（信号与信息处理专业论文）数字电视机顶盒解码系统的研究与设计.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 我国现在处在数字电视发展的重要时期，通过数字电视机顶盒技术可 以完成从模拟电视阶段到数字电视阶段的平滑过渡，对我国电视产业的发展 有着重要的意义。 本课题的任务是完成标准清晰度数字电视机顶盒的信源解码部分的研 究与设计。在论文中主要介绍了m p e g 2 视频压缩编码标准的基本知识、 机顶盒信源解码电路的硬件设计以及视频解码的原理与实现。 本课题在硬件设计中采用s t 公司生产的标准清晰度解码芯片s t i 5 5 1 8 作为信源解码电路的核心。对于o f d m 、q p s k 、q a m 等信道解调后产生 的传送流，都可以在信源解码电路板上实现传送流解复用和视频解码，并可 通过s 端子或复合视频端子输出标准电视信号。在电路设计方面，结合 s t i 5 5 1 8 芯片接口资源，围绕其与外部数据输入连接、s d r a m 连接、 f l a s hr o m 连接和视频输出等几个部分设计了硬件电路。机顶盒的软件的 设计建立在实时操作系统o s 2 0 之上，包括解复用软件和视频解码控制软 件。在解复用软件中实现了对节目特殊信息( p s i ) 的分析和存储并且实现 了节目信息管理，在此基础上完成对音频、视频基本流的收集工作，实现传 送流的解复用。在视频解码控制软件中，控制了以一幅图像为解码单位的视 频解码流水线工作。通过视频信息头的提取和分析，完成对解码器中视频解 码流线中相关寄存器的设置，实现视频压缩数据的解码。 在本课题中实现了数字电视机顶盒信源解码的基本功能，为以后数字 电视机顶盒功能扩展奠定了基础。 关键词标准清晰度数字电视：机顶盒；m p e g 一2 ；s t i 5 5 1 8 ；视频解码 堕垒堡三些奎耋：! ；：兰土主堡丝兰 a b s t r a c t i ti sa ni m p o r t a n te p o c ho fd i g i t a lt v d e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y a n d t h e r ea r es e r i o u ss i g n i f i c a n c e st ot h ed e v e l o p m e n to ft v i n d u s t r y ，i fa n a l o gt v b r o a d c a s tp e r i o dc o u l dt r a n s i tt od i g i t a lt vb r o a d c a s t p e r i o ds m o o t h l yu s i n gs e t - t o pb o xt e c h n o l o g y t h et a s ki st or e s e a r c ha n dd e s i g nt h es i g n a ls o u r c ed e c o d i n gp a r to fs d t v s e t - t o pb o x i nt h ed i s s e r t a t i o n i ti n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g eo fm p e g 2 v i d e oc o m p r e s ss t a n d a r da n dh a r d w a r eo fs i g n a ls o u r c ed e c o d i n gi n s e t t o pb o x a n dt h es o f t w a r et h a tc o n t r o l sv i d e o c o m p r e s s e dd a t ad e c o d e d t h ec o r eo fs o u r c e d e c o d i n g b o a r di ss t i 5 518 ，w h i c hi sas t a n d a r d d e f i n i t i o nd e c o d e ra n di sp r o d u c e db ys tc o n om a t t e rt h ec h a n n e li so f d m q p s k o rq a m ，i t sd e m o d u l a t i o no u t p u to f d i g i t a lt vs i g n a lm u s tb eam p e g 一2 t r a n s p o r ts t r e a m ，w h i c hc a n b ed e - m u l t i p l e x e d ，a u d i od e c o d e da n dv i d e od e c o d e d i nt h eb o a r d a n dt h eb o a r dw i l lo u t p u tas t a n d a r ds - v i d e oo rc o m p o s i t e dv i d e o t o a n a l o g t v s e v e r a lh a r d w a r ec i i r c u i t s ，w h i c hr e l e v a n tt oc o n n e c t i o n so f e x t e r n a ld a t ai n p u t ，s d r a m ，f l a s hr o m ，v i d e o o u t p u ta n ds oo n ，a r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ei n t e r f a c er e s o u r c e so nt h es t i 5 5 1 8 t h es o f t w a r eo fs e t t o pb o x i sb a s e do nr e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e m o s 2 0 i ti n c l u d e st h e d e m u l t i p l e x i n g s o f t w a r ea n dv i d e od a t as t r e a m d e c o d i n gc o n t r o ls o f t w a r e p r o g r a ms p e c i f i c i n f o r m a t i o n ( p s i ) a n a l y s i s a n d s a v i n g ，a l s o w i t h p r o g r a m s i n f o r m a t i o n s m a n a g e m e n t ，a r ec o m p l e t e d i n d e - m u l t i p l e x i n g s o f t w a r e t h i ss o f t w a r e i m p l e m e n t e dt h ec o l l e c t i n go f a u d i oa n dv i d e oc o m p r e s s e de l e m e n t a r ys t r e a m s i nt h es o f t w a r eo fv i d e od e c o d i n g ，i tc o n t r o l st h ev i d e op i p e l i n ew h o s et a s ki sa s i n g l ep i c t u r ed e c o d i n go p e r a t i o n b yc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gv i d e oh e a d e r ，t h e s o f t w a r ew i l ls e tt h er e g i s t e r so fv i d e op i p e l i n ei nd e c o d e rt op l a yt h ev i d e o c o m p r e s s e de l e m e n t a r ys t r e a m t h ed e s i g nh a sc o m p l e t e dt h eb a s i cf u n c t i o n so fs i g n a ls o u r c ed e c o d i n gi n s e t t o pb o x ，a n dm a k e s af i r mb a s i sf o rf u n c t i o n se x t e n d i n go f s e t - t o pb o xi nt h e f 1 】t a r e k e y w o r d ss d t v ；s e t - t o pb o x ；m p e g 一2 ；s t i 5 5 18 ；v i d e od e c o d i n g 哈尔滨t 业人学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着数字视频、计算机和通信技术的发展结合，以及超大规模集成电 路技术的成熟，电视技术的数字化成为电视产业发展的必然趋势。数字电视 ( d i g i t a lt v ) 是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路数字 化的数字电视广播系统u - 2 j 。数字电视利用m p e g 标准中的各种图像格式， 把现行模拟电视制式下的图像和伴音信号压缩到平均码率为4 6 9 2 1 m b p s 的 数据流。同时数字电视的图像质量可以达到电视演播室的质量水平或胶片质 量水平，图像水平清晰度达到5 0 0 1 2 0 0 线，在伴音采用5 1 声道的环绕声 信号，因此它是对现有电视广播系统的整体变革【3 】。具体来讲，数字电视采 用数字摄像机、数字录像机等数字设备完成节目的制作和编排，电视台发射 传输和电视接收机接收到的载波信号均为数字载波信号，电视接收机内部则 全部采用数字信号处理电路。数字电视与模拟电视的最大区别在于数字电视 载波传输的为数字信号，模拟电视载波传输的为模拟信号，因此，数字电视 与传统模拟电视系统和近年来市场上出现的载波仍然传输模拟信号仅在电视 接收机内部信号处理电路上作部分数字化处理的数字化彩色电视相比有了质 的变化。 1 1 1 数字电视的优点 数字电视是将传统的模拟电视信号经过量化和编码转换成二进制数的 数字信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用计算机 进行处理、监测和控制。采用数字技术能获得比模拟设备更好的性能，并具 有模拟技术所不能达到的新功能一j 。 数字电视与传统的模拟电视相比有以下技术优势： 1 信号质量高，抗干扰能力强 模拟电视信号的失真和干扰在传播和处理过程中存在积累现象，经过 长距离传输或多次复制后，信号质量会迅速下降；而数字信号在传输的过程 中有很强的纠错功能，其失真和干扰可以不产生积累，因此数字信号经过远 距离传输和多次处理后，信号仍能保持其原有的特性。所以数字电视在接收 哈尔滨。【业大学工学硕士学位论文 端看到的图像质量和声音质量几乎与电视台发送的质量一致，而且扩大其信 号覆盖面。 2 传输效率高 传统的模拟电视使用6 - 8 m 的带宽只能传输一套模拟电视节目，而数字 电视采用了先进的图像压缩编码技术，使用同样的带宽可以传送4 套( 或更 多) 标准清晰度电视节目( s d t v ) 或者一套高清晰度电视节目 ( h d t v ) 。这意味着用户可选择的节目将更加丰富。 3 便于网络化，双向交互性 由于采用了数字技术，数字电视有利于实现电视广播与计算机网络的 融合。数字电视信号便于使用计算机网络应用环境，便于图像和声音的传 输，从而实现电视节目资源共享。 4 容易实现加密解密和加扰解扰技术，便于开展收费业务 由于数字信号的易操作性，在电视台前端对信号加密和加扰都比较容 易实现。在此基础上建立的条件接收( c a ) 系统是数字电视的技术保障系 统【5 t 6 。有了这套系统，就可以更好地为每个用户提供有偿电视服务，对用 户实行有效的管理和服务，防止未经授权或欠费用户收看收费节目【”。 数字电视的这些优点使之具有强大的生命力和光明的前景。 1 1 2 全数字电视系统与现有系统的兼容性 由于数字电视系统相对于现有的电视系统从根本上发生了变化，就造 成了数字电视系统与现在正在使用中的模拟电视系统的不兼容性博9 j 。特别 是在终端方面，如果不做任何改变，当电视台改为播放数字电视节目时，现 有的模拟电视终端将不能正确有效接收和播放电视节目，这也就意味着现有 的模拟电视终端将全部被淘汰，而这种在短期内把所有的模拟电视机用全数 字电视机替代的代价是相当大的也是非常浪费的【l 。因此在模拟电视到数 字电视转变的过程中应该有一个过渡产品，它能使现有的模拟电视终端能在 数字电视节目播出的初期，在不需要对现有传输网络和现有接受系统进行大 规模的改动的情况下，使现有模拟电视终端可以正常收看数字电视节目和享 受数字电视带来的新的服务1 1 i i 。 机顶盒( s t b ，s e t t o pb o x ) t 2 1 正是为了满足从模拟电视到数字电视过 渡时期的需要而产生的，是指在普通模拟电视机上的一种新附加装置，它可 以接收数字电视信号，并把数字电视信号转换成模拟电视能正常收看模拟电 哈尔滨工业大学t 学烦士学位论义 视信号，同时它也可以实现用户所提出的交互式服务。 1 2 数字电视技术的发展 早期的数字电视系统主要分为两大类。一类是研究在3 次群 ( 3 4 3 6 8 m b p s ) 或更高数码率的信道上传送一路电视节目。例如8 0 年代 末，意大利的t e l e t r a 公司和法国的汤姆逊公司推出了3 4 m b p s 数字电视系 统产品。但是，由于该类产品的传输数码率比较高，限制了其应用和普及。 另一类是研究在1 次群( 2 0 4 8 m b p s ) 或以下数码率的信道上传送会议电视 和电视电话服务。同样由于视频压缩算法的局限性，其图像质量不能令人满 意。同时，由于不同厂家使用不同的压缩算法、设备兼容性差等原因，市场 发展非常缓慢3 一”。 随着视频压缩技术的发展，人们对视频压缩算法的基本框架形成了共 识，并制定了一系列视频压缩标准： i t u t 在1 9 9 0 年7 月通过了h 2 6 1 建议； j p e g 于1 9 9 1 年3 月通过了1 0 9 1 8 号标准； m p e g 随后相继制定m p e g 1 标准( i s o1 1 1 7 2 ) 和m p e g 2 标准 ( i s o i e c1 3 8 1 8 ) ： m p e g 正在制定m p e g 一4 标准，用于移动环境的电视电话和多媒体 通信【：】6 l 。 在这些视频压缩标准中，其压缩算法的核一t b 是采用d c t 变换编码、运 动估值和哈夫曼熵编码。这些标准的制定，大大推动了数字电视的发展。在 数字电视视频压缩编解码标准方面，美国、欧 7 1 1 4 干h 日本都采用m p e g 2 标 准。 1 2 1 国外数字电视发展概况 1 欧洲的数字电视 欧洲在经历了h d m a c 制式的失败后，将更多的力量集中到了常规电 视的数字广播。1 9 9 3 年9 月，欧洲1 2 个国家8 5 家制造业和广播业的代表 在德国波恩召丌会议，研究并制定了数字视频广播( d v b ) 标准7 j 。这个 标准主要强调图像可分级性，它包括三种传输方式：数字电视广播地面信道 传输标准( d v b t ) ，卫星电视广播信道传输标准( d v b s ) 和有线电视 广播地面传输标准( d v b c ) 。d v b 标准是一个完整的数字电视广播体 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 系，规定数字电视系统使用统一的m p e g 一2 视频、音频和系统复用系统。 d v b t 采用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制方式，是最复杂的 d v b 传输系统 1 引。地面数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统 相当，在8 m h z 带宽内能传送4 套电视节目，本地区覆盖好，传输质量 高。 d v b s 采用四相相移键控调制( q p s k ) 调制方式，为数字卫星广播系 统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点，数据流的调制采用 q p s k 方式，工作频率为1 1 1 2 g h z 。在使用m p e g 2m p m l 格式时，用 户端若达到c c i r6 0 1 演播室质量，码率为9 m b s ；达到p a l 质量，码率为 5 m b s 。而一个5 4 m h z 转发器传送速率可达6 8 m b s ，可用于多套节目的复 用。d v b 。s 标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用 了d v b s 标准。 d v b c 采用正交调幅( q a m ) 调制方式，为数字有线电视广播系统标 准，欧洲各国有线数字电视普及方面采用极为普遍。它具有1 6 、3 2 、 6 4 q a m 三种调制方式，工作频率在1 0 g h z 以下。采用6 4 q a m 时，一个 p a l 通道的传送码率为4 1 3 4 m b s ，可用于多套节目的复用。 2 美国的数字电视 美国的全数字h d t v 的发展也很迅速。1 9 9 3 年由美国七家大公司组成 了大联盟( g a ) ，目标是制定美国的h d t v 地面广播标准。1 9 9 6 年1 2 月 2 4 同，美国联邦通信委员会( f c c ) f 式通过了a t s c 数字电视标准，主 要用于地面广播数字电视l l 。 a t s c 数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。 最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图 像压缩层，采用m p e g 2 压缩标准 2 们。再下来是系统复用层，特定的数据 被纳入不同的压缩包中，采用m p e g 2 压缩标准。最后是传输层，确定数 据传输的调制和信道编码方案。对于地面广播系统，采用8 - v s b 传输模 式，在6 m h z 地面广播频道上可实现1 9 3 m b s 的传输速率。该标准也包含 适合有线电视系统高数据率的1 6 v s b 传输模式，可在6 m h z 有线电视信道 中实现3 8 6 m b s 的传输速率。下面两层共同承担普通数据的传输。上面两 层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如h d t v 或s d t v ：还确 定a t s c 标准支持的具体图像格式【2 卜玎j 。 3 日本的数字电视 1 9 9 3 年9 月制定i s d b ( 综合业务数字广播) 标准，该标准既传数字电 哈尔滨工业大学工学碘士学位论文 视节目，又传其他的数据综合业务服务系统，传输信道主要考虑卫星信道。 信源编码的视频编码、音频编码机系统复用仍遵循m p e g 2 标准，调制采 用o f d m 调制方式1 2 4 1 。2 0 0 0 年1 2 月，日本广播卫星b s 同时开通了1 0 个 h d t v 频道，并开展了互动式服务。日本的数字电视采用i s d b t 标准( 根 据欧洲d v b t 制改进而来) ，对多径传输和移动接收具有较好的抗干扰能 力和接收效果。 但随着技术的进步，m p e g 2 随着技术的进步现在显得越来越落后， 国际上也在考虑用m p e g 。4a v c 来代替目前的m p e g 2 。 1 2 2 国内数字电视发展概况 我国数字电视技术已经有了很大的发展，基本与世界先进国家的技术 同步。1 9 9 4 年1 1 月，国务院成立了由1 1 个国家部委组成的研究开发协调 组，1 9 9 6 年国家科委将高清晰度电视列为重大科技产业工程项目，1 9 9 8 年 我国第一台全自主开发的高清晰度电视样机在北京试验成功，同年我国还成 功研制了一套数字高清晰度电视系统。1 9 9 9 年国庆5 0 周年庆典上，在北京 试播了数字高清晰度电视，后来又在上海、深圳等地进行数字电视试播实 验。在数字电视标准制定方面我国也取得了很大的进展【2 ”。 1 中国的卫星数字电视标准 中国卫星数字电视采用q p s k 调制方式，与欧洲、美国和日本采用的 标准相同。由于中国限制个人直接接收卫星数字电视节目，所以目前是由有 线电视台集中接收数字电视信号，并将其转化为模拟信号通过有线网络传输 给广大用户收看的。 2 中国的有线数字电视标准 中国有线数字电视的标准还在报批过程中，预计采用q a m 调制方式， 与欧洲的标准相似。中国有线数字电视的发展基础较好，且播出所需的投入 成本较小，已经在部分大中型城市试播。 3 中国的地面数字电视标准【2 州 数字电视地面广播与数字卫星广播相较，有容易普及、接收价格低廉 的特点：与数字有线电视广播相较，则较不易受城市施工建设、自然灾害、 战争等因素造成的网络中断影响。因此，在传输状况、应用需求等方面，地 面传输方式更加复杂，在地面数字电视传输系统方案的选择上争议也虽大。 自2 0 0 1 年4 月起，中国国家广电总局便开放数字电视广播系统的规格 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 建议书的提交；并已在2 0 0 1 年l o 月开始在北京、上海及深圳三地进行数字 地面广播标准的测试工作，在2 0 0 2 年至2 0 0 3 年间测试完成之后，开始进行 最后标准的制定，目前还在制定过程之中。 目前中国各方面提交的地面数字电视标准提案共5 套，分别是：国家 h d t v 总体组一号提案：高级数字电视广播系统( a d t b t ) ：国家h d t v 总体组二号提案：数字电视地面广播系统( b d b t 0 f d m ) ；广电总局广 播科学研究院的射频子带分割双载波混合调变系统( c d t b t ) ：清华大学 地面数字多媒体电视广播传输协议( t d s o f d mb a s e dd m b t ) 成都电子 科技大学的同步多载波扩频地面数字电视传输系统( s m c c c o f d m ) 。目 前，这五种标准中，清华大学与上海交大的两种标准在标准的选择方面处于 领先。 清华大学的d m b t 标准在o f d m ( 正交频分复用) 的保护间隔中，去 掉了导频部分，复用同步头【2 ”。该同步头利用d s s ，提高了灵敏度，有利 于汽车等移动状态下接收信号。与欧洲方式相比，灵敏度提高了l o 左 右，信噪比的要求也可以降低到一2 0 d b 。同时信号的传输效率也提高了 1 0 。d m b t 基于t d s o f d m 调制技术分级的帧结构强纠错编码技术 灵活的信道调制技术o f d m3 7 8 0 个子载波，q p s k + q a m 。抗多径和多普 勒效应，支持单频网高效可靠的时域同步技术、帧同步：w a l s h 编码的 p n 序列，q p s k 调制。可靠同步，基站识别，终端定位和绝对时间同步， 只接收需要信息，达到省电便携和移动的条件和目的准确快速的信道估计 技术便于实现的快速算法。 上海交大的a d t b t 标准是一种“单载波”方案，采用4 位或1 6 位 q a m 变调方式，并在其中融入了独特的平均化技术，使用8 m h z 带宽，拥 有5 m b i t s 、1 0 m b i t s 、2 0 m b i t s 三种传输模式【2 ”。关于移动接收信号的性 能，据称超过了d v b t 。其主要的技术组成和特点包括：有效的数据结 构，满足灵活的综合数字业务和抗干扰要求；4 1 6 6 4 0 q a m 单载波调制技 术；稳健的上下导频辅助的双导频辅助同步系统；级联的交织内外码f e c 的信道编解码技术；对抗信道衰落的均衡技术采用0 d b 多经和前、后向回 波；移动条件下最高速率可达1 2 m b p s 。 预计2 0 0 6 年之前我国将会从现有的方案中选出最适合的，推出自己的 数字电视地面广播标准，并在2 0 0 8 年北京奥运会实现以数字高清晰度方式 向世界转播，主要的大城市实现地面数字电视商业广播。在我国的2 0 1 0 年 远景规划中，计划在2 0 1 0 年全面实现数字广播电视，在2 0 1 5 年停止模拟电 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 视的播出。 1 3 主要研究内容 为完成标准清晰度数字电视机顶盒信源解码部分的设计，本论文从以 下几个方面进行了研究： 1 研究了m p e g 2 标准的系统部分和视频部分，特别对与解码相关的 多节目数据流的复用和解复用机制以及视频编码结构进行了分析： 2 对s t 公司生产的视频解码芯片s t i 5 5 1 8 的内部模块资源和外围接 口的功能、结构、原理进行深入了解，并以它为核心完成信源解码电路的设 计； 3 研究机顶盒的实时操作系统o s 2 0 ，了解其任务处理机制和中断响 应系统； 4 编写传送流解复用处理和视频数据基本流解码控制程序。 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 第2 章m p e g 2 和d v b 标准简介 现在已经制定完成的数字电视标准中都把m p e g 一2 视频部分作为其视 频编码的标准。我国的数字电视标准虽然暂时还没有完成制定过程，但其视 频标准估计也会采用m p e g 一2 的视频格式。现在我国除了地面数字电视标 准还存在不确定性外，卫星和有线数字电视标准都与欧洲的d v b s 和 d v b c 标准相似。下面一章将对这m p e g 2 和d v b 标准做一下介绍。 2 1m p e g 2 标准简介 m p e g ( m o v i n g p i c t u r e se x p e r tg r o u p ，即活动图像专家组) 于1 9 8 8 年 设立，其目标是建立活动图像编码及其相关音频编码的国际标准【2 9 】。 m p e g 2 标准于1 9 9 4 年1 1 月公布，是一个与数字电视广播直接有关的高品 质图像和声音编码标准，其标准号为i s o i e c1 3 8 1 8 。m p e g 一2 标准包括8 个部分，即系统、视频、音频、符合性测试、软件模拟、d s m ，c c 扩展的 完全软件实现、及系统解码的实时接口扩展。其中1 3 8 1 8 1 系统部分定义规 范了系统编码，定义了复合视频和音频数据的复用结构，定义了实时应用中 重放同步序列所需的表示定时信息的方法；1 3 8 1 8 - 2 视频部分定义了视频数 据的编码表示和重建图像所要求的解码过程；1 3 8 1 8 3 音频部分定义了音频 数据的编码表示；1 3 8 1 8 - 4 一致性部分定义确定编码码流的特性和使用 1 3 8 1 8 一l 、1 3 8 1 8 2 、1 3 8 1 8 3 陈述的要求一致性测试的进程。在本课题中主 要涉及系统部分和视频部分。 2 1 1m p e g 2 标准系统层简介 m p e o 2 系统部分强调一个或多个音频、视频或其他的基本数据流合成 单个或多个数据流，以适应于存储和传送。按照该部分的语法和句法进行系 统编码，可咀在很宽的恢复和接收条件下进行同步译码。m p e g - 2 系统支持 多路复用和提供多媒体信息解码所需的同步【3 。 m p e g 2 系统编码有两种方法：传送流( t s ，t r a n s p o r ts t r e a m ) 和节 目流( p s ，p r o g r a ms t r e a m ) 。其中传送流是将有多个独立时间基点的多道 节目合成一个独立的数据流，其中属于同一道节目的各个原始数据流的打包 基本流( p e s ，p a c k e te l e m e n ts t r e a m ) 分组具有相同的时间基点，适用于 哈尔演1 二业大学工学硕士学位论文 误码率较高的环境，传送流数据的包长度固定为1 8 8 字节( 若包含r s 校验 字段每包长度为2 0 4 字节) ，一般应用于数字电视广播；节目流也由p e s 组成，但是用于误码率相对较小的环境，节目流的p e s 包长度可变也相对 较长，一般应用于d v d 的存储和播放【3 0 q2 。系统部分为传送流和节目流提 供了必要的和充分的编码语法，解决多个音频、视频和数据基本流( e s ， e l e m e n ts t r e a m ) 的组合问题，保证同步译码和显示音频、视频信息，同时 确保译码缓冲区既不上溢也不下溢。采用m p e g 2 传送流系统的编码和解 码系统框图如图2 。1 所示： 图2 - 1m p e g - 2 系统框图 传送流( t s ) 一般是一个或多个节目的音频、视频原始数据流和其他 数据流的多路复用。为了播放其中一路节目则需要把与这路节目相关的音频 和视频数据从整个传送流中分离提取出来，即传送流的解复用口引。完成传 送流的解复用则需要m p e g 2 的系统信息一一p s i ( p r o g r a ms p e c i f i c i n f o r m a t i o n ) 节目特殊信息。在m p e g 2 中p s i 信息采用的描述机制是表 ( t a b l e ) 、段( s e c t i o n ) 、描述器( d e s c r i p t o r ) 。p s i 表在m p e g - 2 中是 一个概念性的机制，它只是对节目信息的一种结构性的描述，不是一种实际 的语法描述方式，在实际使用时，需要将它划分成一个或多个段，这些段将 饴尔滨工业人学工学硕士学位论文 按照一定的要求放入t s 流的包中。段是一个m p e g 2 的语法定义，用于将 所有的p s i 表映射到t s 流的包中。用于标识段的主要语法元素有：表标识 ( 用于说明段属于哪一种表) 、段长度、段序号( 说明本段属于某一表中的 什么位置，以便于在解码器恢复出完整的表) 、最后段序号( 说明整个表中 最后一个段的序号) 、版本号等1 3 4 3 “。描述器有公共的格式：标志、长 度、数据，m p e g 2 中的描述器可以提供有关视频流、音频流、采用的语 言、层次、系统时钟、显示参数、码率等多方面的大量信息，这些信息对系 统的运行、配置和参数设定有非常重要的作用。 传送流分组以4 个字节的前缀开始，其中除了同步字节还定义了1 3 比 特的分组i d ( p i d ) ，p i d 通过p s i 表来识别传送流分组中所带的数据，一 个p i d 值的传送流分组织带有来自一个原始流的数据。 在m p e g 2 系统层标准中，每一路数字节目都可以包含一个或多个基 本流，每个基本流都分配了一个p i d 值作为标记。传送流中的p s i 信息可 以分成4 种表的结构，每个表又可以分成多个段。这4 种表分别为：节日关 联表p a t 、节目映射表p m t 、条件接收表c a t 和网络信息表n i t 。p a t 表 包含了所有节目的节目编号以及与每个节目相关p m t 表的p i d 值；p m t 表列出它所对应的节目中包含的基本流标识和相p i d 信息。如果一路t s 流中含有加密节目，那么在这个t s 流的p s i 信息中必定存在c a t 表， c a t 表的内容是提供加密节目的一些加密信息( 加密系统的标识，存取权 的分配及各码序的发送) ，用于对节目的解密。n i t 表可以传送网络数据和 频带、转发信号、通带宽度等参数。m p e g 2 虽然对此表的具体内容没有作 详细规定，但是在数字电视应用中n i t 表有着至关重要的地位，也是必须 p s i 包含的一个表，它一般提供了对解码前端t u n e r 设置的信息，存在于 任何信道的t s 流中。 每一个t s 流中都必须含有p a t 表，因为所有p m t 表和n i t 表的p i d 值都在p a t 表中给出( 一般n i t 表有固定的p i d 值0 x 1 0 ) 。另外p m t 表 也是t s 流中所必需的表，它包含了各个节目的基本流p i d 信息，这是解复 用所不可缺少的，t s 流中任何一路节目的p m t 表的p i d 在p a t 表中给出 其结构关系如下图2 2 所示。 如果要对符合m p e g 2 标准的传送流进行音、视频解码必须首先找到 p a t 表，对包含p a t 包的t s 流数据包进行解码锝到完整的p a t 表；然后 通过对p a t 表的查找获得所关心节目p m t 表的p i d ，有此p i d 就可以从 t s 流滤出包含p m t 表的t s 流数据包，如果这时得到的数据包符合解码要 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 求则对此数据包进行分析，获取节目的p m t 表【3 6 】。可以得到的p m t 表中 应该包含节目音频、视频基本流所在t s 流数据包的p i d 值，如图2 2 中所 示，有了音频和视频的p i d 之后就可以对t s 流进行解复用了，得到音频和 视频数据。如果这些数据经过加密则把它们送入c a 模块进行解密，否则直 接送入解码器进行音频和视频解码。 节 r s 流曰噩厦噩豇匿匿匦蛭 p i d = 02 23 34 98 2 1 2 t 95 48 1 图2 - 2p s i 信息示例 2 1 2m p e g 一2 视频体系 m p e g 2 标准的出发点是成为一个应用于较广范围的比特率、分辨率、 质量和服务的标准。在m p e g 2 视频标准的技术规范中，根据对图像清晰 度要求的不同划分为4 “级”( 1 e v e l ) 或4 种信源格式，并采用分级编码。 所谓级是指m p e g 2 的输入格式，主要规范了清晰度的4 个等级，标识从 低清晰度的录像带( v c r ) 到高清晰度电视h d t v ，每一种输入格式编码 后都有一个相应的范围p ”。 低级( l l ：l o wl e v e l ) ：图像输入格式的像素是i t u - rr e c b t 6 0 1 格 式的1 4 ，即3 5 2 2 4 0 3 0 或3 5 2 2 8 8 2 5 。相应编码的最大输出码率为 啥尔滨工业人学工学硕士学位论文 4 m b s 。 主级( m l ：m a i nl e v e l ) ：图像输入格式符合i t u rr e c b t 6 0 1 格 式，即7 2 0 x4 8 0 x 3 0 或7 2 0 x5 7 6 x2 5 。相应编码的最大输出码率为 1 5 m b s 。 高级h l l 4 4 0 ( h i g hl e v e l1 4 4 0 ) ：是1 4 4 0 1 1 5 2 2 5 的高清晰度格 式。相应编码的最大输出码率为6 0 m b s 。 高级( h l ：h i g hl e v e l ) ：图像输入格式为1 9 2 0 1 1 5 2 2 5 的高清晰 度格式。相应编码的最大输出码率8 0 m b s 。 除了根据图像清晰度定义的“级”以外，m p e g 2 视频标准还定义了 “类”( p r o f i l e ) 的概念，每一个不同的“类”能够提供构成编码系统的压 缩工具和压缩算法。所谓类是指m p e g 2 的不同处理方法，每一类都包括 压缩和处理方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工 具。越高的类编码越清晰，而每升高一类将提供前一类没有使用的附加工 具，当然实现的代价会更高【3 9 】。 m p e g 一2 共分5 类：简单类s p ( s i m p l ep r o f i l e ) ；主类m p ( m a i n p r o f i l e ) ；信噪比可分级类s n p ( s n rs c a l e a b l ep r o f i l e ) ：空间可分级类 s s p ( s p a c es e a l e a b l ep r o f i l e ) ；高级类h p ( h i g hp r o f i l e ) 。这样级和类的 组合将给出2 0 种不同的规格，但是并不是每一种级和类的组合都存在意 义，目前在m p e g 一2 标准中允许使用的级与类如表2 。1 所示。 表2 - 】目前m p e g 2 可用类等级组合表 类、等级低级主级高1 4 4 0 级高级 3 5 2 2 8 87 2 0 5 7 61 4 4 0 1 1 5 21 9 2 0 1 1 5 2 简单类s p m l 主类r a p l lm p m lm p h 1 4 4 0 m p h l s n r 可分级类s n r l ls n r m l 空问可分级类s s p h 1 4 4 0 高类h p m l h p m 4 4 0h p h l 2 1 3m p e g 2 标准视频部分简介 视频部分的产生是由于数字存储媒体、广播电视以及通信等应用领域 对于运动图像以及伴音的通用编码方法的要求日益增大。他的用处在于可以 使运动视频数据作为一种计算机可以处理的数据形式，并且可以存储在各种 存储媒体上，可以在现存或未来的网络上发送、接收，并且可以在现存或未 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 来的广播信道上传播。所涉及到的应用领域包括：卫星转播、有线网络、数 字数频转播以及通讯和计算机多媒体等方面。 本课题所设计的数字电视机顶盒适用于标准清晰度的数字电视，其中 视频解码的部分应遵循m p e g - 2 标准的视频部分，即i s o i e c1 3 8 1 8 2 标 准。m p e g 一2 标准充分利用数字图像处理技术的最新发展来压缩数字视频信 号。它根据活动图像的特点和人眼的视觉特性，利用下列技术对图像数据进 行压缩4 0 1 。 1 采用帧内编码帧( i 帧) 、预测编码帧( p 帧) 和双向预测帧( b 帧) 三种帧结构模式，p 帧和b 帧采用了运动预测和运动补偿。去除序列图 像在时间域上的相关性，仅传送很小的帧差信号，大大压缩了图像数据； 2 对帧间预测误差或帧内原始图像数据进行8 8 像素块的离散余弦 变换，以消除图像在空间域上的相关性； 3 在离散余弦变换中对8 8 的d c t 系数设置自适应量化器，以充分 利用人眼特性，量化后的系数再利用一定的扫描方式进行排序，以便进行变 字长编码； 4 对量化后的d c t 系数采用h u f f m a n 变字长编码，实现熵编码， 即：对于出现概率小的系数可以采用长字长的码子，对于出现概率大的码子 则采用短字长的码子，这样就可以消除图像中的统计相关性： 5 此外对d c t 系数的游程编码、色度分量的水平垂直亚取样以及编 码器总体上采纳的防止码率上下溢的编码控制策略都极大地提高了系统的编 码效率。 视频编码比特流中的最高语法结构是视频序列。一个视频序列包括序 列头，每个序列头后可以有多个图像组层，而每个图像组层又可以包含多个 编码帧。m p e g 2 的视频数据编码采用多层结构。它们从高到低是序列层 ( s e q u e n c el a y e r ) 、图像组层( g r o u p o fp i c t u r e s l a y e r ) 、图像层 ( p i c t u r el a y e r ) 、条层( s l i c el a y e r ) ，宏块层( m a c r ob l o c kl a y e r ) 、块 层( b l o c kl a y e r ) 。这种多层嵌套结构使得编出的码流结构明了、易读，便 于演播室实现快进、快退、暂停和插入临时图像组等特技效果。 总之，m p e g 2 标准的出台，为全球数字电视打下了基础。 2 2d v b 标准简介 欧洲的数字视频广播( d v b ) 计划开始于1 9 9 3 年，目标是指定一种对 啥尔滨工业大学工学硕上学位论文 所有传输媒体都适用的数字电视技术和系统。其思路是由普通分辨率的电视 广播数字化作为起点，首先制定卫星直播的数字电视标准，然后是使用 c a t v 传输数字电视的标准，在这些标准有了大量应用的同时才最终指定地 面广播的数字电视标准【4 ”。 d v b 标准的组成可以归纳为以下几个部分：基带处理部分，包括视、 音频信号的压缩处理方法，码流的组成等；条件接收部分，涉及到节目流的 加扰和用户的授权解扰( s u b s c r i b e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，s m s ) 以及交互操 作、数字广播、网络传输接口；传输部分，主要规定上述基带信号如何通过 各种广播渠道进行发送等。其中传输部分是d v b 的重要组成部分，常用的 有卫星数字电视d v b s ( e t s 3 0 0 4 2 1 ) 、数字有线电视标准d v b 。c ( e t s 3 0 0 4 2 9 ) 及数字地面电视标准d v b t ( e t s 3 0 0 7 4 4 ) 【4 2 j 。 对于基带处理部分、条件接收部分以及交互部分，d v b 标准在充分利 用m p e g 2 编码标准，从而使在发送和接收端可以对t s 流进行复用和解复 用。另外d v b 标准在充分利用m p e g 一2 编码标准的p s i 信息的基础上，制 定了服务信息( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ，s i ) 规范。加入了一些帮助用户选择数 据流中的服务和事件的信息，如表示节目的类型、提供商、节目的相互关系 等。s i 的主要用途有：根据选择自动利用n i t ，p a t ，p m t 等信息进行频 道调谐；选择节和定位；实现电子节目指南e p g ( e l e c t r o n i cp r o g r a m g u i d e ) ：作为p s i 的基础进行c a 控制。欧洲电信标准( e t s ) 在 e n 3 0 0 4 6 8 中规定了d v b - s i 的规范。 m p e g 2 标准中的p s i 信息基本上都是与当前传输的码流