（微电子学与固体电子学专业论文）cmmb移动数字电视接收系统的设计与实现.pdf

呲y 州1 呲7 叭6 帆m 1 帆6 玳6 1 1 0 吣 d es i g na n di m p l e m e n t a t i o no f c m m bm o b i l ed i g i t a lt e l e v is i r e c e i v e rs y s t e m at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y z e n gm i n s u p e r v i s e db y p r o f l us h e n g l i s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a y 2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 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， 也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：望丛日期：2 蝴鲨盈 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 一躲妞名：陋期迸脚 摘要 摘要 中国移动多媒体广播( 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 ，c m m b ) 是国家广电总局正式颁 布的手机电视行业标准，它是国内自主研发的第一套面向手机、p d a 、m p 4 和笔记本电脑等多种移 动终端系统的移动数字电视标准。本论文设计的c m m b 移动数字电视接收系统能够以2 5 帧j 眇的帧 率，实现电视节目稳定流畅的播放。 论文设计了c m m b 移动数字电视接收系统的硬件和软件方案。硬件平台采用三星$ 3 c 6 4 1 0 芯 片作为应用主处理器，c m m b 解调器芯片采用创毅视讯公司的i f l 0 1 ，两者通过s p i 接口实现通信。 软件平台基于w i n d o w sc e6 0 操作系统，c m m b 接收系统软件部分的设计与实现主要分为二个部 分：第一部分，c m m b 解调器驱动层软件的设计与实现，通过解调器驱动，应用程序可以向解调器 发送控制命令和读取c m m b 数据流；第二部分，多媒体流管理层的设计与实现，确定采用微软的 d i r e c t s h o w 架构设计多媒体流管理层，并实现了c m m b 解复用、音频解码和视频解码等多媒体组件。 视频解码使用s 3 c 6 4 1 0 处理器的多媒体格式编解码( m u l t if o r m a tc o d e c ，m f c ) 模块，采用硬件进行 h 2 6 4 视频解码，相对于采用纯软件解码，提高了解码效率，降低了c p u 利用率。 测试结果表明：本论文的c m m b 移动数字电视接收系统能够正常搜索到系统所在地的频率、显 示频道列表和播放音视频节目，还能够以2 5 帧秒的帧率稳定流畅地播放电视节目。在与s i r fa 3 平台的c m m b 接收系统进行对比测试时，本论文的c m m b 接收系统的c p u 利用率比s l r fa 3 平 台低了2 8 ，搜索频道时间减少了约2 秒。 关键词：中国移动多媒体广播，移动数字电视，d i r e c t s h o w ，解复用，解码过滤器 a b s t r a c t 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 ) i so m c i a l l yi d e n t i f i e da st h em o b i l ed i 西t a lt v i n d u s t r ys t a n d a r d sb yt h es t a t ea d m i n i s t r a t i o no fr a d i of i l ma n dt e l e v i s i o n i ti sad o m e s t i cs e l f - d e v e l o p e d m o b i l ed i 罾t a lt vs t a n d a r df o rm o b i l ep h o n e ，p d a ，m 4 ，l a p t o pa n do t h e rm o b i l et e r m i n a ls y s t e m s 1 l l e c m m bm o b i l ed i g i t a lt vr e c e i v e rs y s t e md e s i g n e db yt h i st h e s i sc a np l a yt v p r o g r a m ss t e a d i l ya tf r a m e r a t eo f 2 5f l a m e s e c o n d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o g r a m so fc m m bm o b i l ed i i 西t a lt vr e c e i v e rs y s t e ma r cd e s i g n e di n t h i st h e s i s t h eh a r d w a r ep l a t f o r mu s e ss a m s u n g $ 3 c 6 4 1 0m i c r o p r o c e s s o ra st h ea p p l i c a t i o nh o s t p r o c e s s o ra n da d o p t si r m o f i d e ii fio 1a sc m m bd e m o d u l a t o rc h i p n e yc o m m u n i c a t e 诵t he a c ho t h e rb y s p ip o r t 1 1 1 es o f t w a r ep l a t f o r mi sb a s e do nw i n d o w sc e6 0o p e r a t i n gs y s t e mu n d e rw h i c hd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fc m m bm c e i v e rs y s t e ma r ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：n ef i r s tp a r t , d e s i g n i n ga n d i m p l e m e n t i n gt h ed r i v e ro fc m m bd e m o d u l a t o r , t h r o u g hw h i c ha p p l i c a t i o nc a ns e n dc o n t r o lc o m m a n d s a n dr e a dc m m bd a t as t r e a m ；t h es e c o n dp a r t ，d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a n gm u l t i m e d i as t r e a m m a n a g e m e n t ，m u l t i m e d i as t r e a mm a n a g e m e n tu s em i c r o s o f td i r t s h o wf r a m e w o r k ，a n dd e v e l o pc m m b d e m u l t i p l e x ，a u d i od e c o d i n ga n dv i d e od e c o d i n gt ob es e p a r a t em u l t i m e d i ac o m p o n e n t s v i d e od e c o d i n g u s e st h es 3 c 6 4lop r o c e s s o rm f c ( m u l t i m e d i af o r m a tc o d e c ) m o d u l e w h i c hu s e sh 2 6 4h a r d w a r e d e c o d i n g c o m p a r e d 、) i r i t l lp u r es o f t w a r ed e c o d i n g ，i ti m p r o v e sd e c o d i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c e sc p u u t i l i z a t i o n t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tc m m bm o b i l ed i g i t a lt vr e c e i v e rs y s t e mo ft h i st h e s i si sa b l et os e a r c ht h e f r e q u e n c yn o r m a l l y , d i s p l a yc h a n n e ll i s ta n dp l a ya u d i oa n dv i d e op r o g r a m s t h i ss y s t e mc a na l s op l a yt v p r o g r a m ss t e a d i l ya tf r a m er a t eo f 2 5f l a m e s e c o n d c o m p a r e d 、) i ，i mm ec m m br e c e i v e rs y s t e mb a s e do n s i j i 下a 3 t h es y s t e mi m p l e m e n t e db yt h i st h e s i si s2 8 l o w e rf r o mt h ea s p e c to fc p uu t i l i z a t i o na n d2 s e c o n d ss h o r t e rf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs e a r c hc h a n n e lt i m e k e yw o r d s ：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 ；m o b i l ed i g i t a lt v ；d i r e c t s h o w ；d e m u l t i p l e x ； d e c o d e rf i l t e r n 4 4 本章小结3 8 第五章测试结果与分析4 0 5 1 系统的配置和编译4 0 5 2 功能测试4 1 5 3 性能测试一4 3 5 4 本章小结4 9 总结与展望5 0 总；占5 0 展望5 0 致谢5 2 参考文献5 3 在学期间发表论文清单5 5 i i i 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 中国移动多媒体广播( 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 ，c m m b ) 是国内自主研发的第一 套面向手机、p d a 、m p 4 和笔记本电脑等多种移动终端系统的移动数字电视标准，利用s 波段和u 波段信号实现天地”一体覆盖、全国漫游，支持2 5 套电视节目和3 0 套广播节目，2 0 0 6 年1 0 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 1 1 。 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，可以实现全国漫游【2 】。卫星信号的特点是覆盖范围广， 但由于采用2 6 g h z 的频率，建筑物的穿透性差，因此不适宜在建筑物密集的城市直接使用【3 】。地 面覆盖采用4 7 0 m h z 8 6 0 m h z 的u 波段，因为对建筑物穿透性好，而且由于信号传播距离相比卫星 信号短很多，因而很容易实现人口密集城市良好的室内外接收。为了实现高效的频谱利用，c m m b 物理层采用了时分复用的复用方式。每1 秒的数据帧被划分为4 0 个时隙，每个时隙占用2 5 m s 。不 同的节目( 频道) 可以占用一个或多个时隙，目前是每个节目占用4 个时隙1 4 j 。 一个完箍的c m m b 数字电视系统主要包括发送前端、传输设备和接收终端三个部分1 5 】。发送前 端主要有音视频实时编码器、复用器、加密机、信号调制器等设备，完成对电视节目源的数字化编 码、加密、传输信号调制等工作；传输设备负责将前端播发的数字电视信号通过大功率发射机传送 到接收终端接收天线；接收终端将接收到的数字电视信号解码还原成高质量的电视节目音视频信号， 并且输出到显示设备。 c m m b 移动数字电视接收系统属于c m m b 数字电视系统的接收终端部分，c m m b 接收系统是 个典型的嵌入式系统。嵌入式系统是一种对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计 算机系统，它以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁剪。它包括微处理器、微控制器、 定时器、存储器及一些其他外部接d 1 6 。本论文的移动数字电视接收系统，它除了具有普通数字电 视机项盒的典型配置，如调谐解调器、主芯片、内存等之外，还包括用于显示的l c d 触摸屏、用于 存储的n a n df l a s h 。 从功能上来说，c m m b 接收系统结构大体上可以分成两部分：信道解调部分和信源解码部分。 信道调制部分是c m m b 接收系统的前端，也叫调谐解调器，它负责对数字电视射频信号进行解调接 收，针对不同的信道需要配备不同的信道解调器，在c m m b 接收系统中需要使用针对c m m b 的信 道解调器【| 丌。信源解码部分是c m m b 接收系统的后端，它主要完成从复用帧结构( m u l 邱l 懿f r a m e s t r u c t u r e ，m f s ) 流输入到解码后的音视频输出之间的所有功能。所以信源解码包括m f s 流的解复 用、音频解码和视频解码等，是c m m b 接收系统的核心部分。 通过对c m m b 接收系统的充分了解后知道：嵌入式终端设备硬件资源相对有限，而m f s 流的 解复用和音视频的解码对硬件资源要求较高。所以本论文将在合适的硬件平台下，通过合理的软件 设计方案解决这个矛盾，最终实现c m m b 移动数字电视接收系统。 1 2 论文研究工作 本论文的主要工作有：在熟悉c m m b 标准和嵌入式系统开发的基础上，进行整个c m m b 接收 系统的方案设计制定，并完成软件系统的设计开发。论文是基于微软的w i n d o w sc e6 0 操作系统， l 东南大学硕士学位论文 采用三星$ 3 c 6 4 1 0 微处理器，以及创毅视讯公司的c m m b 解调模块，实现c m m b 移动数字电视接 收系统。最后将对论文实现的c m m b 接收系统进行功能和性能测试。 从扩展性和使用性的角度考虑，c m m b 接收系统应该满足如下的需求：( 1 ) 播放效果流畅，视频 播放能达到2 5 帧，秒的帧率；( 2 ) 音频数据和视频数据能够满足同步播放；( 3 ) 软件系统的内存使用可 以满足移动终端硬件资源的限制，且能够长时间稳定运行。 论文的具体工作如下： 研究c m m b 通讯协议，调研移动数字电视的应用方案，根据本论文对硬件的要求并参考当前主 流的设计方案确定硬件平台，确定以三星$ 3 c 6 4 1 0 微处理器和创毅视讯公司的解调器i f l 0 1 为 核心的硬件设计方案。 确定软件系统平台为w i n d o w sc e6 0 操作系统，分析了w i n d o w sc e6 0 操作系统的架构，实现 了c m m b 解调器i f l 0 1 在w i n d o w sc e6 0 下的驱动，该驱动实现为流接口驱动，对外导出接 口，方便上层应用软件的调用。 -确定采用微软的d i r e c t s h o w 架构设计多媒体流管理层，并实现了c m m b 解复用过滤器、音频 解码过滤器和视频解码过滤器等多媒体组件。这些多媒体组件在多媒体流管理层控制下，通过 管道连接成一个过滤器链，共同完成多媒体数据的处理。其中解复用过滤器是整个数据的“引 擎”，而视频解码过滤器将使用$ 3 c 6 4 1 0 处理器特有的多媒体格式编解码( m u l t if o r m a tc o d e , c ， m f c ) 模块，采用硬件进行h 2 6 4 视频解码，相对于采用纯软件解码，提高了解码效率，降低 了c p u 的利用率。 编写应用软件，实现了用户操作界面，结合c m m b 的具体功能，本次设计将功能分为三个方面， 分别是节目播放、搜索频道和系统设置。具体设计中将用户界面的操作封装在一个控制类 c c m m b u i d l g 中，该类负责响应用户的操作，当用户界面窗口程序接收到用户的指令后，将会 在控制类c c m m b u i d l g 中进行处理。 _编写测试程序，对c m m b 移动数字电视接收系统进行功能测试和性能测试。功能测试主要包括 频率搜索、频道列表显示和节目播放。性能测试包括播放流畅性测试、c p u 利用率测试、频率 搜索时间测试、播放稳定性测试和音视频同步测试。 1 3 论文组织结构 根据论文所涉及的工作，将论文的结构安排如下： 第一章，绪论。简要介绍了论文的研究背景、主要研究工作和论文的章节安排。 第二章，c m m b 接收系统原理。首先简要的介绍了c m m b 协议，主要包括了三个部分，广播 信道帧结构和信道编码调制、复用原理、电子业务指南。接着介绍了移动数字电视接收系统原理图， 对c m m b 接收系统的典型结构做了初步分析。 第三章，c m m b 接收系统的方案设计。本章首先给出c m m b 移动数字电视接收系统的整体设 计方案，包括硬件方案设计和软件方案设计。硬件平台选择三星公司的$ 3 c 6 4 1 0 微处理器和创毅视 讯公司的c m m b 解调器i f l 0 1 ，二者在业界均得到了广泛的认可；软件方面，将采用微软公司的 w i n d o w sc e6 0 操作系统，软件系统主要包括c m m b 解调器驱动层软件、多媒体流管理层软件和上 层应用软件。解调器驱动层软件将采用典型的流接口驱动架构，多媒体流管理层软件将基于 d i r e c t s h o w 架构实现。 第四章，c m m b 接收系统软件的设计与实现。本章基于第三章选定的平台，实现了c m m b 解 调器驱动层软件、多媒体流管理层软件和上层应用软件。其中，多媒体流管理层软件在整个软件系 统中的作用比较关键，在直接调用c m m b 解调器驱动层接口进行多媒体流接收的同时，还要响应上 2 层应用软件的操作，控制多 第五章，系统配置和功 了功能测试和性能测试，功 测试包括播放流畅性测试、 试，并对测试数据进行了分 3 东南大学硕士学位论文 第二章c m m b 移动数字电视接收系统原理 本章将阐述c m m b 移动数字电视接收系统的原理，主要分为两个方面：c m m b 协议介绍和移 动数字电视接收系统原理图。c m m b 是利用大功率s 波段卫星信号覆盖全国，利用地面增补转发器 同频、同时、同内容转发卫星信号，补点覆盖卫星信号盲区，利用无线移动通信网络构建回传通道， 从而组成单向广播和双向交互相结合的移动多媒体广播网络。 地面发射中心将信号发向s 波段同步卫星后，同步卫星对接收到的信号进行转发，转发后的s 波段信号直接被地面的接收终端接收下来，该卫星还通过分发信道将信号发送给增补转发器处理， 通过增补转发器处理后转发，对卫星覆盖的阴影区域进行增补。移动多媒体广播总体架构如图2 1 所示： 2 1c m m b 协议基础 2 2 1 广播信道帧结构和信道编码调制 本节概括描述移动多媒体广播系统广播信道物理层结构。广播信道物理层通过物理层逻辑信道 ( p l c h ) 为上层业务提供广播通道。物理层逻辑信道分为控制逻辑信道( c e c l l ) 和业务逻辑信道 ( s l c i - i ) 。控制逻辑信道用于承载广播系统控制信息，业务逻辑信道用于承载广播业务。物理层只有 一个固定的控制逻辑信道，占用系统的第0 时隙发送。业务逻辑信道由系统配置，每个物理层带宽 内业务逻辑信道的数目可以为l 3 9 个，每个业务逻辑信道占用整数个时隙，如图2 2 所示： 4 第二章c m m b 移动数字电视接收系统原理 0士00士 c l c - - ls 唧。ls 比h 。l 。i s m m i 。is m 删i p l c h 上上j0上 信道编码、调制、时隙分配 ，上j上上 、， 上上上 1 r1 时隙时隙时隙时隙时隙时隙时隙时隙时隙时隙时隙 0l2345kk 十ll ( + 23 83 9 图2 2c m m b 广播信道物理层逻辑信道 物理层对每个物理层逻辑信道进行单独的编码和调制，其中控制逻辑信道( 占用时隙o ) 采用 固定的信道编码和调制模式：r s 编码采用r s ( 2 4 0 ，2 4 0 ) ，l d p c 编码采用1 2 码率，星座映射采用 b p s k ，扰码初始值为选项o 。业务逻辑信道的编码和调制模式根据系统需求可灵活配置，配置模式 通过系统控制信息向移动终端广播。根据编码和调制参数不同，物理层可提供不同的传输净荷，具 体的参数配置由发送端确定。 物理层逻辑信道的编码和调制功能框图如图2 3 所示，来自上层的输入数据流经过前向纠错编 码、交织和星座映射后，与离散导频和连续导频复接在一起进行o f d m 调制。调制后的信号插入帧 头后形成物理层信号帧，再经过基带至射频变换后发射。 - 基带到 o f d m o f l d m 成帧 射频的频域符+扰码 调制 号形成变换 _ 图2 3 物理层功能框图 物理层信号每1 秒为1 帧，也称为广播信道帧，划分为4 0 个时隙。每个时隙的长度为2 5 m s ， 包括1 个信标和5 3 个o f d m 符号。基于时隙划分的帧结构如图2 _ 4 所示： 图2 - 4 基于时隙划分的帧结构 5 2 2 2 复用原理 在移动多媒体广播 的封装和排列，使其能 视频基本流和数据流封 的复用子帧中，控制信 图2 5 复用在移动多媒体广播前端系统中的位置 多个复用帧构成一个广播信道帧( 广播信道帧在2 2 i 节中已经描述) ，如图2 - 6 所示： 图2 - 6 广播信道帧结构 一个复用帧由复用帧头、复用帧净荷和填充组成，每个复用帧由m fi d 唯一标识，m fi d 取 值范围为0 , - - 3 9 ，其中m f i d = 0 的复用帧用于承载控制信息，其它的复用帧用于承载业务。填充部 分使用0 x f f 填充。而复用帧净荷由一个或多个复用子帧组成，最多包括1 5 个复用子帧。复用子帧 由子帧头、视频段、音频段和数据段组成，如图2 7 所示： 复用子帧 子帧头视频段音频段数据段 图2 7 复用子帧示意图 2 2 3 电子业务指南 电子业务指南( e l e c t r o n i cs e r v i c eg u i d e ，e s g ) 是一种多媒体广播信息导航业务。通过e s g 能够 获得多媒体广播业务的相关信息，如业务名称、播放时间、内容梗概等，便于终端用户快速检索和 访问9 1 。在移动多媒体广播系统内中，e s g 由基本描述信息、数据信息和节目提示信息构成，具体 6 第二章c m m b 移动数字电视接收系统原理 结构如图2 8 所示： 图2 8e s g 的结构图 基本描述信息描述了数据信息在e s g 业务的分配情况、更新状态等，在控制逻辑信道中( c l c h ) 中传输。数据信息描述了与移动多媒体广播业务相关的业务信息、业务扩展信息、编排信息、内容 信息和业务参数信息，作为一个特殊的移动多媒体广播业务传输，一般占用时隙2 和时隙3 。而节 目提示信息描述了业务当前时间段和下一时间段播放节目的概要信息，和移动多媒体广播音视频业 务一起传输。 数据信息的构成和各单元之间的关系如图2 - 9 所示： f 时间a 1 l 时间a 2l l 时间a i l l 业务参数1 业务1 扩展信息1 l 时间b 1 业务参数2 时间b 2 业务2 h内容1 业务参数3 扩展信息2 时间b n 内容2 业务n 时间m 1内容3 业务参数n l 扩展信息ni 时间m 2 l 时间m n _ 内容n l 业务参数信息业务信息业务扩展信息编捧信息 内容信息 图2 9e s g 数据信息 业务扩展信息由若干业务扩展元素构成，每个元素描述了业务详细的属性描述。 编排信息由若干编排元素组成，每个元素描述了节目的起始时间、节目名称等信息。 业务参数信息由若干业务参数元素构成，每个元素描述了访问业务所需的参数，如音视频码率、 帧频等。 业务信息由若干业务元素构成，每个元素描述了业务的属性，如业务标识、名称、语种等。 内容信息由若干内容元素构成，每个元素描述了节目的属性，如持续时间、节目介绍、关键词 等。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 移动数字电视接收系统原理图 首先，移动数字电视接收系统是个典型的嵌入式系统。嵌入式系统是一种对功能、可靠性、成 本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，它以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件 可裁剪。它包括微处理器、定时器、存储器及一些其他外部接口。本论文的移动数字电视接收系统， 它除了具有普通数字机顶盒的典型配置，如调谐解调器、主芯片、内存等之外，还包括用于显示的 l c d 触摸屏、用于存储的n a n df l a s h 。 c m m b 标准并没有采用国际上通用的t s 流，而是采用了中兴通讯主导研发的m f s 流技术， m f s 具有自主知识产权，m f s 专门针对窄带传输设计，效率可以高达9 5 以上，而如果采用国际上 通用的t s 流则效率低于8 0 。这对于带宽需求敏感的移动数字电视非常重要。信源解码包括m f s 流的解复用、音频解码和视频解码等，是接收系统的核心部分。 移动数字电视接收系统的主要工作流程是：首先对c m m b 数字电视信号接收，具体讲就是把天 线接收下来的数字电视信号，通过前端的射频调谐器转换为基带信号，再送入信道解码芯片进行信 道解码，经过一系列处理，最终送出m f s 流数据。在后端由m f s 流解复用模块分离出音频、视频 基本流，分别送入音频、视频解码器，输出解码后的音频和视频信号，音频信号传输到音频设备进 行播放，而视频信号传输到l c d 屏显示出来。 对于移动数字电视接收系统来说，一般由以下部分构成：接收天线、调谐解调模块、应用处理 器、显示屏和音频输出。接收系统主要任务是对所收到的高频调制信号进行变频和解调，得到数字 电视信号，再进行解复用、解码并结合相应的控制，完成用户所要求的功能【lo 】。移动数字电视接收 系统的原理图如图2 1 0 所示。 2 3 本章小结 图2 1 0 移动数字电视接收系统的原理 本章主要介绍了一些基本的c m m b 协议，包括广播信道帧结构和信道编码调制、复用原理和电 子业务指南，特别是对复用原理做了比较细致的分析，为后文的设计和实现提供了理论基础。接着 介绍了移动数字电视接收系统原理图，对c m m b 接收系统的典型结构做了初步分析。 8 第三章c m m b 移动数字电视接收系统的方案设计 第三章c m m b 移动数字电视接收系统的方案设计 本章是本论文的核心内容，首先对c m m b 移动数字电视接收系统的组成做了详细的阐述，分析 了c m m b 接收系统的一些特点；接着，给出了本论文中c m m b 接收系统的方案设计，并分析了主 芯片的特点以及硬件方案的设计；最后，对软件系统的设计进行了介绍，包括软件平台、软件总体 设计和软件开发环境。 3 1 硬件方案设计 3 1 1c m m b 接收系统的硬件方案图 从功能上来说，c m m b 移动数字电视接收系统结构大体上可以分成两部分：信道调制部分和信 源解码部分。信道调制部分是数字电视接收机的前端，它负责对数字电视射频信号进行解调接收和 信道解码，针对不同的信道编码需要配备不同的调谐器和解调器，本论文的调谐器采用a d i 公司的 m t v l 0 2 ，解调器采用创毅视讯公司的i f l 0 1 ，应用处理器则选择三星的s 3 c 6 4 1 0 。 论文采用的调谐器为a d i 公司的m t v l 0 2 ，调谐器将射频信号转换成解调器可以接收的中频或 基带调制信号，是c m m b 接收系统的关键部件，关系到整个接收系统性能的优劣。由天线传送过来 的射频信号经过滤波放大，由用户设置的频道参数经1 2 c 总线送到锁相环电路，通过频道参数控制 压控振荡器和设置分频器的分频比，产生与频道参数同步的时钟信号，再与射频信号混频后可以得 到中频信号或零中频基带信号。 论文采用的解调器i f l 0 1 ，是由创毅视讯公司设计的c m m b 解调芯片。信号经过调谐器后，就 进入解调部分，信号的一路做自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，a g c ) 检测，通过a g c 把信号 功率恢复到可以进行a d 采样的程度；另一路经过载波同步和时钟频率同步及信号帧同步后，它们 都是根据c m m b 特有的时域序列同步算法，利用扩频序列在时域上进行同步，再经过信道估计，信 道均衡，时域与频域解交织后，进入到去纠错编码和解扰模块，最终得到m f s 流输出【1 1 1 。 本方案选用三星的s 3 c 6 4 1 0 作为应用处理器，它是一款基于a r m l l 架构的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 芯片，整个移动数字电视接收系统的存储系统主要包括一块1 2 8 m b 的s d r a m 和一块6 4 m b 的 f l a s h 。1 2 8 的s d r a m 用于用于操作系统的运行，6 4 m b 的f l a s h 相当于接收系统的硬盘， 用于存储操作系统及应用程序的可执行文件。一块3 2 0 * 2 4 0l c d 触摸屏对视频图像进行显示，同时 具有的触摸功能方便用户进行操作。芯片内部集成的a c 9 7 控制器可以直接将音频数据传输到耳麦 进行播放。另外还有一个串口用于调试信息的输出。总体设计方案如3 1 所示。硬件系统的配置包 括： _s d r a m ：1 2 8 m b 的d d r 内存 - f l a s h ：6 4 m b 的n a n df l a s h 显示屏：3 2 0 * 2 4 0 的l c d 触摸屏 u 波段天线 c m m b 标准的调谐解调器 r s 2 3 2 串口( 用于调试) 9 图3 1c m m b 接收系统总体硬件方案图 方案中c m m b 接收系统的工作流程是：首先，由$ 3 c 6 4 1 0 通过1 2 c 总线发送命令设置调谐器 的节目频道频率，由调谐器内部的锁相环电路锁定当前频道，调谐后的信号送入解调器得到m f s 流， 应用处理器$ 3 c 6 4 1 0 通过s p i 总线接收m f s 流，通过解复用处理将音视频信号分离，得到h 2 6 4 视频信号和a a c 音频信号。$ 3 c 6 4 1 0 内部的多媒体格式编解码( m u l t if o r m a tc o d e c ，m f c ) 模块，具 有强大的视频编解码能力，可以对h 2 6 4 视频格式直接进行硬件解码，解码成y u v 格式视频信号， 存储在内存中，由输出控制模块送入l c d 显示屏显示。而a a c 格式的音频数据可以通过软件解码， 获得解码后的脉冲编码调制( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，p c m ) 信号，经过a d 转换成声音的波形信号， 由耳麦放音。 3 1 2s 3 c 6 4 10 应用处理器介绍 主芯片是嵌入式系统的核心，因此通常情况下主芯片的性能就决定了系统的性能。随着芯片技 术的发展，越来越多的厂家将功能更多地集成在一块s o c 上，例如现在大部分厂商都将c p u 、解码 器、图形处理器与音视频处理器集成在一起l l 2 i 。 本次移动数字电视接收系统的主芯片使用的是三星公司的$ 3 c 6 4 1 0 处理器，这是一款1 6 3 2 位 r i s c 微处理器，采用a r m l l 7 6 j z f 芯片架构，主频高达6 6 7 m h z ；双总线架构，一路用于内存总线、 一路用于f l a s h 总线；支持n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种f l a s h ，其中n a n df l a s h 支持s l c 和m l c 两种架构，从而大大扩大存储空间。支持多种启动方式：主要包括s d 、n a n df l a s h 、n o rf l a s h 等设 备启动，一共有3 2 路d m a 通道，包括l c d 、u a r t 、c a m e r a 等专用d m a 通道。这款芯片最大的 特点是包含内部视频解码器与图形加速器，可以处理m p e g 4 、h 2 6 4 、h 2 6 3 等视频格式，同时包 括2 d 、3 d 图形加速i l 川。 由于片上集成了许多通用的系统外设，使得基于该芯片的系统设计实现成本最小化，外扩模块 最少化。$ 3 c 6 4 1 0 采用先进的6 5 n mc m o s 工艺。这种低功耗、简单、卓越且全静态的设计，让该 芯片尤其适用于那些成本和功耗敏感的应用场合。$ 3 c 6 4 1 0 的总体结构图如图3 - 2 所示： 1 0 第三章c m m b 移动数字电视接收系统的方案设计 s y s t e mp e r i p h e r a l ( r t c ) ( p l l x3 ) ( t m a e r) (dma) ( i ( | ：y p a d) a r m c o r e p o w e r m a n a g e m e n t 1 f t l c d c o n t r o l l e r 图3 - 2s 3 c 6 4 1 0 芯片结构图 本论文的c m m b 移动数字电视接收系统主要使用到的模块为m f c 模块、s p i 模块和1 2 c 模块， 所以将对这三个模块分别进行介绍： _ m f c 模块：m f c 模块是一个集成在芯片内部的视频处理加速模块，支持h 2 6 3 h 2 6 4 、m p e g 洱 等格式的编解码。m f c 加速模块由b i t 处理器和视频编解码器两部分组成，m f c 加速器中的 两个部分协同工作，分工明确。b i t 处理器内嵌一个1 6 b i t 的d s p ，主要负责加速器与a r m 内 核的通信以及数据流的分解，合成处理。视频编解码器仅负责对来自b i t 处理器的数据流进行编 解码操作。 s p i 模块：s p i ( s e r i a l p e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 是一种高速的、全双工、同步的通信总线，它以 主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4 根线，它 们是s d i ( 数据输入) ，s d o ( 数据输出) ，s c k ( 时钟) ，c s ( 片选) 。$ 3 c 6 4 1 0 共有2 个s p i 控制器，支持主机和从机模式。 - 1 2 c 模块：1 2 c ( i n t e r - - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 总线是一种由p h i l i p s 公司开发的两线式串行 总线，用于连接微控制器及其外围设备。1 2 c 总线最主要的优点是其简单性和有效性【l 4 1 。 3 1 3 解调器i f l 0 1 介绍 本次设计采用的c m m b 解调芯片i f l 0 1 作为业内首颗c m m b 解调芯片，具有出色的信道表现 和多普勒补偿。该芯片可以满足信道传输标准中多种码率和不同调制工作模式状态的解调和解复用 的芯片解决方案，因此可在不同的射频前端和后端应用处理器平台上方便使用该解调器，c m m b 解 调器i f l 0 1 的内部框图如图3 3 所示： i 调谐器模拟 信号输入 q 解调器i f l 0 1 内部有一个c 5 1 内核，可以通过使用s p i 接口的f l a s hm e m o r y 来存储芯片内部 c 5 1 内核运行所需的代码和数据。当调谐器将i 、q 基带信号传送到解调器i f l 0 1 ，解调器i f l 0 1 经 过a d 转换、正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 解码、低密度奇偶 校验码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ，l d p c ) 解码、r s ( r e e d s o l o m o n ) 解码和多路输出选择后， 通过s p i 或s d i o 接口将数据传送给后面的应用处理器。解调器i f l 0 1 具有的特点如下： 支持c m m b 广播信道标准和复用标准 可同时接收卫星信号和地面信号 - 支持b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 多种星座映射模式 一 支持l d p c 前向纠错技术，1 2 ，3 4 模式 支持t s 码流，s p i 和s d i o 输出 支持多种操作系统 3 1 4 硬件电路连接 c m m b 信道调谐解调部分硬件框架图如图3 _ 4 所示： m t v l 0 2ifl01$3c6410 图3 - 4c m m b 信道解调硬件框架图 4 7 0 m h z - 8 6 0 m h z 的u 波段信号( 带宽为8 m h z ) 经由天线接收，射频信号经过调谐器的下变 频转换后，高频载波信号被去掉，只留下带宽为8 m h z 的模拟基带信号。8 m h z 的模拟基带信号被 分为i 、q 两路差分信号，直接连接到解调器i f l 0 1 的模拟输入端。 解调器i f l 0 1 实现a d 转换，信道解调，纠错等功能，然后将解调出来的复用数据( 包含压缩 后的音，视频数据，e s g 数据等) 通过s p i 或者s d i o 接口传送至应用处理器端，由应用处理器完 成解复用，音视频解码，播放等工作。解调器w 1 0 1 和应用处理器之间的1 2 c 接口实现了应用处理 器对i f l 0 1 的控制功能。 解调器i f l 0 1 与应用处理器$ 3 c 6 4 1 0 的通信接口包括数据接口和控制接口，其中1 2 c 接口为控 制接口。而数据接口包括s p i 、s d i o 模式，两种模式在硬件端口上复用，特定时刻只能使用其中的 一种模式。本次设计采用的是s p i 接口，最高时钟速率可达1 3 m h z 。1 2 c 接口为i f l 0 1 的控制接口， 应用处理器可以通过此接口设置参数并读取解调器w 1 0 1 的状态数据，i f l 0 1 默认的1 2 c 地址为0 x 1 0 。 解调器i f l 0 1 与应用处理器s 3 c 6 4 1 0 直接的硬件连接图如图3 5 所示： 1 2 第三章c m m b 移动数字电视接收系统