（信号与信息处理专业论文）基于flash的码流信号发生器的设计与实现.pdf

基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 摘要：数字电视能够提供给人们更高的视听享受并且能够加入蓬勃 的信息网提供给人们更多的信息资源，是新一代的电视。目前我国 对h d t v 的研制已进入产业化阶段。机项盒是实现全数字的h d t v 系统的过渡产品，目前国内已经有一些厂家投入生产。为了测试机 顶盒中信源解码器的工作性能，需要有一个能够向其提供传送流的 码流源，并且按照流水线生产测试的需要，此码流发生器应该满足 以下要求：小巧，能够脱离计算机独立读出码流，提供持续6 秒不 断循环播出的码流节目，操作简单，码流节目可以重新装入，读出 码流为并行l v d s 电平，速度为1 9 ，3 8 = 2 4 1 2 5 兆字节每秒，输出 接口符合h d t v 总体组的接口规定。本论文设计的t s 发生器完全 满足以上要求，目前该项技术已经产品化，由厦华公司试用。 关键词：高清晰度电视；机项盒；信源解码器；传送流 t h er e s e ar c ha n d i m p l e m e n t a t i o n o faf l a s h - - b a s e dt sg e n e r a t o r a b s t r a c t ：d i g i t a lt v , a st h e f u t u r et v , c a l lp r o v i d eu sw i t hh i 曲一 q u a l i t ye n t e r t a i n m e n ta n dm o r ei n f o r m a t i o nf r o mi n t e r n e t n o wt h a t c h i n ah a sf i n i s h e dt h e d e s i g n o fh d t vs y s t e m s u c c e s s f u l l y ，t h e i n d u s t r i a l i z a t i o no fh d t vr e c e i v e rh a sb o t he c o n o m i ca n ds o c i a l e f f e c tt oc h i n e s e p e o p l e i n o r d e rt o p u t h d t vr e c e i v e ri n t o p r o d u c t i o n ，t sg e n e r a t o ri sr e q u i r e dt o t e s ts o u r c ed e c o d e ro fs e t t o p b o x i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fat s g e n e r a t o rb a s e do ni n t e l s f l a s h m e m o r ya r ep r e s e n t e d t h e t s g e n e r a t o rc a nd o w n l o a dh d t vt r a n s p o r ts t r e a m f r o m c o m p u t e r h a r dd i s kt oi t sm e m o r y - - f l a s ha n dc a no u t p u tt sa tas p e e do f 1 9 3 m b p s ( 2 4 1 2 5 m b p s ) i n d e p e n d e n t o fc o m p u t e r a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to f d e c o d e rm a n u f a c t u r e r ，t h et sg e n e r a t o ri ss m a l la n d e a s yt oo p e r a t e ，h a st h es t a n d m do u t p u ti n t e r f a c ea n d c a no u t p u t8 - b i t p a r a l l e l b i ts t r e a mo fl v d s n o wo u rt sg e n e r a t o ri s i nu s eo n a s s e m b l y l i n ei nx i a h u a c o m p a n y k e yw o r d ：h i 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 ) ；s e t t o p b o x s o u r c ed e c o d e r ；t r a n s p o r ts t r e a m 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 第一章高清晰度电视的发展 1 1 国内外h d t v 的发展概况 随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们期望新一代的电视能提供更高 级的视听享受，给人以身临其境的感觉，这是发展h d t v 的源动力另一方面，超 大规模集成电路( v l s i ) 和数字视频压缩技术的发展也为h d t v 提供了技术基 础。 对于h d t v ( h i g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n 高清晰度电视) ，c c i r 有如下定义： h d t v 系统实际上是或近似是透明系统，当观看距离为屏幕高度的3 倍时， 正常视力的观众所看到的画面质量就像在实际景地看到的一样。 与现行的电视系统相比，新一代电视h d t v 系统的垂直和水平分辨率高了一 倍。信息量增加了5 倍，其宽高比扩展到1 6 ：9 ，并配有多声道的优质伴音和大 屏幕显示器，的确能够提供给观众高级的视听享受。 h d t v 的研究从七十年代初就开始，其中日本n h k 起步最早，于1 9 7 0 年开 始研究工作，并于1 9 8 3 年提出了m u s e 制的h d t v 。它是一种与现行的电视制 式不兼容的模拟h d t v 系统。在1 9 8 7 年以来，已经使用了各种传输手段对m u s e 制式进行了试验，结果表明m u s e 剖技术已经成熟。目前日本的m u s e 制广播 已经开通多年，由于m u s e 制仍为模拟电视，最终将为数字电视所淘汰。日本新 的全数字h d t v 系统采用i s d b t 标准。其设备和发射机于1 9 9 8 年6 月在新加 坡亚洲电视设备展览会上展出。从2 0 0 0 年开始，n h k 和其它五个电视网首播， 地区为东京、大阪和长野。 欧洲于1 9 8 6 年春设立了e u 9 5 项目，着手研究h d t v 。初期采取基于分量模 拟制的m a c 方式，并于】9 8 9 年演示了全套系统。随着数字技术的发展，欧洲决 定放弃模拟制的h d - - m a c 的开发，转向研究数字电视的研究，由于节目源的限 制，欧州目前重点发展标准高清晰度数字电视( s d t v ) 。欧洲现有一系列开发数 字电视的计划，并于1 9 9 2 年建立了国际委员会欧洲启动组( e l g ) ，该组织己指 定了d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 一c d v b s ，d v b t 等三个标准， 他们都以m p e g 一2 为底本，但采用了不同的信道编码方法，分别适用于有线电 视，卫星电视和地面广播等传输方式。其中英国走在欧洲的前列，1 9 9 7 年第四季 度安装第一台发射机，并生产第一台民用接收解码器；1 9 9 8 年第一季度生产接收 解码芯片；从1 9 9 8 年秋季开始播出数字电视节目。 与日本和欧洲相比，美国在h d t v 的研究方面起步较晚。1 9 9 3 年成立了先进 电视系统委员会( a t s c ) 而1 9 8 7 年以来直支持日本的模拟h d t v 系统制式。 1 9 8 7 年9 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 组建了先进电视制式顾问委员会 ( a c a t s ) ，开始建立美国的先进电视( a t v ) 标准的进程。1 9 9 5 年4 月1 2 日， a t s c 通过了“a t s c 数字电视标准”。1 9 9 6 年1 2 月2 4 日f c c 通过a t s c 标准 作为国家标准。美国h d t v 样机系统的研制也同步进行。1 9 9 3 年前，第一轮h d t v 提议和测试，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。1 9 9 3 年，f c c 成立了“大联盟”( g r a n da l l i a n c e ) ，期望集众家之长，以形成统 一的美国h d t v 国家标准。1 9 9 4 年构建了原型系统，1 9 9 5 年进行了系统集成， 调试和测试等。1 9 9 7 年以后，美国丌通了a 1 、，广播。1 9 9 7 年8 月，g a 的h d t v 系统在北京开路演示成功。为了推动h d t v 的发展，f c c 已于1 9 9 7 年4 月3 目 正式决定，向全美1 6 0 0 多家电视台每家提供一个频道，用于播出数字电视节目。 到2 0 0 6 年，全美所有电视台将停播模拟信号( n t s c ) 电视节目，预计到2 0 0 6 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 年底，美国各类数字h d t v 接收机( 含机顶盒) 销售将超过3 0 0 0 万台。 随着时间的推移，对h d t v 二十多年的研究已取得了惊人的成就。目前，世 界范围内广泛进行的是h d t v 的“全数字化”研究。所谓“全数字化”是指全系 统充分利用数字图形压缩编码，数字伴音压缩编码，数字多路复用以及频道中的 数字调制。数字h d t v 具有以下优点： 可利用现在的数字图像处理技术来压缩其频带宽度 传输过程中产生的失真和噪声不积累，抗干扰能力强 易于实现加密和各种信息的复用传输 发射功率比模拟低的多，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 适于进入蓬勃发展的数字通信网，可以和计算机连接，易于进行通信处理 易于采用数字方式对多径反射回波( 重影) 进行抑制 易于大规模集成，提高性价比，便于生产和维修 因此，数字h d t v 代替模拟电视是必然的发展趋势。我国作为一个拥有十多 亿人口的大国，具有巨大的潜在市场。美国，日本和欧洲争相研制自主产权的h d t v 系统，是为了保护本国市场并打向国外市场。目前，美国等发达国家对中国的h d t v 市场虎视眈眈。在这种情况下，中国人研制自己的h d t v 系统并使之产业化，不 仅具有重要的经济效益，而且具有重要的社会效益。 在国家科委1 9 9 4 年制定的h d t v 研究开发“两步走”发展策略指导下，我 国通过招标下达给九个牵头单位开发h d t v 功能样机任务。经过两年的共同努 力，于1 9 9 8 年6 月实现了功能样机的连通并于1 9 9 8 年9 月通过中央电视塔进 行了系统汇报演示，继美国日本，欧洲之后研制成功世界上第四台h d t v 样机 系统。目前我国的h d t v 发展已进入产业化阶段并已经在上海试验区有线进行试 播。该系统组成如下 1f 4 訾t 一* i 妒一一 接收机 机项盒： i 书- - 劂 一 1 1 几! 辈 聃 i 显示陴 ll ! 辈 图1 1h d t v 系统框图 目前我国的广播科学院、h d t v 总体组、康佳、深圳赛格和t c l 已成为a t s c 成员并且t c l 、厦华、康佳均推出了h d t v 数字电视接收机，己推向市场参 加竞争。 1 2 研制码流发生器的必要性 由以上框图可以看出，完整的h d t v 接收系统由信号处理和显示器两部分组 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 成。将信号处理部分独立放置在一个机箱内即为机项盒。机顶盒一般由信道解调 与解码器( 俗称前端) 和信源解码器两部分组成。不同制式( 如美国的a t s c 、 欧洲的d v b 及即将制定的我国的数字电视标准) 的h d t v 机项盒只是前端不同， 而信源解码器则是相同的。因此信源解码器在机顶盒中占有核心地位。研制高性 能的信源解码器并使之产业化，对于发展我国h d t v 民族工业及参与国际竞争具 有重要意义。信源解码器的输入为符合m p e g 一1 i 国际标准( i s o i e c1 3 8 1 8 - 1 ) 的 传送流( t r a n s p o as t r e a m ，简称t s ) 。t s 来自前端输出或由t s 发生器直接输入。 为了检验h d t v 信源解码器的性能和进行整机调试需要给信源解码器输入连续 的t s 。直接播放计算机中的t s 文件需要设计接口电路，并且在信源解码器投入 大批量生产后，需要在工作现场有专门的码流源，为了节省生产费用，需要设计 一个t s 发生器，它可以将计算机硬盘内的t s 文件下装至发生器的存储体中，然 后可以在脱离计算机的情况下，无差错地将t s 输入给信源解码器，以验证高清 晰度电视信源解码器的性能和进行整机调试。 天津大学在h d t v 功能样机研制任务中，承担并完成了信源解码器的研制， 并于2 0 0 0 年7 月将技术转让给了厦华电子公司，现该公司正进行试产。在功能 样机研制阶段，作为配套的测试仪器，天津大学研制过第一代的基于s r a m 的码 流发生器。该发生器能够存储8 m b 码流，能够不断循环输出持续时间为3 秒， 码率2 4 m b p s 的串行e c l 电平码流，在功能样机研制阶段很好地完成了对信源解 码系统的检验工作并随h d t v 信源解码系统赴北京进行了总体测试，发挥了重 要作用。但是因为该码流发生器所使用的静态r a m 存储容量小( 共使用了6 4 块 w 2 4 1 0 2 4 a ) 整体体积较大，而且因为静态r a m 掉电后存储内容丢失，每次使 用前必须用计算机下装码流。所以该码流发生器不适应作大批量生产测试，在这 种需求下，进行了对第二代码流发生器的研制。 此外天津大学还研制了适用于演示h d t v 的数字节目播放器，它主要是把存 储在硬盘上的码流节目传输给信源解码器，用来播放时间较长的数字节目。在推 广高清晰度电视和显示器时，用来向观众演示h d t v 的优质画面和声音。 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 第二章m p e g i i 传送流语法简介 2 1 m p e g i i 简介 为了满足( 对活动图像及其相关音频编码方法) 日益增长的要求，m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，活动图像专家组) 制定了m p e g i i 标准，即“活 动图像及有关声音信息的通用编码”( g e n e t i c c o d i n g o f m o v i n g p i c t u r e s a s s o c i a t e d a u d i oi n f o r m a t i o n ) 标准。m p e g i i 标准开始制定于1 9 9 0 年，于1 9 9 4 年开始陆 续批准为国际标准： 1 3 8 1 8 1 系统一定义规范的系统编码。它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 视频一定义视频数据的编码表示和重建图像所要求的解码过程。 l3 818 - 3 音频一定义音频数据的编码表示。 1 3 8 1 8 - 4 一致性一定义确定编码码流的特性和使用1 3 8 1 8 - l ，1 3 8 1 8 2 ， 1 3 8 1 8 - 3 陈述的要求一致性测试的过程。 在过去的几年中，用于视音频压缩及传送码流复用的m p e g 1 1 促进了数字电 视的发展。由于其通用性，今天在记录媒体( 如数字视盘d v d 、卫星和有线电视 广播媒体) 应用领域广泛使用。其主要部分为： ( 1 ) 视频压缩：m p e g i i 视频压缩算法包括了四部分：运动估值( 去除时间方 向的冗余) ；d c t 变换( 对信息的内容排序) ：自适应量化( 去除感觉不到的 信息) ；游程长度编码( 去除剩余冗余信息) 。 ( 2 ) 音频压缩：m p e g 音频压缩是基于听觉掩盖原理的子带编码。 ( 3 ) 复用：m p e g i i 系统描述了传送流中多个音频、视频、数据码流的复用机 理s 系统还包含了音频和视频的同步机理。所产生的m p e g 1 1 传送流由1 8 8 个字节的传送包组成。 此外m p e g i i 标准还广泛地应用在以下领域： b b s广播卫星服务( 到家庭) c a t v通过光纤网络、铜线等进行有线电视分配 c d a d有线数字音频分配 d a b数字音频广播( 地面和卫星广播) d t t b数字电视地面电视广播 e c电子电影 e n g电子新闻采集( 包括卫星新闻采集s n c ) f s s固定卫星服务 h t t家庭电影 i p c个人间通信( 会议电视、电视电话等) i s m交互式存储媒体( 光盘等) m m m多媒体邮件 n c a新闻时事 n d b网络数据库服务( 经a t m 等) r v s远程视频监视 s s m连续存储媒体( 数字录象机v t r 等) 为了适应以上典型应用的各种要求，m p e g 一1 i 开发了所必须的算法元素，并 将其综合到单一语法中，因此适应不同应用问进行码流互换。不过考虑到规范中 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 全部语法( s y n t a x ) 的可行性，语法的有限子集作为“类”( p r o f i l e ) 和“等级”( 1 e v e l ) 对待。类为整个码流语法的子集。在类中又定义多个“等级”，等级是码流中有 限参数所组成的集。 2 2 图像数据的表示 在数字电视中，模拟电视信号经过抽样、量化和编码后，变成数字来表示图 像数据。像素是图像数据的基本单元，矩形像素阵列构成了l 帧或1 场图像。为 了便于处理，将像素组成像素块( b l o c k ) ，m p e g i i 定义像素块为8 * 8 ：一 个宏块( m i c r ob l o c k ) 包括4 个亮度块和两个色度块( c b ，c r ) ，宏块上的数 据块与数据流中的顺序相对应；同一行的连接宏块组成像条( s l i c e ) 。像条提 供了限制误码扩散的机制。一旦数据流发生了差错，解码器就可以跳到下一个像 条的开始处，重新开始解码，片分得越细，错误掩盖效果越好，但是这是以牺牲 了图像质量为代价的；视频序列的基本编码单元是独立的视频帧或图像，一幅图 像包一个亮度矩阵( y ) 和两个色度矩阵( c r 和c b ) 。l 幅视频图像由像条集组 成，这些像条构成了有效的图像区域。1 个视频序列由l 幅或多幅连续的图像集 组成。在数据流中，视频序列开始于序列头，结束于序列结束码。1 个视频序列 可以有扩展的序列头，任何视频序列头都可以作为起始点。起始点是视频码流中 的1 个点从该点开始，解码器可开始正确地分析码流语法。序列中1 幅或多幅 图像可以组成1 个图像组( g o p ：g r o u p o fp i c t u r e ) 。g o p 在m p e g - 2 和a t v 系统中都是可选的。 一般一个视频序列( s e q u e n c e ) 由帧内编码图像( i 帧) 、预测编码图像( p 帧) 和双向预测编码图像( b 帧) 组成。 帧内编码只利用单幅图像( 帧或场) 内的空间冗余，而没有利用时间相关性 ( 即时间预测，这种时间预测称为帧间编码) 。没有使用任何帧间编码的帧称为 i 帧。使用周期性的i 帧便于初始化接收机和捕获频道( 当接收机打开或变换频道 时) 。由于使用运动补偿预测，为了正确进行编解码必须使用i 帧，这样才能启 动预测环，以便在解码器失去同步时能迅速恢复解码。i 帧出现的频率可以变化， 这由编码器选择。由此可以实现随机访问视频和定位场景切换。 p 帧是前向预测帧( 由最近解码的i 帧或p 帧预测得到) 。利用帧间编码技术 可| 三i 来提高压缩效率和图像质量。p 帧也可以包括只有帧内编码的部分。p 帧中 的每一个宏块可以是前向预测或帧内编码。 b 帧是双向预测，它包括从未来帧的预测和从过去帧的预测。用于参考的未 来帧和过去帧，有时称为“参考帧”，参考帧可以是i 帧或p 帧。b 帧预测的基础 在于1 个视频帧与前后出现的帧相关。因此，通过前后双向预测编码可以节省比 特数和提高性能。但是，为了正确解码b 帧图像，帧传输顺序与帧显示的顺序不 能相同，同时编码器和解码器必须记录视频帧，从而增加了总的延迟。在图示的 例子中，每对i p 帧之间有一个b 帧，每l 帧都标注了显示顺序和传播顺序。因 为在对b 帧编码和解码必须首先找到预测它所用的帧，所以i 帧和p 帧未按序列 顺序传输，视频解码器将参考这两种参考帧解码后用于预测。在编码延迟不是重 要因素时，使用b 帧可以提高压缩效率和图像质量。对于隔行和逐行扫描，使用 b 帧均可提高编码效率。 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 bibpbpbpbi 帧类型 9 91 0 01 0 11 0 21 0 31 0 41 0 51 0 61 0 71 0 8源和显示顺序 1 0 09 91 0 2l 叭1 0 41 0 31 0 61 0 51 0 81 0 7编码和传输顺序 图2 1 岍b g i i 帧显示和传输顺序 2 3 + i v p e g i i 编码视频数据结构 编码视频数据由排列有序的视频码流集组成，称之为层。如果仅有一层则编 码视频数据称之为可分级视频码流。如果有两层或多层，则编码视频数据称之为 可分级层次。第一层称之为基层( b a s el a y e r ) ，它总是被单独解码。其它层称 之为增强层，仅能与低层一起解码，使用基层开始。通常，视频码流可以理解为 语法层次，其语法层次中，语法结构包括一个或多个附属的结构。例如 “p i c t u r ed a t a 0 ”包括一个或多个语法结构“s l i c e ( ) ”，而s l i c e 包括一个或 更多的结构“m a c r o b l o c k ( ) ”。 信源输入格式 7 2 0 。：廖踊 姗片团r a s 宏块目 。块回 s 馓丢口 视频序列层 s e o - h e a g o p d a t ag o p d a t a 图像组层 g o p h e ap i c - d a t ap i c - d a t a 、 图像层 p i c h e as l l d a t as l i d a t a 切片层、 s l i h e a口b d a t am b d a l r a 、 宏块层、 m b h 队b l k d a t ab l k d m 块层 d c t c o e f fd c t c o e f fd c t c o e f fe o d 图2 2 肝e g - i i 视频流结构 的视频比特流的结构如图所示。视频比特流分为6 层，即序列层 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 ( s e q u e n c e ) 、图像组层( g o p ) 、图像层( p i c t u r e ) 、切片层( s l i c e ) 、宏块层 ( m i c r ob l o c k ) 和块层( b l o c k ) 。除块层外，每层均设头部信息。 l 序列层 编码视频码流的最高语法结构是视频序列。视频序列使用序列头开始序列 头后可跟一组图像头，然后是一个或多个编码帧。编码码流中编码帧的顺序为解 码处理的顺序，但不一定是显示的正确顺序。 序列层头部( s e q u e n c eh e a d e r ) ：包含图象的水平和垂直尺寸、宽高比、帧 速率、码率、缓存器尺寸和帧内帧问量化系数等头部信息。 序列层扩展头部( s e q u e n c ee x t e n s i o n ) 包含层( p r o f i l e ) 和级( 1 e v e l ) 标识码、 图像序列结构、色度取样格式、图像水平和垂直尺寸扩展、码率扩展、缓存器尺 寸扩展和帧速度扩展等头部信息。 序列层显示扩展头部( s e q u e n c ed i s p l a ye x t e n s i o n ) 包含被编码图像彩色制式、 彩色描述、色度图坐标参数、光电转换特征参数、基色矩阵系数及显示窗水平和 垂直尺寸等头部信息。 2 图像组层 在视频序列中使用i 帧图像的目的是为了随机访问序列，此外i 图像也可以 用于场景切换或其它运动被补偿的情况。图像组头是一种可选的头，用在编码i 帧之前，指示在随机访问时解码器能否正确地重建第一幅b 图像( 跟着编码i 图 像) 。如果前面的参考帧无效，则不能正确地重建这些b 图像，除非它们仅使用 后向预测。在编码码流中，第一个编码帧( 图像头后的第一个) 应该为i 帧。 图像组层头部( g r o u po fp i c t u r eh e a d e r ) 包含时间码、图像组终止码和编辑 断点连接码等头部信息。 3 图像层 重建图像由解码一幅编码图像获得，编码图像包括图像头、接下来的可选扩 展项和图像数据。 图像层头部( p i e t u r eh e a d e r ) 包含时间参考码、图像编码类型、缓存器延时 和图像附加信息等头部信息。 图像层编码扩展( p i c t u r ec o d i n ge x t e n s i o n ) 包含前向水平和垂直搜索范 围、后向水平和垂直搜索范围、帧内编码d c t 直流系数的量化精度、图像结构 识别、首场识别、帧场d c t 预测识别、帧内宏块运动矢量编码识别、量化因子 参数选择、d c t 系数变字长码表的选择、d c t 系数扫描方式的选择、首场复用 识别、4 ：2 ：0 色度取样类型、图像扫描方式识别、输入模拟全视频信号参数识 别、色差v 分量符号、场顺序码、彩色副载波检测、色同步信号幅度和彩色副 载波相位等头部信息。 j l l p e g i i 码流语法中图像头的具体介绍： p i c t u r es t a r tc o d e ：p i c t u r es t a r tc o d e 是一个3 2 比特串，具有值 o x 0 0 0 0 0 1 0 0 t e m p o r a 2r e f e r e n c e ：t e m p o r a lr e f e r e n c e 是一个1 0 比特无符号数与每 幅编码图像有关。 p i c t u r e c o d i n g t y p e ：p i c t u r e c o d i n g t y p e 标志图像是帧内编码图像( i ) 、 预测编码图像( p ) 、还是双向预测编码图像。p i c t u r e _ c o d i n g _ t y p e 的意义如表2 1 因此可以通过p i c t u r e s t a r t c o d e 寻找到一幅画面的开头，然后通过 p ic t u r ec o d i n kt y p e 来判断每一帧的编码类型。 基_ 丁f l a s h 韵码流发生器的设计与实现 p i c t u r e c o d i n g t y p e编码方法 0 0 0禁止 o o l 帧内编码 0 l o 预测编码 0 1 1 双向预测编码 j o o 不应使用 ( d c 帧内编码( d ) ，见i s o i e c l l l 7 2 2 ) 1 0 i保留 l l o保留 1 1 1 保留 表2 1m p e g - i i 图像头部信息：图像编码类型 4 切片层 片由一系列的宏块组成，每片至少包括一个宏块，片不能重叠。片的第一个 宏块和最后一个宏块具有相同的水平行。片出现在码流中的顺序为：从图像的最 上角开始，从左到右，从上到下，直到图像的右下角。 5 宏块层 宏块层头部( m i c r ob l o c kh e a d e r ) 包括宏块地址增量、宏块类型、空间一时间 加权、帧场运动矢量预测类型、d c t 帧t 场白适应识别、量化因子、前向和后向 运动矢量编码、编码块模式以及编码模式扩展等头部信息。 6 块层 块层没有头部开始码，包含被编码的亮度、色度信号的d c t 系数，和块结束 码( e o b ) 。 2 4 t s 分组结构 从h d t v 系统框图中可以看出，视频、音频、数据信号经过信源编码后，成 为e s ( 基本码流) 。e s 在进行传送层分组之前要先要进行p e s 分组。携带不同 类型基本码流的p e s 分组可根据m p e g i i 系统标准复接成节目流或者传送流t s ( t r a n s p o as m a m ) 。m p e g i i 传送流是i s o i e c1 3 8 1 8 1 定义的一种码流格式。 它采用固定长度分组方式，每个传送包长度固定为1 8 8 个字节。每个传送包的前 四个字节为包头，其余字节为净荷，即基本码流的内容。包头的第一个字节为同 步字节，其值为0 x 4 7 ，它具有很好的自相关性，使解码时的同步检测非常方便。 分组长度选择1 8 8 字节是基于以下几个因素。首先分组必须足够大，这样分 组头的开销就不会占传输数据的大部分。但是分组又不能太大，否则在标准操作 条件下分组出错的概率将变得很大( 因为纠错的效率不高) 。另外，需要使分组 的大小与典型基于块的纠错块大小相一致，这样分组就能和纠错块同步起来，而 且系统的物理层就可以在解码器的分组同步过程中起辅助作用。选择这样的分组 大小的另一个原因是与a t m 格式之间的互操作性。因为a t m 将成为将来宽带通 信网的基础，所以码流与a t m 网络具有互操作性非常重要。一般原则是用4 个 a t m 信元传输一个m p e g i i 传送分组。 卜4 个字节包l j 8 8 字节 r 卜 头叫 基于f l a s h 的码流发生器的蹬计与实现 第三章f l a s h 存储器简介 3 1f l a s h 特性 由基本框图可看出，存储体在码流发生器中相当重要。为了存放t s ，它必 须有足够大的存储量；为了测试方便，整机体积不能太大，所以要求存储密度高： 要求断电后可以保存数据，脱离计算机可阻读出码流；并且可以按照测试要求， 改写装入存储体的码流：此外，它的存取速度也非常重要，因为读出的码流是有 一定速度要求的。以下是几种常用的存储体的特性比较： 存储体种类 特性 f l a s h 低价位，高密度，低功耗，高可靠性，可在线擦 除、改写，写保护后可以当r o m 使用，速度较 高 r o m 只读存储器技术成熟，高密度，可靠，低价位，不能改写， 适用于大批量生产产品中存储固定数据 s r a m 静态存储器( s t a t i c 最高速，高功耗，低密度，只要不关电源写入的 r a n d o ma c c e s sm e m o r y )数据就将一直保持。 e p r o m ( e l e c t d c a l 高密度，紫外线擦除 p r o 擎a m m a b l er e a do n l y m e m o r y ) e 2p r o m( e k c 埘c a l l y电摞陈，较低可靠性，颚向价位，最低酱崖 e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o m y m e m o r y ) d r a m ( d y n a m i c r a n d o m 商暂崖，低价位向理，局功平毛，甜足町厢q 赫古 a c c e s sm e m o r y ) 则数据丢失 表3 1 各种存储器性能比较 i 基ff l a s h 的码流发生器的设计与实现 由以上特性比较可以看出，f l a s h 集合e p r o m 、d r a m 、r o m 三者各自的 优点：可以改写、高密度、以及存储内容不易丢失。而且考虑到本码流发生器需 要存储容量较大，如使用s r a m ，需用许多片，不仅产品体积较大，而且存储内 容断电后丢失，每次使用都离不开计算机。如使用e p r o m ，写入后再改写需用 紫外线擦除，很不方便。f l a s h 的特点是可以在线电擦除改写而且断电后存储内 容不丢失，存储量大，适用于需要改写，但又无需经常改写的场合，非常符合本 码流发生器的需要。 此外，f l a s h 还有以下特性： 整个存储体分成若干块，各个块可以分别擦除、写入。 对写入的数据提供两个层次上的保护：a 通过改变硬件设置可以对整 图3 2 异步字方式读出的时序 其它两种读方式速度较高但需要c p u 或a s i c 对其使能。 异步页方式提 供较高的数据读取速度。数据在内部读出并存储到一个高速的页缓存中，然后 1 0 基rf l a s h 的码流发生器的设计与实现 数据可以以高达2 0 n s 的速度从页缓存中读出。 圈3 3 异步页方式读出的时序 最高速的读出方式为同步b u m t 方式，这种方式支持高达6 6 m h z 的操作， 而且无等待状态。系统通过三个附加管脚对它实现控制：c l k # ( 时钟输入) 、 v v a i t # ( c p u 等待输出) 和a d v # ( 地址有效输入) 。在同步b u m t 方式中，f l a s h 锁存初始地址， 然后按照输入时钟和读出配置读出一系列数据。有一个可编程 读出方式设置寄存器( p c r ，p r o g r a m m a b l er e a dc o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r ) 可以提供 无缝硬件连接。 3 4 异步b u m t 读出方式时序 普通f l a s h 的写入速度较侵，但有一些种类的f l a s h 提供了3 2 字节 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 的写b u f f e r 。通过先将3 2 字节数据写入写b u f f e r 然后再从写b u 舱r 中 快速读出数据，可以使数据写入速度最高达2 u s 每字节。此外有的f l a s h 提供一些特殊的功能使系统处理器能够从一个分区读出数据的同时完成 对其它分区的写或擦除操作，从而提高工作效率。西分时i 日? $ 事中写“h 通用f l a s h 界面( c f i ) 就象一本片内数据手册，存储着有关器件的恒定 参数，如块大小、密度、是8 位还是1 6 位的以及电气特性等；状态 寄存器用来查询写、擦除等操作进行的状态，有的还能告诉用户某一 块是否被锁住了。编写软件时使用状态寄存器检查写和擦睦是否完成， 能使系统在最小的时间内完成操作，因为如按最大时间等待操作完成， 则有可能浪费许多时间。 3 2e 2 8 6 4 0 j 3 a f l a s h 的特性 鉴手以上特点，本码流发生器选用了i n t e l 公司的型号为e 2 8 f 6 4 0 j 3 a 1 2 0 的 f l a s h ， 它属于异步页方式读出的s t r a t a f l a s h ，2 b i t s c e l l 的技术使它非常适台 纯粹的数据存储 而且墨垄直塾笪查熊墨重出盟丕重要盟鲑， 因此外部电路设 计较简单。下面是e 2 8 f 6 4 0 j 3 a 1 2 0 f i a s h 的应用特点和管脚介绍： 夺高密度的对称块结构，分为6 4 个1 2 8 k 字节的擦除块，总存储量为8 m 字节 夺异步页读出方式，数据读取速度2 5 n s 一1 2 0 n s 既可以工作在1 6 b i t ( 字w o r d ) 方式，也可工作在x 8 b i t ( 字节b y t e ) 方式 夺工作电压2 7 。3 6 v 夺封装：5 6 脚t s o p 夺3 2 字节的写b u f f e r 使有效写入时间减小至每字节6 u s 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 k 15 6 a 2 4 c e ，2 5 5 w 群 a 2 ，l3 5 4 o e # a 2 0 45 3。s t s a 19 55 2 d q l 5 a 1 5 6 5 1 d 。7 a 1 7 75 0 d o “ a 1 6 8 4 9 d q e k 9 4 8 g n d a | 。1 0 4 7 d q l 3 a 1 1 4 6 d 0 5 a 13 1 2 in t e ls t r a t a f l a s h m e m o r y 4 5 o q l 2 a 1 2 1 3 5 6 l e a d t s o p “ d q 4 c e d ： s t a n d a r dp i n o u t 4 4 2 3 v c 。 。 g n d r p # r 1 6 1 4 m mx 2 0 m m 4 1 d q ，1 a ” 17 t o p v i e w 4 0 = d 。 a 1 0 1 8 3 9 d 0 1 0 a g 1 3 8 o q 2 a 凡 2 0 3 7 v c c g n d 厂一 2 13 6= d q 9 2 23 5 d q l 2 3 3 4 二 d q e a s “ 3 3 d o o a 2 53 2 o 凡 2 63 1 b y t e # a 2 2 7 3 0 k a 1 2 82 9二= c e 2 图3 5e 2 8 6 4 0 j 3 af l a s h 管脚捧列图 标号种类功能 a 0输入在8 方式作为最低地址线，用来选择字节的高8 位 和低8 位：在1 6 方式时，不使用此管脚( 当b y t e # 为高电平时，a 0 的输入缓冲器关闭) a 1 一a 2 2 输入地址输入：在读出或写入操作中的地址输入 d q o d q 7 双向低字节数据总线，当芯片的没有被选中或输入禁止 时，d q 。- - d q ，是悬空的：在写状态机忙时，d q 。一 d q 。也是悬空的，可以通过查询第7 位- d q ，检查写 状态机的状态 d q b 双向侣位方式时高字节数据总线，当芯片没有被选中、 d q l 5输出禁止、或写状态寄机忙时d q 。一d q ，。悬空 c e o输入芯片使能：激活芯片的控制逻辑、输入缓冲、解码和 c e ，读出放大器。当芯片没有被选中时，功率降至闲置水 c e 2 平。最简单的设置方法是使c e ，、c e ：接地，只使用 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 c e 。作为片选 r p #输入 复位：使内部复位，低功率状态。r p # 为高电平时芯 片能够正常工作；所谓复位就是使r p # 呈现瞬时的 低电平状态：从复位状态中出来后，f l a s h 自动进 入读出状态：当r p # 为低电平时，写操作被禁止， 从而可以在电源变换时提供数据保护 o e # 输入读出使能：低电平有效 w e #输入写入使能：在写入命令、写b u f f e r 、和序列时，为低 电平。在写脉冲的上升沿，地址和数据被锁存 s t s 漏极状态：表明内部状态机的状态。当它被设置为水平方 开路式( 缺省方式) 时，它的功能类似r y b y # ；当被 输出设置成脉动方式，它能够脉动显示写入或擦除操作的 结束。s t s 通常通过个上拉电阻连接到v c c o 上 b y t e #输入字节方式使能：当b y t e # 为低电平时，f l a s h 被 设置于8 b i t 方式，所有的数据通过d q o d q 7 输 入输出，而d q 。一d q 、。悬空，地址线a 0 用来选择高 字节和低字节。当b y t e # 为高电平时，f l a s h 被 设置于x1 6 b i t 方式，a 0 的输入缓冲关闭，地址a ，成 为最低位地址 w输入写保护：当v f 。cu 龇。时，存储器的内容不能被改 写( v p e n l k 最大为2 v ) v c c电源 设备电源：当v c c v l k o ( v l k o 最小2 v ) 时写入f l a s h 禁止 v c c o输出输出缓冲电源：此电压控制存储器的输出电压。为了 缓冲获得与系统数据总线电压兼容的输出数据电压，将 电源 v 。连接至系统电压源 g n d 电源地：不能悬空 n c 没有使用 表3 2f l a s he 2 8 f 6 4 0 j 3 m 2 0 的管脚列表 3 3f l a s h 操作指南 f l a s h 的基本操作： ( 1 ) 缺省状态 上电或复位后，f l a s h 自动进入缺省状态：读序列状态。利用这一点我们在 断开计算机连接后上电，f l a s h 自动进入读出状态，不用再向它发送任何命令。 ( 2 ) 数据保护 当vc c 低于电压v “o ( v “o 晟小为2 v ) 或者当r p # 为v i l ( v 】l 为- 0 5 v 到 0 8 v ) 时所有操作都被禁止。可以通过开关控制v ，b n ，从而禁止所有改变存 储丙容的操作。当vp e n vp e n l k 时，也可以避 免误操作改变存储内容。此外，f l a s h 还设有块锁位，通过设置每1 2 8 k b 块 的块锁位将其锁住，可以避免在写入操作时，由于写入数据巧合( 出现擦除 基于f l a s h 的码流发生器的设计与实现 命令字和确认字) 而造成的数据丢失。在需要写入数据时，只需将块锁位清 除。 ( 3 ) 读出操作 前面提到