（信号与信息处理专业论文）qam调制器前端ts流包处理器的设计与实现.pdf

摘要 随着各地数字电视频道的陆续开播，数字电视正逐步渗透到我们的生活当 中。m p e g - 2 运动图像及伴音编码标准作为数字电视系统的基础，成为目前研究 的一个热点。但是纵观相关文献，不难发现，人们关注的热点更偏重于压缩的算 法及实现的研究。而对系统层的研究，尤其是对m p e g 2 传输流处理的研究有待 进一步深化。 本文试图在研究以往数字有线电视前端设备q a m 调制器的基础上，针对其 对m p e g 一2 传输流处理能力的不足和在实践应用中出现的问题，在有线传输接口 和m p e g 一2 传输流的处理环节上进行了一些有益的研究，包括a s i ( 异步串行接 口) 接口处理、同步搜索和同步跟踪机制、智能空包过滤、自动码率填充、网络 信息表n i t 更新机制以及节目参考时钟p c r 校正等等。本文分章节地对这些处 理环节从基本原理到具体实现进行了详细的阐述和分析，逐步描述了借助f p g a 最终实现q a m 调制器前端t s 流处理器软硬件设计、开发、调试的整个过程。 第1 章系统地介绍了数字电视的概念、特点、相关标准和发展状况，阐明了 课题研究的背景和本文的工作。 第2 章从整体上介绍了t s 流包处理器的设计原理，论证了设计方案，明确 了要解决的问题。同时对包处理器的软件逻辑功能模块划分和开发所需用到的相 关软硬件开发平台都做了详细的叙述。 第3 章在介绍a s i 异步传输协议的基础上，阐述了a s i 接口的原理和t s 流 包处理器在输入接口模块设计的实现。 第4 章t s 流处理模块设计。叙述了m p e g - 2 传输流的基本理论，针对假同 步和假失步现象，提出了同步搜索和同步跟踪机制，利用概率统计原理和同步到 失步状态转换模型计算出了用于同步搜索和同步跟踪的前后项保护级数最佳取 值。针对缓冲区数据溢出，提出了智能空包过滤和自动码率填充，阐述了其原理 和实现，给出了仿真结果。 第5 章叙述了m p e g 2 节目专用信息p s i 和d v b 业务信息s i 的基本理论， 介绍了网络信息表n i t 的语法和特点，提出了n i t 更新机制设计。 第6 章介绍了数字电视的编解码同步机制及节耳参考时钟p c r 。提出了两种 查找p c r 的方法，并归结了三种p c r 校正算法：直接算法、间接算法和间接 算法改进。 第7 章分析了整个的调试和测试结果，总结了设计体会。 关键词：m p e g 2 传输流、q a m 、异步串行接口、网络信息表、节目参考时钟 塞重型蝥耋堡圭耋堡篓耋 a b s t r a c t w i t hm o r ea n dm o r ed i g i t a lt v p r o g r a m sb r o a d c a s t i n gi ns u c c e s s i o n ，d i g i t a lt v i s g r a d u a l l ys o a k i n gi n t oo u rl i f e a sab a s i so fd i g i t a lt v , m p e g - 2 h a sb e c o m ea r e s e a r c h f o c u s h o w e v e r , t h er e s e a r c h f o c u si s p a l e d m o r ea a e n t i o n so nt h e a l g o r i t h m i ca n dr e a l i z a t i o na b o u tc o m p r e s s i o n ，w h e ny o us k i mo v e rs o m er e l a t i v e p a p e r s s ot h e r en e e daf u r t h e rs t u d yi ns y s t e ml e v e l ，e s p e c i a l l yi nh o w t od e a lw i t h m p e g 2 t r a n s p o r ts t r e a m s t h i sp a p e r t r yt od os o m eu s e f u lr e s e a r c h e so np h y s i c a li n t e r f a c ea n dp r o c e s s i n g t om p e g - 2 t r a n s p o r ts t r e a m s ，w h i c h b a s e do nr e s e a r c h e si nf o r m e r q a m m o d u l a t o r t h e s e p r o c e s s i n g f u n c t i o n si n c l u d e ：a s i n t e r f a c e p r o c e s s i n g 、t s s y n c h r o n i z a t i o n 、t r a n s p o r ts t r e a m sb u f f e r 、n i tu p d a t ea n dp c r sc o r r e c t i o n t h u st h i s p a p e re x p l a i n sb a s a lt h e o r ya n d h o wt or e a l i z ei ns e p a r a t e p a r a g r a p h s ，s h o w t h ew h o l e p r o c e s sa b o u th e a d e n d t sp a c k a g ep r o c e s s o ro fq a mm o d u l a t o ri sh o wt ob e d e s i g n e d 、d e v e l o p p e d a n d d e b u g g e db y f p g a i nc h a p t e r1 ，t h e c o n c e p t 、c h a r a c t e r i s t i c 、s t a n d a r da n dd e v e l o p m e n ts t a t eo f d i g i 扭l 丁va r ei n t r o d u c e d ，t h eb a c k g r o u n d a n dt a s k so f r e a s e r c ha l ea l s oe x p l a i n e d i nc h a p t e r2 ，t h ed e s i g nt h e o r yo fh e a d e n dt s p a c k a g ep r o c e s s o ri si n t r o d u c e d i nw h o l e t h es c h e m ei sd i s c u s s e da n dt h ep r o b l e m sn e e d e dt or e s o l v ei sc o n f i r m e d i t a l s oi l l u s t r a t e dt h ep a r t i t i o n so fl o g i cf u n c t i o nm o d u l e si ns o f t w a r ea n dc o r r e l a t i v e d e v e l o pp l a t f o r m i n c h a p t e r3 ，b a s e d o na s i ( a s y n c h r o n o u ss e r i a lt r a n s p o r t ) ，t h et h e o r yo f a s ia n d t h er e a l i z eo f i n p u ti n t e r f a c ei nh e a d - e n dt s p a c k a g ep r o c e s s o r a r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r4 ，t h eb a s i st h e o r yo fm p e g - 2t r a n s p o r ts t r e a m si si n t r o d u c e d ，t h e s e e ka n dt r a c eo fs y n c h r o n i z a t i o ni sg i v e na i ma tf a l s es y n c h r o n i z a t i o no rf a l s ed i s - s y n c h r o n i z a t i o n w i t ht h eh e l po f s t a t i s t i c a lp r o b a b i l i t ya n das t a t ec o n v e r s i o nm o d u l e ， t h eb e s tv a l u eo f p r e t e n dp r o g r e s s i o n si s c a l c u l a t e d a i ma td a t ao v e r f l o w , t h en u l l p a c k a g e sf i l t e r e di ni n t e l l i g e n ta n dp a c k a g e s f i l li na o t u m a t i ca r eg i v e na sw e l l i nc h a p t e r5 ，t h et h e o r yo f p r o g r a ms p e c i a li n f o r m a t i o n i nm p e g 一2a n ds e r v i c e i n f o r m a t i o ni nd v b ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds y n t a xo fn e t w o r ki n f o r m a t i o nt a b l ea r e i n t r o d u c e d ；t h ed e s i g nf o r n i t su p d a t ei sg i v e n i n c h a p t e r6 ，t a k i n g t w ok i n d so f s e e k i n gt h ep c rp a c k a g e s ，t h r e ep e rc o r r e c t i o n a l g o r i t h m sa r eg i v e n ：d i r e c ta l g o r i t h m 、i n d i r e c ta l g o r i t h ma n dt h ei m p r o v e m e n t o f j 1 电子科技大学硕士学位论文 i n d i r e c ta l g o r i t h m i nc h a p t e r7 ，t h er e s u l to f d e b u g a n dt e s ta r ec a m eo u t ，s o m ed e s i g ne x p e r i e n c e s g o tf r o m t h i st a s ki sa l s ob r i n gf o r w a r df o rs h a r i n g k e y w o r d s ：m p e g 一2t r a n s p o r ts t r e a m s ，q a m ，a s i ，n i t ，p c r 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：叠型日期：劢眵年夕月j 乞日 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：垂盈导师签名： 1 纱 2 耢 日期：耻年y , 9l 善日 电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 电视是一个技术媒体，是人类通信技术与信息技术迅猛发展的产物。任何信 息媒体都没有像电视这样依赖于技术，技术不仅是其得以存在的前提，更影响其 传播的内容质量和方式，数字电视更是如此。 今天，也许我们在家里仍然收看的还是模拟电视节目，但是节目制作棚里的 设备已经是数字化了，从节目制作棚到发射塔的信号传输也已是数字化了，没有 这些节目制作与传输的数字技术，我们的节目质量是无法满足的。当你通过卫星 电视网、有线电视网或开路电视网观看电视节目时，你已经是位于数字电视传输 的最后一个环节，这一个环节正在经历一场数字化革命，以达到电视节目的全数 字化传输。 数字电视，是一种全新的广播方式和电视未来的发展趋势，是一种需要新的 思路和新的商业经营模式的媒体。对于消费者，数字电视将通过电影质量的图片、 c d 音质的声音、成千上万的频道、可以改变的镜头角度和令人激动的新娱乐服 务来提高他们的观赏经历。一句话，电视将会变得更有趣、更有用，同时更简单、 更友善。 1 1 数字电视的概念 数字电视是模拟电视的继承者，传统的模拟电视信息经过采样、量化、编码 被转化成为二进制的数字信息，这些二进制的数字电视信号在经过处理、存储、 记录后通过卫星、有线或者地面传输信道被送到每家每户，终端用户接收到数字 电视信号后用数字电视机直接播放或者用数字电视机顶盒把数字电视信号转换 成模拟电视信号后在传统模拟电视机上播放。 因此我们可以用图1 1 来做这样的表述：数字电视就是从电视节目的采集、 制作到电视节目的传输，以及到用户终端的接收全部实现数字化。 曩鬻h 一 型皇一_ 一?h 凰徊 州接收一重现i1 ： ：一。一一一j 一一一一一一一一一一一一一j l 一一一一一一一一一一j 信号穗端倍输茉统 接收端 图1 1 数字电视广播系统的基本组成 墓 电子科技太学硕士学位论文 1 2 数字电视的特点 数字电视是电视技术的一个新的里程碑，从技术角度来讲，数字电视技术具 有的优点主要体现在以下几个方面： 丰富的节目内容：数字压缩技术消除了视频和音频信号中的大部分冗余 信息，大幅度降低了每套节目所占用的带宽。原来传输1 套模拟电视节 目所需要的带宽可以用来传输“8 套数字电视节目。 优质的图像和伴音质量：数字信号在传输过程中通过再生技术和纠错编 解码技术使噪声不逐步积累，保持信嗓比基本不变，为用户端提供了优 质的图像和伴音质量，适合多环节、长距离传输。 灵活的数据传输：数字电视传输系统的有效载荷可以是视频、音频和数 据的组合，以及包括i p 数据在内的其它任何性质的数据。因此便于在数 字平台上开展多种增值业务，如实现股票行情接收、视频点播、远程交 互教育等。 友善的人机界面：通过电子节目指南e p g 可以用图形用户界面的方式， 在数字电视丰富的节目内容当中，直观、方便、快捷的选择自己喜爱的 节目。 接收安全且节目易于存储：数字的加扰和加密为有条件接收提供了一种 十分安全且无质量损失的手段。数字信号本身的易存储性和可靠性，利 用大规模集成电路可以低成本、高质量的实现节目存储。 1 3 数宇电视的标准 与模拟电视有p a l 、n t s c 和s e c a m 三矛中标准一样，目前数字电视标准也 有日本的综合业务数字广播( i s d b ) 、美国的高级电视制式委员会( a t s c ) 和 欧洲的数字视频广播( d v b ) 各自形成的三种不同的数字电视标准，它们均涵盖 了卫星广播、地面广播和有线广播等不同的传输信道( 具体见表1 - 1 ) 。 表1 - 1 美国、欧洲、日本数字电视传输方案的特性 荚国欧渊复日本 d i r e * t vd v b 心 c s ：现有数字广播 b s ：现有数字直播 带宽2 4 枷z”h 吁kc s ：z r h m z b s ：2 7 3 3 3 伽z 卫 码率 柏m b p s f r e e c s ：3 4 m b p s 星 广 b s ：3 9 5 0 5 3 m b p s 播 视频编码 h 口e g 2h 伊e g 2m p e g 2 调制q p s kq p s kc s b s ：q p s k 脚r c - p s k 纠错编码外码：r s ( 1 4 6 ，1 3 0 )外码：r s ( 2 0 4 ，1 8 8 )外码：r s ( 2 0 4 。1 8 8 ) 内码：卷积( 1 2 ，丙码；卷积( 1 2 ，2 3 ，内码：卷积( 1 2 j 7 3 ， 2 7 3 ，6 7 )3 4 , 5 6 ，7 8 )3 4 ，5 6 ，7 8 ) a t s c 蔫i i ； n 、z r l 。? l n r 二甲蠹鬻誊。； 带宽6 舭鳓唧z砸删z 码率1 9 3 9m b p s最大3 1 3 m b p s犀大2 3 2 3 4m b p s 视频编码m p e g 2 m p e g 2h 口e o 2 地 调制 8 v s b q p s k ，q a m + o f d m d q p s k ，q p s kt 面 广 q a m + o f d m 纠错编码外码；r s ( 2 0 7 ，1 8 7 )外码：r s ( 2 0 4 ，1 8 8 )外码：r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 播 内码：t r e u i s 2 3内码：卷积( 1 2 , 2 3 ， 内码：卷积( 1 2 , 2 3 ； 3 4 ，5 6 ，7 8 )3 4 ，5 6 ，7 8 ) s f n 兼容需要采用定向天线能能 移动接收不考虑能4能 j ：| ； s c t e + ：；：i ：| ； 。獬。糍? n v h z 、 i s d b - e 带宽6 舭8 舭同眦 调制0 4 q a m , 2 5 6 q a m1 6 , 3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 q a m1 6 ，3 2 , 6 4 ，1 2 j b ，2 5 6 0 a m 有升余弦6 4 q a m ：0 1 8 o 1 50 1 2 线滚降系数2 5 6 q a m ：0 1 2 广外码 r s ( 1 2 8 ，1 2 2 )r s ( 2 0 4 , 1 8 8 )r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 播外交织卷积交织，深度可变卷积交织1 2 1 7卷积交织，1 2 1 7 内码 64 】o m ：t r e l l i s l 4 1 5无无 f e c 成帧6 4 0 m ：6 0 r s + 4 2 b i t无无 2 5 6 q a m ：8 8 r s + 4 0 b i t 3 在这三种标准中，尤其以欧洲的d v b 标准发展最快，普及范围最广。我国 的卫星和有线数字电视分别是基于d v b 标准中的d v b - s 和d v b c 标准的，因 此本文的研究也是基于d v b 标准的。 d v b 标准的信源编码和系统复用部分都遵守m p e g 2 国标标准【l l ，信道编 码与调制则根据不同的传输信道和不同的应用领域分为：卫星数字电视广播系统 ( d v b - s ) 、有线数字电视广播系统( d v b c ) 、地面开路数字电视广播系统 ( d v b - t ) 、微波数字电视广播系统( d v b m ) 、交互式网数字电视广播系统 ( d v b i ) 、数字电视条件接收系统( d v b c a ) 以及最新推出的第二代卫星数字 电视广播系统( d v b s 2 ) 和面向手持式设备的数字电视移动广播系统( d v b - h ) 。 1 4 数字电视在国内外的发展状况 从1 9 9 4 年开搔卫星数字电视，到1 9 9 8 年底开播地面数字电视广播，数字电 视实现了全面启动。由于客观情况、标准、制式等不同，各国的数字电视发展状 况也不尽相同，其中美国、欧洲、日本的数字电视发展比较迅速。 美国是世界上最早发展数字电视的国家，不仅在技术领域完成了数字电视三 大标准的制订工作，而且率先实现了商业播出。到2 0 0 3 年其地面数字电视的覆 盖率已达9 4 。欧洲数字电视的卫星广播于1 9 9 6 年开播，目前用户已超过6 5 0 万。整个欧洲采用以d v b 为框架的数字电视标准，发展的侧重点放在标准清晰 度数字电视( s d t v ) 。日本也于2 0 0 6 年实现地面数字电视全国覆盖，主要是高 清晰度数字电视( h 】d 1 w ) 节目，计划到2 0 1 1 年全国范围内的所有电褫台都将 采用数字信号发送，彻底结束模拟信号发送的历史。 目前我国数字电视产业正在迅速发展，但各地区发展不平衡的国情决定了我 国电视系统的数字化不可能一步到位，只能是有选择、有步骤，分批、分阶段进 行。我国的数字电视发展过程将要经历机顶盒、标准清晰度数字电视( s 瑚r v ) 和高清晰度数字电视( h d t v ) 三个阶段，而且这三个阶段将在很长的一段肘间 内并存发展。2 0 0 3 年，广电总局提出发展数字电视的步骤是先有线、后直播卫 星、再地面无线的“三步走”战略，即2 0 0 3 年全面推进有线数字电视；2 0 0 5 年开 展数字卫星直播业务，开始地面数字电视广播试验；2 0 0 8 年全面推广地面数字 电视广播。 按照这个战略，现阶段开展对于有线数字电视( d v b c ) 传输的研究对于推 动我国的数字电视发展具有积极的现实意义。 皇王型鏊态兰鎏老耄堡鎏銮 1 5 课题研究背景 我国的有线电视经过了2 0 多年的发展，目前，有线电视用户总数已超过9 0 0 0 万并以每年5 0 0 万的数量递增，位居世界第一。因此，我国“先有线后卫星”的 数字电视发展战略使有线数字电视具有很大的发展潜力。一个完整的数字电视系 统应该包括三个部分：数字前端系统、传输信道和用户终端。图1 - 2 为有线数字 电视广播( d v b c ) 系统前端方框图： 夺m p e g - 2 编码器：对模拟的音、视频节目按m p e g 2 的标准进行数字化 编码，产生标准的数字电视节目传输流； 夺卫星码流转发器：将从卫星上接收到的国内、外数字卫星节目进行q p s k 解调制，输出标准的数字电视节目传输流； 夺复用器：将多个标准的数字电视节目传输流复合为一个势卑传输流，实 现一个物理电视频道上传输4 - 8 路数字电视节目： 夺o a m 调制器：主要是对经过信道编码和复用后的数字电视信号进行调 制，使其具有很高的抗干扰能力，便于在有线电视网络中传输。 图1 - 2 有线数字电视广播系统前端框图 q a m 调制器集数字信号处理技术和数字调制技术于一身，是数字电视信号 进入传输网络的最后一步，也是有线数字电视广播系统前端重要的台端设备，调 制器的处理能力和指标直接影响到整个系统的接收效果，因此理所当然地成为本 文的研究对象。 从技术的角度看，c i a m 调制器的内部主要分为两大部分：1 、输入接口和 t s 流处理部分：2 、信道编码与q a m 调制部分。早期的q a m 调制器主要是为 了实现其信号调制的功能，因此研究和设计的重心更多是放在了第2 部分，即信 道编码和q a m 调制部分。但从目前情况看来：一方面，在信道编码与q a m 调 制部分已经有了技术成熟且功能完善的单芯片解决方案，如b r o a d c o m ( 博通) 公司 的q a m 调制芯片b c m 3 0 3 3 ，l s i l o g i c 公司的l 6 4 7 7 7 等，没有再去研究的必要。 另一方面，早期的q a m 调南4 器在输入接口和t s 流处理部分的设计和考虑不足， 已经逐渐不能满足现代有线数字电视系统的应用和传输要求，在技术功能上有待 进二步加强。我们从参考文献2 提到的早期q a m 调制器实现方案( 如图1 3 所 示) 可以明显地发现到这一点。 图l - 3 早期的q a m 调制器硬件框图口1 该方案采用的是s p i ( 同步并行接口) 作为传输流接口，用一个c p l d m a x 7 1 2 8 作为逻辑控制，译码产生外部f i f o 的控制信号，以完成输入s p i 接口 的处理，并产生标准的并行 i s 流传输格式送往调制芯片b c m 3 0 3 3 。调制前用 虚线框代表的部分仅仅完成了接口处理和对传输流的同步处理，几乎没有涉及到 m p e g 2 传输流1 3 包信息的处理。这种倾向于调制本身的设计在实际的应用中 遇到了许多闯题： 1 、输入接口的问题。早期的q a m 调制器多采用同步并行接口s p i ，这 种接口有1 l 对信号线，连线多且复杂并容易出现传输错误，故只能 进行短距离传输。 2 、m p e g 2 传输流同步慢且容易同步失败。由于传输流采用固定长度 分组传输，故需要利用捕获包头的同步字节建立同步状态，以检验 传输差错和数据丢失。但早期的q a m 调制器需要较长的同步建立 时间，并且一旦出现同步字节捕获不到，就立即开始重新建立同步， 当传输网络受到干扰时，将不断循环于同步与失步之间，无法完成 后续的传输任务。 3 、数据包溢出。q a m 调制器在设定了调制模式和输出符号率后，对输 入数据包的速率有严格的要求。早期的o a m 调制器一旦数据包输 入速率过大或者过小，都会在调制前的输入缓冲区引起数据溢出， 导致数据包丢失，在接收端解码后的图像出现严重的马赛克甚至黑 屏。 4 、 传输流中的网络信息表n r r 处理。在数字电视跨地区传输的场合， 往往会出现前端系统在网络信息表n i t 中给数字电视确定的频点在 分前端侧已被模拟电视占用的情况。此时，若仅改变q a m 调制器 电子科技大学硕士学位论文 的输出频率( 即调整数字电视频点) ，而不对原有的n i t 做调整，会 导致机顶盒无法接收对应t s 流节目的情况。早期的q a m 调制器对 这种需要进行频点搬移的应用场合，必须要一台具有n i t 表修改更 新功能的复用器配合完成，应用成本很高。 5 、 节目参考时钟抖动过大。m p e g 2 传输流经过早期的q a m 调制器 后，其节目参考时钟p c r 存在较大抖动，使得解码端无法利用p c r 精确重建编码端系统时钟，可能出现图像“唇音不同步”甚至花屏。 在国家广电总局新近发布实施的有线数字电视广播q a m 调制器 技术要求和测量方法网中，首次明确提出q h m 调制器的p c r 抖 动必须被控制在5 0 0 n s 内。 上述问题的出现说明，传输流中对传输包的处理机制以及传输流所携带的诸 如n i t 表和p c r 等信息对于有线数字电视传输在系统稳定性、应用性和传输质 量方面都具有重要的作用，早期仅仅实现了调制功能的q a m 调制器已经不再能 满足实际应用场合的要求。所以，我们把q h m 调制器的设计与研究重点放在了 输入接口和t s 流处理部分，同时我们发现，这些在输入接口、传输流方面的处 理对复用器、独立加扰机等许多设备同样适用，因此，我们认为本文的研究对于 有线数字电视传输系统是具有重要的理论价值和现实意义的。 1 6 本文所解决的问题和所做的工作 本文试图通过研究m p e g 2 系统层标准( i s o i e c l 3 8 1 8 - 1 ) 和传输流( t s ， t r a n s p o r ts t r e a m ) 语法特性，以在q a m 调制器前端设计一个t s 流包处理器的 方式来解决以下问题，使q a m 调制器在可选的输入接口、对传输流的处理能力 以及传输流的性能指标被大大增强： 输入接1 3 的问题：用异步串行接1 3a s i 代替以往q a m 调制器常用的s p i 接口。 传输流包同步和失步的问题：提出了同步搜索和同步跟踪机制，利用概 率统计分析，确定了进行同步搜索和同步跟踪所采用的前后项保护级数 的最佳取值。 数据包溢出的问题：提出了智能空包过滤的方法，可以有效避免输入数 据包接近临界速率时，调制前的数据缓冲区出现数据上溢；提出了自动 码流填充的方法，可以有效避免输入数据包速率太低，调制前的数据缓 冲区出现数据下溢。 网络信息表n i t 的问题：提出了n i t 表更新机制，将以往只有数据插入 器或复用器才有的功能放到q a m 调制器中，使其在应用上更独立，避 电子科技大学硕士学位论文 免对其它设备更多的依赖。 节目参考时钟p c r 抖动的问题：采用p c r 校正以消除q a m 调制器在进 行传输流处理时所带来的p c r 抖动，提出了两种p c r 查找的方法，在 总结以往p c r 校正算法的基础上，提出了一种更简便可行、易于实现的 校正算法。 研究生期间，本人工作的重点是设计实现t s 流包处理器，完成系统测试； 同时对数字电视的传输应用以及d v b 标准在移动数字电视接收领域的最新进展 做了技术跟踪，共在国内核心期刊发表论文4 篇。 有关本文的具体工作： 1 研究d v b 标准和m p e g 一2 系统部分标准，重点对传输流t s 包结构、 m p e g 2 的系统时序模型和d v b 的业务信息( s i ，s e r v i c ei n f o r m a t i o n ) 的定义和应用进行了研究，完成q a m 调制器前端t s 流包处理器整体 功能设计方案论证，拟定各部分处理逻辑模块划分及接口。 2 完成a s i 输入接口设计；对同步搜索和同步跟踪机制进行出错概率统 计分析，确定了前后项保护级数的取值。 3 完成n i t 表更新机制和p c r 校正算法的论证。 4 完成t s 流包处理器硬件开发板的原理图设计以及p c b 板的设计、焊 装、调试。 5 用v h d l 语言分模块地完成f p g a 的软件程序开发，并完成功能仿真 和程序的综合下载。 6 进行系统测试和结果分析。 呈王型堡奎耋堡圭耋堡墼塞 第二章q a m 调制器前端t s 流包处理器的总体设计 2 1t s 流包处理器概述 在m p e g 一2 标准中，一路节目的视频、音频及其他辅助数据经过数字化后 通过压缩层完成信源压缩编码，分别形成视频的基本流e s ( e l e m e n t a r ys t r e a m ) 、 音频的基本流和其他辅助数据的基 热i 慧鬻誓昃竺本篓刊璺倒型塑舞寄闻燮k 分别加包头打包为p e 8 ( p a ce t i s e o l - 一1 l 一。卜i 嚣 警 豢嚣焉慧嚣邰勰舔群 视频通常是一帧( 即一幅图像) 一个1 鞫葛i | 矗嗣藩元瞳头傣五侮聪黧 包，音频包长度通常为一个音频帧， k 添习蠢毒- 不超过6 4 k b 。为了多路数据节目流 | 封纛f _ - i i 芦 的复用和有效传输，打包的视频、音匕翻翌 频基本码流p e s 再经过复用打包， 图2 - 1m p e g ，2 的码流层次 可形成两种不同的码流1 4 ( 图2 1 ) ： 基于可变长度包的节目流( p s ，p r o g r a ms t r e a m ) ，适用于相对无差错环 境如演播室和存储媒介( d v d ) 等； 基于固定长度1 8 8 字节为一包的传输流( t s ，t r a n s p o r ts 仃e a r n ) ，适用于 有线、卫星等较容易发生错误的多变的传输环境。 显然，本文中的q a m 前端t s 流包处理器是针对传输流t s 的。传输流t s 中所传送的信息除了视频、音频的p e s 包，还包括描述单路节目信息的节目映 射表p m t 、描述多路节目复用信息的节目关联表p a t 和包括网络信息表n i t 在 内的各种业务信息表s i ，以及节目参考时钟p c r 等时间信息。m p e g 2 对这些 承载了不同信息内容的传输包分配了一个1 3 b i t 长度的p i d 以供辨别。因此，对 传输流的处理实质上就是以固定长度的传输包为处理单元，完成以传输包上的承 载信息为处理内容的相关处理。 2 2 i s 流包处理器的设计原理 q a m 前端t s 流包处理器位于输入物理接口与调制芯片之间( 如图2 - 2 ) e 图2 - 2q a m 调制器前端t s 流包处理器的位置 电子科技大学硕士学位论文 由于物理接口出来的信号并不直接是传输流t s ，必须要在t s 流包处理器 的协助下完成从物理接口信号到传输流t s 的转换，因此本文的t s 流包处理器 设计首先要包括对于物理接口的选择和处理。 d v b 标准中，有二种常用的物理接口：同步并行接口s p i 和异步串行接口 a s i 。它们的功能都是为了连接一对具有t s 码流输出和输入接口的设备，但不 同的标准规范和物理特性决定了其不同的特点和应用场合。s p i 的数据传输同步 于t s 码流的字节时钟，传输连接线使用l v d s ( 低电压差分信号) 技术，采用 n r z ( 非归零) 码通过2 5 针d 型插头座连接。s p i 接口定义了1 1 对信号线，分 别是时钟信号线( c l 0 c l k ) ，数据信号线( d a r a o d a i a 8 ) ，有效数据信号线 ( d v a l i d ) 和包同步信号线( p s y n c ) 。早期的q a m 调制器多采用这种接口， 因此遇到了前文谈到的连线多且复杂、容易出现传输错误、传输距离短等等问题。 而a s i 接口采用串行传输，只需要连接一根同轴电缆线，连线简单，速率高达 2 7 0 m b i t s ，接口规范中的8 b 1 0 b 编码规则和传输差错控制更使其适合长距离传 输。因此本文采用a s i 接口作为输入物理接口，以避免s p i 接口所带来的诸多问 题。 完成输入接口处理之后，接下来所有的工作就可以单纯地围绕传输流展开。 但是为了保证在前端传输和输入接口处理没有造成m p e g - 2 传输流的数据损伤， 首先要对进入t s 流包处理器的传输流进行传输损伤检测。前面我们谈到传输流 是基于固定分组长度的，每1 8 8 字节为一个传输包。固定长度分组传输方式的好 处就在于它可以有效地利用包头信息对传输中出现的错误或数据丢失进行检测。 m p e g 2 标准规定：传输流t s 中，每个传输包的首字节固定是同步字节0 x 4 7 。 因此利用每隔1 8 8 个字节是否出现同步字节0 x 4 7 就能检测出传输流是否发生了 传输损伤，如果每隔1 8 8 个字节均能正确出现同步字节0 x 4 7 ，说明传输中没有 出现错误或数据丢失，这种状态被称为同步状态；反之，被称为失步状态。 传输流必须在被确认已经进入了同步状态后，才能被传送到后续环节进行其 它的处理。同步过程中我们需要考虑到：0 x 4 7 并不是m p e g 一2 传输流同步字节 的专用值，传输包中的音视频数据字节同样可能出现0 x 4 7 ，如果仅仅隔1 8 8 个 字节检测一次0 x 4 7 ，并不能完全认定其为同步字节，而是需要一定的反复检测 次数以降低假同步的概率，我们称这个反复检测次数为进入同步状态的前项保护 级数。前项保护级数的取值是一个很考究的问题，因为它既关系到假同步的出现 概率，又直接影响了传输流进入同步状态的时间快慢。如果前项保护级数取值过 小，那抗干扰的性能就差，出现假同步的概率就大；如果前项保护级数取值过大， 那传输流进入同步状态的时间很慢，造成后续处理环节等待时间过长，这就是早 期的q a m 调制器同步慢的原因。至于同步后受到干扰容易出现失步，我们认为 可能有两个原因：1 s p i 接口本身抗干扰能力差，传输容易发生数据丢失翔错误， 这个问题已经被采用a s i 接口解决；2 干扰没有造成数据丢失，但在同步字节上 出现了误码，即原本值为0 x 4 7 的同步字节变成了0 x x x ，此为假失步现象。假 失步现象的发生对于传输数据本身并没有造成严重的影响( 如数据丢失) ，但对 单纯靠同步字节捕获来确认同步状态的同步处理机制提出了严峻考验，这种只造 成了个别字节误码的干扰将使f 目步处理机制误判，将假失步视为真正失步，并重 新开始建立同步，对数据的连续传输和后续处理的连贯性带来不利影响。综合上 述考虑分析，我们设计了同步搜索和同步跟踪机制，并通过错误概率统计的方法 确定了最佳的保护级数取值，目的就是为了解决早期的q a m 调制器同步慢和容 易失步的问题，同步过程处理的好坏直接关系到传输流的质量和 i s 包处理器的 稳定性； 对于早期的q a m 调制器出现传输包在调制输入缓冲区发生数据溢出的问 题，我们认为主要原因在于输入传输包速率与调制器在选定调制模式和输出符号 率后所要求的输入数据速率之间不能适配的问题。举个例子，当采用6 4 q a m 的 调制方式和6 8 7 5 m b a u d s 的输出符号率时，q a m 调制器需要的输入数据速率为 3 8 0 1m b p s 。如果此时的输入数据速率远远低于了此要求，那么缓冲区的数据将 被读空，产生数据下溢；反之，输入数据速率高于此要求，那么将产生数据上溢。 我们认为：要解决数据下溢问题，实质上就是要防止缓冲区的数据被读空，那么 可以当缓冲区数据不足时禁止从中读数输出，并且自动在缓冲区输出口产生符合 m p e g 2 传输流格式的空的传输包，填充到输出码流以达到调制器此时所要求的 输入数据速率，我们称之为自动码流填充设计；要解决数据上溢问题，实质上就 是要防止缓冲区的数据被写满，那么在写缓冲区的时候，我们尽量预先过滤掉一 些无用的空的传输包，避免它们占用缓冲区的空间，我们称之为智能空包过滤设 计。 以往的q a m 调制器不具有基本的复用功能，因此像网络信息表n i t 的问题， 只能借助于数据插入器或复用器才能实现。网络信息袁n r r 是一种描述传输网 络物理参数( 调制频点、符号率、调制模式等) 的业务信息表，是随传输流一起 传输的，但可以通过p i d 进行区分。由于它所携带的信息和o a m 调制器联系紧 密，因此如果q a m 调制器具有n i t 表修改或接收本地n i t 表并插入到传输流 的功能就将使调制器在功能上更加独立和完备，同时解决早期的q a m 调制器在 数字电视跨地区广播的频点重囊问题。网络信息表n i t 的产生是通过用户向计 算机输入特设定参数后由软件自行完成的，涉及到人机交互输入输出以及上层软 件。因此稿包处理嚣本身无法完成n i t 表的产生，只能利用硬件处理速度快的 特点完成n i t 表的接收和插入t s 流的工作。 最后需要在进行t s 包处理器总体设计时考虑的一点是：m p e g - 2 标准在 l s o ，陋c 1 3 8 1 8 1 ( 系统) 中定义的时序模型是固定延时的，当t s 包处理器对传 输流进行空包过滤、码率填充以及实现n i t 表更新时，从整个m p e g 2 的传输 上来看，实质上已经改变了各个t s 包彼此前后之间的时域关系，换句话说就是 引入了非恒定延时，在时间轴上两个相邻p c r 间的相对位置发生了改变，任何 这种在传输过程中非恒定延时的引入都将造成p c r 的抖动，直接使得解码端无 法利用p c r 精确重建编码端系统时钟，可能出现图像“唇音不同步”甚至解码 器的缓冲区出现数据溢出，因而必须进行p c r 校正，消除p c r 抖动。 根据以上原理分析和综合设计考虑， 本文q a m 调制器前端 i s 流包处理器的 整体结构就显得越来越清晰了，如图2 - 3 所示。图中的方框代表的仅仅是t s 流包 处理器将具有的处理内容或者说是处理 环节，下文将具体叙述本文t s 流包处理 器的实现方案。 2 at s 流包处理器的实现方案 2 3 1t s 流包处理器实现载体的选择 图2 - 3 is 流包处理器的整体结构 由于对t s 流的处理在实时性上有很高的要求，因此多采用可编程器件来实 现这一类处理，毕竟硬件电路的处理能力和速度要比像d s p 或者单片机这些靠 时钟周期进行指令操作的软件实现快的多。现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂 可编程逻辑器件( c p l d ) 是目前硬件逻辑设计中常用的器件，它们不同的内部 结构使其具有不同的应用场合。c p l d 是基于乘积项的可编程结构，分解组合逻 辑的功能很强，它内部的一个宏单元就可以分解十几个甚至2 0 3 0 多个组合逻 辑输入；而f p g a 是基于查找表( l o o ku pt a b l e ，l u t ) 结构，它内部的一个 l u t 只能处理4 输入的组合逻辑。因此，c p l d 适合用于设计译码等复杂组合逻 辑。但f p g a 芯片中包含的l u t 和触发器的数爨非常多，往往都是几千上万， 所以如果设计中使用到大薰触发器，例如设计一个复杂的时序逻辑，那么使用 f p g a 就是一个很好选择。另外，f p g a 可以达到比c p l d 更高的集成度，具有 更复杂的布线结构和逻辑实现能力，因此更适合用于较大规模的逻辑实现。 根据上述可编程逻辑器件的不同特点，结合本文t s 流包处理器主要是时序 逻辑电路应用较多，因此更适合采甩f p g a 来实现。 2 3 2t s 流包处理鬻的逻辑功能模块期分 一般而言，在f p g a 设计中有两种方法：自上丙下设计或自下而上设计。 对予较大规模的设计多采用自上而下的设计流程。首