2 有效像素数1 2 8 0 x 7 2 01 9 2 0 x1 0 8 0 总取样数1 6 0 0 x 7 8 7 52 2 0 0 x1 1 2 5 帧频( h z )逐行6 0 3 0 2 4隔行6 0 1 逐行3 0 2 4 色度取样4 ：2 ：0 幅型比1 6 ：9 像素抽样间隔方像素 数据率 1 0 - - 4 5 m b p s 选定码率或可变码率 计色法s m p t es 1 7 3 9 2s m p t e 2 7 4 m 图像编码类型 帧内编码( i ) 前向预测编码( p ) 双向预测编码( b ) 视频刷新 周期性传送i 帧图像巾颐序刷新 图像结构帧图像场图像自适应 系数扫描顺序 z i g z a g 另一种z i g z a g d c t 模式帧 帧场自适应( 只限6 0 h z ) 运动补偿模式帧 帧场自适应 p 帧运动矢量搜索范围水平：不限；垂直：1 2 8 ，+ 1 2 7 5 b 帧运动矢量搜索范围水平：不限；垂直：1 2 8 ，+ 1 2 7 5 运动矢量精度1 2 像素精度 帧内直流系数精度 8 9 1 0b i t s 码率控制 带前置分析器的修正的t m 5 算法 电影模式处理 自动3 ：2 下拉检测和编码 最大v b v 缓存大小8 mb i t s 帧内帧间量化矩阵 可装载矩阵( 随场景变化) ，自适应量化 变字长编码( v l c ) 帧内和帧间单独的游程幅度码本 错误掩盖( 隐错) 运动补偿帧保持( s l i c e 层) “大联盟”h d t v 功能样机系统主要包括以下几个子系统：视频编码器， 音频编码器，复用器，调制器，解调器，解复用器，视频解码器，音频解码器 丕鎏查兰堡主兰生圭些堡壅翌二邑生旦 等。各子系统由g a 的各成员在各自公司分别研制。如图1 1 所示。 图1 1 “大联盟”功能样机系统 “大联盟”功能样机系统中，视频解码器的硬件结构框图如图12 所示 它对于相关的研究工作可以起到借鉴作用。 图i 2“大联盟”功能样机系统视频解码器框图 天津大学博士学位毕业论文 第一章绪论 1 3 我国开展的h d t v 研究及其重要意义 正是认识到h d t v 在振兴和发展我国电子信息产业的巨大带动作用，我 国一直密切注视国际上h d t v 的研究发展动向。日欧美制式之争，在客观上 延误了世界统一h d t v 传输制式的形成，也给我国数字电视的发展提供了一 个难得的机遇。我国可以在相近的技术水平上，在一个新的数字电视的起点与 各国竞争。 1 9 8 9 年，原国家科委组织了h d t v 软科学研究，随后国家计委和原国家 科委又分别布置了相关的“八五”攻关项目，进行h d t v 系统主要算法的计 算机模拟。国务院在1 9 9 4 年6 月召开专门会议，研究加快对h d t v 研究开发 的问题，批准我国h d t v 研究开发工作可采取“分两步走”的策略。即：第 一步，在两年内，建立一套h d t v 功能样机系统，掌握技术，培养人才，组 织队伍；第二步，在“九五”期间，进行我国h d t v 试播，尽快建立起相关 的产业基础。1 9 9 6 年4 月，国务院召开了第二次专门会议批准了高清晰度电 视功能样机系统总体实施方案。按照( ( h d t v 功能样机研究开发工程总体实 施方案的规定，该项目在全国范围内公开招标后，研制工作于1 9 9 6 年7 月 全面展开。研制任务由原电子部、广播电影电视部、国家教委所属的9 个单位 牵头承担( 参研单位共1 4 个) ，参加研制的科研人员约2 0 0 人。天津大学在其 中承担了数字信源解码器专题的研制任务，本论文的工作是该专题的重要组成 部分。 经过项目参研人员的共同努力，按计划用两年的时间研制出了我国第一 套数字h d t v 功能样机系统，该样机系统相当于美国9 5 年“大联盟”系统的 技术水平，是世界上第四套完整的从发到收的数字h d t v 样机系统。我国h d t v 样机系统研制成功的消息已在国内外引起震动。 该项目的研制成功，首次实现了我国在数字电视系统关键技术上的重大 突破，培养了一批技术骨干和人才，并在该领域形成了自主知识产权群，也标 志着我国“两步走”战略的第一步已经胜利完成。我国经过踏踏实实的研究开 发工作，已具备了实施h d t v “第二步”战略向试播与产业化推进的条件。 丕望查堂堡主兰垡望些鲨苎望二生量l j l 目前我国正由国家计委牵头组织有关部门进行数字高清晰度电视产业化 前期准备的各项工作。主要目标是研究确定我国数字电视地面广播体制标准， 建立h d t v 试播台，并完成h d t v 接收机专用芯片、显示器件等关键部件及 接收机整机产业准备，以期至2 0 0 3 年能在有条件的大中城市开始h d t v 商业 广播。 h d t v 作为人们所追求的下一代电视，其未来的市场潜力是非常巨大的， 它必将在未来形成新的经济增长点，并引发一场电视及相关产业近乎于革命性 的变革，这就给我国电子信息产业带来了一个难得的机遇，同时也带来了巨大 的挑战。在数字化时代到来之际，数字电视产业显示出了明显的知识经济特征， 国际竞争环境日趋严酷，一旦应对不当，就将受制于人。因此，我们应很好地 利用已形成的科研基础，在国家统一领导下，以科技和自主知识产权为核一t l , ， 协调规范标准的制订工作，加速产业准备，以使我国的数字电视产业能成为一 个具有活力，带动行业增长，对国民经济有重要贡献和在国际上具有很强竞争 力的产业。 1 4 本论文的主要研究工作及其意义 本论文工作为国家重大科技产业工程项目“数字高清晰度功能样机系统” 中信源解码器专题的重要组成部分，而整个功能样机系统的研制又是我国 h d t v “两步走”发展战略中的关键一步，因此，本论文完成的研究工作具有 极其重要的意义。主要包括： ( 1 ) 全面、深入地研究m p e g - 2 标准的相关部分，熟悉和掌握标准中的各项 技术规定，为系统设计和电路实现打下坚实的理论基础。 ( 2 3 熟悉和掌握f p g a 的软件开发环境和硬件实现技术，科学地进行f p g a 的设计、仿真和调试工作，并选择适合的f p g a 芯片作为整个系统的硬 件实现器件。 ( 3 ) 确定一个完整的、切实可行的h d t v 信源解码器的系统框架和总体实现 方案，同时建立了各功能单元间的详细接口规定，从整个系统的层次上 保证研制任务如期高质量地完成。 天津大学博士学位毕业论文 第一章绪论 ( 4 ) 确定核心解码单元的具体硬件实现方法，根据软件仿真和硬件实验的结 果，选择合理的硬件结构，尽可能减小硬件实现规模，降低硬件实现难 度，确保系统的科学性、可行性和稳定性。 ( 5 ) 确定核心解码板上各单元电路的功能划分和接口定义，完成每个解码算 法和解码控制电路的设计、调试和测试工作，并通过这些工作熟悉和掌 握m p e g 2 标准中视频解码部分的基本原理和硬件实现方法，积累各方 面的实践经验。 ( 6 ) 为核心解码板设计一个简单实用的测试环境，为核心解码板的功能调试 和硬件测试提供平台。 ( 7 ) 完成各种印刷线路板初样和正样的设计、绘制和调试工作，保证整个系 统的硬件实现工作顺利进行。 ( 8 ) 在完成核心解码板的设计、调试和测试后，参加信源解码器和整个功能 样机系统的硬件联试和测试工作，为专题和整个系统的顺利实现而贡献 力量。 本论文是在周萍博士的工作基础上进行的，她所提出的视频解码器的实验 方案和初步设计制作的“最小”系统实验板【1 1 ，为本论文工作提供了十分有用 的技术参考。通过长时间的刻苦钻研和不懈努力，本论文在系统方案上更加成 熟和完善，在硬件实现方法上更加科学合理，并进步对硬件电路进行了精心 设计和改进，最终研制成功一个完整的信源解码器样机系统，其功能完备，测 试方便，工作稳定可靠。 本论文的硬件设计工作主要由f p g a 实现，这将为研制开发我国第一代 数字h d t v 视频解码专用芯片打下坚实的技术基础：同时，由于本方案硬件 调整的余地很大，因此很适合测试接收机的研制工作，可以为我国数字电视标 准的制定提供帮助。 总之，本论文完成了我国第一台基于f p g a 的、符合m p e g 2 标准的数 字h d t v 信源解码器样机完整设备，它将在诸多方面为发展我国拥有自主知 识产权的高清晰度电视产业作出贡献。 垂望盔堂壁主兰垡生些堡塞一j 主三j 生坐兰旦兰立堡鱼；l 坌一 第二章m p e g 2 标准简介 2 1m p e g 2 概述 本论文所实现的系统及电路的设计基础是m p e g 2 标准，因此本章将列 m p e g 2 标准整体及其视频部分做一个简单的介绍。 m p e g 是m o v i n g p i c t u r ee x p e l sg r o u p 的缩写，即运动图像专家组。m p e g 标准中最引