（信号与信息处理专业论文）asids3网络适配器的研究与实现.pdf

电子科技大学硕士学位论文 捅要 随着数字电视技术的成熟，尤其是d v b 系列标准的推行，数字电视信号在 信源基带数据和信道传输等方面进一步标准化，数字电视传播途径也越来越广， 在卫星、地面及有线电视网中传输数字电视信号都到迅速发展。s d h 网络的众 多优点，使它在数字电视的传输中脱颖而出，在数字电视的传输过程中担任重要 的角色。 本文在研究现有的数字电视网络和各种网络适配产品的基础上，提出了连接 数字视频设备与s d h 传输网络的a s d s 3 双向网络适配器的解决方案，应用了 嵌入式a r m 芯片、c y c l o n e 系列f p g a 、专用a s i & d s 3 接口芯片和相关的开发 软件，实现了帧同步、空包过滤、r s 编解码、交织解交织、p c r 的校正等功能， 完成了适配器方案设计、硬件原理图设计、p c b 设计、软件开发到产品调试、 上s d h 网试验等过程，达到了与国内外多种d s 3 协议适配的良好效果。 关键词：数字电视网络d s 3 a s i 网络适配器p c r 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h em a t u r a t i o no f d i g i t a l t v t e c h n i q u e ，e s p e c i a l l yr e l e a s i n g 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 ) s e r i e ss t a n d a r d s ，d i g i t a lt vs i g n a lh a sb e e nf u r t h e r s t a n d a r d i z e di nt h e a s p e c t s s u c ha sb a s e b a n d s o n r c e s i g n a l d a t aa n dc h a n n e l t r a n s m i s s i o n t h et r a n s m i s s i o nm e t h o d so f d i g i t a lt v b e c o m ew i d e ra n dw i d e r , s u c h a ss a t e l l i t e s ，e a r t hl a n da n dc a t vn e t w o r k sa l ed e v e l o p i n gq u i c k l y t h en u m e r o u s a d v a n t a g e so fs d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) n e t w o r ke n s u r ei t o u t s t a n d so u t o fo t h e rd i g i t a lt vt r a n s m i s s i o n s ，a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hi nt h ee x i s t i n gd i g i t a lt vn e t w o r k sa n ds o m ek i n d so f n e t w o r ka d a p t e rp r o d u c t s ，t h i s p a p e ro f f e r s ap r o j e e to fa s i - d s 3b i d i r e c t i o n a l n e t w o r k a d a p t e r t h a tc o n n e c t s d i g “a l v i d e o e q u i p m e n t s a n ds d ht r a n s m i s s i o n n e t w o r k s m a n yt e c h n i q u e sf o re x a m p l ee m b e da r m ，t h ec y c l o n es e r i e s f p g a ，t h e i n t e r f a c ei co fa s i & d s 3a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ，a r ea p p l i e di nt h i sp r o j e c t ， w h i c hr e a l i z e ds o m ek i n d so f f u n c t i o n s ，l i k ea sf r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，i n v a l i dp a c k e t s f i l t e r i n g ，r sc o d e d e c o d e ，i n t e r w e a v e d e - i n t e r w e a v e ，p c r ( p r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e ) c o r r e c t i o n ，e t c m a n yw o r ka n dd e s i g n sa r ec o m p o l e c t e di nt h i sp r o j e c t ，s u c ha st h e f r a m e d e s i g n ，t h eh a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a md e s i g n ，t h e p c bd e s i g n ，a n dt h e s o f t w a r ed e s i g n ，a l s oc o m p l e t e dp r o d u c t i o nd e b u g g i n ga n dt e s t i n gi ns d h n e t w o r k s t h e p r o d u c t i o nc a n c o n n e c tw i t hm a n yd s 3n e t w o r k p r o t o c o l s k e y w o r d s ：d i g i t a l t v n e t w o r k ；d s 3 ；a s i ；n e t w o r ka d a p t e r ；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：塑! 鱼丝日期：2 0 。了年；月扣日 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：鲎鱼丝导师签名： 日期：d 口，年了月p 日 电子科技大学硕士学位论文 1 1 课题意义及应用背景 第一章引言 信息传播的电子媒体目前主要有通信网、计算机网和广播电视网( 广电网) 三种方式。通信网以电话网为基础逐步发展起来，目前到户主要是双绞线，通过 交换机与骨干网相连。计算机网络发展的初期主要是局域网，目前主要依赖于电 信网。 广电网的数字化是近几年的事，广播电视数字化特别是有线电视数字化为信 息交换提供了一种前所未有的广阔前景。其点到面的广播特点及相应的协议为数 字电视广播提供了良好的平台，广电网的优势还体现在接入网上广播电视系 统的数字化和双向化更容易将不同的业务综合在一起。 我国在发展数字电视方面成就显著，紧跟新技术发展的步伐，而且由于日本、 美国、欧洲的制式之争，在客观上延误了统一数字电视格式的时间，也给我国数 字电视的发展提供了个前所未有的发展机遇。因此，我国的有线电视产业正面 临一个非常重要的历史时期，有线电视作为一项新兴的i t 产业已初具规模。数 字化技术为有线电视网络经营者提供了一个得天独厚的宽带网络运营平台，同时 也为广播电视领域带来了难得的市场机遇。广电网与电信网、计算机网的逐步融 合，即通俗所称的“三网合一”，预示着一个全新的信息化时代的到来。 电视数字化革命的必然性根源于它的相对优势：更高的频带利用率、更清晰 的画面和更逼真的音质，再加上数字电视有利于实现电视广播与计算机网络的融 合，还能很容易地实现加扰解扰以及开展各类收费，电视数字化的诸多技术优 势，无论是对于消费者，还是对于相关企业，甚至是对于整个电子产业、广播行 业，都意味着一场巨大的变革。 随着广电系统s d h 传输网的建设逐步加速，各级广电网络公司编解码节目 传输系统建设也已经得到的很大的发展。在编解码系统中，网络适配器起着连接 数字视频设备与传输网络的作用，由于各地网络情况各异，网络适配器的合理应 用对于整个系统的运行以及运营都会产生较大的影响。 由于阻前广电建设编解码系统与s d h 等传输网多由一家厂商独立完成，其 编解码器多为机筐式，带有g 7 0 3 网络接口，没有独立的网络适配器。但随着编 解码系统的逐步发展，发现这种系统在兼容性、系统稳定性方面存在较大的缺陷， 1 9 9 9 年之后，编解码设备逐步模块化，网络适配器已经独立开来，以适应系统 灵活组网、兼容搭配和稳定运行的要求。 第l 页其6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 但由于s d h 、p d h 等传输网网络接口繁多，以前某家厂商多提供某一种 或少许几种适配接口，目前已经不能完全适合市场的需求，在组网上受到很大的 局限，而且存在几家厂商间彼此设备难以互通的情况，对广电编解码系统建设造 成一些影响。 在编解码节目传输系统中，网络适配器用于连接数字视频设备与传输网络， 得到了很大的应用。针对传输网络以及网络接口的各异，网络适配器必须能够提 供多种解决方案，方便系统的灵活组网，同时建立对用户真正实效合理的系统。 有线数字电视前端的建设是一项系统工程，所设计的技术方案应符合国标及相关 行业标准，具有良好的互通性、开放性，满足商业运营平台的可靠性要求。可以 先提供简单、实用、经济、稳定的业务服务系统，逐步升级兼顾技术发展，保证 系统技术处于比较先进的水平。 目前，各级广电骨干传输网多是s d h 网络，国干、省干等多为2 5 g 容量系 统。2 5 gs d h 即为1 个s t m - 1 6 传输单元，可分为4 个s t m - 4 ( 6 2 2 m b p s ) 传输单 元，1 个s t m - 4 可分为4 个s t m t ( 1 5 5 m b p 曲传输单元，1 个s t m 1 又可分为3 个d s 3 通道( 4 5 m b p s ) 。广电网络公司在传送其主营业务一数字视频时，多建设 d s 3 通道，这是由于d s 3 ( 4 5 m ) 通道具有可以传输6 8 套标清标准的m p e g 2 数字节目，并且跟将来的数字电视业务可以无缝对接，上载到1 个模拟8 m h z 电视频道等优势。所以，网络适配主体设计也是连接d s 3 ( s d h ) 和e 3 ( p d h ，3 4 m ) 网络接口。 在上述背景下，本课题正是研究数字视频设备与传输网络的连接方面提出来 的。 1 _ 2 数字电视广播系统 数字电视广播是从信号源到电视机整个系统全部数字化。整个系统如下图 1 1 所示，它包括五个部分：( 1 ) 数字编码器：p c m 编码和信源编码； ( 2 ) 信 道编码和调制；( 3 ) 信道；( 4 ) 信道解码和解调；( 5 ) 数字解码器：信源解 码和p c m 解码。 模拟视频信号 模拟视频 图1 1 数字电视广播系统框图 数字编码器：将模拟视频信号变为码流形式的信号。包括脉冲编码调制 第2 页共6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 ( p c m 编码) 是把模拟视频信号通过取样、量化、编码三个阶段，变换成时间 和幅度行都是离散的脉冲编码信号( 即a d 变换) ；信源编码是为了提高信源的 传输效率，设法减少比特率，去掉信号中的多余成分，也叫数据压缩。在数字电 视系统中，信源编码基本都是采用m p e g - 2 标准。 信道编码和调制：为了增加通信的可靠性，将码流变成适合于传输的形式， 并通过增加冗余对出现的误码进行纠错或掩错来增加信号在传输中的抗干扰能 力，信道编码主要采用r - s 码和卷积与交织技术；调制技术是利用单载波或多载 波士在很窄的信道中传输高速数据率的信号，调制方式主要有v s b ( 残留边带 调制) 、q a m ( 正交幅度调制) 、c o f d m ( 编码正交频分复用) 、q p s k ( 四相键 控调制) 等方式。 信道：可以是卫星传输、有线电视传输，也可以是地面广播。 信道编码、解调和数字解码器是对接收信号的解调、解码，还原原模拟信号的过 程，是整个发端编码的逆过程。 1 2 1 传统有线数字电视广播传输系统 用传统的h f c 接入网络传输视频信号，不需要用网络适配器，但是它有很 大的限制就是只能在h f c 中传输，不能跨网络通过其它网络传输节目信号，而 且很多增值业务也很难在此系统上运行。传统有线数字电视广播传输系统采用宽 带h f c ( 光纤与同轴电缆混合) 接入网。此系统由前端部分、h f c 传输部分、 光接点机和用户终端设备三部分组成，如图1 2 所示。 电视信号源 模拟电视u 模拟调制 数字电视u 数字调制 数据业务服务设备 回传电视 前端信号混合与分离设各 网关 混【n 医 合f 叫射机 分离器f 1 收机 l 光接 图1 2 h f c 系统框图 第3 页共6 4 页 光纤光接点机 豢f i 品氇 叫陌拌 鬻 轴一 带同i 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 新兴数字电视网络简介 广播电视从模拟方式全面转向数字方式已成为世界广播电视发展的必然趋 势。数字电视地面广播已经走出实验室，开始产业化。 最近数字电视网络的发展非常的迅速，有d v b ，c ，d v b ，t ，d v b s ，d v bo v e r i p 等多种方式，而且现在的数字电视网络还在以很快的速度在不断的发展中， 下面以一种典型的数字电视网络拓扑图加以说明现行的数字电视网络的大概构 成( 如图1 3 、图1 4 、图1 5 ) ： 图1 3 数字电视网络总体框图 卜- c ， ul 盘s d hu 、j _ 、 丫d s 3 刘运蕾平台 1州厦匦叶 1 光纤到运昔平台 ；数字蠛体蕾理赢统( 存储) 节耳平台 ； 一“ 图1 4 数字电视网络节目平台方案 数字电视网络由节目平台、运营平台、监督平台构成。节目平台，主要是提 供节目信号，信号来源可以是以下各种节目源：编码器输出的m p e g t s 流，普 通的a v 信号，数字存储的节目，现场摄像机信号，上级s d h 网络下传的节目 信号，卫星节目信号等。运营平台主要包括：复用器，加绕机，c a 系统，网络 适配器，q a m 调制器，r f 混合器，各种传输系统等。监督平台主要是由p c 机 和相关的外围设备构成，作用是监督各个电视节目的正常播放和整个系统的正常 运行。 数字电视网络这种划分也没有固定的标准，节目平台、运营平台、监督平台 没有严格的限制。比如上级的运营平台有可能就是下级的节目平台。以上数字电 视网络系统方案，只是众多数字电视网络的一种比较典型的情况。当今数字电视 第4 页共6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 网络系统还有很多根据各个地区具体情况的不同，组成的不同的数字电视网络 比如城市和农村，大城市和中小城市的数字电视网络都有所不同。 图1 5 数字电视网络运营和监督平台方案 1 ，3网络适配器在网络中的重要作用 网络适配器在不同的网络中起着连接两个不同网络的重要作用。在d v b 系 统中，网络适配器用于连接数字视频设备与传输网络，如图1 6 所示数字视频信 分节晓 图1 6a s i - d s 3 网络适配器在网络中的位置 第5 页共6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 号要在s d h 网络上传输，在与s d h 接口处都需要网络适配器，因此在传输过程 中，网络适配器的重要作用不言而喻。由于s d h 上的接口有多种，所以网络适 配器的种类也就有多种。 1 4 论文的研究内容及安排 本文主要研究了基于现有的数字电视在s d h 传输网上的d s 3 的各种不同传 输协议在a r m + f p g a 平台上的实现，采用帧同步、空包过滤、r s 编解码、交 织解交织、p c r 的校正，利用三星的嵌入式a r m ( $ 3 c 4 5 1 0 ) 、f p g a ( e p l c 6 q 2 4 0 c 6 ) 、7 8 p 2 2 4 1 、c y p l 5 g 0 4 0 1 等芯片完成，并分别通过软件仿真 和在s d h 网络中调试通过。 本人的主要工作是： ( 1 ) a s i d s 3 适配器方案的设计。 ( 2 ) 硬件原理图的设计，硬件p c b 的设计，硬件的调试。 ( 3 ) 在f p g a 上对适配器的各个功能模块的设计、仿真。 ( 4 ) 适配器系统的仿真、调试，上s d h 传输网络的调试。 论文的具体内容安排如下： 第一章介绍了本课题的意义和应用背景，介绍了数字电视网络的发展，并对 网络适配器在网络中的重要作用做了简要介绍。 第二章介绍了s d h 的发展历史、s d h 原理、s d h 用于d v b 传输上的优点， 介绍了d v b 的a s i 接口特性，讨论了s d h 网络与d v b 平台联接的各种方案。 第三章重点介绍了d v b 。s d h 网络适配器的原理，其中对4 4 7 3 6 m h z 的d s 3 做了重点介绍，从网络适配器的组成，各部分功能应用协议等做了系统的讨论。 第四章是本论文的重点，介绍了a s i d s 3 网络适配器的实现：硬件原理的 实现、f p g a 内部软件的实现、a r m 的实现等。 第五章详细介绍了a s i 。d s 3 网络适配器的实现过程中关键技术：p c r 校正、 f p g a 内部时钟处理等。 第六章介绍了a s i d s 3 网络适配器的调试过程和及实现结果。 在附录中罗列出了本适配器的硬件原理框图和p c b 图。 第6 页共“页 电子科技大学硕士学位论文 第二章s d h 网络和d v b 平台的连接 2 1 s d h 网络简介 2 1 1 s d h 的发展历史简介 s d h 网络作为高速数字传输光纤网络，从一诞生就得到了广泛的支持和应 用，目前在我国干线网上约9 0 的业务量由s d h 系统承载。在从传统的p d h 逐 步向s d h 技术过渡的建设过程中，后者体现出了技术成熟、组网灵活、自愈能 力强和网络管理能力强大等诸多优势，很好地满足了电信业务的需求。但随着密 集波分复用技术的发展和其在核心网的广泛采用，以及因特网和数据业务的发 展，s d h 的发展地位也出现了相应的变化，即在提高速率复用等级的同时，由 在核心层单独组网逐步转向在核心层配合波分复用系统使用，并且提供多种类型 业务灵活接入，在接入网城域网领域继续施展作用。1 9 9 3 年我国制定了s d h 体 制，并开始引进s d h 系统，使s d h 系统具备了传输电视信号( i t u r 建议6 0 1 2 所规定的6 2 5 行分量编码数字电视信号) 的条件。近年来，s d h 也被电视台作为 电视节目及数据交换和干线传输的途径。 s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字传输体系) 是一种综合高速大 容量光纤传输技术和智能网络技术的新体系，具有同步复用、标准光接口、强大 的网管能力等优点。s d h 采用一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块 s t m - n ( n = 1 ，4 ，1 6 ，6 4 ) ，其中最基本的模块为s t m - 1 ，传输速率为t 5 5 5 2 m b s 。 s d h 还采用同步复用方式和映射结构，在各速率等级的码流中，信息( 通常被称 为净负荷) 排列是规律的、同步的、透明的，可通过软件直接分插其中的低等级 速率的支路信号，在网管的支持下，s d h 网络具有很强的自愈功能和重组功能， 并能提供最佳的路由选择。国家广电总局已明确规定，我国有线数字电视网部级 和省级全部采用s d h 传输技术，数据流传输码率为2 5 g b s ，即s 1 m 1 6 。 2 1 2s d h 原理 s d h 帧结构是块状帧，s t m 。n 由纵向9 行和横向2 7 0 n 列字节组成，传 输一帧时间为1 2 5 肛s ，每秒共传输8 0 0 0 帧。其帧结构分为3 个主要区域：段 开销( s o h ) 区域，对s t m 1 而言占据信号帧的第1 列到第9 列中的第1 行到 第3 行，以及第5 行到第9 行，主要用于传送o a m 信息，又分为再生段开销 ( r s o h ) 和复用段开销( m s o h ) ：管理单元指针( a u p t r ) ，占据s t m 一1 第7 页菇6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 信号帧的第1 列到第9 列中的第4 行，用于指向浮动的净负荷的首字节；信息 净负荷区域( p a y l o a d ) ，所有行的第1 0 列到第2 7 0 列，用于信息业务传输，包 括少量用于通信维护管理的开销( p o h ) 。 s d h 的复用映射就是将支路信号适配装入虚容器( v c ) 的过程，其实质是 使支路信号与传送的净负荷容量同步。 各种信号复用映射进s t m - n 帧的过程都要经过映射、定位、复用和指针处 理4 个环节。首先，各种速率等级的数据流进入相应的容器( c ) ，完成适配功 能；再进入相应的虚容器( v c ) ，配上相应的通道开销( p o h ) 。v c 在s d h 网 中传输时可以作为一个独立的实体在通道中任意位置取出或插入，进行同步复用 和交叉连接处理。由v c 出来的数字流再按图中规定的路线进入管理单元( a u ) 或支路单元( t u ) ，在a u 和t u 中要进行速率调整，因而低一级数字流在高一 级数字流中的起始点是浮动的。为准确确定起始点的位置，a u 和t u 设置了指 针( a u p t r 和t u p t r ) ，从而可以在相应的帧内进行灵活的动态定位。最后在 n 个a u g 的基础上再附加段开销s o h ，便形成s t m - n 的帧结构。 2 1 3s d h 用于d v b 传输的优点 随着数字电视技术的成熟，尤其是d v b 系列标准的推行，数字电视信号在 信源基带数据和信道传输等方面进一步标准化，这使得在卫星、地面及有线电视 网中传输数字电视信号得到迅速发展。 但d v b 有线和地面传输只能在一定的区域内覆盖，不适合远距离传输。由 于各地之间有着节目交换传送的需求，解决这一问题可以采用卫星覆盖和微波中 继。但卫星资源有限，而且还有接收质量不稳定和网络安全等方面的问题；微波 中继则由于频率资源有限且有建站选点的限制，很难适应节目数量增加的长期要 求。而在各地区间以s d h 光纤网络传输数字电视节目则不仅能够满足大量节目 或覆盖的需要，而且传输安全可靠，增值业务的接入也更为方便。当然建设s d h 网络需要一定投入，但由于s d h 技术和设备己完全成熟，接口也较规范，并具 有良好的前后向兼容性，因此可以说s d h 网对于干线传输来说是十分合适的。 这样就可形成s d h 干线网和本地d v b 网络相结合的数字电视广播网络体系，而 s d h 与d v b 网之阎可以通过网络适配器来互联互通。 s d h 用于d v b 传输，早期主要是对电视信号进行数字化或浅压缩后以数据 方式传输，这种方式数据容量较大，一般为6 0 一1 5 0 m b p s ，而s d h 具有大容量、 接入方便、交换灵活等特点，适合电视数据的传输。因此，我国有十几个省市的 广电干线网采用了s d h ，而且多为2 5 g b 环形网，越来越多的广电系统以s d h 数字光纤网为载体传输电视节目及数据。 作为数字图像的传输途径，s d h 具有一些突出的优点： 第8 页共6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 具有全世界统的网络接点接口( m m i ) ，简化了信号的互通以及信号的 传输、复用、交叉连接交换过程。它还有一套标准化的信息结构等级，称为同步 传送模块s t m - n o n = i ，4 ，1 6 ，6 4 ) 其中最基本的模块为s t m 一1 ，传送速率为 1 5 5 5 2 m b s ，将四个s t m i 按同步复用经字节间插构成s t m 4 ，传送速率为4 1 5 5 5 2m b s = 6 2 2 0 8m b ，同理s 1 m 1 6 、s r i m 一6 4 速率分别为2 4 8 8 3 2m b s ， 9 9 5 3 2 8m b s 。s t m - n 的帧结构为块状，其中安排了丰富的开销比特用于网络管 理，同时具备一套特殊的复用映射结构允许接入p d h 、a t m 和b i s d n 信号， 具有广泛的适应性。 ( 2 ) s d h 网具有完全的前、后向兼容性，与现有网络能完全兼容，向后可兼 容p d h 的各种速率，向前可兼容各种新的数字业务信号，如高速局域网的光纤 分布数据接口( f d d i ) 信号，城域网的分布排列双总线( d q d b ) 信号，以及b i s d n 、 a t m 信号。 ( 3 ) 采用先进的分插复用器( a d m ) 、数字交叉连接接口( d x c ) 等设备使网络 具有很强的自愈功能和重组功能。 综上所述，s d h 网最主要的特点是：传输速度高、技术成熟、同步复用、 标准接口和强大的网管功能。 2 2 d v b - a s i ( 异步串行接口) 简介 a s i 为具有不同数据速率的串行编码传输系统，其传输速率是恒定的。该系 统为分层结构，层2 使用m p e g 一2 标准g b t1 7 9 7 5 卜2 0 0 0 ，层0 和1 是基于a n s i 标准x 3t 1 1 级f c 一1 和f c - 0 。 来自不同设备的传送流可能具有不同的数据速率。由于采用恒定的传输速 率，因此接收时钟是恒定的。同时采用p l l 电路来恢复原始时钟速率。其中所需 的传输设备的输入和输出均为m p e g 一2 格式的字节( f c 支持单模光纤、多模光纤、 同轴电缆及双绞线的接口) 。但是，国内的a s i 接口没有采用i s o i e c 规定的 2 6 5 6 2 5 m b i t s 传送速率，丽是采用了2 7 0 0 0 0m b i t s 的传输速率。 第9 页共6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 2 2 1 a s i 传输系统 第2 层 i i 第1 层i l 篓6 - 2 ts凼mpeg 2 t s 一8 b 1 0 b 区哥蟹 。 i 同步字( f cli 串，并ii 放大i _ - - i 逗号) 插入r - 1 转换h 缓冲器l 包同步的广 华e g - 2 t s - j8 b 编码1 0 b 同步字( f c 逗号) 插入 第。层 i l 霎嚣i 压抗匹配广，1 二：= ： 同轴电缆 弧血羽崖 * 铒 注：光缆构成的a s i 传输链路中。这里分别改为光发射器和光接收器 图2 1 同轴电缆，光缆构成的a s ! 传输链路 将要传输的数据是字节同步的m p e g 2 传送包，如图2 1 。首先要对字节 进行8 b 1 0 b 编码，由每个8 比特字节产生一个1 0 比特的字。然后对这些1 0 比 特字进行并串转换，其输出比特率固定为2 7 0 m b i t s 。在并串转换器要求输入 一个新字、而数据源还没有准备好新字时，应插入一个同步字，接收时将略掉这 些同步字。使用同轴电缆时，所形成的串行比特流将通过缓冲驱动电路、耦合 网络、然后送到同轴电缆连接器上。而使用光缆时，则将此串行比特流送到l e d 发射器驱动电路，这个l e d 发射器是通过一个机械连接器耦合到光缆上。 到达同轴电缆的接收数据首先要经连接器和耦合网络耦合到恢复时钟和数 据的电路上。使用光纤时，由光敏检波器进行光电转换，再送到时钟和数据的恢 复电路。 已恢复的串行数据经8 b 1 0 b 解码器变换回原始的8 比特字节。为保证字节 对齐，解码器要首先搜索同步字，该同步字的码型在1 0 比特码字中是唯一的， 与所有可能的由8 b 1 0 b 编码器产生的输入数据字节均不同。一旦搜索到该同步 字，即为随后接收的数据字标定了边界，从而建立了解码输出字节的正确的字节 排列。 2 2 2a s l 配置 a s i 接口包含两个物理节点：发送节点和接收节点。而链路就是指把数据从 发送节点运载到接收节点的单向光纤或同轴电缆。互连的端口通过这种链路实现 通信，即将视频或音频压缩、复用、调制等设备连接起来。此处规定的a s i 接口 仅用于点对点链路。 第1 0 页共“页 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 a s i 协议结构 a s i 协议结构分为三层：第0 层、第1 层、第2 层。 2 , 23 1 第0 层：物理需求 物理层规定传输媒介、驱动器和接收器，以及传输速率。物理接口有l e c 驱 动的多模光纤和同轴电缆两种。基本速率定义为2 7 0 m b i t s ( 传输信道速率) 。 第0 层的基本单元为链路使用电缆时，抖动是以随机且与数据有关的抖动和占空 系数失真的传统方式定义的。而在使用光缆时，抖动则是以随机抖动( i u ) 和确 定性抖动( d j ) 的方式定义的。确定性抖动是与数据有关的抖动和占空系数失真 之和。d j 是由传输系统正常的电路效应所引起的定时失真造成的，包括信号上 升与下降沿间的传播延时差，及传输部件和符号序列的有限带宽的相互作用。r j 是由系统熟噪声引起的，通常以高斯过程作为模型。 1 线路速率和比特定时 由8 b 0 b 编码的线路速率为2 7 0 m b i t s ，因此媒介的传输速率为2 7 0 m b a u d 。 在发射器处进行串行变换时，采用一个固定的振荡器生成这个2 7 0m b a u d 速率， 同时从这里产生出一个锁相的字节时钟，用于并行字节的移位。 接收器通常采用锁定于输入数据流比特跳变的锁相环( p l l ) 振荡器，来恢 复串行传输时钟。然后从中分离出锁相的字节时钟，将字节并行移出，送到第1 层处理部件上。 2 接收器定时信息的捕捉 接收器在排列接收到的字节之前，首先要捕捉到比特同步。这个捕捉时间的 计算方法为从接收到有效输入信号起，到接收器同步于比特流，并且送出在系统 规定的b e r 范围内重新定时的有效数据为止。比特同步必须在1 m s 内完成。 3 电缆的特性：电缆标称特性阻抗为7 5q ： ( 1 ) 电缆连接器 该连接器应具有b n c 型的机械特性。 连接器的电特性应能满足接口规定使用频率范围。 ( 2 ) 电气特性 参数应符合系统的温度、电压和寿命范围，并且要在终接了7 5 w 电阻终端时 进行测量。 接口应经过变压器耦合到同轴电缆系统上，光缆是经过一个单段光缆将发端 与收端连接起来。除下述几点外，i e c7 9 3 2 规定的a l b 型光纤，标称直径为 6 2 5 1 2 5i i r a ，能够满足此处光缆的需要。在某些限制下，该系统能够使用各种 第1 】页共6 4 贞 电子科技大学硕士学位论文 光纤：但只有使用本附录所规定的光纤，才能满足本附录所提出的性能要求，并 且能实现不同厂商设备的互操作。这里的规定是在1 3 0 0 n m 波- k n 量的衰减小于 或等于1 5 d b k m 时做出的。当传送所需光缆长度较短时，可以使用损耗较大的 光纤。在1 2 9 5 n m 到1 3 6 5 n m 范围内，每种光纤都应具有零色散波长，并且色散 斜率不超过0 1 1 0 p s ( k m * n m 2 ) 色散特性 2 2 3 2 第1 层：数据编码 a s i 传输协议包括串行编码规则、专用字符及差错控制。该编码采用直流平 衡的8 b 1 0 b 传输码，即将每个8 比特字节映射为1 0 比特码。这种1 0 比特码的 游程长度等于或小于4 比特且直流偏置最小，其差错校验是由无效传输码点和 “游程”不等性实现的。 专用字符定义为编码数据字节未用的附加码点。其中最特别的是逗号字符 ( k 2 8 5 ) ，用以建立在a s i 传送链路中的字节同步。 1 编码要求 a s i 传送的第l 层规定的是与传送媒介特性无关的编解码，采用8 8 1 0 1 3 传 输编码为链路提供自校验能力和字节同步。1 0 b 传输码是按照“不等性”来定义 的，即在所传输的串行数据流中比特“1 ”与比特“0 ”的个数之差，直流平衡也 是通过这种不等性来实现的。每个8 b 码在1 0 b 码点映射中有两个输入，它们分 别代表该8 b 码的正、负不等性。发射器通过选择要传输的1 0 b 码的恰当的正或 负不等性，来维持所传输的串行比特流的游程不等性在士1 的范围内。而接收器 将校验输入码流的游程不等性是否合适和无效1 0 b 码点是否正确，从而保证了字 节级数据的完整性。 2 线路编码 a s i 接口第l 层中采用8 b 1 0 b 传输码，编码表见表a 8 ，主要的编码过程见 第a 4 节。 3 。字节同步 字节排列同步图形是8 b 1 0 b 码中的k 2 8 5 码。在5 字节窗内，收到两个相 邻k 2 8 5 专用字符后，接收器就可认为是一个已正确排列的码流。在第二个k 2 8 。5 后收到的第一个字节就应具有有效字节排列。 4 ，误码率( b e r ) 的性能 数据从第l 层传到第2 层处测得的b e r 应小于1 0 13 ，即b e r 应在8 b 1 0 b 解 码器输出处测量。 5 包同步 每个第2 层传送包之前至少应有两个同步码字( k 2 8 5 ) 。 第1 2 页共“页 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 3 第2 层：传送协议 a s i 第2 层采用m p e g 一2 传送流的包结构作为其基本信息单元。传送包可以 是连续字节的块( 即传输码流的单个包中不插入同步字) ，也可以是插入同步字 的单个字节，或者是连续字节和同步字的任意合成。此外a s i 第2 层协议规定， 每个传送包前至少要有两个同步字( k 2 8 5 ) 。尽管包同步处理不是a s i 传输协议 定义的一部分，但第2 层包定义中还是包括了t d p e g - 2 传送包同步字( 4 7 h ) ，以 便接收设备实现包同步。 a s i 接口第2 层定义使用了m p e g 一2 传送流包的句法，还有附加要求，即每 个传送包前至少应有两个同步码字k 2 8 5 字符。尽管没有插入的同步字，8 b 1 0 b 接收器也能维持同步( 在同步建立之后) ，但这种包前的同步字节的条件可保证， 一旦线路干扰使同步丢失时，在1 个传送包之内即可再同步。 2 3s d h 网络与d v b 平台的联接 传统的s d h 同步传输模块s t m 1 、s t m 4 、s t m 1 6 、s t m 6 4 外，还包括 p d h 、1 0 m b i t s 和1 0 0 m b i t s 以太网、a t m 、d s 3 、e 3 、e 2 、e 1 等接口，目前 s d h 网络提供交换型虚电路( s v c ) 和永久型虚电路业务，接口类型支持b n c 电 口和单、多模光纤，物理接入速率有2 m 、8 m 、3 4 m 、4 5 m 、1 0 0 m 、1 5 5 m 等。 因此，可以同时传输数字电视、模拟电视、电话以及数据等多种形式的信息，充 分利用了广电网络带宽、容量大的优势，极大地提高了带宽的利用率。由于s d h 始用于电信业务，包括波分复用系统使用、组网设备、接口的类别多样等方面， 其接入要求和接口类型规范到协议都有所不同，因此各家产品之间并不能做到全 方位的匹配。但也并不是说s d h 网络就是无规范、无标准的，实际上s d h 网络 的基本框架和在此基础上的协议是遵循统一标准的。换言之，s d h 网络同步传 递模块s t m 山s t m 4 、s t m 1 6 、s t m 一6 4 是在统一协议标准下搭建的，真正实 现了数字传输体制的全球统一标准。前面所指的不统一之处在于与标准接口( 如 s t m _ 1 、s t m 4 、s t m 1 6 等) 接入时所选的网络接口转换器或其它网络接入设 备在接口电路上应用的协议和规范的不同。 现行数字电视传输是遵循d v b c 标准，相对s d h 网接入设备接口协议和标 准而言，d v b c 标准框架下的相关设备就有着接口协议统一，相互兼容等优势。 目前s d h 网络除s t m ，1 接入，还可支持d s 3 、e 3 及e l 接入，从而兼容p d h 网络或设备。 一般模拟电视节目数字化是采用m p e g 一2 编码，其压缩数据t s 流码率一般 为5 - 8 m b p s ，以s d h 网络传输数字电视节目时采用何种网络接口，这主要取决 第1 3 页共6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 于传输节目的数量及已有的s d h 网络设备的类型和网络现状，比较常用的接口 有：s t m 一1 、d s 3 、e 3 或e 1 。 利用s d h 传输数字电视的几种方式：利用d s 3 接口传输d v b 业务、利用 a t mo v e rs d h 传输d v b 业务、直接将a s i 适配到s t m 1 接口传输d v b 业务。 2 3 1 利用e 1 接口传输d v b 业务 接入速率只有2 m b i t s ，在s d h 网络中e 1 接口常被用于数据回传。用于传 输以m p e g 2 方式压缩的5 8 m 的节目码流并不合适，虽然在s d h 网络中e 2 接口接入速率约为8 m b i t s ，但很少被采用。为了在以e 1 为基本接口接入s d h 网络时，可采用2 4 路e 1 接口并行传输一套m p e g 2 编码压缩节目。 2 3 2 利用d s 3 接口传输d v b 业务 d s 3 接入速率为4 5 m b i t s ，许多已建成的s d h 省网，尤其是采用国产s d h 相关设备，如网络适配器，光收发机等，大多数采用d s 3 接口，可直接将一组 多码流通过d s 3 接口接入s d h 网络。d s 3 接口与e 3 接口( 3 4 m b i v s ) 一样可以 映射转移到s t m 1 接口( 1 5 5 m b i t s ) 。如图2 2 所示。 圈2 2d s 3 e 3 到s t m 的映射 s t m ，1 的基本复用结构能够传输3 路d s 3 信号，与之对应的d s 3 接口容量 为4 4 7 3 6m b i t s ，而8m 带宽采用6 4q a m 调制时最大m p e g 2t s 传输容量为 3 7 9 8m b i t t s ( 在没有r s 纠错编码时最大m p e g 2t s 比特率为3 8 4 6 5m b i t s ) 。 由s d h 帧结构可知，s t m 一1 的最大净负荷为9 2 6 1 字节( 称为虚容器v c 一4 ) ， v c 4 中除去每行笫一个字节的通道开销( p o h ) ，就是容器c 一4 ，其容量为 9 2 6 0 8 80 0 0 = 1 4 9 7 6m b i t s ，因此采用d s 3 接口来传输d v b 信号时，其传 输效率仅为7 6 ( 3 7 9 8 3 1 4 9 7 6 = 7 6 ) 。由图可见，s d h 的帧结构对于d v b 业务而言没有最优化，传输效率不高，并且也不满足h f c 网络中不同调制方式 第1 4 页共6 4 页 电子科技大学硕士学位论文 的灵活性。d s 3 接口主要是运用在千网和省网，市县级的网络一般只有接收d s 3 接口，市县级的下传信号一般不用d s 3 ：上 王f c 的d s 3 接口数据流一般用6 4 q a m 或者1 2 8 q a m ，而2 5 6 q a m 的5 7 2 6 8m b i t s ，已经超出d s 3 所能承载的4 4 7 3 6 m b i t s 码率，故不适用。 a s i d s 3l + 网络适配器j j a s 卜d s 3 b d s 3 一 l 网络适配器i s t m 1 ；fi 映射 j a s l d s 3 b i 网络适配器l “i 图2 3a s i d s 3 网络适配映射到一路s t m 1 的发送站示意图 采用a s i d s 3 网络适配接入方案，在1 个s t m 1 接口通道内可以传输三 路的d s 3 ，也就是最多可传输2 1 套节目( 单节目压缩码流为5 - 6 m b p s ) ，如图 2 3 、图2 4 所示。 d s 3 的接入，直接利用s d h 的d s 3 接口是常用的方式，接入框图在图2 3 、 图2 4 中把d s 3 到s t m 1 的映射部分去掉即可。 2 3 1 3 直接将a s i 适配到s t m 一1 接口传输d v