（控制理论与控制工程专业论文）基于edocsis的数字电视终端接入系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术、计算机技术和电视技术的发展，数字电视显示出强大优越性。 数字电视机顶盒作为模拟电视向数字电视过渡的桥梁，已经得到越来越广泛的应 用。用户现在己经能够通过机顶盒接收高质量的数字节目，但是对信息双向交互 的需求使得用户对接入终端的集成性提出了更高的要求。为了满足这种要求，使 得我们的电视机集电视、电脑功能为一体，使它的用途由单一性向多元化发展， 本文设计实现了一种基于e d o c s i s 的数字电视终端接入系统。 本文以数字电视接入终端的发展为背景，首先介绍了数字电视技术的基本理 论知识及相关的m p e g 2 标准和d o c s i s 标准，然后在分析系统的功能需求的基 础上，以c o n e t ( 科胜讯) 公司的c x 2 4 4 3 0 解码芯片为核心芯片，搭建了 接入终端的硬件平台。用于接收数字电视，同时也能通过c a b l em o d e m 模块接入 i n t e r n e t 网络。 在对硬件模块进行完设计之后，本文分析了相关软件系统的各种需求，选择 以性能好、可靠性高著称的v x w o r k s 作为本系统的嵌入式操作系统。重点研究了 数字电视s t b ( 机顶盒) 子系统的音视频解码部分和c a b l em o d e m ( 电缆调制解 调器) 子系统的驱动和网络配置部分的软件实现方法。 本课题的研究工作实现了一个集c a b l em o d e 【i l 、s t b 与一身的综合的接入终 端，满足了设计的要求。通过测试，接入终端工作稳定，性能良好，可以用作家 庭的信息接收，具有一定的先进性和广阔的应用前景。 关键词：终端接入系统；c x 2 4 4 3 0 ；m p e g _ 2 解码：c a b l em o d e m ；d o c s i s ； 童三些奎兰三兰堡圭兰丝竺圣 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n 0 1 0 9 i e so fc o 姗u n i c a t i o n ， c o 皿p u t e r a n dt e l e v i s i o n ， d i g i t a l t vs h o w s m i g h t ya d v a n t a g e 。d i g i t a l t v s e t t o p b o x ( s t b ) h a sa p p l i e dw i d e ra n dw i d e ra sab r i d g et r a n s i t i n ga n a l o g t vt od i g i t a lo n e 。n o wc u s t o m e r sc a nr e c e i v eh i g hq u a l i t y d i g i t a lp r o g r a m s ， b u tt h ed e m a n df o ri n f o r m a t i o ne x c h a n g eb r i n g sf o r w a r dm o r er e q u i r e m e n t f o r t h ei n t e g r a t i o no fa c c e s st e r i n a l 。t h et h e s ish a sd e s i g n e da n d r e a li z e dad i g i t a lt vt e r m i n a la c c e s ss y s t e mb a s e do ne d o c s i sp r o t o c o l w h i c hi n t e g r a t e sb o t ht va n dp cf u n c t i o n s 。 0 nt h eb a c k g r o u n do fd i g i t a lt va c c e s st e r m i n a l ，t h et h e s i sf i r s t l y i n t r o d u c e st h ee s s e n t i a lt h e o r i e so fd i g i t a lt vt e c h n i q u ea n d i n t e r r e l a t e dm p e g 一2s t a n d a r da n dd o c s i ss t a n d a r d 。s e c o n d l v ，b a s e do nt h e s y s t e mf u n c t i o nr e q u i r e m e n t ，w eb u i l da na c c e s st e r m i n a lh a r d w a r ep l a t f o r m w i t ht h ec o n e x a n tm p e g 一2d e c o d ec h i pc x 2 4 4 3 0s e r v i n ga st h ec o r ec h i p ， w h i c hc a nr e c e i v ed i g i t a lt va n dc o n n e c ti n t e r n e tb yc a b l em o d e m o d u l e a tt h es a m et i m e 。 a f t e rh a r d w a r ed e s i g n ， t h i st h e s i s a n a l y z e st h er e q u i r e m e n to f s o f t w a r ea n dv x w o r k si sc h o s e na st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c h i sf a r n o u sf o ri t sg o o dp e r f o r m a n c ea n dh i g hr e l i a b i l i t y 。i nt h i st h e s i s ， w ee m p h a s i so nt h es o f t w a r er e a l i z a t i o no ft h ea u d i ov i d e od e c o d i n gp a r t o fd i g i t a lt vs t bs u b s y s t e ma n dt h ed r i v e ，n e tc o n f i g u r a t i o np a r to fc a b l e m o d e ms o b s y s t e m 。 t h er e a l i z a t i o no fa na c c e s st e r m i n a li sc o m p l e t e di nt h i st h e s i s ， w h i c hi n t e g r a t e st h ec a b l em o d e ma n ds t bf u n c t i o n sa n dm e e tt h ed e a n d o fd e s i g n 。a f t e rt e s t i n g ，t h et e r m i n a lw o r k ss t a b l ya n dp e r f o r m sw e l l 。 i tc a na c ta sad o m e s t i ci n f o r m a t i o nr e c e i v e ra n dw i l lh a v eab r i g h tf u t u r e f o ra p p l i c a t i o n s 。 i i k e yw o r d s ：t e r m i n a la c c e s ss y s t e m ；c x 2 4 4 3 0 ；m p e g 一2d e c o d i n g ：c a b l e m o d e m ：d o c s 工s i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义和发展现状 随着信息化社会的不断发展，人们不再仅仅满足于打电话和看电视，而是要 求更多更新的双向交互式业务，如电子邮件、影视点播、会议电视等。为满足社 会对信息的这种需求，各大运营商都致力于多业务融合的发展。上海广电集团早 在1 9 9 8 年，就建立了多媒体网络及网络产品实验室n ，：杭州网通、广州电信互联 星空、北京大学等很多单位已经通过i p t v 技术实现了宽带上传输电视节目r 引， 他们的方案是在用户接入端基于单一的网络( 如以太网) 实现多业务集成；中科 院软件研究所也研制了三网合一的家庭网关，其特点是基于交换式以太网通过小 区局域网提供数字电视、i p 电话以及家庭局域网的i n t e m e t 接入服务。同时，各 大国外公司相关的产品和方案也十分丰富多彩：如n o h a 推出的i p d s l 的三网 合一方案是基于d s l 的i p 、a t m 以及以太网业务集成，有线电视网的接入问题 仍然未解决；a 1 1 i e dt e l e s y n 公司推出的r g 6 1 3 家庭三网合一网关产品m ，但其实 现的是简单的业务融合，其实质是将计算机网络( 以太网) 的信息接入，进而将 以太网内融合的信息如i p 语音，视频和高速数据等输出到各个信息终端。这些 方案都未采用现有的有线电视网络同时进行上下行的传输，没有充分利用有线电 视网络的宽带资源。 有线电视c a t v 网络是一个城市非常宝贵的资源，具有巨大的网络带宽和用 户数量，全国有线电视网络用户己近1 亿户，但目前我国有线电视网络的利用率 普遍偏低，大部分的有线电视网络资源只是用于传输传统的模拟电视节目。通过 双向化和数字化的改革，有线电视网络系统除了能够提供更丰富和图像更清晰、 声音更逼真、屏幕更大、频道更多的电视节目外，还能有足够的频带资源来提供 其它各种数据业务“1 ，使得我们的电视机将集电视、电脑、电信的功能为一体， 使它的用途由单一性向多元化发展。当前广电网络运营商正在加快数字电视、 i n t e r n e t 、语音图像传输、电子商务等多种业务开展，将传统的c a t v 网从纯粹 的广播电视传送网向多业务网转变。未来几年内，数字电视和宽带服务是有线电 广东t 业大学工学硕士学位论文 视网络业务的主要增长点。 2 0 0 3 年6 月，广电总局发布了我国有线电视向数字化过渡时间表，到2 叭5 年，有线电视将基本完成向数字化过渡，整个有线电视网将停止传送模拟信号。 在未来1 2 年内，中国有线电视( c a t v ) 产业将浮现过万亿元的商机，这其中大 部分将体现在c a t v 接入系统上，而综合的c a t v 全业务接入系统又是发展的必然 趋势。目前的c a t v 网络的甩户接入方式主要有h f c 、f t t b f t t c 、l a n 和w l a n 等， 业务接入系统有数字视频系统、宽带数据接入系统、语音系统等。这些业务接入 系统基本上都是独立的，随着业务的增加，运营商的业务运营平台和用户家庭的 终端的数量也会增加，接入网的复杂性和接入成本随之增大。为了解决这些问题， 国际上各大公司纷纷大规模研制新一代的宽带网络系统，从而出现了“全业务网” 的概念。将宽带网上视频、高速i n t e r n e t 接入、语音、电子商务等业务定义为 “全业务集”，而支持这一业务集的通信网络和业务网络统称为“全业务网( f u l l s e r v i c en e t w o r k ) ”。 从目前的通信技术的发展来看，制约“全业务网”的主要因素是用户的接入， 即接入网”1 。当前的有线电视多业务网络的用户接入方式主要有c a b l em o d e m 、 数字机顶盒、i p 电话终端等，这些业务接入系统基本上都是分散独立的，随着 业务的增加，运营商的业务平台和用户家庭的终端的数量也会增加，接入网的复 杂性和接入成本随之增大。因此，全业务网络的接入系统也将会向多功能集中化 发展，通过一个标准化接口的家庭媒体接入系统，把有线电视业务集成在一起提 供给用户。这既能解决目前c a t v 网多业务接入系统集成的问题，又能提供以后 新业务快速部署的能力，并大大减低了用户端接入的成本，必将拥有巨大的市场 前景。 因此，针对“全业务网”这一国际上信息技术领域的新动向以及目前信息技 术的发展趋势，同时适应不断增长的各种业务需求，充分利用现有的网络资源， 本文提出构建基于嵌入式d o c s i s ( e d o c s i s ) 的数字电视终端接入系统，以c a t v 网络为依托，将广播电视技术、数字电视和i p 技术各自在业务质量保证、传送 效率和成本方面的优势有效融合，把原有分散独立的业务接入系统通过标准化的 接口统一起来，实现全业务集成化的接入系统。使它不仅能支持广播、窄带、宽 带以及交互式宽带业务，而且还能支持目前尚未定义的新业务。该接入系统对业 务和设备进行统一的控制和管理，简化维护，便于扩展，同时降低网络综合成本。 2 第一章绪论 1 2 本文的主要研究内容 本文主要研究基于e d 0 c s i s 标准的数字电视接入系统的关键技术，研制具备 e d o c s i s 嵌入式c m 模块的全业务用户接入终端。本论文内容主要包括以下几个 方面： 第一章 绪论部分，介绍课题发展现状和研究意义，以及课题的研究内容。 第二章介绍课题研究中所要涉及到到的数字电视技术的原理、关键技术 和标准协议等。 第三章系统的硬件设计部分，根据硬件设计需求，确定硬件平台的设计 方法，重点介绍了主芯片c x 2 4 4 3 0 内部主要模块的结构和工作原理。 第四章 系统的软件设计需求及软件的总体结构，简要介绍了使用到的嵌 入式操作系统v x w o r k s 以及t o r n a d o 开发环境。 第五章介绍了系统软件的总体流程，重点说明了音视频解码、c a b e lm o d e m 驱动等关键模块的软件实现过程。 结论部分对论文的研究工作进行总结，讨论有待进一步研究的问题。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章数字电视终端接入系统的原理及关键技术 当前的有线电视多业务网络的用户接入终端主要有c a b l em o d e m ( 电缆调制 解调器) 、s t b ( 机顶盒) 等，这些用户终端设备基本上都是独立的，- = 个家庭若 要用到上述全部业务，就需要好几个盒子。因此，本课题研究的能够将c a b l e m o d e m 、s t b 集与一身的综合的接入终端必将拥有巨大的市场前景。但是，复合 型的产品相应的也用到更多的技术，下面，我们就来简单介绍一下数字电视终端 接入系统的原理及关键技术。 2 1 数字电视终端接入系统的原理 2 1 1 数字电视终端接入系统的组成 图2 1 数字电视终端硬件逻辑结构框图 图2 1 所描述的是一种功能齐全的数字电视接入终端，它有用于上行的c a b l e 第二章数字电视终端接入系统的原理及关键技术 m o d e m 模块。该系统由以下五个部分组成： 1 ) 数字电视广播接收前端。包括调谐器和q 埘解调器，该部分可以从射频 信号中解调出m p e g 传输流。 2 ) m p e g 解码。包括解复用、解扰引擎和m p e g 解压缩，其输出为m p e g 视音 频基本流以及数据净荷。 3 ) 音视频和图形处理。完成音视频的模拟编码以及图形处理功能。 4 ) 电缆调制解调器。由一个双向调谐器、下行q a m 解调器、上行q p s k q a m 调制器和媒体访问控制( m a c ) 模块组成，该部分实现电缆调制解调的所有功能。 5 ) c p u 、存储器以及各种接口电路。c p u 与存储器模块用来存储和运行软件 系统，并对各个模块进行控制。接口电路则提供了丰富的外部接口，包括通用串 行接口u s b 、高速串行接口1 3 9 4 、以太网接口、r s 2 3 2 和视音频接口等m 。 数字电视终端从功能上看是计算机和电视机相结合的产物，从信号处理和应 用操作上看，它包含了以下几个层次： 1 ) 物理层和链路层：包括高频调谐器、q p s k q a m c o f d m v s b 解调、卷积码 解码、去交织、r s ( 里德一索罗门) 码解码、解能量扩散。 2 ) 传送层：包括解复用，它把m p e g 一2 传送流分成视频、音频和数据包。 3 ) 节目层：包括m p e g 一2 视频解码、m p e g 一2a a c ( 或a c 一3 ) 音频解码。 4 ) 应用层：包括业务信息( s i ) 、电子节目指南( e p g ) 、图形用户界面( g u i ) 、 浏览器、遥控、c a 等。 5 ) 输出接口：包括模拟音频视频接口、数字音频视频接口、数据接口、 键盘、鼠标等。 实际上，一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为 4 层，如图2 2 所示，从底向上分别为：硬件平台、底层软件、中间件( m i d d l e w a r e ) 、 应用软件。其中，底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件 包括本机存储的应用程序和下载的应用程序，这些应用程序实现了机顶盒的各种 功能；中间件将应用程序与依赖于硬件平台的底层软件分隔开来，使应用程序不 依赖于具体的硬件平台m ，。 广东工业大学工学硕士学位论文 应用软件 二二三事亘匠 二二j 臣至 中间件厂i 磊中间件f 中间件 底层软件 二三三堕困厂_ 二j 至至l 硬件 二二二蔓至二二 图2 2 数字电视终端的组成 f jg2 2t h pr n m n n s n g0 fd ig t a lt vt p r m i n a l 2 1 2 数字电视终端接入系统的工作原理 在发送端，音频、视频及数字信号首先经过m p e g 一2 编码器进行数据压缩， 通过节目复用器形成基本码流( e s ) ，基本码流经过打包后形成有包头的基本码 流( p e s ) 。代表不同音频、视频信号的p e s 流被送入传输复用器进行系统复用， 形成传输流( t s ) ，传输流中包括多个节目源的不同信号，为了区分这些信号， 在系统复用器上需要加入业务信息( s i ) ，使接收端可以识别不同的节目。 在接收端，高频头( 调谐器) 接收来自有线网的射频信号，经过前置放大、 混频后转换成两路中频信号i 和q 信号，送入q a m 解调器进行解调。q a m 调制有 1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 、1 2 8 q a m 、2 5 6 q a m 几种调制方式，解调也对应这几种方式 进行。输入信号经过解调和f e c 处理后，输出包含音、视频和其他数据信息的传 送流( t s ) 。传送流中一般包含多个音、视频流及一些节目信息。t s 流解复用器 则用来区分不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流，送入m p e g2 解码器 和相应的解析软件，完成数字信息的还原。对于付费电视，c a 模块对音、视频 流实施解扰，并采用含有识别用户和进行记帐功能的智能卡，保证合法用户正常 收看。 视频p e s 送入m p e g 一2 视频解码模块进行解码，然后输出到p a l n t s c 编码器， 编码成模拟电视信号，再经视频输出电路输出。音频p e s 送入音频解码模块进行 解码，输出p c m 音频数据到d a 转换器，转换成立体声模拟音频信号，经音频输 出电路输出m 。这样，在常规彩色电视机上就可以显示高质量图像，并能够提供 第二章数字电视终端接入系统的原理及关键技术 多声道立体声节目。 数字电视终端在接收电视的同时，还可接收m p e g 一2 传送流中所携带的数据， 若在终端系统中有c m 模块，则可将数据或音视频数据转发给其他设备使用。因 此，机顶盒通常还提供了丰富的外部接口，例如r s 2 3 2 接口、以太网接口、高速 串行接口i e e e l 3 9 4 、通用串行接口u s b 以及i d e 接口等。通过u s b 口可以实现 和数码相机的连接，通过i d e 接口可以挂接硬盘实现节目存储。 2 数字电视终端的关键技术 2 2 1 数字视频压缩m p e g 一2 标准 m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 标准是运动图像专家组制定的一系 列利用数字压缩手段使运动图像压缩的国际标准。m p e g l 与m p e g 一2 是其最早推出 的两个音频视频压缩标准。利用m p e g 标准进行数字压缩时，首先将模拟视频转 换为数字视频后按时序打包，然后每个图像组( g o p ：g r o u po fp i c t u r e s ) 选定 一个基准图像，用运动估计减少图像间的时间冗余，最后将基准图像和运动估计 误差进行离散余弦变换( d c t ：d i s c r e t ec o s i nt r a n s f o r 【1 ) 、系数量化和熵编码 ( v l c r l c ：v a r i a b l el e n g t hc o d i n ga n dr u nl e n g t hc o d i n g ) ，以便消除空间 冗余。 m p e g 一1 着重于高压缩率，具有低带宽和低分解力，它的视频速率大致为1 5 m b s 。而m p e g 一2 比特率比m p e g 一1 高得多，因而具有较高的带宽和分解力。它可以 编码出广播级质量的音频视频节目，正是由于m p e g 一2 标准提供了良好的压缩性 能，它才成为了公认的数字电视标准。m p e g 一2 具有以下优点： 1 ) 视频压缩与m p e g 一1 是向后兼容的； 2 ) 对t v 和计算机显示可以是全屏交织的和或渐进的视频： 3 ) 增强的音频编码( 高质量、单声道、立体声等音频特征) ； 4 ) 可以传送复用( 在一个单一传送流中可以结合不同的m p e g 码流) ； 5 ) 可以进行其他业务( g u i 、交互性、加密、辅助数据传送等) 。 目前使用m p e g 一2 的系统正在不断增多，包括数字电视( 有线、卫星和地面广 播) 、v o d 、d v d 、个人计算机等。 2 2 1 1m p e g 一2 标准简介现有m p e g 一2 音频部分规范了与m p e g 一1 音频标准的兼 容性以及多通道的音频编码。而在m p e g 一2 视频标准的技术规范中，根据图像清晰 度的不同，它包括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 一2 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。除 了根据图形清晰度定义的“级”以外，d v b 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。表 2 1 列出了m p e g 一2 的类与级。 表2 1m p e g 一2 的类与级 t a b l e2 一lt h ep r o f i le sa n dl e v e l so fm p e g 一2 信噪比可 空间可分级 弋 简单类 主类( m p )分级类高类( h p ) ( s p )类( s p p ) ( s n r p ) 4 ：2 ：2 4 ：2 ：o4 ：2 ：o ( 4 ：2 ：o ) 高级 1 9 2 0 1 1 5 21 9 2 0 术11 5 2 1 9 2 0 1 1 5 2 h l8 0 m b s8 0 m b s l o o m b s i ，p ，bi ，p ，b i ，p ，b 4 ：2 ：2 4 ：2 ：o4 ：2 ：0 ( 4 ：2 ：o ) 高级 1 4 4 0 1 1 5 21 4 4 0 1 1 5 2 1 4 4 0 1 1 5 2 h l l 4 4 06 0 m b s6 0 m b s 8 0 m b s i ，p ，bi ，p ，b i ，p ，b 4 ：2 ：2 4 ：2 ：o4 ：2 ：04 ：2 ：o4 ：2 ：0 ( 4 ：2 ：0 ) 主级 7 2 0 5 7 67 2 0 5 7 67 2 0 5 7 67 2 0 5 7 6 7 2 0 x 5 7 6 m l1 5 m b s1 5 m b s1 5 m b s1 5 m b s 2 0 m b s i ，pi ，p ，bi ，p ，bi ，p ，b i ，p ，b 4 ：2 ：o4 ：2 ：0 低级 3 5 2 2 8 83 5 2 2 8 8 l l4 m b s4 m b s i ，p ，bi ，p ，b 1 ) 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 t6 0 1 格式 的l 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4 m b s 。 8 第二章数字电视终端接入系统的原理及关键技术 2 ) 主级( l ：m a i nl e v e l ) ：图像输入格式符合i t u rr e c b t6 0 l 格式，即 7 2 0 4 8 0 3 0 或7 2 0 5 7 6 2 5 。相应编码的最大输出码率为1 5 m b s 。 3 ) 高级1 4 4 0 ( h l1 4 4 0 ：h i g nl 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 。 4 ) 高级( h l ：h i g hl e v e l ) ：是1 9 2 0 1 1 5 2 x 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 。 m p e g 一2 共分6 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 np r o f i l e ) ， 它比简单类增加了一种双向预测方法，在相同比特率的情况下，它将给出比简单 类更好的图像；主类的扩展类，主要是由t e k t r o n i c 公司和s o n y 公司在主类的 基础上推出的更适用于演播室视频节目制作要求的数据压缩处理方法；信噪比可 分级类( s n r 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 t i a l l y s c 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 ) 。前两种可分级工具允许将 编码的视频数据分为基本层和上层信号。基本层表示编码图像的基本数据，但代 表的图像的质量低；上层信号则可用来改进信噪比或清晰度。这就意味着有时解 码器可以忽略比特流中的增强部分，而只解码比特流中的基本部分，仍可得到有 用的图像序列，只不过此时所得到的图像的分辨率低一些，或者帧速率低一些， 或者质量低一些。 因此，就视频来讲，m p e g2 涵盖了从标准清晰度到高清晰度电视范围内的视 频压缩业务，如表2 1 所列，每一类级的第1 行和带括号的第2 行表示其使用 的抽样格式，第2 行为画面的横向像素数纵向像素数，第3 行为编码后的比特 率，第4 行为g o p 的构成。普通清晰度数字电视使用主类和主级( m p m l ) 。 现有的数字电视广播系统就利用了m p e g 一2 的这种可分级性，从而使数字信 号能同时覆盖接收条件好和接收条件差的地区，并能使接收和不能接收的区域过 渡更为平滑，同时粗编码的底层信号可以有较强的抗干扰能力，可以有更大的覆 盖范围。由于m p e g 一2 可以在比较大的压缩比的情况下保持较好的图像质量，有 利于高速传输与存储。另外，m p e g 一2 还具有如下开放性的优点： 1 ) 输出码流速率可适应同步或异步传输，无需固定。 2 ) 适应于逐行或隔行扫描系统。 3 ) 可用于4 ：2 ：0 、4 ：4 ：2 、4 ：4 ：4 等亮度、色度取样。 4 ) 按清晰度可以将图像分为4 个等级，高级解码器可与低级解码器实现向 广东工业大学工学硕士学位论文 下兼容。 5 ) 按使用的工具和方法不同分为5 种类型，即允许分层编码，以保证不同 的传输与接收要求。 ， 正是m p e g 2 的这种开放性的优点，使其成为广播电视向全数字化过渡的最 佳选择，也逐步被大多数视频专业人士认可，所以美国以及西方各国普遍以 m p e g 2 标准作为数字h d t v 图像压缩编码系统的核心m 。 2 2 1 2 忡e g - 2 传输流系统层在 【p e g 一2 标准中，有两种不同类型的码流输出 到信道：一种是节目码流( p s ：p r o g r 锄s t r e a ) ，适于没有误差产生的媒体存 储，比如，d v d 等存储介质；另一种是传输流( t s ：t r a n s p o r ts t r e a m ) ，适于 有信道噪声产生的传输，可在网络中进行远距离传送。在m p e g2t s 中传送包的 大小定义1 8 8 b ，这样的t s 作为一个固定长度包大小，便于找到帧的起止位置， 易于从包丢失中恢复，适合于有误码的环境，但是与p s 相比难于生产与复用。 m p e g 一2 中t s 是根据i t u tr e ch 2 2 0 、i s o i e cd i s1 3 8 1 8 2 和i s o i e c 1 3 8 1 8 3 协议定义的一种数据流，其目的是为了在有可能发生严重错误的环境下 进行一路或多路节目的编码数据的传送。这种错误表现为比特值错误或包丢失。 t s 的速率可以是变化的，也可以是固定不变的。在任何情况下，组成的原始流 可以是变化的或固定不变的，在这些情况下的语法和语义限制是相同的。t s 的 速率由节目参考时钟p c r 字段的位置和数值决定，通常每个节目都有自己的p c r 字段。 2 2 1 3m p e g 一2 系统层协议规范为了实现解码同步，在非定长的打包的原始 流( p e s ：p a c k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ) 中插入播出时间标记( p t s ： 比特数 8 图2 3m p e g 一2t s 包结构 f i g2 3t h ec o n f i g u r a t i o n0 fm p e g 一2t sp a c k a g e 第二章数字电视终端接入系统的原理及关键技术 p r e s e n t a t i o nt i m e s t a 【i l p ) 和解码时间标记( d t s ：d e c o d i n gt i m es t a m p ) 以 及相关的系列标志符。而传输层采用固定长度为1 8 8 b 的数据包，将p e s 打包为 t s 流，这样的包结构为未来新增业务时，在无需新增比特流的情况下，就可在 传输层中进行复用传送，从而提供了较大的灵活性。上图为t s 包的语法结构。 由图2 3 可以看出，t s 包由4 b 的包头、可变长度的调整字段和净负荷构成。 包头由8 b 同步字节、1 b 传输误码指示、l b 净数据单元起始指示、l b 传送优先 级、1 3 b 包标识符p i d 、2 b 传送加扰控制、2 b 调整字段控制、4 b 连续计数器组 成。其中，净数据单元起始指示表示打包的原始流p e s 数据包字头或包含与节目 有关的p e s 信息的起始端是否出现在该t s 包的净负荷中。调整字段控制表示在 包头后面是否有调整字段和或净负荷。连续计数器中的数值对于具有相同p i d 值的净负荷，从o 1 5 连续循环，用来在解码端检测是否有丢失的t s 包。 对于存在的调整字段，采用若干标志符表示该字段的某些特定扩展是否存 在，从而为较高层次的解码提供有关信息。它包括l b 调整字段长度、不连续指 示、随机接八指示、基本流优先指示、p c r 标志符、拼接点标志符、传送专用数 据标志、调整字段扩展标志以及有相应标志符的字段。其中p c r 表示节目时钟参 考，用于系统解码过程时钟的恢复。m p e g 一2 系统通过在传输流包中间断地插入 p c r 来实现系统时基同步。 除了各节目的各个传输流外，还应有节目专用信息p s i 。p s i 数据由固定字 长的整体字头和可变字长的节目关联表p a t 或单节目映射表p m t 以及4 b 的c r c 构成。 p a t 表的整体字头为8 b ，由表标识符、表分段长度、传送比特流标识符、版 本号、当前下次指示器、分段号和最后分段号组成。而可变字长的节目关联表由 各个1 6 b 的节目号与对应的1 3 b 的节目映射p i d 值组成。 p m t 表的整体字头长度为1 2 b ，由表标识符、表分段长度、节目号、版本号、 当前下次指示器、p c r 的p i d 、节目信息长度组成。而可变字长的单节目描述由 节目所含基本比特流类型、基本比特流p i d 、扩展信息长度和扩展可变长度的基 本流描述符组成。其中有一个p i d 含有该节目时钟基准p c r 信息，一般在视频 p i d 流中，即此时视频p i d 流即为p c r 的p i d 。此外，还可以在多路复用节目的 业务中，以t s 包形式对系统单独插入p c r ，即p c r 的p i d 为独立的。 在字头的3 2 个比特中，1 3 位的p i d 码特别重要，它是辨别码流信息性质的关 广东工业大学工学硕士学位论文 键，是节目信息的“身份证”，不同的电视节目和服务信息对应有不同的p i d 码。 对于一台解码接收机而言，为了找到它所要接收的电视节目，首先通过p i d 码找 到服务信息所对应的不同表格，标准定义了如下服务信息： 节目关联表：p a t ( p r o g r a j n a1 1 0 c a t i o n ta b l e ) 由p i d o x 0 0 0 0 标识，它的主要 作用是指出传输码流中包括哪些节目，节目的编号与对应的节目映射表，并指定 网络信息表所对应的p i d 。 条件接入表：c a t ( c o n d i t i o n a la c c e s st a b l e ) 由p i d o x o o o l 标识，c a t 提供系 统中条件接入的信息，指定c a 系统与它们相应的权益管理信息之间的联系，制定 e m m 的p i d ，以及其他相关参数。它的具体内容与所采用的c a 系统有一定的关系。 传输流描述表：s d t ( s e r v i c ed e s c r i p t i o nt a b l e ) 由p i d 0 x o 0 0 2 标识，提供 传输流的一些主要参数。 节日映射表：p m t ( p r o g r a mm a pt a b l e ) 指出相应节目中包含的内容，即节 目由哪些流构成，以及这些流的类型，指定节目中各流所对应的p i d ，以及节目 的p c r 所对应的p i d 。 网络信息表：n i t ( n e t w o r ki n f o r m a t i o nt a b l e ) 提供与多组传输流、物理网 络及网络传输相关的一些信息，比如用于调谐的频率信息以及编码方式、调制方 式等参数方面的信息。 还有，时间信息表e i t ( e v e n ti n f o r m a t i o nt a b l e ) ，时间日期表t d t ( t i m e a n dd a t at a b l e ) 等呻1 。 通过这些服务信息表格，可以查到所要接收节目的p i d 码和对应的p c r ，节目 就可以还原。 2 2 2d v b 标准 d v b 标准有线传输技术即“数字视频广播有线传输技术”或“数字电视广播 有线传输技术”。d v b 自从1 9 9 3 年建立以来，几乎涵盖了数字电视广播的每个方 面。d v b 系统已成为集视频、音频( 广播、用户) 数据于一体的多媒体开放系统， 它考虑了与现有网络和业务的兼容性，为未来各种新的增值业务的拓展提供了较 大的发展空间，比如，e p g 、c a 、交互业务、数据广播、m h p 等m 。当今d v b 被认 为是数字电视与有关的多媒体业务的全球性解决方案。 1 2 第二章数字电视终端接入系统的原理及关键技术 d v b 标准提供了一套完整的、适用于不同媒介的数字电视广播系统规范。d v b 选定i s o i e cm p e g 一2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了 统一，随后对m p e g 一2 码流进行打包形成传输流t s ，进行多个传输流复用，最后 通过卫星、有线电视及地面数字电视等不同媒介进行传输“3 。 d v b 标准是一个庞大的体系，其规范核心主要包括： 1 ) 压缩编码部分 压缩编码部分采用m p e g 一2 标准灵活地压缩和编码视频音频数据，并将这样 格式的码流数据作为d v b 广播的数据源。 2 ) 复用部分 复用部分采用公共的m p e g 一2 传输流形式进行复用，通过对m p e g 一2 系统层部 分进行扩充来实现。基于m p e g 一2 的p s i 信息，定义了业务信息( s i ) 、数据广播、 图文电视等在复用器复用流中的结构标准，其中公共业务信息系统s i 用于描述 传输系统和广播节目的无语内容。 3 ) 接口部分 接口部分定义了各种接口标准，如与a t m 、p d h 、s d h 等网络的接口。 4 ) 条件接收部分 条件接收部分定义了通用的加扰算法和授权管理信息及授权控制信息在复 用器复用流中的结构。 5 ) 互操作部分 互操作部分定义了各种媒体的交互操作标准及模型。 6 ) 传输部分 传输部分定义了传输流在各种媒体中的编码及调制方式，系统的第一级信道 编码采用r s 前向纠错编码保护。，。 222 1d v b 音频特点d v b 系统的音频编码使用m p e g 一1l a y e ri i ( 第二层) 音 频编码，也称作m u s i c a m 。音频的m p e g ll a y e ri i 编码压缩系统利用了声音的低 声音频谱掩蔽效应，这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行 低码率编码，这一技术的采用可以大大地降低音频编码速率。m p e g ll a y e r 音 频编码可用于单音、立体声、环绕声和多路多语言声音的编码。 2 2 2 2d v b 视频特点对于视频，国际上采用标准的m p e g 一2 压缩编码，m p e g 一2 编码系统由一个大家族构成，每一个系统之间都有兼容性和共同性。我们已经在 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 1 1 节中介绍过了“类”与“级”的概念，在这里将进一步讨论它们在视频 压缩中的特点。 目前在m p e g 一2 系统中的5 个“类”中，每一个类都比它的前一个类更加复 杂，更加完善，提供更多的工具，同时其相应的设备的价格也更高。 类的最初级叫做简单类，随后是主类，它比简单类增加了编码双向预测的功 能，即b - f r a m e s ，在使用同样的码流的情况下，它的质量会更好，但算法更加 复杂，使用的芯片会更多。主类的解码芯片，可以兼容解码简单类的编码，这种 向下兼容性贯穿整个系列的类。 在主类之后，是信噪比可分级类及空间频谱可分级类，这两种类可以调整信 噪比与码流率的关系，以及图像清晰度与码流率之间的关系，出于其编码的复杂 性以及接收设备价格昂贵问题，d v b 标准目前不支持这两类。最高级的类是高级 类，它不仅兼容前面的低级类，兼备所有的功能，而且可以进行多行同时编码， 而前面的类则是逐行编码。 在类中存在两种图像采样方式，即4 ：2 ：2 和4 ：2 ：0 格式。电视复合信号可以 分成亮度信号分量( y ) 和色度信号分量( r y ，b y ) ，4 ：2 ：2 格式是对亮度信号 进行4 个采样，对色度信号进行2 个采样；4 ：2 ：0 格式的色度信号只做隔行采样， 如果使用8 b 采样，可以计算出对标准p a l 制式电视信号进行采样后的；4 ：2 ：2 格式图像码流率如下： 亮度信号码流率：7 2 0 5 7 6 2 5 帧s 8 b = 8 2 9 4 4 m b s 色度信号码流率：2 1 2 7 2 0 5 7 6 2 5 帧s 8 b = 8 2 9 4 4 m b s 总码流率：8 2 9 4 4 m b s + 8 2 9 4 4 m b s = 1 6 5 8 8 8 m b s 可以看到，没有压缩的电视图像码流率非常高，占用带宽太宽，不适用于传 输，即使采用4 ：2 ：o 格式，图像码流率也高达1 2 4 4 1 6 m b s ；m p e g 一2 的压缩算法 采用除去电视视频信号的时间冗余和空间冗余的算法，使码流率降到3 m b s 8 m b s 仍然可获得质量清晰的图像，从而使数字电视的传输成为可能。 根据图像节目源的清晰度由低到高的不同，d v b m p e g 一2 标准分成许多级，最 低级的清晰度是i u r b t 6 叭建议的1 4 ，即3 5 2 2 8 8 2 5 帧s ；主级m l 是完 全符合i u r b t 6 0 1 建议的标准，即7 2 0 5 7 6 2 5 帧s 。h 1 4 4 0 级采用了每行 1 4 4 0 个采样的方法。高级h l 采用了更高的每行1 9 2 0 的采样方法。 目前最常用的m p e g 一2 标准是主类主级m p m l ，它是第一代数字有线电视和数 1 4 第二章数字电视终端接入系统的原理及关键技术 字卫星电视的基础