（信号与信息处理专业论文）基于mpeg2的e1接口开发.pdf

中文摘要 m p e g 2 是目前应用最广泛的一种编码技术，主要用于语音，图像数据传输。 由于m p e g 2 具有可分级特性，使采用m p e g 2 编码的数字电视广播系统能同时 覆盖接收条件好的和接收条件差的地区，并且抗干扰能力很强。但目前大多数 m p e g 2 编码器没有e 1 接口，而我国的e 1 资源非常丰富；因此如果采用e 1 线路 传输m p e g 2 信号，将大大扩展m p e g 2 在各领域的应用。 本文通过对m p e g 一2 和e 1 的特性进行深入的分析，研究基于m p e g 2 的e 1 接口设计，最后设计出这套接口，包括传输端接口和接收端接口两部 分。传输端接收来自m p e g 2 编码器的音视频数据和来自外界的控制信号， 利用e p i k 5 0f p g a 对这些信号进行按时隙顺序排列，输出串行数据，使用 专用的d s 2 1 5 5e 1 收发器芯片对这个串行数据进行e l 成帧，h d b 3 编码， a i d 变换等处理，最后输出e 1 信号；接收端接收此e l 信号，将其恢复为原 来的m p e g 2 数据和控制信号格式输出；从而实现了m p e g 2 音频、视频数 据流同e 1 数据流之间的双向通信。可以满足包括卫星通信、光纤通信在内 的多种通信要求。 关键词：m p e g 2 ，e 1 ，接口，传输端，接收端，f p g a ，d s 2 1 5 5 ，v h d l 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，m p e g 2 h a sb e c o m et h em o s t p r e v a l e n tc o d i n gt e c h n i q u e ，w h i c h i s m a i n l yu s e d f o r 廿1 et r a n s m i s s i o no f s p e e c hd a t aa n d v i e w d a t a d u et ot h ec l a s s i f i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fm p e g 2 ，t h ed i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s ts y s t e m sw h i c ha d o p tm p e g 2 c a r lc o v e rb o t ha r e ah a sf i n er e c e i v i n gc o n d i t i o na n da r e ah a sp o o rr e c e i v i n gc o n d i t i o n a tt h es b i d et i m e ，t h e ya l s oh a v e s t r o n g i n t e r f e r e n c ek i l l i n gf e a t u r e h o w e v e r ，i n c o n t r a s tt ot h ea b u n d a n te 1r e s o u r c e so fo u rc o u n t r y ，t h e r ea r ef e wm p e g 2e n c o d e r s h a v ee 1i n t e r f a c ec u r r e n t l y t h e r e f o r e i f m o s tm p e g 2e n c o d e r sh a v ee 1i n t e r f a c ef o r t r a n s m i s s i o n ，i tw i l lg r e a t l ye x p a n d t h ea p p l i c a t i o no f m p e g 2 t h i st h e s i sd e e p l ya n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f m p e g 2a n de 1 ，d e s i g n st h ee 1 i n t e r f a c e sb a s e do nm p e g 2 ，i n c l u d et h et r a n s m i ts i d ei n t e r f a c ea n dr e c e i v es i d e i n t e r f a c e t h et r a n s m i ts i d ei n t e r f a c er e c e i v e st h ed a t a sf r o mm p e ( 挖e n c o d e r sa n d c o n t r o ls i g n a l sf r o mo t h e rs i d e s , t h r o u g ht h ep r o c e s s i n go f t h ee p l k 5 0f p g a ，t h e s e d a t a sa n ds i g n a l sc o m b i n et ob e c o m eas e r i a ld a t a , t h ed s 2 15 5s i n g l e - c h i pt r a n s c e i v e r c o n v e r t sm es e r i a ld a t ai n t oe lw a v e f o r r r l t h er e c e i v es i d ei n t e r f a c er e c e i v e st h ee l w a v e f o r m ，a n d c o n v e a si ti n t op a r a l l e ld a t a s t h u st h e s et w oi n t e r f a c e sa c c o m p l i s ht h e b i d i r e c t i o nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm p e g 2d a t a ss t r e a ma n de 1d a t a ss t r e a m t h e y c a l lb eu s e df o rs a t e l l i t ec o l m n u n i c a t i o n ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，e t c k e y w o r d s ：m p e g 2 ，e 1 ，i n t e r f a c e ，t r a n s m i ts i d e ，r e c e i v es i d e ，f p g a ，d s 2 1 5 5 v h d l i l 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 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得电子科技大学或其它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谢意。 签名：罗予 日期：扣口，年万月? 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：呈童导师签名：烂霪签名：兰立导师签名：塔三笸 日期：加o f 年石月7 日 电子科技大学硕士论文 1 1 研究背景 第一章引言 在现阶段，数字化技术得到了广泛的应用，在通信领域是大量采用数字信号 传输，特别是图像和声音信号。与模拟信号相比，数字信号有很多有点，但数据 量非常大，因此为了提高传输效率，一般将数字化的信源信号先进行压缩编码， 从数字视频信号中移去自然存在的冗余度，尽量减少语音和图像各符号的相关 性，提高信号的传输效率。常用的信号压缩编码方法有预测编码，变换编码，统 计编码三种。 m p e g 2 是当今最为流行的a v 压缩标准，可用于视频、音频和数字信息存 储。完整的m p e g 2 标准可满足s t b 等广播应用和d v d 或d - v h s 等多媒体应 用。m p e g 2 并非对m p e g 2 编码器进行标准化，而是为经过m p e g 2 编码的位 流提供一种标准化格式，另一方面，它也为m p e g 2 解码器提供了一个标准模式。 e 1 是国际上通用的一种p c m 标准，采用a 律编码规则。由于采用了3 0 3 2 帧制式，每帧长度为2 5 6 码元，是2 的整数倍，因此实现上非常方便。而且e 1 是时分复用信号，所以系统对非线性失真的要求也不高。另外，e 1 还支持数字 复接技术，从而能够传输更高速率的数字信号。因此，e 1 得到了广泛的采用， 我国也使用e 1 标准。 m p e g 2 信源编码器是目前研究的一个热门，它是信息技术、多媒体技术和 高清晰度数字电视发展的结果，也是人类生活水平发展迄今的需要。此项技术的 采用与推广将促进我国信息化的发展，它与电视机从模拟到数字高清晰的技术革 命同步实施，其意义十分重大。随着有线数字电视和卫星直播电视的发展普及， 将会有更多的节目需要数字化和编码：同时在可视化通讯和远程监控等领域的市 场需求也十分大。 对m p e g 2 信源编码器来说，采用电信e 1 接口是目前的一个发展方向。这 是因为我国具有丰富的e 1 资源。采用e 1 设备传输m p e g 2 信号，可以大大扩展 其在各个领域的应用。 基于m p e g 2 的e 1 接口的应用范围非常广泛，可用于视频监控系统，视频 会议等实时业务，还可以为电视用户传输v c d 质量标准的电视节目。 电子科技大学硕士论文 1 2 研究的目的和主要任务 e 1m p e g 2 系统是一个完整的独立的系统，既可以独立工作，也可以嵌入到 其他数字视频系统作为其一部分。它可以处理各种模拟和音频信号。 e 1m p e g 2 系统包括四个组成部分：m p e g 2 信源编码器，e 1 输出接口，e 1 输入接口和m p e g 2 解码器。本文设计了这样一个系统，其中e 1 接口是本人设 计的重点，在本文中将作重点介绍。 本人完成的主要任务是： 1 确定e 1 接口的主要参数并选择合适的器件。 2 根据确定的参数绘出e 1 接口的原理图和p c b 图，再制作出电路板。 3 研究m p e g 2 的帧格式，输入信号的特性。再根据这些特性确定f p g a 的处理算法，用v h d l 编程实现这些信号的处理。 4 利用c 5 1 单片机对d s 2 1 5 5e 1 专用收发芯片进行配置，完成e 1 与串行 n r z 数据之间的转换。 5 完成了接口设计后，再对系统进行测试，参数调整，使其能正常工作。 1 3 本设计的技术难点和创新 不依赖外部的包同步输入，系统可以自己寻找包同步( 帧头) 是本设计 的一个创新；但如何寻找包同步是一个难点。 f p g a 里的异步f i f o 地址采用格雷码编码方式，避免了因多位地址各 位变化时间不同而造成的错误地址采样值。 采用i b o 传输方式，这样可以使用8 1 9 2 m 时钟传输2 0 4 8 m 的e 1 数据， 这样可以很方便的提高传输速率或实现多路复用。 d s 2 1 5 5 的寄存器配置是本设计的一个难点。 1 4 论文章节安排 本文第一章首先介绍了课题背景、目的及主要任务。第二章介绍了信源 m p e g 2 编码器和解码器。第三章列出了e 1 接口的具体设计指标，确定了硬件 电子科技大学硕士论文 设计方案，并给出了详细的电路图。第四章对接口硬件中的f p g a 进行分析，确 定工作算法，再利用v h d l 编程实现这些算法，并给出其v h d l 仿真结果。第 五章对e l 专用成帧芯片d s 2 1 5 5 进行研究，确定其工作方式，并用c 5 1 单片机 对相应的寄存器进行配置，实现正常工作。第六章对e 1 接口进行测试，验证其 能否正常工作，并根据实验结果对样板进行修改，最终确定成品的方案。第七章 对本文所做的工作进行一个全面的总结。最后是本文所引用的参考文献和附录。 另外，本文的e 1 接口分为传输端接口和接收端接口两部分，他们硬件结构 相同，功能对称，主要区别在f p g a 的v h d l 程序上。在第三和第四章主要介 绍的是传输端接口( 仅在第四章最后一节简单介绍了接收端接口的f p g a 设计) 。 第五章的d s 2 1 5 5 设计则是两部分接口通用，只有很小的差别。 电子科技大学硕士论文 第二章m p e 6 2 编解码器 m p e g 2 编码器的主要作用是将输入信号( 包括音频和视频) 进行m p e g 2 编码，对于输入的模拟信号，首先要对其进行a i d 变换，将它变成数字信号， 再进行m p e g 2 编码；对输入数字信号，则只需要进行m p e g 2 编码。m p e g 2 编码器输入信号较多，其中视频信号有c v b s ，s d i ；音频信号有模拟音频信号 a u d i o l ，r 和数字音频信号a n l o g ；还有音视频混合信号s - v i d e o 。每种信号 的处理方法是不同的，需要同时对音频、视频、控制信号进行复用处理。 m p e g 2 解码器的处理过程和编码器正好相反，不过由于输入信号是已经经 过标准处理的，因此解码器的设计比编码器简单。 2 1 有关h p e g 2 的概述 2 1 1 概述 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、 视频或其他的基本数据流合成为单个或多个数据流，以适应于存储和传送。按照 该说明中的句法和语法进行系统编码，可以在一个很宽的恢复和接收条件下进行 同步译码。 系统编码可有两种方法：传送流和程序流，分别适用于不同的应用。m p e g 2 标准中定义的传送流和程序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、视频信息，同时确保译码缓冲区既不上溢，也不下溢。根据译码和显 示时使用的编码音频视频数据，以及数据本身的传送情况，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。 单个的音频和视频的原始数据流的基本多路复用方法如图2 - 1 所示，按照 i t u tr e c h 2 6 2ii s o i e c1 3 8 1 8 - 2 和i s o b e c1 3 8 1 8 - 3 标准对视频和音频信号 进行编码压缩后的原始流被组合形成p e s 分组。当p e s 分组形成的时候，使用 该分组所需的与传送流和程序流无关的信息是可被加入的。当p e s 分组加上系 统级信息形成传送流或程序流时信息则是不必要加入的。 程序流和协议i s o i e c1 1 1 7 2 的系统层相似，它是将一个或多个具有相同时 间基点的数据流的p e s 分组合为单个流。 那些原始数据流可以是一个程序的一些独立的非多路复用的数据流，也可以 4 电子科技大学硕士论文 来自不同的程序流，每个程序流对应一个原始流，并具有相同的时间基点，在这 种情况下，各个流中的s c r 域值应保持一致。和单个程序流一样，所有的原始 数据流可以被同步译码。 程序流是针对错误相对较少的环境设计的，适用于像交互式多媒体这样一些 涉及软件处理系统信息的应用。程序流分组是可变的而且相对较长。 传送流将有多个独立时间基点的多道程序合成一个单独的数据流，其中属于 同一道程序的各个原始数据流的p e s 分组具有相同的时间基点。传送流是针对 那些很容易发生错误的环境而设计的，譬如在容易丢失或高噪音的的媒体中存储 和传送。传送流分组长度为1 8 8 字节。 图2 1i t u - tr e e h 2 2 2 0i i s o i e c1 3 8 1 8 - 1 简化的总体框图 程序流和传送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。从一种形式转换为另一种形式是可能的、合理的，然而并不存在子集和超集 的关系。尤其是，从传送流中抽取一道程序的内容并产生有效的程序流是可能的， 只要通过普通的p e s 分组格式变换就行了。但并不是程序流需要的所有域值都 可从传送流中直接获得，有一些必须经过推导，在多层模式中，传送流可能跨过 几层范围，为的是更有效、轻易地实现高带宽的应用。 本系统描述所规定的句法和语义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。 电子科技大学硕士论文 2 1 2 压缩方法的“级”和“类” 现在的m p e g - 2 的压缩方法标准分为六类和四级。具有较大的灵活性，对数 字化视频、音频信号的压缩提出了多个可选的方法和步骤，用于从简单活动图像 到 d t v 的处理。所谓级是指m p e g - 2 的输入格式，从有限清晰的v h s 质量图 像到h d t v 图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。除了在格式方 面提供灵活性之外，m p e g 2 还有不同的处理方法，称为类。每一类都包括压缩 和使用方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。类和级 的组合共有2 4 种，其中已有1 2 种组合是可用的，如表2 1 所示。 弋 简单类主类4 ：2 ：2s n r 可分空间可分高级类 类级类级类 高级 1 9 2 0 x 1 1 5 2 8 0 m b s1 0 0 m b s 1 4 4 0 高级 1 4 4 0 x 1 1 5 2 6 0 m b s6 0 m b s8 0 m b s 主级 7 2 0 x 5 7 6 1 5 m b s1 5 m b s5 0 m b s1 5 m b s2 0 m b s 低级 3 5 2 2 8 8 4 m b s4 m b s 有b 祯有b 祯 无b 祯有b 祯有b 祯有b 祯4 ：2 ：04 ：2 ：0 备注4 ：2 ：04 ：2 ：04 ：2 ：04 ：2 ：0 卧汛可分或 不分级不分级不分级s n r 可分 级，空间4 ：2 ：2 级 可分级s n r 可分 级，空间 可分级 表2 - 1m p e g 2 的类和级中已采用的组合 表中级一栏数字表示4 种图像的清晰度，即亮度有效象素。高级是1 9 2 0 象 素行，1 1 5 2 行祯，低级是3 5 2 象素行，2 8 8 行祯，表中1 2 种组合的数据是指 象素传播速率，即最裔速率是1 0 0 m b l s ，最低速率是4 m b s ，码率越高，图像质量 越好，占用频带也越宽。码率的选用与图像内容有很大关系，运动较多的图像需 要较高的码率，电影和动画片这样的节目所需的码率就要小一些。备注栏的数字 是指图像取样格式，4 ：2 ：0 是指一个宏块包括4 个亮度信息y 块( 1 6 x 1 6 象素) 租两个色度块；若有4 个色度块时，图像格式是4 ：2 ：2 。 信噪l k ( s n r ) 可分级类是指在多层次比特流中，只利用低层次( 量化较粗) 6 电子科技大学硕士论文 比特中的d c t 系数进行二次量化成为较高层次( 量化变细) 的比特流，低比特 率在传输时误码率低，故取名为s n r 可分级类。表中4 ：2 ：2 类是主类的扩展 类，主要用于4 ：2 ：2 编码规则。本文中的编码器采用的是4 ：2 ：0 。 2 1 3 压缩编码分类 m p e g 一2 图像压缩编码的方案可概括为：( 有运动补偿的祯间差值) + ( 8 8 象素的自适应离散余弦变换) + ( 二维变字长编码) ，如图2 2 所示是其图像信 号的编码器框图。 预测( 消 除时间上 的冗余 度) 信号4 ：2 ： 2 或4 ：2 ： 0 视频输入 d c t ( 消 除空间上 的冗余 度) 量化比 例控制一 d c t 系 统量化 数码率控制 可变字 长编码 上瞿蠢 篓岔口 数码率 可变 图2 - 2m p e g - 2 编码器方框图 ( 1 ) 利用运动补偿预测编码方法去掉电视图像信号的时间冗余度信息。在 m p e g 中，将象素组成块，一个宏块包括4 个亮度信息块( 1 6 x 1 6 象素) 和两个色度块( c r 和c b 各一块) ，其图像格式为4 ：2 ：2 或4 ：2 ：0 ， 如图2 3 所示。 如上图所示，一个或几个连续的宏块组合，形成分片图像，再由若干分片图 像组成祯，图像按一定顺序的图像祯又组成图像群。m p e g 定义，每个图像组中 包括三种类型的图像祯，简称i , p , b 祯。i 祯是祯内编码图像，它是为随机进入编 码图像序列提供切入点，每个图像组以一个i 祯开始；p 祯是祯间编码图像，为 前向预测祯，它是从最近的一个祯或l 祯来进行运动补偿预测所产生的图像，其 编码效率较高；b 正是双向预测祯，他是通过同时利用前面和后面的i 祯或p 祯 7 电子科技大学硕士论文 作为基准，进行补偿预测编码得到的，不作为预测的基准。上述三种图像在一个 图像序列中的编排是很灵活的，与实际应用有关。 曰 y 田 c r i 一 ( a ) 4 ：2 ：o m 刖 i ，i - j 图2 - 3 宏块结构 ( 2 ) 利用离散余弦变换( d c t ) 去掉经过运动补偿预测图像差信号中的空间冗 余信息。 ( 3 ) 利用可变长编码技术，对运动矢量和d c f 变换系数进行编码，去掉冗余信 息以达到进一步压缩码率的目的。 本编码器定位为广播级实时信源编码器，输入为模拟音、视频信号，输出为 m p e g 2 的p s t s ，具各a s i 和s p i 两种输出接口。根据这一设计要求，通过对 多种算法和多家公司编码芯片的比较，有以下一些方案可满足需要： a 、采用d s p 和f p g a ，如t i 的t m s 3 2 0 c 6 x ，自行设计m p e g 2 编码算法 b 、采用专用编码芯片，如c c u b e 的d v x c e l 系列，自行设计m p e g 2 编码算 法 c 、采用专用专用编码芯片，并由芯片供应商提供成熟的和不断完善的m p e g 2 编码算法 电子科技大学硕士论文 另外，综合考虑产品的性能价格比、器件的采购渠道、开发的设备工具需求、 生产加工和测试检测的工艺及设备要求等方面，我们采用富士通公司的 m b 8 6 3 9 0 单片编码方案。该方案可提供包括音频编码、视频编码和音视频码流 复接在内的全套解决方案，由内嵌3 2 位r i s cc p u 处理编码算法和外围芯片运 行控制，并提供外部控制主机接口。控制程序和算法的代码存放在片外的f l a s h 内，可以方便地升级更新。m p e g 2 信源编码器的设计框图如图2 - 4 所示。 现在详细介绍其主要功能模块的实现方案。 ( 1 ) 模拟视频解码 其作用是把输入的复合视频信号( c s ) 或亮色分量视频信号( s - v e d l 0 ) 进行解码，输出4 ：2 ：0 的色差分量信号，提供编码所需的原始数据。根据m b 8 6 3 9 0 的特点和本编码器的指标要求，我们采用美国德州仪器( t i ) 的t v p 5 1 4 5 p 5 p u l 芯片作视频模拟解码器，它可以提供2 路c v b s 和1 路s - v e d i o 信号解码，支 持p a l 、n t s c 等制式，采用i i c 总线控制，内部包含2 路1 0 b i t a d c 和3 线梳 状滤波器。 图2 - 4 编码器设计框图 ( 2 ) 模拟音频解码 音频信号的采样数据必须和视频信号数据同步，这里采用带有可编程p l l 的d a c 提供多种采样率、并与主时钟完全同步的采样时钟。a d c 芯片本系统采 9 电子科技大学硕士论文 用b u r r b r o w n 公司的p c m l 8 0 0 e 。该芯片是双声道单片a e 型2 0 位a d c ， 单+ 5 v 电源供电，信噪比为9 5 d b ( 典型值) ，动态范围9 5 d b ( 典型值) ，内嵌高 通滤波器，支持四种接口方式和四种数据格式。同时支持多种采样率和多种采样 时钟其采样频率为3 2 k h z 、4 4 1 k h z 和4 8 k h z 可选。 ( 3 ) 输出接口 本编码器采用s p i 和a s i 两种输出口。s p i ( 同步并行接口) 符合标准要求， 采用l v d s 器件驱动和d b 2 5 插孔连接器，由d d s 产生随传输速率改变的同步 时钟；a s i ( 异步串行接口) 采用b n c 接口，并提供2 路输出，由c y 7 8 9 2 3 进 行8 b 1 0 b 编码、同步字插入和并串转换，经过线包耦合输出。 m p e g 2 解码器选取了富士通公司最新的单片解码方案，采用专用解码芯片 m b 8 7 l 2 2 5 0 ，该单片接收机方案技术体系结构合理，单片m p e g - 2 解码芯片集 成度高，且内嵌3 2 位r i s cc p u 。软件开发环境也较完善，能加快产品的研制 进度。该技术方案可以广泛应用于各种功能的机顶盒。 该解码器的组成框图如下： 一： e o s 口，t 吐站) i+ l 黜。f 卜恻卜 地型叫p o r t 引 i k f e g 卜 _ j 。l l i f l 8 d r a m 卜一 - 4 1 8 i m “h z “) 。 + l 。；戮ef l a s h 卜屯u 竖旦_ 叫l 竺叫 lc e e i 固+ i l ! ! 登! 堡r _ 。 p 医匿 卜 周 il ! 业! 型 i i 卜 i l h 6 一c l 盏卜 m b 8 7 l 2 2 5 0 l - _ 卜“7 图2 - 5 解码器组成框图 该方案有如下技术特征： 1 单片m p e g 2 解码器能支持m p m l 解码； 1 0 电子科技大学硕士论文 2 单片m p e g - 2 解码器能输出视频和音频码流； 3 具有内嵌3 2 b i t r i s cc p u ： 4 具有d v b 兼容的t s 流解复接，因此可用于数字电视接收机； 5 只需一片1 6 m b i t s d r a m 来完成m p e g - 2 解码、o s d 和系统数据的存储 6 有双i c 卡接口； 7 通过1 2 c 总线控制相关芯片： 8 有较好的介面开发软件，支持1 6 2 5 6 种颜色： 9 采用一体化的调谐解调器； 1 0 支持符号率范围3 6 7 m b u a d s 。 第三章e 1 接口参数和电路设计方案 在对e 1 接口电路进行具体的软硬件设计之前，首先要确定其工作参数，然 后才能根据工作参数对接口电路进行设计。本章在确定了e 1 接口工作参数的基 础上详细介绍了它的电路设计。 3 1 e 1 概述 e 1 是一种通用的p c m 传输标准，采用a 律p c m 编码格式，码形为 h d b 3 a m i 码。e l 的传输速率为2 0 4 8 m b p s 。e l 帧的传输速率为8 k s ，一个帧 长度为2 5 6 个b i t ，分为3 2 个时隙，一个时隙占用8 个b i t 。e 1 可以使用g 7 0 3 非平衡的7 5 q ，平衡的1 2 0 0 两种接口。 3 1 1e 1 帧结构 e 1 分为有成帧，成复帧与不成帧三种方式，在成帧的e l 中第0 时隙用于传 输帧同步数据，其余3 1 个时隙可以用于传输有效数据；在成复帧的e 1 中，除 了第0 时隙外，第1 6 时隙是用于传输信令的，只有第1 到1 5 ，第1 7 到第3 1 共 3 0 个时隙可用于传输有效数据；而在不成帧的e 1 中，所有3 2 个时隙都可用于 传输有效数据。 3 1 2e 1 信道的帧结构简述 在e 1 信道中，8 b i t 组成一个时隙( t s ) ，由3 2 个时隙组成了一个帧( f ) ， 1 6 个帧组成一个复帧( m f ) 。在一个帧中，t s 0 主要用于传送帧定位信号( f a s ) 、 c r c 一4 ( 循环冗余校验) 和对端告警指示，t s l 6 主要传送随路信令( c a s ) 、复 帧定位信号和复帧对端告警指示，t s l 至t s l 5 和t s l 7 至t s 3 1 共3 0 个时隙传 送话音或数据等信息。我们称t s l 至t s l 5 和t s l 7 至t s 3 1 为“净荷”，t s 0 和 t s l 6 为“开销”。如果采用带外公共信道信令( c c s ) ，t s l 6 就失去了传送信令 的用途，该时隙也可用来传送信息信号，这时帧结构的净荷为t s l 至t s 3 l ，开 销只有t s 0 了。 3 1 3e 1 的时隙 e 1 采用p c m 编码，共分3 2 个时隙t s 0 一t s 3 1 。每个时隙为6 4 k ，其中t s 0 为帧同步码，用于帧定位，偶帧定位码组的内容为s i 0 0 1 1 0 1 1 ，其中s i 是保留给 电子科技大学硕士论文 国际用，目前为1 ；奇帧定位码组的内容为s i l a s a 4 8 ，其中a 是帧对告码， s a 则保留给国内使用。若系统运用了c r c 校验，则s i 比特位置改传c r c 校验 码。t s l 6 为信令时隙，当使用到信令( 共路信令或随路信令) 时，该时隙用来传 输信令，用户不可用来传输数据。所以2 0 4 8 m 的p c m 码型有 ( 1 ) p c m 3 0 ：p c m 3 0 用户可用时隙为3 0 个，t s l t s l 5 ，t s l 7 t s 3 1 。t s l 6 传送信令，无c r c 校验。 ( 2 ) p c m 3 1 ：p c m 3 0 用户可用时隙为3 1 个， 不传送信令，无c r c 校验。 ( 3 ) p c m 3 0 c ：p c m 3 0 用户可用时隙为3 0 个， 传送信令，有c r c 校验。 ( 4 ) p c m 3 1 c ：p c m 3 0 用户可用时隙为3 1 个， 不传送信令，有c r c 校验。 t s l - t s l 5 ，t s l 6 一t s 3 1 。t s l 6 t s l - t s l 5 ，t s l 7 - t s 3 1 。t s l 6 t s l - t s l 5 t s l 6 一t s 3 1 。t s l 6 此外，e 1 还支持高速复用。对于常用的n 6 4 k b p s ( c a s 时n = i 至3 0 ： c c s 时n 2 1 至3 1 ) ，如6 4 、1 2 8 、1 9 2 、2 5 6 、3 8 4 、5 1 2 、7 6 8 、1 1 ) 2 4 k b p s 等的高 速数据，可以使其占用e 1 电路中的n 个时隙，很方便地复用到e 1 线路上去。 这种方式也被称为c e l 。 3 2e 1 接口电路的接口参数 本项目的设计任务是使用f p g a 器件完成双向数据接口的处理，并对e 1 成 帧器进行控制，为此确定以下技术参数。 3 2 1 e 1 收发接口参数 上一节简要介绍了e 1 的特点，根据这些特性和项目的实际要求，就可以确 定e 1 接口的参数。 ( 1 ) 帧结构采用成复帧方式，这样可以省去外带的公共信令信道，这样t s l 6 就成了专门的信令时隙；虽然传输有效数据的时隙减少了，但也足够使用了。 因此传输速率为2 0 4 8 k b p s ，容量为3 0 b ，信令方式为c a s 。 ( 2 ) n y 降低误码率，采用c r c 校验，s i 比特传c r c 校验码。所以最终的 p c m 码形为p c m 3 1 c 。 ( 3 ) 按照e l 的要求，线路码型为h d b 3 码。 ( 4 ) 接口方式为g 7 0 3 非平衡7 5 f 2 接口，b n c 插座。 电子科技大学硕士论文 3 2 2 音、视频数据接口参数 在本设计中，音频信号是模拟信号，根据人耳的听觉特征，选择其有效传 输带宽为3 0 0 h z 3 4 0 0 h z ；要求其音频脉冲编码调制特性符合g b 7 6 1 0 的要求； 音频信号采用四线r j l 2 接口，标称阻抗为6 0 0 q 。 视频数据采用8 b i t 并行接口( 其中包含同步时钟和包同步) ，r r l 电平：编 码速率约等于1 7 2 8 k b p s ( 2 7 b ) 。数据的编码方式是常用的m p e g 2 编码方式。 数据类型数量占用时隙数据格式 视频 1t s 4 t s l 5 、t s l 7 t s 3 1母e g 2 话音 1t s l p c m 编码 控制 1t s l 6h d l c 透明数据 2 t s 2 和t s 3 ( 每接口1 个时隙)v 2 4 ( 全透明) 表3 - 1 数据传输时隙分配 2 7 m i - i z 时钟 - 。8 1 9 2 m h z 时钟 剧瓣铲卜 数据信le 1 成- 懈帧 号处理 i 咂圈 - ( f p g a ) e l 线路接口 咂至口 ， e l 信号 图3 - 1e 1 接口的组成框图 3 2 3 异步通信接口参数 在e 1 接口中，安排了两个异步通信接1 ：3 ，用于传输透明数据；一个是r s 2 3 2 另一个是r s 4 8 5 。r s 2 3 2 采用r j l 2 接口，r s 4 8 5 采用r j 4 5 接口。它们均采用 异步数据接口协议，而且传输速率都是6 4 k b p s 。 电子科技大学硕士论文 3 ，3 器件的选择 确定了技术参数，就可以选择相应的器件。在本e 1 接口的硬件设计中，将 以f p g a 为核心，f p g a 的作用是将多种信号合成，成为一个串行的n r z 码信 号，再将其输出到e 1 成帧芯片上进行e 1 成帧，e 1 芯片选用d e l l a s 公司的d s 2 1 5 5 芯片，d s 2 1 5 5 本身不具备自主控制能力，因此，还要在连接一片c 5 1 单片机来 对d s 2 1 5 5 进行控制。同时c 5 1 也对f p g a 进行一些辅助。输入的音频信号是 模拟信号，不能直接送入f p g a 处理，首先要对其进行a d 变换，将其转化为 数字信号，再传人f p g a 进行处理：所阻就要选择一个音频处理器，这里使用 m c l 4 5 5 0 3 作为音频模拟信号处理芯片。另外，r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 数据的电平都是 c m o s 电平，需要专门的芯片对它们进行c m o s 到r i l 的转换，才能传给f p g a 。 3 3 1 f p g a 选择 f p g a 选用a l t e r a 公司的e p i k 5 0 q c 2 0 8 ，3 ，属于a c e x 系列的f p g a ， 逻辑单元数量为2 8 8 0 ，有1 0 个4 k b i t 的嵌入式r a m 。e p l k 5 0 q c 2 0 8 3 共有2 0 8 个引脚，在本方案中使用2 7 m h z 基准时钟和8 1 9 2 m h z 的系统时钟，关于其详 细设计方案将会在下一章专门介绍。 3 3 2d s 2 1 5 5 d s 2 1 5 5 是d a l l o s 公司出品的一种e 1 收发器。d s 2 1 5 5 可以通过软件配置 为t 1 、e 1 ，或儿工作方式单片收发器( s c t ) ，适合短程或长程应用。d s 2 1 5 5 由线路接口单元( l i u ) 、成帧器、i - i d l c 控制器，以及t d m 背板接口组成，并 可通过一个可配置为i n t e l 或m o t o r o l a 总线模式的8 位并行端口进行控制。 d s 2 1 5 5 引脚和软件均兼容于d s 2 1 5 6 。 l i u 由发送接口、接收接口和抖动抑制器组成。发送接口根据所使用的传输 介质类型产生符合规定的波形，并以适当的源阻抗驱动网络。t 1 波形发生电路 包括- 7 5 d b 、- 1 5 d b 或一2 2 5 d b 的d s x - 1 和c s u 线路补偿。e 1 波形发生电路为 7 5 n 同轴线或1 2 0 n 双绞线电缆提供g 7 0 3 波形成形。接收接口提供网络端接， 并从网络中恢复时钟和数据。 3 3 2 1d s 2 1 5 5 的特性 完整的t 1 ( d s l 姐s d n p r i j 1 收发器功能 完整的e 1 ( c e p t ) p c m 一3 0 i s d n p r i 收发器功能 长程和短程线路接口用于时钟数据恢复与波形成形 c m i 编码解码用于光舾 电子科技大学硕士论文 无晶振抖动抑制器 完全独立的发送与接收功能 双h d l c 控制器 可编程b e r t 发生器与检测器 软件可选的内部接收和发送端接电阻，适用于7 5 n 1 0 0 n 1 2 0 nt 1 与 e l 接口 两个双帧弹性缓存滑动缓冲器，允许连接至速率高达1 6 3 8 4 m h z 的异 步背板 由恢复后的网络时钟合成的1 6 3 8 4 m h z 、8 1 9 2 m h z 、4 0 9 6 m h z 或 2 0 4 8 m h z 时钟输出。 3 3 2 2d s 2 1 5 5 的线路接口 为e 1 和t 1 操作仅提供一个2 0 4 8m h z 主时钟( 在t 1 使用1 5 4 4 m h z 的操 作选项下) 完全软件可配置 短拉和长拉应用程序 自动接受灵敏度调整 o 到4 3 皿或o 到1 2 d b 的e 1 应用程序和0 到1 3 衄或0 至l j 3 6 d b 的t 1 应用程序 4 2 5 d b 到2 5 d b 的接收电平以2 5 d b 为一级 用于7 5 ，1 0 0 ，和1 2 0 线的内部的传送终止选项 监视器的申请增益设定为2 0 d b , 2 6 d b ：羽3 2 d b g 7 0 3 接收同步信号模式 灵活的传输波形形式 t 1 d s x - 1 ( 分布式系统执行程序) 线路外附。 - 7 s d b ，- 1 5 r i b ，和_ 2 2 5 d b 的t 1c s u ( 信道服务单元) 线路外附。 e 1 波形包括用于7 5 同轴电缆和1 2 0 扭绞电缆的g 7 0 3 波形 高级指令系统产生不依赖反馈 交互的“0 ”，“1 ”生成 方波输出 开放的漏级输出选项 n r z ( 不规零) 格式选项 发射机功率下降 电子科技大学硕士论文 一旦电流超过标准，则发射机5 0 m a 短路限制器工作 传送开路检测指示 线接口功能可完全地从成帧器格式器分离 3 3 2 3 成帧器格式器 完全独立传输和接收 全部接收和传输路径透明 t l 成祯格式包括d 4 ( s l c 9 6 ) 和e s f 详细的警报和状态报告伴随可选择的中断支持 大路径和线路错误计数器，可记录： + t i ：b p v ，c v ，c r c 6 和祯b i t 错误 + e l ：b p v ，c v ，c r c 4 , e - - b i t 和祯定位错误 计时或手册更新模快 在传输和接收路径中，d s l 闲码产生在每个信道基线上。 a n s it 1 4 0 3 - 1 9 9 8 支持 r a i c i 检测和产生 a i s c i 检测和产生 e 1 e t s 3 0 0 0 1 1 跏产生 g 9 6 5v 5 2 链路检测 能检测一个d s 0 信道的传输和接收路径 带内重复码形产生器和检测器 t 三个独立的产生器和检测器 + 码形为1 - - 8 或1 1 6 b i t 长 r c l ，r l o s ，r r a 和r a i s 警报中断状态变化 灵活的信号支持软件或硬件基于 + 中断在信令数据的变化上产生 + 接收信令固定于同步损耗，载波损耗，祯滑动 附加的硬件引脚用于指出载波损耗，信令固定 自动r a i 产生e t s3 0 00 1 1 规格 有权访问s a 和s i 位 可扩展载波损耗标准至1 l m s 周期。 支持日本j 1 电子科技大学硕士论文 + 能根据日本标准计算和检查c r c 6 + 能根据日本标准产生黄色警报 3 3 2 5h d l c 控制器 二个独立的皿l c 控制器 f i f o s 有快速的负荷和卸载特征 s s 7 支持f i s u 传输接收 用于中断支持的独立的1 2 8 位r x 和t x 缓冲 有权访问n l ，s a ，或单一多样的d s 0 信道 d s 0 存取包括n x 6 4 或n x 5 6 与轮询或中断驱动环境兼容 b i t 位代码( b o c ) 支持 3 3 3 模拟音频信号处理芯片 模拟音频信号被送入m c l 4 5 5 0 3 中进行a d 变换，m c l 4 5 5 0 3 是专门用于处 理音频信号的，能将模拟的音频数据转化为数字p c m 码的格式。m c l 4 5 5 0 3 的 引脚按作用的不同可分为数字端引脚，模拟端引脚和电源引脚三种。 3 3 3 1 数字端 v l s ：逻辑电平输入和t t l 数字地；i n p u t v l s 控制逻辑电平并为所有数字输入输出提供数字地参考。这些设备可在来 自满负荷( v s s t o v d d ) 的逻辑电平下操作，也可以在使用v l s 作为数字地的 t t l 逻辑电平下进行操作。如果v l s = v d d ，则所有i o 在c m o s 开