（微电子学与固体电子学专业论文）dvb数据广播终端的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 数据广播作为广播电视系统的新一代业务，随着数字技术和计算机技术的不 断发展，正在从模拟到数字、从窄带到宽带、从单向到互动发生质的变化。数据 广播具有旺盛的生命力，它区别于已有的报纸、广播、电视和互联网这四大媒体， 既能承受用户数目的自由增长，又能支持用户个性化服务，是实现低价、高速数 据服务的一种较好解决方案。文 本文在对我国广播业现状进行分析的基础上，提出了一套基于d 一c 标准 的交互式数据广播系统，着重对在该系统中占重要地位的数据广播接收终端进行 了深入的研究。 在文中，首先分析了研究中所涉及到的m p e g - 2 标准和d v b 标准的相关部 分，而后提出了基于p c i 总线数据广播接收卡的总体设计方案，并用了相当大的 篇幅讨论了接收卡的具体硬件实现，特别对e s b 总线与p c i 总线之间的总线桥这 一设计中的关键电路部分进行了深入的研究。性硬件设计中，大量运用了数字电 路设计技术、f p g a 技术、p c i 总线技术和各种接口技术等，提出了一种独特的硬 件体系结构，大大提高了系统的集成度，并且保证了与d v b 标准的完全兼容。 条件访问模块是数据广播系统中不可或缺的重要组成部分，是保证知识有价、 服务有价的关键。笔者对条件访问的系统结构和关键技术进行了分析，最终在自 行设计的数据广播接收卡上实现了条件访问的功9 吕k 最后，本文作者对近几年快速发展起来的u s 窍l 总线技术进行了分析和研究， 提出了数据广播接收终端的改型设计方案，并给出了具体的软硬件实现方法。陪 于p c i 总线和u s b 总线的数据广播终端研究为数据广播系统的发展提供了先进的 技术支持，并大大促进了它的商业化进程。j l 关键词：数据广播? 数据广播终端? q a m 解调 解复用、总线桥i 条件访问、 ， 7 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d a t ab r o a d c a s t i n gi st h en e ws e r v i c ep r o v i d e db yt h et e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g s y s t e m w i t l lm ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d a t a b r o a d c a s t i n gi sc h a n g i n gf r o ma n a l o g y t od i g i t a l ，f r o mn a r r o w b a n dt ob r o a d b a n d ，f r o m b r o a d c a s t i n gt oi n t e r a c t i o n d a t ab r o a d c a s t i n gd i f i e r sf r o mo t h e rk i n d so f m e d i a s u c ha s n e w s p a p e r 、b r o a d c a s t i n g 、t e l e v i s i o na n d i n t e r n e t i th a st h es 臼o n gv i t a l i t yb e c a u s ei tc a n n o to n l ys u s t a i nt h ef r e ei n c r o a s oo ft h en u m b e ro fu s e r s ，b u ta l s o p r o v i d es p e c i a l s e r v i c e sf o rt h ei n d i v i d u a l i th a sb e e np r o v e d 也a td a t ab r o a d c a s t i n gi sag o o ds o l u t i o n t op r o v i d el o w - p r i c ea n d h i g h - s p e e dd a t as o r v i c o s a f t e rt h ea n a l y s i so ft h eb r o a d c a s t i n gi n d u s t r yt o d a yi nc h i h a , a l li n t e r a c t i v ed a t a h r o a d e a s t i n gs y s t e m b a s e do nd v b cs t a n d a r di sb r o u g h tf o r w a r d t h i st h e s i sm a i n l y d o e sr e s e a r c ho nt h et e r m i n a lt h a tt a k e so na ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed a t ab r o a d c a s t i n g s y s t e r n a t f i r s lt h er e l a t e dp a r t so f t h em p e g 2s t a n d a r da n dd v bs t a n d a r da r ea l l a l y z e d ， t 1 1 e nt h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo f t h ed a t ab r o a d c a s t i n gc a r dw h i c hi sb a s e do np c ib u s i sp u tf o r w a r d i nt h i st h e s i s t l l eh a r d w a r ed e s i g no ft h ep cc a r di sd i s c u s s e di nd e t a i l s e s p e c i a l l yt h ed e s i g no f t h eb r i d g eb e t w e e ne s bb u sa n dp c ib u s i nt h ep r o c e d u r eo f t h eh a r d w a r e d e s i g n ，d i g i t a lc f f c u i tt e c h n o l o g y 、f p g at e c h n o l o g y 、p c ib u st e c h n o l o g y a n di n t e r f a c et e c h n o l o g ya r eu s e d au n i q u eh a r d w a r es y s t e r ns t r u c t u r ei sp r o p o s e di n t h i st h e s i s ，w h i c hw i l li m p r o v et h eh a r d w a r ei n t e g r a t i o nt r e m e n d o u s l ya n de n s u r et h e d e s i g n t ob e c o m p l i a n tw i 也d v b s t a n d a r dc o m p l e t e l y t h em o d u l eo fc o n d i t i o n a la c c e s si st h e n e c e s s a r yc o m p o n e n ti nt h ed a t a b r o a d c a s t i n gs y s t e m i ti sd e s i g n e dt op r o t e c ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t ya n ds e r v i c ep r o p e r t y n l cs t r u c t u r ea n dt h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ec o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e ma r ep r e s e n t e di n t h i st h e s i s w eh a v ei m p l e m e n t e dt h ef u n c t i o no f c o n d i t i o n a la c c e s si n0 1 1 1 p cc a r d f i n a l l y , t h eu s bt e c h n o l o g yt h a th a sb e i n gd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r si sa n a l y z e d a n ds t u d i e di nt h i st h e s i s n l cd e s i g ns c h e m eo fp ct e r m i n a lb a s e do nu s bb u si sp u t f o r w a r da n d 也em e a s n r 0 5o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na r ep r e s e n t e d t h e s t u d i e so ft h et e r m i n a lb a s e do np c ib u sa n du s bb u sw i l lp r o v i d et h ea d v a n c e d t e c h n i q u es u p p o r tf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ed a t ab r o a d c a s t i n gs y s t e ma n da c c e l e r a t e i t sc o m m e r c i a l p r o c e s s k e y w o r d s ：d a t ab r o a d c a s t i n g d a t a b r o a d c a s t i n gt e r m i n a lq a md e m o d u l a t i n g d e m u l t i p l e x b u s b r i d g e c o n d i t i o n a la c c e s s h 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 广播电视技术将声音和图像传送到亿万受众，并以此形成了“广播”这一概 念。半个多世纪以来，广播电视作为有效的大众信息传输手段，在社会发展和人 们的日常生活中起着重要的作用，它使得人们能以更有效的手段接收到更多、更 好的声音和图像信息。但是，在二十世纪末由于因特网技术的出现广播电视面临 了前所未有的挑战。越来越多的迹象表明，因特网技术所带来的信息传播方式的 变化，对二十一世纪人们生活产生的影响将是持久而深远的，人们越来越多地从 因特网获取或交流信息。2 0 0 1 年7 月，中国互联网络中心( c n n i c ) 公布了全中 国的i n t e m e t 上网用户已经达到了2 6 5 0 万人。互联网由于具有信息内容开放性、 及时性、丰富性、免费性、不受地域限制的特点，吸引了越来越多的人参与其中， 成为当前人们获取信息的主要渠道之一，并日益成为日常生活的一部分。 互联网出现至今，发展了不足二十年，但对现代人类的生活和工作方式都起 到了根本性的改变。不少人认为互联网已实现信息交换与文化共享的完美结合， 基本结构不用动了，今后只需增加带宽和增加网址。但是，从互联网的发展历史 来看，只能说它是“空前”而并非“绝后”，互联网并非理想文化工具。互联网把 带宽灵活分配给用户，让他们自由选择时间、地址和内容，但是，各取所需是以 用户数目n 有限为前提的，n 增多，带宽不够分配，就会出现网络拥堵或称为带 宽瓶颈，接入网、干线和服务器都可能是瓶颈，不断加大带宽又不断出现拥堵。 近些年来，由于i n t c m e t 的不断普及，上网的人数越来越多，人们需要获取的信息 量也越来越大，这种带宽瓶颈显得尤为突出。因特网的成功，意味着访问量的增 加，而访问量的增加，却造成因特网高度拥挤、信息通道的阻塞。与此同时， 随着数字技术和计算机技术的不断发展，广播技术在沉寂了一段时期后获得了空 前的发展。世界范围内的广播电视技术正在从模拟到数字、从窄带到宽带、从单 i 华中科技大学硕士学位论文 向到双向发生质的变化【2 j 。 随着广播业数字化进程的不断推进，它已经不再局限于原有的音视频广播服 务，它能够提供内容更为丰富、信息更加广阔的数据业务，如网上教育、证券信 息发布、综合新闻和视频点播等多种业务。另外，由于广播业的固有特点，即它 是信息共享的结构，因此，它支持用户数目的自由增长，在那些服务于大众的信 息传播方面，广播将表现出比i n t e m e t 更加优越的性能。 1 2 数字广播的特点及未来前景 广播工业具有悠久的历史，广播方式的能力是无可争议的，传统上，它以模 拟信号的方式为广大用户播送业务。但是，随着时代的变革和技术的不断发展， 广播业在两方面发生了根本的改变：( 1 ) 数字化，模拟到数字的转变。( 2 ) 数据 化，单纯的视听业务向多种数据业务的转变。这种变化使得广播业出现了新的特 征 3 】： 传输的信息是数字化的信号，区别于传统的模拟信号。采用数字化传输具有 模拟传输不具备的优势，例如：在一个8 m i q z 的频道中，采用6 4 q a m 调制， 可以传输8 9 套经过m p e g 一2 压缩过的视频节目，这样将大大增加频道利 用率，使得在有限的频带里能传输更多的信息。 图象质量好于模拟电视。从两个方面可以看出：一方面数字广播采用m p e g 2 编码，模拟电视的图像仅相当于m p e g 1 ，m p e g 2 的图像质量要强于 m p e g 1 的图像质量；另一方面，传输过程中，数字信号抗干扰能力好于模 拟信号，因此信号不易受损。 采用数字传输，可以利用条件接收系统，提供特殊信息的有偿服务。传统的 广播模式下，经营者只能是通过出售广告来获取回报。在数字化广播模式下， 经营者将有更多的回报形式，对于公共信息可只收月租费，对于特殊信息如 股评、交通信息等，可以采用条件访问系统根据用户的需求设定授权或不授 权，从而收取相应的信息服务费用。 信息不再限制在传统的音视频节目，可以开设内容更加丰富的多媒体业务。 特别是数据信息业务是一个新业务，它具有很大的市场和发展空间。例如： 华中科技大学硕士学位论文 传统的有线电视网利用场逆程传输数据，般带宽较窄，只有几十k b ，无 法满足多媒体数据传输的需要，而在数字化后，数据传输率将可以达到几 m b ，能满足更多的服务需要。 随着数字化和数据化在广播业中的不断深化，广播业又焕发了新的活力，它 正在向着一个更加广阔的市场迈进，在未来信息战中将扮演一个重要的角色。由 于看到了数字广播的重要性，世界各国展开了激烈的竞争，争先恐后地推出自己 的标准，试图在该领域的发展中占得先机。目前发展较为完善，并且运用较为广 泛的有三种标准：( 1 ) 欧洲的d v b ( 数字视频广播) ，1 9 9 9 年6 月正式成为欧洲标准， d v b 的交互业务标准是目前欧洲电信标准。( 2 ) 美国的a t s c ( 高级电视系统委员 会) 数据广播和交互业务标准。( 3 ) 日本的i s d b ( 综合业务数字广播) 。这三种数字 广播标准在内容上并无原则性差异【4 】。 数字广播的技术发展和标准的建立，大大加快了数字广播的实用化进程。数 字广播和当前的主流媒体i n t e m e t 将承担起未来信息传播的重任，它们之间既存在 竞争又存在合作。它们之间的合作关系带来了数字化世界的两种技术融合现象： 一种是根源于i n t e m e t 的经验，一种是来自数字电视广播的发展。在i n t e m e t 领域， 业务提供商正试图将i n t e m e t 的巨大能力与广播模式结合起来向用户终端提供服 务，因此，i n t e m e t 上的多播和广播方式受到了用户的广泛欢迎。但是，实际的应 用表明，无论是业务提供商还是用户对于i n t e m e t 利用广播甚至是多播技术进行服 务时表现出的性能并不满意。业务提供商非常愿意为用户提供内容更加丰富并且 画面更加生动的多媒体服务，而不仅仅是静态的呆板的网页，但这需要增加额外 的带宽资源。另外一种融合的发展来源于数字化广播技术。数字化对于广播业来 说是一种革命性的变化，它的意义并不局限于仅仅是一种从模拟到数字的转化， r 更深层次的意义在于它将能为广大用户提供类型更加多样化的服务，并且为广播 网与i n t e m e t 在网络和技术方面的融合扫清了道路。i n t e m e t 并不是为广播数据而 设计的，它并没有很好地规划，尤其是对于丰富的多媒体内容。如何向p c 或是 用户的其它数字接收终端播送丰富的多媒体内容将为广播业带来新的机遇。在技 术方面，口对于点对点的通信来说是十分有效的，是一种公认的网络协议，广播 业也应该适应潮流对口进行充分的利用，例如，将邛业务数据包封装进m p e g - 2 华中科技大学硕士学位论文 的传输流中，这样将使得i n t e r a c t 上的丰富的资源真正的为无限数量的用户提供服 务。在网络方面，广播网由于大多是单向模式，对于要求进行双向通信的交互式 应用来说必须寻求一种用于回传的信道。庆幸的是，由于i n t e r a c t 的普及，实际上 已经为广播网的数据回传问题提供了一种现有的解决方法。数字广播的目标就是 要创建一种非对称的网络结构，这种结构应具有丰富的广播带宽和一种窄带回传 信道用于应答和确认。利用i n t e r a c t 网进行数据量较小的回传，在广播网上完成数 据量较大的业务数据传输，这种非对称的网络结构将在未来得到广泛的应用【5 1 。 1 3c a t v 网的发展与数据广播系统 c a t v 最早是c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n 的简称，起源于4 0 年代的美国。 为解决接收开路广播电视图像质量不好的问题，在接收信号好的地方架设天线，并 用馈线将接收到的信号传递给电视用户。这种多个用户公用一副天线的系统就是 公用天线电视系统的雏形。后来，由于无线广播电视的增加受到频率分配的限制， 出现了将卫星电视信号、微波中继信号和自办节目加以解调、调制、混合后再采 用同轴电缆作为传输线路分配传送给广大电视用户的电缆电视( c a b l et e l e v i s i o m 系统，即有线电视系统。 9 0 年代以来，光纤传输技术、数字技术、微电子技术以及光电子技术的迅速 发展，使有线电视系统发生了革命性的变化。利用光纤传输的低衰耗、高可靠性， 研制出了新型的有线电视系统一h f c ( h y b r i df i b e r c o a x ) 。h f c 网不仅提高了有 线电视系统的传输质量和可靠性，更重要的是形成了一个性能良好的双向通信的 基础结构。数字压缩技术和高效数字调制技术大大扩展了有线电视网的节目容量。 同时h f c 网络的带宽也从过去的4 5 0 m h z 扩展到了7 5 0 m h z 甚至1 g h z ，使其网 真正成为宽带传输网络【6 】。 随着信息化浪潮席卷全球，以美国为首的西方国家纷纷提出了建设“信息高 速公路”计划。我国也紧跟潮流，提出了“中国信息基础设施”( c i i ) 计划，旨在 建立全国综合信息业务网。如何建设“信息高速公路”成为信息服务界的热门话 题。 h f c 网络是高效廉价的宽带综合用户分配网络，它频带宽、成本低、容量大、 华中科技大学硕士学位论文 多功能、抗干扰能力强，支持多种业务并连接千家万户。随着信息技术的发展， h f c 网已不仅仅简单用于电视信号传输，而是向着城市综合信息网发展，为“信 息高速公路”的建设莫定了基础。 表1 1 中国电视机与c a t v 用户表 1 9 7 6 芷1 9 8 3 芷1 9 9 6 焦1 9 9 8 年2 0 0 0 焦 电视机 6 0 0 万3 0 0 0 万3 亿3 4 亿3 8 亿 c a t v 用户 0 1 0 0 0 万7 0 0 0 万8 0 0 0 万1 亿 中国有线电视网络这些年无论是数量还是质量上都得到了进一步发展，有线 电视网络技术从1 9 9 9 年以来在干线网体制、接入方式、网络管理系统以及与相关 技术的融合上都有长足进步。有线电视网络发展历史如表1 1 所列，中国有线电 视用户的数目在二十世纪的9 0 年代中后期得到迅速发展，每年基本上增加1 千万 户，全国几乎三分之一的电视机都已经联入有线电视网【n 。 我国拥有如此大规模的c a 网络，如何能对其进行充分利用，从而发挥出 它的更多功效，为用户提供更多的服务，这已经成为了近几年的热点问题。利用 数字化广播技术在c a t v 网络上开展丰富多彩的数字广播业务，将使得这一问题 得到良好的解决，从而最终使得c a t v 网在未来的信息战中扮演更加重要的角色。 在有线电视网上开展数字广播业务，技术标准是十分重要的，我国已经将d v b c 作为数字有线电视行业标准开始颁布实施。本课题研究的方向就是在c a t v 网上 实现d v b c 数字化广播，并提出一套宽带交互式数据广播方案，如图1 1 所示。 我们提出的交互式数据广播系统，采用国际通用d v b m p e g 2 标准，保证了 频带资源的高效利用和对各种设备的充分兼容，为长期制约数据广播发展的网络 带宽及传输速度问题提供了全新解决方案，为有线电视增值业务的开展提供了最 先进的运营平台，将为用户提供内容更加丰富的服务。 华中科技大学硕士学位论文 图1 1 交互式数据广播系统结构图 系统构成【8 】【9 1 图1 1 为本系统的的结构图。从图中我们可以看到，数据广播系统由三部分 构成：中心系统、用户终端和传输网络。 中心系统：是整个系统的核心，主要是由各种服务器组成。 1 ) 播控管理服务器：对节目播出进行管理，产生并播出电子节目指南e p g ( 用户可以通过e p g 选择接收需要的信息) ：提供对d v b 网关的远程控制；根据 播控数据库实现节目的定时播出：确定节目带宽并且实现播出节目的数据流量控 制；实现优先级控制、带宽控制等；对交互式用户的下行数据流量进行统计并按 时刷新用户数据库用于记费管理。 2 ) 内容服务器：提供服务内容，并根据播控管理要求播出服务内容。系统支 持透明的口服务，任何第三方的基于口的应用软件都可在此服务器上运行。 3 ) d v b 网关：用于连通口网和c a t v 传输网络，是该数据广播系统中的关 键部分。其功能是：侦听局域网上的i p 数据包，滤出目的地址为用户地址的i p 数据包；将i p 数据包按m p e g 2 和d v b 标准封装成可以在c a t v 网上传送的 华中科技大学硕士学位论文 m p e g 2 传输流数据分组。由d v b 网关输出的m p e g 2 传输流经过q a m 调制器 调制后输出射频信号，在c a t v 网上传送。这样，i p 数据通过d v b 网关实现了 在c a 宽带接入网中的高速传输，在6 4 q a m 调制下，每个频带的数据传输速率 可达近4 2 m b p s 。 4 ) 接入服务器：接入服务器与i n t e r n e t 广域网相连，一方面接收从用户端 回传的信息，进行分析处理；另一方面获取用户需要的广域网信息，将这些信息 进行组织并发送到d v b 网关，用于下行传送。 5 ) 条件接收和用户管理系统服务器：用户管理系统用于记录、管理用户的各 项信息，与条件接收系统紧密结合，完成用户的授权控制。 传输网络：包括q a m 调制器、混合器和c a t v 网。 1 ) q a m 调制器：接收各种传输流，将其编码后，按照1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 、 1 2 8 q a m 或是2 5 6 q a m 调制方式将其转化为适合在c a t v 网上传输的信号。 2 ) 混合器：接收来自多个q a m 调制器输出的信号流，每路信号流处于不同 8 e q z 带宽范围，混合器实际上完成的是频分复用的功能，并且避免频道间信号干 扰，以实现多路信号在同一信道中的传输。 3 ) c a t v 网：用于传输信号的物理网络 用户终端：它用于接收前端系统播出的各种服务内容，完成的具体工作包括： 调谐、信道解码、传输流解复用、解扰、m p e g 2 和i p 之间的协议转换，对接收 到的电子节目表和授权信息过滤并解密相应的数据，根据具体的应用恢复原始数 据并启动相应的应用程序处理相关数据。用户终端由硬件和软件两部分组成。硬 件有两种形式，一种是针对计算机用户的标准计算机外设，例如计算机p c i 插卡 或是其它接口形式的设备：另外一种是针对普通电视机用户的机顶盒，虽然形式 不同，但是它们完成的功能却是相同的。软件包括设备驱动程序和各种应用程序， 设备驱动程序完成对具体硬件平台的访问和管理，应用程序则是实现用户特定的 功能，为用户提供可视化的界面，它是一个集成化的运行平台，嵌入了各种软件， 包括股票分析软件、流媒体接收软件、文件分发接收软件、数字电视接收解码软 件等。授权用户在p c 机上安装用户端系统，即可接收有线电视网发送的数字视 频信号和各类数据信息。如果使用外交互功能则需要用户利用现有的i n t e m e t 接入 7 华中科技大学硕士学位论文 方式进行连接以实现上行数据的传输，如通过m o d e m 接入p s t n 网、通过网卡 接入l a n 网、以及通过i s d n 调制器接入i s d n 网等多种形式，上下行数据通道 的分离通过接收终端的驱动程序实现。 系统应用 本数据广播系统除能够提供数据广播业务外，还支持数字电视等多种业务， 目前实现的业务主要分为以下几种： 1 ) 金融信息及实时股票行情分析 2 ) 网站广播及高速1 1 1 t e m e t 接入 3 ) 远程教育 4 ) 视频、音频直播 5 ) 视频、音频及数据点播 6 ) 综合信息 1 4 本课题研究的主要内容 本课题的主要研究方向是上节介绍的一整套交互式数据广播系统。在整个基 于c a t v 网的交互式数据广播系统中，数据广播接收终端是用户端必不可少的设 备，要完成将有线电视系统传输的q a m 调制的m p e g 2 标准数据广播信号，在 条件接收系统的授权下，还原成符合r p 协议的原数据流，同时要求数据广播终端 支持数字电视。n v o d 等视频应用。在前面我们提到，数据广播接收终端有机顶盒 和计算机终端接收卡两种形式。目前针对机顶盒的设计和实现，世界上已经有许 多厂商能够提供符合d v b 标准的解决方案，而基于计算机用户的终端卡设计却始 终没有相应的解决方案。随着计算机的不断普及，个人计算机已经具有了相当高 的入户率，它的潜在市场是巨大的，另外，由于计算机有着机项盒所不能比拟的 强大处理能力，利用强大的计算机系统与终端数据广播接收卡配合，这将能够灵 活的为用户提供内容更加丰富的服务。正是由于看到了数据广播终端( 在以后的 描述中，如不特殊说明，数据广播终端即指计算机上的用户终端) 方面出现的空 缺和需求的紧迫，我们实验组承担了数据广播终端的研究和攻关任务。 在对现有的技术和标准进行了广泛的调查和研究后，初步设想有两种设计思 华中科技大学硕士学位论文 路可以用来实现数据广播终端的开发：一种是独立进行设计，即构建一完整的开 发方案，其中要自行设计硬件平台和软件系统。在这种思想下进行设计，设计工 作更加灵活，可以根据实际需要来自由的增减功能模块，但要想做到完全与标准 兼容并且具备良好的可扩展性和可升级能力，工作量相当大，研发周期将会很长。 另外一种是借鉴机顶盒的解决方案进行设计，即以现有的机顶盒的解决方案为基 础构建自己的系统。对于机顶盒的开发和研制，已经有众多的公司提供此类的解 决方案，技术比较成熟，产品已经市场化。在这种思想下进行设计，能够利用最 为先进的技术并且无需考虑与标准的兼容问题，并具有良好的系统可升级能力。 在我们的研究中，将采用后一设计思路为指导来对数据广播终端进行设计。笔者 和另外两位同学一起负责项目中数据广播终端的设计和实现，该设计要求的各项 指标如下： 1 ) 接口标准： 计算机接口：接收卡采用p c i 总线插槽，兼容p c i 2 1 总线标准。 输入接口：采用射频方式( 0 输入，r f 接头物理电气指标要符合国家标 准。 智能卡接口：符合i s 0 7 8 1 6 1 、- 2 、- 3 。 2 ) 性能指标： 可支持的数据流码率：耋3 8 1 m b i t s s p i d 值过滤能力：可同时接收3 2 路数据流 互连能力：支持数据信号的双向回传，包括电话p s t n ，i s d n 等方式。 操作系统支持：支持w i n d o w s 9 8 、w m d o w s 2 0 0 0 等各种流行的操作系统 网络协议支持：支持t c p i p 、u d p 协议，兼容标准网络应用软件 p i d 设置：可自动搜索和手工设置音频、视频和数据的p i d 码。 可靠性：长时间稳定工作的能力，以及系统异常时的自恢复能力。 可扩展性和开放能力：设备和驱动应具有良好的扩展性和升级能力。 本文的章节安排如下： 9 华中科技大学硕士学位论文 第1 章绪论：介绍了广播业面临的挑战以及数字技术的发展给广播业带来的 新机遇，并分析了我国c a t v 网的现状，借此提出了一种在c a t v 网上实现交互 式数据广播的方案。 第2 章d v b 数据广播系统的相关标准：对数据广播系统开发所涉及到的标准 和技术进行了分析，其中包括m p e g 2 标准、d v b 标准等。 第3 章数据广播终端卡的设计与实现：本章侧重于方案设计和硬件设计，提 出了数据接收卡的具体实现方案，对硬件电路的设计和实现进行了详细的阐述， 简单介绍了系统软件的设计。 第4 章条件访问在数据广播终端卡上的实现：介绍了数据广播系统上条件访 问的数据流程以及涉及到的关键技术，阐述了数据广播终端上条件访问功能的实 现。 第5 章数据广播终端的改型设计：对u s b 总线及其技术作了介绍，提出了基 于u s b 总线的数据广播接收终端的设计方案。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 d v b 数据广播系统的相关标准 2 1m p e g i i 系统层标准 2 1 1m p e g 2 标准概况 m p e g - 2 标准目前分为9 个部分，统称为i s o i e c l 3 8 1 8 国际标准。各部分的 内容描述如下： 第一部分- - i s o i e c l 3 8 1 8 - 1 ，s y s t e m ：系统，描述多个视频，音频和数据基 本码流合成传输码流和节目码流的方式。 第二部分一i s o ，m c l 3 8 1 8 2 ，v i d e o ：视频，描述视频编码方法。 第三部分- - i s o i e c l 3 8 1 8 - 3 ，a u d i o ：音频，描述与m p e g 1 音频标准反向兼 容的音频编码方法。 第四部分一i s 伽e c l 3 8 1 8 4 ，c o m p l i a n c e ：符合测试，描述测试一个编码码流 是否符合m p e g - 2 码流的方法。 第五部分- - i s o i e c l 3 8 1 8 - 5 ，s o f t w a r e ：软件，描述了m p e g - 2 标准的第一、 二、三部分的软件实现方法。 第六部分一i s 伽e c l 3 8 1 8 - 6 ，d s m c c ：数字存储媒体命令与控制，描述交 互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。 以上六个部分均已获得通过，成为正式的国际标准，并在数字电视等领域中 得到了广泛的实际应用。此外，m p e g - 2 标准还有三个部分：第七部分规定不与 m p e g - 1 音频反向兼容的多通道音频编码：第八部分现已停止；第九部分规定了 传送码流的实时接口。 1 9 9 0 年成立的a t m 视频编码专家组与m p e g 在i s o i e c l 3 8 1 8 标准的第一和 第二两个部分进行了合作，因此上述两个部分也成为r r u t 的标准，分别为： i t u t r e c h 2 2 0 系统和i t u - t r e c h 2 6 2 视频。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2m p e g 2 标准系统层结构 根据传输媒体的质量不同，m p e g 2 在系统层上定义了两种复合信息流：传 送流( t s - t r a n s p o r ts t r e a m ) 和节目流( p s ：p r o g r a ms t r e a m ) ，其形成过程如图2 一i 。 共有三个步骤： 1 ) 数字化的视频，音频辅助数据，经过压缩后形成各自的基本流( e s ) 。 2 ) 视频和音频的e s 流分别按一定的格式打包，构成具有某种格式的打包的 基本信息流( p e s ：p a c k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ) ，分别称为视频p e s 和音频p e s 。 这一步骤在打包器内实现，p e s 的长度可在一定范围内变化。 图2 1g p e g 一2 系统层的结构 3 ) 将视频，音频的p e s 流以及辅助数据按不同的格式再打包，然后进行复用， 即分别生成了t s 流和p s 流。 节目流是对完整的视频和音频p e s 包进行复接形成的。由于视频、音频编码 器本身的特性，p e s 包的长度是可变的，因此p s 包的长度也是可变的。而传送流 是将视频和音频的p e s 包作为固定长度的t s 包的净荷，然后对t s 包进行复用形 成的。 p s 包与t s 包在结构上的这种差异，导致了它们对传输误码具有不同的抵抗 能力，因而应用的环境也有所不同。t s 码流由于采用了固定长度的包结构，当传 输误码破坏了某一t s 包的同步信息时，接收机可在固定的位置检测它后面包中的 同步信息，从而恢复同步，避免了信息丢失。而p s 包由于长度是变化的，一旦某 一p s 包的同步信息丢失，接收机无法确定下一包的同步位置，就会造成失步，导 致严重的信息丢失。因此，在信道环境较为恶劣，传输误码较高时，一般采用t s 2 华中科技大学硕士学位论文 码流：而在信道环境较好，传输误码较低时，如：存储或媒体控制，一般采用p s 码流。 t s 流具有动态分配带宽、可分级性、可扩展性、抗干扰能力强以及接收终端 成本低廉等优点，在本文描述的运行于c a t v 网上的数据广播系统中，采用的就 是t s 流的传输方式【1 0 】。 2 1 3m p e g 2 传输层语法剖析 图2 - 2 示出了m p e g - 2 系统层传送码流语法结构及其层次构成特点。 一1 8 8 字节_ 888 3 图2 2 传送流语法结构 由图2 2 的传送流语法结构可知，一个传送包( t s ) 的长度为1 8 8 字节，t s 包由4 字节的链接字头，可变长字节的自适应字头以及有效的数据负荷组成。t s 包的长度定为1 8 8 字节是为了适应在棚网络上传输m p e g - 2 数据流。 链接字头实现传送包的同步，识别，错误标记，条件接收以及传送包的连续 计数等；自适应字段则包括较高层次解码功能的有关信息，主要实现解码过程中 定时信息的恢复与同步及随机存取指示，拼接倒计数等。m p e g 2 规定的4 个字 节的链接字头构成如下： t s 包同步字节：1 b y t e ，值为0 x 4 7 传送差错指示器：1 b i t ，表示传送包是否有误码。当被置为1 时，表明在 华中科技大学硕士学位论文 相关的传送分组中至少有一个不可纠正的错误。此标志位应由传送层之 外的实体置1 。当被置l 后，在错误被纠正之前不能被重新置0 。 负荷单元开始指示器：1 b i t ，表示p e s 数据包字头或者包含与节目有关的 信息p s i ( p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n ) 的起始端是否出现在该数据包的 负荷中，0 表示不出现，1 表示出现。 传送优先权：1 b i t ，0 表示无优先级，1 表示有优先级。 传送包识别p i d ：1 3 b i t ，表示传送包载荷数据类型。 传送加扰控制器：2 b i t ，用于指示传送层分组有效负载的加密模式。 自适应字段控制：2 b i t ，表示后面是否连接有自适应字段和负荷信息。 m p e g 2 标准对其规范如表2 i 所示： 表2 1 自适应字段控制位定义 0 0 为i s o i e c 未来使用保留 0 l 无自适应字段，仅含有效负载 1 0 仅含自适应字段，无有效负载 1 l 自适应字段后为有效负载 连续计数器：4 b i t ，连续计数器中的数值对于具有相同p i d 值的数据负荷 而言，将从o 1 5 连续循环，用以在解码端的t s 包的丢失检测。 节目特定信息( p s i ) ： m p e g 2 传输流是一种包流技术。对用户来说，针对一个特定的流，首先要 知道采用什么p i d 号来构成相应的包滤波器。为此有必要定义一个专门用来描述 m p e g 2 传输流所携带内容的信息表，该表与含p e s 的传输流分别发送，并且不 与基本流同步，即它占用一个独立的控制通道。信息表包含了构建各节目的基本 流的描述和对节目本身的描述。在m p e g - 2 规范中，该信息表称为节目特定信息 表( p s i ) 。对m p e g 2 传输流定义了四个与之相关的表。其中，节目关联表( p a t ) 和节目映射表( p m r ) 是确定当前传输流中各节目内容的最为关键的两个表。各 信息表都是通过不同的p i d 号来标识。用户在对传输流接收处理过程中，首先通 过p i d 号为0 的传输流找到p a t 表，该表列出了传输流中所有的节目以及各节目 p m t 的p i d ，每个节目对应一个p m t 表。p m t 表是周期性发送的，该表列出了 各节目视频、音频、p c r 等对应p i d 号，由此设置相应的p i d 滤波器，用户便可 1 4 华中科技大学硕士学位论文 以接收所需节目对应的传输包。另外，m p e g - 2 规范还定义了另外两个p s i 表， 即网络信息表( n i t ) 和条件访问表( c a t ) ，但没有规定其具体内容。n i t 表携 带了网络物理参数，例如f d m 的频点、转发器的数目等，还可以包含其它相关信 息，该表内容是由用户定义的，并由传输系统来具体实现。c a t 表是用于发送特 定节目授权管理信息，通过授权使得某些特定节目内容允许在某些用户或用户群 的解码器上播出，同时它还可以传递解密信息，该表的内容是由信息提供者定义 的【l 们。 2 2d v b 数据广播标准 我们开发的数据广播系统是基于d v b ( 数字视频广播) 标准的，d v b 标准 提供了通过不同的数据媒质传输m p e g - 2 传输流的方法，传统上，这些传输流包 括音频和视频数据。数据广播被视为基于d v b 传输标准的m p e g 2 的重要扩充， 如通过卫星、电缆和陆地连接进行软件下载，通过广播信道传输i n t e m e t 业务、交 互电视等。根据数据传输的不同需求，d v b 确定了六个不同的应用领域，如图2 1 3 所示是数据广播各种类型的协议结构。 图2 3 数据广播各种类型的协议结构 华中科技大学硕士学位论文 下面是其各应用领域的简单描述 1 l 】【1 2 1 ： 1 ) 数据管道：支持数据广播，通过d v b 兼容的广播网络传输简单的、非同 步的、端到端的数据，数据直接加载在m p e g 一2 传输流分组负载上。 2 ) 数据流：支持数据广播，通过d v b 兼容的广播网络以异步或同步的方式 传输面向流的端到端的数据，根据数据流规范，其数据加载在m p e g 2 系统层的 p e s 分组中。异步数据流定义为无时间需要的数据流( 如r s 2 3 2 数据) ，同步数 据流定义为需要时间信息以便在接收器端能再生为同步数据流的数据流。被同步 的数据流定义为流内部数据能与其他类型数据( 如视频、音频) 进行同步回放的 数据流。 3 ) 多协议封装：支持数据广播，通过d v b 兼容的广播网络传输通信协议数 据包。根据多协议封装规范，数据包封装在d s m c c 分段中，d s m c c 分段符合 m p e g 2 私有分段格式。 4 ) 数据轮：支持数据广播，通过d v b 兼容的广播网络周期性地传输数据块。 数据块大小己知，且可及时的从数据轮中更新、添加和删除。如果服务需要的情 况下，数据块可组成数据块组；类似的，数据块组可进一步组成超组。 5 ) 对象轮：支持数据广播，通过d v b 兼容的广播网络周期性地广播d s m c c 用户到用户对象，特别是在d v b 系统所定义的交互性服务中。 6 ) 用户定义服务：将来用户可根据需要定义自己的应用数据类型。 从另外一个角度看，d v b 的数据包可以分割成以下几种格式： 1 ) 直接基于t s 包，固定长度1 8 8 b y t e 。直接基于私人数据机制，简单的数 据管道采用这种方式。 2 ) 基于p e s 包，m p e g 2p e s 包提供一种长度可变的打包方式，最大包长 6 4 k b y