（信号与信息处理专业论文）基于usb接口的数字电视码流监测及传输系统设计与实现.pdf

中文摘要 数字电视技术的快速发展，在给人们提供更为高级的视听享受的同时，也提 出了一些新的技术问题。在开发数字电视产品、监测和维护数字电视设备时，需 要方便快捷的测试方案。例如需要便携式的数字电视码流传输设备，或数字电视 码流实时监测系统等，为现场应用、测试工程师提供故障检测和故障定位的依据。 本文在课题组原有工作的基础上，整合先前已有的技术成果，开发了一款基 于u s b 接口的数字电视码流监测及传输系统。该系统支持将计算机存储媒质上 的传输流通过a s i 接口发送，或截取a s i 接口传输的信号，或截取符合 d v b c d t m b 的射频数字电视信号，同时将截取到的数字电视码流进行实时分 析和解码播放，提供截取码流在主观和客观上的效果和参数，全方位提供当前码 流的详细信息。 论文首先介绍了数字电视技术的发展和国内外数字电视的各种传输标准，然 后讲解了我国目前使用的有线数字电视广播网和地面数字电视广播网的系统结 构和信号的获取方法，提出了一种支持多标准的数字电视码流监测及传输系统的 解决方案。从硬件的单元模块设计到系统的总体设计，从w i n d o w s 系统的u s b 驱动设计到应用软件设计，完整地经历了系统设计的每一个环节，实现了系统预 定功能。 系统硬件是在课题组已有技术的基础上整合和改进完成的，工作重点主要在 硬件调试、驱动程序和应用软件的设计实现上。以t r l 0 12 9 0 标准做参照，对符 合m p e g 2 系统层的传输流进行实时分析，并提出了两种设计方案来实现码流播 放器，将码流播放器嵌入系统软件中，用来播放当前码流的指定节目。 最后，在各个模块测试通过以后，对系统进行了全面的功能测试和性能测试， 系统预定功能工作正常，性能符合产品要求，并生产出了一小批量产品，在实际 开发和测试过程中得到了应用。 关键词t 传输流监测有线数字电视u s b 2 0d v b cd t m b a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o nb r i n g sa d v a n c e da u d i o v i s u a l e n j o y m e n tt op e o p l e i ta l s ob r i n g ss o m et e c h n i c a lp r o b l e m sa tt h es a m et i m e w h e n d e v e l o p i n gd i g i t a l t vp r o d u c m ，m o n i t o r i n go rr e p a i r i n gd i g i t a lt vs y s t e m s ，a c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n tt e s ts c h e m ei sn e e d e d e s p e c i a l l yap o r t a b l ed e v i c et h a tc a n t r a n s m i to rr e a l - t i m em o n i t o rd i g i t a lt vt r a n s p o r ts t r e a m ( t s ) t op r o v i d eab a s i so f e r r o rd e t e c t i o na n do r i e n t a t i o ni sn e e d e df o rf i e l da p p l i c a t i o ne n g i n e e ro rf i e l dt e s t e n g i n e e r o nt h eb a s i so ft h ef o r m e rw o r ko fo u rl a ba n de x i s t i n gt e c h n o l o g y , t h i sp a p e r h a sd e s i g n e dat sm o n i t o ra n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hc a nt r a n s p o r tt s ，i n c l u d i n g t r a n s m i t t i n gt st h r o u g ha s io u t p u ti n t e r f a c e ，c a p t u r i n gt st h r o u g ha s ii n p u t i n t e r f a c ea n dc a p t u r i n gt st h r o u g hd v b cr fi n t e r f a c e i ta l s oc a na n a l y z ea n dp l a y t sr e a l - t i m e ，s h o w i n gt h ef u l lr a n g eo f d e t a i l e di n f o r m a t i o no f c u r r e n tt s f i r s t l y , t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fd t vt e c h n o l o g ya n d t r a n s m i s s i o ns t a n d a r d sa th o m ea n da b r o a d s e c o n d l y ，i ts h o w ss t r u c t u r eo fc u r r e n t d t va n dd t t bn e t w o r ki nc h i n a t h e ni tp r o p o s e sas y s t e ms o l u t i o nf o r m u l t i s t a n d a r dd t vt sm o n i t o ra n dt r a n s m i s s i o n t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mi s a c h i e v e db yt h ed e s i g no ft h em o d u l e s ，s y s t e m ，w i n d o w s d r i v e ra n da p p l i c a t i o n s o f t w a r e t h eh a r d w a r ed e s i g ni sb a s e d0 nt h ef o r m e rw o r ko fo u rl a b m o s to fm yw o r k f o c u s e so nt h eh a r d w a r ed e b u g g i n g ，d r i v e ra n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n t h e s y s t e mc a na n a l y z et h et sa c c o r d i n gt ot r l 0 12 9 0s t a n d a r d s r e a l - t i m e t w o p r o p o s a l sa r ep u tf o r w a r dt or e a l i z et h et sp l a y e rw h i c hi su s e dt op l a yt h ec u r r e n t p r o g r a m ac o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c et e s ti sc a r r i e do nw i t ht h es y s t e ma f t e re a c h m o d u l eo fi ti st e s t e d i tw o r k sv e r yw e l la te v e r ym o d e s m a l ln u m b e r so ft h e p r o d u c t sh a v eb e e np u ti n t op r o d u c t i o n t h e s ep r o d u c t sa r eu s e df o rt h ep r a c t i c a l d e v e l o p m e n ta n dt e s t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：t sm o n i t o rc a b l ed t vu s b 2 0d v b cd t m 【b 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砂町锄签字日期：沙习年多月易日 学位论文作者签名：砂町彻签字日期：汐哆年多月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：f 谚切 导师签名： 袭莎气毫 签字日期：沙。夕年易月多日签字日期：岬年易月弓日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在经历了机械电视时代、黑白电视和彩色电视时代以后，电视向着数字化迈 进，模拟电视在全世界范围内正在逐步隐退。经过多年坚持不懈的研究和发展， 数字电视技术取得了很多的成果【】。现行应用较广泛的主要有欧洲的d v b 标准、 美国的a t s c 标准和日本的i s d b 标准。各国均在这三大标准的基础上开展各自 的数字电视广播，包括卫星、有线和地面等广播形式。中国在近年来也大力发展 自己的数字电视技术，如中国地面数字多媒体电视广播( d n 肥) 和中国移动数 字多媒体广播( c m m b ) 。本文针对我国数字电视技术的发展，选择了传输流码 流分析设备作为研究内容，研究成果可以为数字电视技术的发展提供一定的基 础。 1 1 课题背景 1 1 1 数字电视技术的概念和优势 数字电视是数字电视系统的简称，是指音频、视频和数据信号从信源编码、 调制到接收和处理均采用数字技术的电视系统。国际上对于数字电视的精确定义 是：将活动图像、声音和数据，通过数字技术进行压缩、编码、传输、存储，实 时发送、广播，供观众接收、播放的视听系统。也就是说，这是一个从节目的采 集、制作到节目传输，以及到用户终端的接收全部实现数字化的系统。从广义上 说，数字电视是数字传输系统，是原有电视系统的数字化【2 】。 数字电视的主要功能有： 1 免费基本数字电视业务： 2 直接接收和转播国内外未加密的高质量数字卫星电视节目； 3 按频道付费的数字电视业务； 4 接收和录制国家广电总局批准的境外加密卫星节目，对节目进行审查和 编辑，通过数字加密加扰系统分级别向观众播放； 5 v o d 视频点播业务，提供若干数字电视频道的视频点播节目，使用户能 够在不同的时间内完整地观看播放的电视节目； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 6 按次、时间付费的数字电视业务，用户通过电话回传或遥控器确认，付 费收看某个节目或某一时段的节目； 7 增强电视节目，可增加中文电子节目指南，也可在数字电视节目中叠加 大量的广告图片、文字信息，用户用遥控器点击获取额外广告信息，可 增强电视广告业务等； 8 数据广播业务，数据广播是指由视频、音频或其他数字多媒体所组成的 内容被连续地送到终端设备上的广播，它是一种可以提供快速的和丰富 的媒体内容的有效方式，开展证券、电子报刊、本地信息咨询服务、气 象等服务； 9 数字音乐广播，播出c d 、d v d 音频质量的音乐c d 、磁带、m t v 、网 上m p 3 等数字音乐节目，可在一个模拟频道上提供上百个数字音乐频道 广播； 1 0 游戏频道，动态提供各类数字电视游戏节目，用户可选择性地付费享用； 11 远程教育，通过数字电视，观众坐在家中就能得到全国乃至世界上最优 秀的教师给他们辅导授课，用户可按照课程时间表选择上课时间，或者 将课程内容下载，自由选择学习时间； 1 2 交互式数字电视业务，在双向有线电视网络下，采用双向调制解调器可 实现数据上传功能，进而实现更多的信息服纠2 1 。 和模拟电视技术相比，数字电视技术的优势主要体现在以下几个方面： 1 现有模拟电视频道带宽为8 m h z ，只能传送一套普通的模拟电视节目，采 用数字电视以后，一个模拟频道带宽就可以传送l 8 套数字电视节目( 随 着编码技术的改进，传送数量还会进一步提高) ，电视频道利用率大大提 高； 2 清晰度高，音频效果好，抗干扰能力强。在同样覆盖范围内，数字电视 的发射功率比模拟电视小一个数量级； 3 可以实现移动接收、便携接收及各种数据增值业务，实现视频点播等各 种交互电视业务，实现加密解密和加扰解扰功能，保证通信的隐秘性及 收费业务； 4 系统采用了开放的中间件技术，能实现各种交互式应用，可与计算机网 络及互联网等的互通互联； 5 易于实现信号存储，而且存储时间与信号特性无关，易于开展多种增值 业务； 6 由于保留了现有模拟电视视频格式，用户端仅需加装数字电视机项盒即 可接收数字电视节目，利于系统的平稳过渡，减少消费者的经济负担。 天津大学硕士学位论文第章绪论 因此，技术上先进的数字电视系统，必然会取代模拟电视系统，但不是取消 模拟电视技术 2 1 。 1 1 2 数字电视技术的发展 数字电视技术最先出现在欧洲，从2 0 世纪8 0 年代开始，欧洲几个电视技 术较先进的国家，如德国、法国、英国，都开始研究数字电视技术，并诞生过 m a c l 、m a c 、m a c 3 ( 模拟分量时分复用传输技术) 等第三代数字卫星电视节 目广播。当时数字技术已经很先进，它能够同时传播一路标准清晰度电视节目和 多路伴音广播。与此同时，日本的数字电视技术也达到了很高的水平，日本是世 界上第一个用m u s e ( 多重压缩编码) 技术进行高清晰度电视节目广播的国家， 但试播不到两年，由于新的数字技术不断出现，m u s e 技术已相对落后，日本不 得不放弃自己的m u s e 技术标准1 2 】。 从2 0 世纪9 0 年代开始，数字电视技术在世界范围内飞速发展，除了欧洲之 外，美国、日本等技术先进的国家也都认识到数字电视技术对本国经济发展的重 要性，因此也加入到数字电视技术的研究行列，并制定了现代数字视频压缩技术 的一系列主要标准m p e g x 。 1 9 9 5 年9 月1 5 日，美国正式通过了a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m s c o m m i t t e e ，先进电视制式委员会) 数字电视国家标准。a t s c 制信源编码采用 m p e g 2 视频压缩和a c 3 音频压缩；采用v s b 调制，提供两种模式：地面广播 模式( 8 v s b ) 和高数据率模式( 1 6 v s b ) 。随着多媒体传输业务的不断发展，为 了适应移动接收的需要，近来又计划增加2 v s b 的移动接收模式。 1 9 9 6 年4 月，法国开播了第一个欧洲商业化数字电视广播，此后不久，世 界各地的广播电视机构相继开始了数字电视广播。到1 9 9 6 年6 月，欧盟数字电 视市场总额已超过2 0 亿欧元。1 9 9 7 年1 2 月至1 9 9 9 年6 月，欧洲数字电视收入 增长超过一倍。英国天空广播公司在1 9 9 8 年7 月开始卫星数字电视广播，到2 0 0 0 年年底，用户已超过5 0 0 万。据美国消费电子协会公布的最新统计，美国1 9 9 9 年6 月已有9 6 0 万卫星数字电视用户。日本在1 9 9 7 年开始卫星数字电视广播， 1 9 9 9 年下半年开始有线数字电视广播【2 】。由此可见，数字电视在世界范围内供需 数量上已有很大的增长，数字电视市场已经全面启动。 中国在数字电视领域一开始便与科技先进国家保持同步。中央电视台1 9 9 5 年开始利用数字电视系统播出加密频道，利用卫星向有线电视台传送加密电视节 目。1 9 9 6 年以后，省级电视台逐步使用数字压缩技术进行卫星电视节目传送覆 盖，所使用的传输标准是d v b s m p e g 2 。1 9 9 8 年年底，中国广播卫星公司建 立起直播卫星广播试验平台，将中央电视台和各省台的上星节目全部集中起来， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 通过一颗卫星上的4 个转发器以数字方式向全国传送【2 1 。 1 9 9 9 年9 月，我国的数字电视广播h d t v - t 在中央电视塔上广播试验成功， 并有了我国数字电视广播三步走计划：2 0 0 8 年正式试播瑚) t 。2 0 1 5 年全面 实现数字电视广播，同时停止播出模拟数字电视广播。数字电视新的时代即将到 来，模拟电视终将被数字电视所取代。2 0 0 2 年7 月，我国开始研制具有自主知 识产权的a v s ( a u d i ov i d e os t a n d a r d ) 音、视频压缩标准，以此取代m p e g 2 图像压缩标准，并于2 0 0 3 年7 月宣布基本取得成功。新的a v s 音、视频压缩标 准技术性能比m p e g 2 更优越，活动图像更清晰，图像压缩比更大，是m p e g 2 图像压缩比的2 4 倍。它与m p e g - 4 正在升级的版本t ( j o i n tv i d e ot e a m ) 处 在同一技术水平，且相互兼容。2 0 0 3 年11 月1 8 日，我国又宣布e v d ( e n h a n c e d v i d e od i s k ) 技术标准制定成功，e v d 光盘图像信息量是现在d v d 的3 倍。e v d 技术标准综合了目前国际上最新的v p 5 、v p 6 技术优点，使我国的数字电视技术 又向国际先进国家行列跨进了一大步，并把目前的d v d 技术远远抛到了后面。 2 0 0 3 年1 2 月3 0 日，负责我国数字电视标准研究的单位之一，清华大学信息技 术研究院数字电视技术研究中心，在深圳现场演示数字多媒体地面广播传输标准 单频网技术获得成功，2 0 0 6 年我国颁布了具有我国自主知识产权的地面数字电 视标准。 中国国家广播电影电视总局于2 0 0 6 年1 0 月2 4 日正式颁布了我国移动多媒 体广播行业标准，采用的是由我国自主研发的移动多媒体广播行业标准c m m b ( c h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，即中国移动多媒体广播) 。该标准面向 手机、p d a 、m p 3 、m p 4 、数码相机、笔记本电脑等多种移动终端系统，利用s 波段信号实现“天地”一体覆盖、全国漫游。 这表明中国数字电视传输标准与技术走在了世界前列【2 1 。 1 1 3 数字电视传输流简介 运动图像压缩编码国际标准m p e g 2 的系统部分强调将一个或更多的音频、 视频或其他基本数据流合成单个或多个数据流，以适应存储和传输。按照该说明 中的句法和语法进行系统编码，可以在很宽的恢复和接收条件下进行同步译码。 系统编码可以有两种方法：传输流( t s 流) 和节目流( p s 流) ，分别适用 于不同的应用。m p e g 2 标准中定义的传输流和节目流提供了必要的和充分的编 码语法，保证同步译码和显示音频、视频数据，以及数据本身的传输情况，信息 在编码中使用不同的时间标签。两种流定义都是面向分组的多路复用流【3 1 。 单个的音频和视频原始数据流的基本多路复用方法如图1 1 所示，按照 i t u tr e c h 2 6 2 i s o i e c1 3 8 1 8 - 2 和i s o i e c1 3 8 1 8 - 3 标准对视频和音频信号进 天津大学硕士学位论文第一章绪论 行编码压缩后的基本流分别被组合形成p e s 分组。当p e s 分组形成的时候，使 用该分组所需的与传输流及节目流无关的信息是可被加入的。当p e s 分组加上 系统级信息形成传输流或者节目流时，信息则是不必加入的。系统标准包括图 1 1 中虚线右侧的处理。 ： 图l 1 i t u - tr e c h 2 6 2 1 i s o i e c1 3 8 1 8 简化的总体框图 传输流将有多个独立时间基点的多路节目合成一个单独的数据流，其中属 于同一路节目的各个原始数据流的p e s 分组具有相同的时间基点。传输流是针 对那些容易发生错误的环境而设计的，如在容易丢失或高噪声的媒体中存储和传 输。传输流分组长度分为l8 8 字节或者2 0 4 字节。 节目流和传输流针对不同的应用而设计，它们的定义并不严格地遵守分层模 式。从一种形式转换到另外一种形式是可能的、合理的，然而并不存在子集或超 集的关系。尤其是从传输流中抽取一路节目的内容并产生有效的节目流是可能 的，只要通过普通的p e s 分组格式变换就行了。但并不是节目流需要的所有域 值都可以从传输流中直接获得，有一些必须经过推导，在多层模式中，传输流可 能跨过几层范围，为的是更有效地、轻易地实现高带宽的应用。 m p e g 2 的系统部分描述所规定的句法和语法规则不同于仅仅用于编码的 系统层规则，它不包括压缩层视频、音频编码说明，相反，此语义规则全部用于 数据流的合并。该系统规范同样没有详细规定编码器或解码器的结构或实现，也 没有规定多路复用器和多路解调器的结构和实现，然而比特流的性质对编码器、 解码器、多路复用器和多路解调器提出了功能和性能上的要求。例如，编码器必 须满足最小时钟容许偏差，尽管有这样或那样的要求，它们的设计和实现仍是具 有相当大的自由度。 传输流是根据i t u tr e c h 2 6 2 1 i s o i e c1 3 8 1 8 - 2 和i s o i e c1 3 8 1 8 - 3 协议而 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个或者 多个节目的编码数据的传输和存储。这种错误表现为比特值错误或分组丢失。 传输流的速率可以是变化的或固定不变的。在任何情况下组成的基本流都可 天津大学硕士学位论文第一章绪论 以变化或固定，在这些情况下的语法和语义限制都是相同的。传输流速率由节目 基准时钟( p c r ) 字段的位置和数值所决定，通常对于每个节目都有自己的p c r 字段。 然而，当传输流有多个节目时，要构造一个所有的比特率都在变化的传输流 是很困难的，因为对每路节目来说，传输流速率是分段常数，而且当有复合节目 时，那些被检测的拐点不会在同一个地方。 传输流可以用很多方法产生有效的数据流t 从原始的编码的数据流，从节目 流，从其他本身包含一个或多个节目的传输流，都可以构成含有一个或多个节目 的传输流i 2 | 。 传输流的设计方法使它可能以最小的努力完成下面的操作： 1 从传输流中的一个节目恢复被编码的数据，解码并显示解码结果； 2 从传输流中的一个节目抽取分组，并生成仅含此节目的新的传输流； 3 从多个传输流中提取一个或多个节目的分组，并生成新的传输流； 4 从传输流中提取一个节目生成含有此节目的节目流； 5 把一个节目流转换为一个传输流以适应于通过容易出错的环境，然后恢 复成一个有效的、有时完全相同的节目流。 1 1 4 课题的提出 目前运行的大部分数字电视系统中，音视频编码和数据流复用都基于 m p e g 2 标准。m p e g 2 标准是国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 设立的运动图像专家组( m p e g ) 制定的活动图像及其伴音通用编码标准【4 】。 在研究数字电视制式、开发数字电视前端及终端产品、监测数字电视系统运 行、维护数字电视设备时，均需提供数字电视传输流( t s ) 的传输和截取设备。 有的应用场合甚至要求在截取的同时对传输流进行适当的分析和播放，以检测或 诊断系统故障，为定位故障点提供依据i s 。而在某些现场测试环境下，便携化的 应用更符合工程人员的需求。 另一方面，u s b2 0 的技术特点完全能够满足此类设备对速度、功耗和体积 等的要求，是一种良好的实现方式。根据这些原因提出本课题，开发一种基于 u s b2 0 的数字电视码流监测和传输系统，既可作为数据源平台把存储在p c 中 文件形式的码流发送出去，又可以截取广播网或线缆中传输的t s 数据流。在截 取的同时进行传输流的实时t r1 0 1 2 9 0 分析，并实时播放；在r f 信号输入时， 还可以将信号星座图和一些统计信息提取出来。同时还可以将截取到的传输数据 流保存到计算机的存储媒介中，为继续分析或重放提供素材。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 5 国内外的发展情况 国内外厂商已经推出一些t s 流传输设备。其中，一类是基于p c i ( # b 设部件 互连标准接口) 的码流发送截取p c 插卡，输入、输出口为s p i ( 同步并行接口) 或a s i ( 异步串行接口) 。这种解决方案稳定性好却不易携带，更多的是在机房 内或离线情况下应用。 另外一类则采用u s b2 0 技术，与本方案类似。例如，荷兰d e k t e c 公司推 出的一系列u s b 适配器，可以通过a s i 接口发送或截取t s ；北京蓝拓扑、森和 世纪等公司也有相似的产品。但是，这些产品要么成本过高，要么功能单一，或 者体积过大不够便携。有的也同时支持a s i 信号的发送和截取，但是缺少r f 输 入接口；或者没有将码流分析和播放集成在一个系统当中，在某些应用场合还有 所欠缺。 本课题组在码流编解码、输出、截取、编辑和分析等方面都有较好基础，并 仍在继续深入开展研究工作。本课题旨在措建数字电视传输流监测系统硬件平 台，并编制相应的监控系统软件，将这些成果集成，发展出有特色的系列成果， 满足不同应用。 1 2 主要研究内容和论文组成 本文在课题组原有工作的基础上，整合先前已有的技术成果，将各种基本功 能集成在一个系统中，开发了一款基于u s b 接口的数字电视码流监测及传输系 统。该系统支持将计算机存储媒质上的传输流数据转换为传输流，并通过a s i 接口发送出去，也可截取经a s i 接口传输的信号，或截取符合d v b c d t m b 的 射频数字电视信号，同时将截取到的数字电视码流进行实时分析和解码，提供截 取码流在主观和客观上的效果和参数，全方位提供当前码流的详细信息。 在充分考虑便携性和系统稳定性的前提下，经过硬件和软件的系统级设计， 最终完成了整体设计。并顺利通过单元测试和系统测试，实现系统预定功能，并 实现了小规模生产。 本文主要描述了系统的设计过程和实现方法，并总结了在研发过程中遇到的 问题和解决问题的方式方法，同时也对测试内容和测试方法进行了较深入研究。 本系统的的研制成功和提交合作单位转产，丰富了国内数字电视码流测试设备选 型，有望为促进我国数字电视发展，提高播出质量做出定贡献。 本论文各章节安排如下： 第一章介绍了数字电视技术的发展，结合课题背景和当前国内外现状，分析 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 和阐述了本课题的研究内容和研究方法。 第二章讲述了当前应用较为广泛的国内外数字电视传输标准，对文中涉及的 有线数字电视网络和地面数字电视网的系统结构和信号类型进行了介绍。 第三章主要讲述了系统的硬件设计方案和实现过程，从单元电路模块的设计 到系统硬件的整合，最终设计出系统的硬件平台。 第四章主要介绍了系统的软件设计过程。从软件需求入手，逐一对各功能模 块进行需求分析。并按照自下往上的设计方法，从u s b 驱动开始，介绍如何实 现系统的软件控制等。 第五章主要介绍了系统的测试过程，按照不同的工作模式，分别从单元模块 和整个系统进行测试，最后给出了测试结果。 第六章总结了论文的主要工作和研究内容。 天津大学硕士学位论文第二章数字电视码流传输标准及传输网络 第二章数字电视传输标准及传输网络 发展数字电视技术的最终目的是将现有的数字电视技术应用到实际的生活 中，为人们提供更为高级的视听享受。在各种数字电视信源压缩标准中，已经将 音视频数据尽可能地压缩至最小。如何将数字电视数据传送至千家万户，解决方 案很多。下面将逐一介绍数字电视码流传输的各种标准和传输网络。 目前，国际上数字电视广播传输标准主要有：欧洲数字视频广播d v b 标准 系列，包括d v b t 、d v b c 、d v b s 、d v b - h 等；美国先进电视业务顾问委员 会制定的a t s c 数字电视标准系列；日本的综合业务数字广播i s d b 标准1 6 】；中 国的地面数字电视多媒体广播d t m b 和中国移动数字多媒体广播c m m b 标准。 其中d v b t 、a t s c 、i s d b t 和d t m b 主要面向地面广播传输，d v b c 适合有 线广播，d v b s 适合卫星广播，d v b h 是建立在d v b t 的标准之上，同c m m b 一样，为移动终端在移动环境下和微功率条件下接收数字电视广播服务。 2 1 国外数字电视传输标准 2 1 1 欧洲数字电视传输标准d v b 欧洲数字电视标准为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 ，即数字视频广播) 。 从1 9 9 5 年起，欧洲陆续发布了数字电视地面广播( d v b t ) 、数字电视卫星广播 ( d v b s ) 、数字电视有线广播( d v b c ) 的标准。欧洲数字电视首先考虑的是 卫星信道，采用q p s k 调制。欧洲地面广播数字电视采用c o f d m 调制，8 m h z 带宽。欧洲有线数字电视采用q a m 调制。 1 d v b t d v b h 为欧洲数字电视地面广播系统标准。这是最复杂的d v b 传输系统。地面数字电视的发射容量，理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖 好。采用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制方式，8 m h z 带宽内能传送4 套标 准清晰度电视节目，传输质量好，但其接收终端的成本较高。 2 d v b s 为欧洲数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖广、节目容量大 等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制( 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 2 m 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 i t s ；达到p a l 质量，码率为5 m b i t s 。一个5 4 m h z 转发器传输 速率可以达到6 8 m b i t 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 天津大学硕士学位论文 第二章数字电视码流传输标准及传输网络 广播数字电视系统所采用。我国也选用了d v b s 标准。 3 d v b c ( e t s3 0 04 2 9 ) 为欧洲有线电视广播系统标准。它具有1 6 q a m 、 3 2 q a m 、6 4q a m ( 正交调幅) 三种调制方式，工作频率在1 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3 8 0 1 5 m b i t s ，可用于多套节目的复用。 系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要有线电视机项盒。 2 1 2 美国数字电视传输标准a t s c 美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，美国在发展高 清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数字高清 晰度电视为基础的标准a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ，即先进电 视制式委员会) 。美国h d t v 地面广播频道的带宽为6 m h z ，调制采用8 - v s b 。 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，确定图像的格式，包括像素阵列、幅型比和帧频。接着图像压缩层， 采用m p e g 2 压缩标准。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 系统层标准。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z e n i t h 公司开发的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 i t 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 i t s 的传 输速率。下面两层共同承担普通数据的传输；还确定a t s c 标准支持的具体图像 格式，共有1 8 种( h d t v 6 种，s d t v l 2 种) ，其中1 4 种采用逐行扫描方式。在 6 种h d t v 格式中，因为1 9 2 0 1 0 8 0 格式不适合在6 m h z 信道内以6 0 帧秒的速 度进行逐行扫描，故以隔行扫描取代之。s d t v 的6 4 0 * 4 8 0 图像格式与计算机的 v g a 格式相同，保证了与计算机的适用性。在1 2 种s d t v 格式中，有9 种采用 逐行扫描，保留3 种为隔行扫描方式以适应现有的视频系统。另外，a t s c 还开 发并通过了可为采用5 0 h z 帧频的国家使用的另行标准。其h d t v 格式的像素阵 列相同，但帧频为2 5 h z 和5 0 h z ；s d t v 格式的垂直分辨率为5 7 6 行，水平分辨 率则不同；也包含3 5 2 * 2 8 8 格式，适应必要的窗口设置。 2 1 3 日本数字电视传输标准i s d b 日本数字电视首先考虑的是卫星信道，采用q p s k 调制，并在1 9 9 9 年颁布 了数字电视的标准i s d b 。i s d b 是日本的d b e o ( d i g i t a lb r o a d c a s t i n ge x p e r t s g r o u p ，即数字广播专家组) 制定的数字广播系统标准，它利用一种标准化的复 用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号，同时已经复用的信号 也可以通过各种不同的传输信道发送出去。i s d b 具有容软性、扩展性、共通性 天津大学硕士学位论文第二章数字电视码流传输标准及传输网络 等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其他数据业务。 2 2 中国数字电视传输标准 2 0 0 6 年8 月1 8 日，国家标准化管理委员会批准了中国数字电视地面广播传 输标准( g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) d t m b ，并提出2 0 0 7 年8 月开始强制性实施。2 0 0 6 年 l o 月2 4 日，中国国家广播电影电视总局正式颁布了我国移动多媒体广播行业标 准c m m b 。这两个标准的颁布和实施，标志着中国的广播电视数字化进入了一 个崭新的时代【7 】。 2 2 1 中国地面数字电视传输标准d t m b 2 0 0 6 年8 月3 0 日，国家标准化管理委员会正式公布具有自主知识产权的中 国数字电视地面广播标准_ g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 数字电视地面广播传输系统帧结 构、信道编码和调制成为强制性的国家标准。 d t m b 不仅支持传统电视广播服务的基本功能，而且还具有适应广播电视 服务的可扩展功能。数字电视地面广播传输系统支持固定( 含室内、外) 接收和 移动接收两种模式。在固定接收模式下，可以提供标准清晰度数字电视业务、高 清晰度电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播和数据服务业务；在移动接收 模式下，可以提供标准清晰度数字电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播和 数据服务业务1 8 1 。 d t m b 具有我国自主创新的特点，能提高系统性能的主要关键技术有：能 实现快速同步和高效信道估计与均衡的p n 序列帧头设计和符号保护间隔填充方 法、低密度奇偶校验码( l d p c ) 、系统信息的扩频传输方法等。支持4 8 1 3 m b i t s - - - , 3 2 4 8 6 m b i t s 的系统净荷传输数据率。 d t m b 具有多项鲜明特点和优势，具体如下： 1 大容量： 能够提供更高的数据传输带宽，一个8 m 数字电视频道内可传6 1 5 套标清 或1 2 套高清电视节目； 2 高性能： 传输质量好，可很好地解决各种干扰和高速接收问题，可达到与有线电视同 样的收视效果： 3 兼容性强： 适合我国国情，与现有模拟电视广播系统兼容，建网成本低、组网快，可以 利用现有的微波链路、高山发射站、模拟发射机和闲置的频率( 邻频) ； 天津大学硕士学位论文第二章数字电视码流传输标准及传输网络 4 一发三收： 在同一平台上支持固定、便携、移动和手持接收设备； 5 可扩展性： 融合无线通信技术，使系统能实现双向多媒体服务，具有进一步发展的潜力。 2 2 2 中国移动多媒体广播c m m b 2 0 0 6 年l o 月2 4 日，国家广电总局正式颁布了中国移动多媒体广播( 俗称手 机电视) 行业标准，确定采用我国自主研发的移动多媒体广播行业标准。c m m b 规定了在广播业务频率范围内，移动多媒体广播系统广播信道传输信号的帧结 构、信道编码和调制，该标准适用于3 0 m h z 到3 0 0 0 m h z 频率范围内的广播业务 频率，通过卫星或地面无线发射电视、广播、数据信息等多媒体信号的广播系统， 可以实现全国漫游1 9 】。 c m m b 的主要特点如下： 1 提供数字广播电视节目、综合信息和紧急广播服务，实现卫星传输与地面 网络相结合的无缝协同覆盖，支持公共服务； 2 支持手机、p d a 、m p 3 、m p 4 、数码相机、笔记本电脑以及在汽车、火车、 轮船、飞机上的小型接收终端，接收视频、音频、数据等多媒体业务； 3 采用具有自主知识产权的移动多媒体广播电视技术，系统可运营、可维护、 可管理，具备广播式、双向式服务功能，可根据运营要求逐步扩展； 4 支持中央和地方相结合的运营体系，具备加密授权控制管理体系，支持统 一标准和统一运营，支持用户全国漫游； 5 系统安全可靠，具有安全防范能力，具有良好的可扩展性，能够适应移动多 媒体广播电视技术和业务的发展要求。 c m m b 相比其它标准的优势如下： 1 c m m b 借助卫星通信填皂极好地解决移动终端( 手机电视) 信号流畅的问 题； 2 c m m b 由国家广电总局管理，其负责的电影，电视，广播载体，具有丰富的电 视内容资源，c m m b 也是2 0 0 8 年奥运会新媒体的直播载体； 3 收费低廉，c m m b 兼顾国家媒体信息发布功能。 2 3 有线电视传输网络 一个有线数字电视广播系统的基本框图如图2 - l 所示。从演播室出来的数字 电视节目信号经过信源编码、系统复用以后形成数字电视码流，码流经过信道编 天津大学硕士学位论文第二章数字电视码流传输标准及传输网络 码、数字调制、频分复用以后，形成5 0 9 0 0 m h z 的频带信号在同轴电缆中传输， 数字电视接接收设备接收到数字电视信号后经过相反的过程，形成电视节目。 数字c a t v 用户 图2 - 1 有线数字电视广播系统的基本框图 由上图可见，在发送端，数字电视节目源( 主要由视频、音频等数据组成) 先经过信源编码处理，得到压缩编码后的视频、音频码流，复用成数字电视码流； 随后进行信道编码，这里需要辅助数据与控制数据的支持，信道编码的主要作用 是实现检错、纠错功能，以提高数字电视信号传输的抗干扰能力，使之适应信道 传输特性；然后再进行高效的数字调制以实现频谱搬移，同时进行频分复用，以 最大限度地传输最多的节目；最后送入传输信道，传输途径为有线电视广播方式。 在接收端，信号处理过程与发送端恰好相反。先进行高效的数字载波解调， 然后进行信道解码，以还原出数字电视视频、音频节目信息，最后送入数字电视 显示设备将图像和伴音等高品质的视听信息呈现给数字电视用户。 2 3 1 信号接口类型 在有线数字电视网中，主要的信号接口有a s i 接口和r f 接口。 a s i 是a s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e ( 异步串行接口) 的缩写，是数字电视 系统传送基带t s 流最常用的接口规范。它只需要一根同轴电缆线即可传输，具 有连线简单，传输距离远的优点。 a s i 传输流支持不同的数据速率，可以发送和接收不同码率的数字电视码 流，但传输必须速率恒定，为2 7 0 m b p s 。a s i 传输系统为分层结构，第2 层使用 m p e g 2 标准系统层部分( i s o i e c1 3 8 18 一1 ) ，第0 层和第1 层是基于l s o i e cc d 1 4 1 6 5 1 的f c ( f i b r ec h a n n e l ，纤维信道) 。f c 支持多种物理传输媒介，本设备 选用同轴电缆传输。图2 - 2 是基于同轴电缆的a s i 传输系统框图。 天津大学硕士学位论文第二章数字电视码流传输标准及传输网络 瀚h 鬻h 鬟h 糕h 黼h 解码h 删除h 转换r _ 1 缓冲器r 1 抗匹配h 连接器 图2 - 2a s i 传输系统框图 对于发