（信号与信息处理专业论文）基于mhp的数字电视机顶盒研究.pdf

摘要 摘要 数字电视带来的不仅仅是音视频质量的极大提高，更藿要的是在于它与计 算机、通信网络技术的相互融合，提供多种形式的增值业务，开辟走向信息时 代多媒体通信的未来之路。数字电视涉及的技术非常复杂，有解调、信道解码、 解复用、音视频信源解码等恢复节目信号的处理，要实现条件接收( c a ) 、交互 操作、网络通信、多媒体信息处理等功能。对于目前我幽现有的模拟电视接收 机来说，完成这些功能的过渡产品就是数字电视机顶盒。 介绍了数字电视以及机顶盒的技术要求和发展状况，从数字电视信号传输 以及机顶盒的信号处理过程，讨论了具有开放性的数字电视机顶盒的主要关键 技术问题。数字电视机顶盒前端完成从传输层提取信道编码信号，完成信追解 调，还原压缩的信源编码信号，恢复原始音、视频流，同时完成数据业务和多 种应用的接收、解析。研究了以l 6 4 7 6 8 解码解调器构成的自i f 端硬件部分，进行 了硬件实现与分析。阐述以m h p 为中间件标准的机顶盒设计制作中涉及的簪关 前端软件的组成和结构，对1 2 c 总线高频头的调谐及安装提出了一些要求。矣圻 了本前端软件的工作环境及开发过程，给出了微码流程，编制了运行于s d p 2 ( i ) 5 平台的前端软件程序，描述了主控芯片对前端的控制流程以及程序的调试过程， 论述了前端软件开发的关键技术及要求。讨论了基于d v b m h p 的多媒体豸：用 平台中间件的开发思想，分析了基于m h p 的j a v a 虚拟机的应刚和基于m h ! ，舒数 字电视机顶盒的内容格式，及具备视频点播的有线数字电视机顶盒的丌发平兮。 研究结果基本实现基于m h p 的数字电视机项盒，并具备升级技术平台，达 到了设计的要求。 关键词：m h p ，机顶盒，前端 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a lt e l e v i s i o n ( d t v ) c a nn o to n l yg r e a t l yi m p r o v et h ea u d i oa n dv i d e os i g n a l q u a l i t y , b u ta l s oc a s tl i g h to nt h em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nb ym e a n so fm i x i n gu p w i mc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o na n di n t e r n e tt e c h n o l o g y d t vp o s s e s s e s v a r i o u s l yc o m p l i c a t e dt e c h n o l o g i e s ，s u c h a s d e m o d u l a t i n g ，c h a n n e ld e c o d i n g ， d e m u l t i p l e x i n g ，a u d i oa n dv i d e os i g n a ls o u r c ed e c o d i n gt ol e $ u m ep r o g r a ms i g n a l f t r t h e r m o r e ，d t vc a nr e a l i z em a n yf u n c t i o n ss u c ha sc o n d i t i o na c c e s s ( c a ) ， i n t e r a c t i v eo p e r a t i o n , i n t e r n e tc o m m u n i c a t i o n ，m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ， e ta i i no r d e rt oc o m p l e t et h et r a n s f o r m a t i o nf r o md i g i t a ls i g n a lt oa n a l o g u e t e l e v i s i o n ，w h i c hi sw i d e l ya d o p t e di nc h i n a , t h er e s e a r c ho nt h ed i g i t a ls e t - t o p b o x ( s t b ) a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s t h ef r o n te n do fd i g i t a ls t bc o l l e c t st h ec h a n n e lc o d es i g n a l sf r o mt r a n s m i s s i o n l a y e r , d e m o d u l a t e st h ec h a n n e ls i g n a l sa n dr e s t o r e sc o m p r e s s e ds i g n a l sa n do r i g i n a l s o u n d ，a u d i oa n dv i d e of l o w m e a n w h i l e ，“r e c e i v e sa n da n a l y z e sd a t aw i 也v a r i o u s k i n d so fa p p l i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s ti n t r o d u c et h em a i nc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ed e v e l o p m e n to fd t va n ds t b t h ek e yt e c h n o l o g i e so fo p e nd i g i t a ls t ba r e d i s c u s s e da sw e l l t h e n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g yo fd i g i t a ls t ba r e i n v e s t i g a t e d f r o mt h ea s p e c to fh a r d w a r et e c h n o l o g y , t h er e a l i z a t i o nt h ef r o n te n d h a r d w a r eb a s e do nl 6 4 7 6 8c o d ed e m o d u l a t i n gi s a n a l y z e d a sf o rt h es o f t w a r e r e a l i z a t i o n ，t h er e l a t e ds o f t w a r ea n di t ss t r u c t u r eo ft 1 1 ef r o n te n ds t bb a s e do nt h e m h ps t a n d a r dm i d d l e w a r ea r ed i s c u s s e d s o m er e q u i r e m e n to nt h e1 2 ch i g h f r e q u e n c yt u n e rt u n i n ga n df i x i n ga r ep r o p o s e d a f t e rt h ed i s c u s s i o no nt h ek e y t e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to ft h ef r o n te n ds o f t w a r e ，w ed e v e l o pt h ef r o n te n d p r o g r a mo nt h es d p2 0 0 5p l a t f o r m f i n a l l y , i no r d e rt oc o m p l e t et h em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o nb yt h eu s eo fd i g i t a ls t b ，w ed i s c u s st h ep r i n c i p l eo fm u l t i m e d i a h o u s e h o l dp l a t f o r mm i d d l e w a r eb a s e do nd v b m h p ，i n t r o d u c es o m ea p p l i c a t i o no f t h ej a v av i r t u a lm a c h i n eb a s e do nm h pa n dt h er e a l i z a t i o nf o r m u l a t i o no fd t vb a s e d o nm h ew ea l s om a k es o m ed i s c u s s i o n0 1 1t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h e a b s t r a c t v i d e o o n - d e m a n dc a b l ed t vs t b t 0b es u m m a r i z e d ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h er e a l i z a t i o no fd t vs t b b a s e do nt h em h p , w h i c hn o to n l yc a l lc o m p l e t et h et r a n s m i s s i o nf r o md i g i t a ls i g n a l t oa n a l o g u es i g n a l ，b u ta l s op r o v i d ea nu p d a t et e c h n o l o g yp l a t f o r m k 呵w o r d s ：m u l t i m e d i ah o m ep l a t f o r m ，s e t - t o p - b o x ，f r o n t e n d 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：乏叩警 吒年；月e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 。 指导教师签名：彬 学位论文作者签名：枷譬 彩年弓月舶 e 舌年；月8 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：李叩置 年；月彦e t 第1 章引言 1 1 数字电视与机顶盒 1 1 1 数字电视广播的发展 第1 章引言 1 1 1 1 数字电视广播的重要意义 数字电视( d t v ，d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 是从模拟电视发展过来的，其内涵却 已远远超过了电视本身【i 埘。数字电视技术体现了全数字化的系统，从节目的制 作、编辑、存储、发射和传输、音视频的再现都是数字技术的应用。数字电视 广播的最大特点是电视信号以数字形式进行广播，在制式上与模拟电视有本质 的区别，重要意义具体体现在： ( 1 ) 信号压缩技术提高了频谱利用率，传输一路模拟电视的带宽可以传送 4 1 0 路标准清晰度数字电视节目。 ( 2 ) 信道编码技术提高了信号的传输质量 4 1 。 ( 3 ) 数字电视提供多方面的信息服务，将原有模拟电视数字化，提高和改 进某些性能指标。数字电视作为一个信息传输平台提供电视广播及其它多种业 务，促进了电视、计算机和通信业务的融合； ( 4 ) 电视是人们获取日常信息和娱乐的重要途径，数字电视的发展已得到 相当一部分家庭的重视，各国政府出于对政治利益和经济利益的考虑，对数字 电视的研究开发、标准制订和产业发展给予积极的影响和支持。 1 1 。1 2 模拟高清电视、数字电视与数字高清电视 在模拟高清晰度电视的前奏下，数字电视目前正逐渐进入真正的数字时代。 电视技术在完成了黑白电视向彩色电视的转变之后，人们希望能够进一步提高 电视图像的清晰度，以达到电影胶片的图像质量。日本人最早提出模拟高清晰 度电视( h d t v ) 的概念，并在8 0 年代初期完成世界第一套高清晰度电视演示系 统。按照国际电联( i t u ) 的定义，高清晰度电视是观看者在距h d t v 显示屏高 度三倍距离上所看到的图像质量具有观看原始景物或表演所得到的印象，其图 第1 章引言 像质量应相l 当- t 3 5 m m 胶片的质量【5 j 。高清晰度电视在水平和垂直方向上的清晰 度是现有电视清晰度的两倍，其包含的信息量大约是常规电视的五倍，显然， 用原有的电视节目传输方法传送高清晰度电视节目是不现实的。h d t v 是8 0 年代 提上日程的，日本率先开发出i - - i d t v ，并于1 9 8 9 年就试播了m u s e h d t v ( 多重 抽样编码) 。几乎同时欧洲掀起了m a c 制( 媒体接入控制) 和l i d m a c ( 高清晰 媒体接入控制) 的研究，并于1 9 9 2 年在巴塞罗那奥运会上正式采用h d m a c 转 播。无论是m u s e h d t v 还是h 1 3 m a c ，其信号的传输形态仍然是模拟调频 ( f m ) ，频谱很宽，一套节目要占用一个卫星转发器频道( 2 4 m h z 0 3 0 m h z ) ，使 节目的扩展和频道的利用受到限制。因此，在高清晰度电视传输方案上，无论 日本首先提出的m u s e 体制，还是欧洲提出h d m a c 体制，其应用都局限于卫星 广播上。 在技术上，混合传输方式不可能实现用一个模拟电视频道传送一路高清晰 度电视节目。根据实时传送序列图像的需要，促进和发展了数字视频压缩技术。 随着数字视频压缩技术的发展，模拟图像的信息量可以进行2 0 - 5 0 倍压缩，技 术的突破为数字电视的出现提供了必要条件。数字电视为高清晰度电视节目提 供了一个新的更经济、更实用的传输手段，高清晰度电视是数字电视广播的业 务之一。因此，现在不再单独谈论高清晰度电视，而是强调数字电视这个大概 念，突出电视的新技术及其应用。 由于数字音视频编码压缩技术的迅速发展与实用化，数字高清晰度电视广 播有了一条新的出路。1 9 9 5 年，美国高级电视制式委员会( f c c ) 提出了美国数 字电视标准的建议。1 9 9 6 年1 2 月，f c c 通过了“a t s c 数字电视标准”，1 9 9 7 年4 月，f c c 为全美1 6 5 0 个电视台指派了用于数字电视广播的频道，并公布了至1 j 2 0 0 6 年所有电视台全部实现数字播出，彻底停止现行模拟广播的日程表。美国提出 的全数字频道兼容m p e g 2 压缩编码的h d t v 体制既适合卫星广播，也适合地面 广播和有线电视系统传输，它仅占用个共用的地面广播电视频道，而其1 0 0 0 线以上的高清晰度画面和5 1 声道的环绕立体声使视听的效果更加理想 6 - 9 1 。同 时，数字传输的特点为多种信号复用提供了方便，因此这种全数字频道兼容 h d t v 已为世界各国所公认和接受。 高清晰度电视是一个透明系统。提供高质量的视听觉享受，推动交互电视 和互联网产业的发展。数字电视是数字传输系统，是电视接收和处理系统的数 字化，可以传送多种q k 务，如高清晰度电视、常规清晰度电视、立体声及数据 2 第1 章引言 业务等等，是信息交互的平台。 1 1 1 3 欧洲的数字视频广播( d v b ) 传输标准【1 0 1 4 】 d v b 标准是一个系列标准，以m p e g 2 标准为基础，内涵覆盖数字电视广 播的各个方面。在提高图像清晰度和高质量声音的基础上，为利用电视信道开 展各种增值业务提供了可能。 ( 1 ) d v b 传输系统【巧! d v b 传输标准是以d v b s 、d v b c 、d v b t 为核心，广播信道是其最主 要的传输媒质。d v b 传输系统只包括中频以下的部分，d v b 数字信号在形式上 类似于模拟电视信号。d v b 传输系统由发射和接收两部分构成，两部分中的技 术环节一一对应，系统将发射端复用器生成的传输流( t s 码流) 保真地传输到 接收端的解复用器。由于信号传输的干扰，进入接收端解复用器的t s 码流总会 混有一定的误码，传输系统要解决减少误码的问题。 d v b 传输系统主要包括以下几个部分： 1 ) 数据加扰 数据通信理论在设计通信系统时假设传输比特流中的“0 和“l 出现的 概率是相等的，t s 码流经过编码处理后，可能会有连续的“0 ”和“1 出现， 对系统的性能指标及比特时钟的提取会有一定的影响。为了保证在任何情况下 进入d v b 传输系统的数据码流中的“o 和“1 概率都能基本相等，传输系统 用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行加扰。加扰改变了原t s 码流，因此在 接收端对传输码流纠错、解码后，需要按逆过程对其进行解扰处理，以恢复原 t s 流。 2 ) 纠错编码 数字通信比模拟通信有较强的抗干扰能力，为了避免较大的打扰及收发信息 差错必须采取措施提高系统的可靠性，利用纠错编码保证信息的保真传输。 根据数字信号可以进行数字计算的特点，将所传输的若干个数据作为一组，按 照某种运算法则进行数值运算，将传输信号与运算结果保持一定的关系同时传 送。接收机则按规定的运算法则对接收到的一组传输信号及运算结果进行检查， 发现在传输过程中是否出现误码，对数据进行纠错后选择信号信息送入下一级 处理系统。 d v b 通信系统中采用两级纠错的方法提高纠错能力，内层纠错编码首先对 3 第1 章引言 传输误码进行纠正，对纠正不了的误码，外层纠错编码再一次进行纠错。为提 高纠错编码的纠错能力，采用在两层纠错编码之间加入数据交织环节，利用交 叉交织的规则实现纠错的合理性和完善性。 3 ) 数据交织 在发送端，交织器将信道编码器输出的符号序列按照一定的规律重新排序 后输出，进行传输或者存储；在接收端进行去交织过程，将接收到的符号序列 还原为编码前的排列顺序( 图1 1 ) 。 图l - l 交织器与去交织器在传输系统中的位置 采用级联纠错编码的系统，在发送端第一级信道编码后进行交织，送入笫 二级信道编码，进行第二次交织，送入信道；在接收端则反过来，对信道输出 的接收符号先进行对应发送端第二次交织的去交织，其输出符号序列在对应发 端第二级编码的解码器中解码，进行对应发送端第一次交织的去交织，输出的 符号序列在对应发送端第一级编码器的解码器中解码。 4 ) 数字调制 对于数字信号，数字调制的基本任务有两个：载波耦合和控制传输效率。 在d v b 系统中，将频带利用率从2 b i t ( s h z ) 提高到6 b i t ( s h z ) ，相当于提供 了2 - 6 倍的压缩。数字调制过程是由两个独立的步骤实现的：映射和调制。映 射将多个二进制比特转换为一个多进制符号，如幅度调制( a s k ) 中的实数信 号及相位调制( p s k ) 或正交幅度调制( q a m ) 中的二维复信号。映射后生成 的多进制符号仍是基带信号，经过基带形成滤波器后生成的是模拟基带信号， 是最终所需的调制信号的等效基带形式，直接将其乘以中频载波即可生成中频 调制信号。 5 ) 均衡 为了防止传输符号间的相互串扰，数字通信系统较多采用升余弦滚降信号 波形。升余弦滚降信号具有良好的传输特性，但实际的传输信道不可能是完全 理想无失真的，因而经过传输后这种波形可能会遭到破坏，其后果会引起符号 间的串扰( i s i ) 。符号间串扰与噪声干扰不同，它来自传输信号本身，某个采样 4 第1 章引言 点处的符号间串扰来自于相邻信号采样点。符号间串扰难以用增大信号功率的 方式减小其影响，因为增大信号功率会将符号间串扰同时增大，符号间串扰是 一种乘性干扰。数字通信系统采用的是时域均衡，通过有限冲激响应滤波器实 现。它的优点是可以利用数字信号处理理论和超大规模集成电路技术，具有设 计准确、实现方便的特剧m 1 。 6 ) 同步和时钟提取 同步是指接收机在某个系统工作频率上与发射机保持一致，其间的偏差不 超出设计规定的范围。在数字通信系统中，有和模拟通信系统中必须的载波同 步以及比特、符号、传输帧两种。 数字接收信号在解调后以符号或比特的形式呈现，为了准确地在采样点处 读写信号数值，接收机首先生成一个在标称频率上与发送符号或比特频率一致 的本地读写控制信号( 即符号时钟或位时钟) ，接收机中的解码及其他信号处理 均在位时钟的控制下进行【l7 1 。为了保证正确的采样信息，系统采用数字锁相环 技术。第二种同步是传输帧同步，数字通信系统传输数据时将数据分成传输帧， 各帧的前面设置帧同步信号。 整个d v b 系统的工作建立在同步的基础上，同步建立之后接收系统才能开 始工作。 除了上述6 个主要部分外，d v b 传输系统还有： 1 ) 基带接口负责d v b 传输系统与m p e g 2 复用解复用系统间的适配。上 述两个系统接口的信号码型和电平有所不同，基带接口负责其问的转换。 2 ) 为了避免相邻传输信号之间的串扰，多进制符号需要有合适的信号波形。 在本地数字信号处理时常见的波形是方波，根据奈奎斯特第一准则，在实际通 信系统中使用接收波形为升余弦滚降信号。这一过程由发送端的基带形成滤波 器和接收端的匹配滤波器共同实现。每个环节均采用平方根升余弦滚降滤波， 两个环节合成实现一个升余弦滚降滤波。 3 ) 中频滤波的目的是滤除信号频带之外的噪声，并实现与射频部分的接口。 ( 2 ) d v b s 传输标准 d v b s 传输系统是用于在1 1 1 2 g h z 的固定卫星业务( p s s ) 和广播卫星业 务( b s s ) 的波段上，传输多路的标准数字电视或h d t v 的信道编码和调制系 统。d v b s 传输系统既用于一次节口分配，通过标准的d v b s 集成接收解码器 直接向用户家中提供数字电视或h d t v 业务，又适用于二次节目分配，通过再 第1 章引言 次调制，进入共用天线电视系统或c a t v 前端向用户家中传输数字电视或h d t v 业务。d v b s 传输系统的结构框图如图1 2 所示。 嚣 l - i l - 码率控制 i 口 j l _ 十 l i 去卫星信趟 i 图1 2d v b s 传输系统原理框图 1 ) 基带物理接口与同步 基带物理接口负责d v b s 传输系统与外部系统间的信号码型、数据格式和 通信协议等方面的转换。同步的功能是保证d v b s 传输系统的时钟与外部系统 时钟间的同步。 2 ) 同步反转与数据加扰 d v b s 传输系统中的数据加扰和r s 编码都以m p e g - 2 的t s 包为基本单位 进行处理【l 引。数据加扰以8 个t s 包的数据为周期进行，每8 个t s 包数据加扰 后，伪随机序列发生器重新进行一次初始化，初始化序列为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 。 在每8 个t s 包中的第一个t s 包的链接头加入特殊的指示信息以指示解扰器何 时对其中的伪随机序列发生器进行初始化。每8 个t s 包中的第一个t s 包链接 头中的同步字节( 0 1 0 0 0 1 1 l ，即4 7 h ) 逐比特取反，变成1 0 1 - 1 1 0 0 0 ( 即b 8 h ) ， 其他7 个t s 包链接头中的同步字节保持不变，这一过程为同步反转。 3 ) 纠错编码与交织 d v b s 传输系统中的纠错编码采用内、外两层级联编码，中间加一次交织。 外层纠错编码采用里德所罗f - jr s ( 2 0 4 ，1 8 8 ， 1 - - 8 ) 码，由r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ， t _ 8 ) 截断得到，纠正一个r s 码子内不超过8 个字节的误码。内层纠错编码采 用卷积码，编码率为n n + 1 ，卷积编码器每次输入n 个比特，编码后输出n + 1 个 编码比特。交织过程是将r s 编码码字向第0 至第1 1 支路一次循环输入数据， 每条支路每次输入1 个字节；交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出，每 条支路每次输出1 个字节。r s 码字的同步头永远从第0 支路，即无延时支路传 6 k 制接妒调与 口 带 形 基 成目 缩 射收和映 几 积 码 卷 编 h 积 织 卷 交 n i 2 编码 h ：i | ：辙贼同转据 第1 章引言 送，交织后的数据流保持r s 码字的同步和长度，为去交织的同步进行打下基础。 4 ) 四相相移键控调制( q p s k ) d v b s 系统中的q p s k 调制过程包括3 个环节：映射、基带成形和载波调 制。映射是将“0 ”、“l 二进制比特转换为“+ l ”、“一l ”q p s k 调制符号。 d v b s 系统直接将卷积编码输出的i 、q 两路信号作为双比特信号，采用传统的 格雷码进行绝对映射。基带形成采用平方根升余弦滚降滤波器，滚降系数为0 3 5 。 载波调制是用形成的基带信号去调制中频载波，1 支路和q 支路每次分别传输l 比特，每输入2 比特输出相位产生一次变化。 ( 3 ) d v b c 传输标准 d v b c 传输系统用于通过有线电视( c a l ) 系统传送多路数字电视节目， 所传送的节目既可来源于从卫星系统接收下来的节目，又可来源于本地电视节 目，以及其他外来节目信号( 图1 3 ) 。 塑刻堆带物 划薏，掣 图1 3d v b c 传输系统原理框图 去电： 缆侥 道 d v b c 传输系统的结构与d v b s 传输系统有一定的相似之处：在基带物理 接口与同步、同步反转与数据加扰、r s 编码、卷积交织等环节上与d v b s 系统 完全相同。不同之处在于： 1 ) 纠错编码 d v b c 系统| 1 1 只采用一级纠错编码和一次交织1 1 9 】。 2 ) 字节到m 位符号映射 d v b c 系统字节与m 位符号之问的映射方式是：符号z 的最高位对应于字 节v 的最高位，该符号的下一个有效位与字节v 的下个有效位对应。对一个 2 m - q a m 调制，将k 个字节映射到r 1 个符号中， k 、m 、1 1 之间满足下列关系： 7 黑鼬崮 带 形 基 成u 分 码 差 编h 蛩 节号射 字符映 。r 积 织 卷 交h 2 编码h笺觥川转据 第1 章引言 8 k = m x l l 3 ) 差分编码 差分编码对每个m 位符号的最高两位进行。i t i 位符号的最高位a k 与次高位 取经过差分编码器生成i k 和q k ，差分编码的布尔表达式为： i k = ( a o 圾) ( 彳io l 1 ) + ( 彳j0 见) ( 么t0 珐一1 ) q k = ( a 。o b ) ( 最o g 一。) + ( 4o 反) ( 反o l 1 ) 4 ) 基带成形 d v b c 系统中的基带成形滤波器仍然采用平方根升余弦滤波器，但滚降系 数为o 1 5 1 2 们。 5 ) q a m 调制 调制可以采用1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 、1 2 8 q a m 和2 5 6 q a m 。i k 和q k 与m 位符号中的未经差分编码的低q 位数据共同映射成一个q a m 星座点。如 图1 4 所示6 4 q a m 星座图。 l o l l 0 0l o l l l o l o o l l o 1 0 0 1 0 00 0 1 0 0 00 0 1 0 0 l0 0 1 1 0 1o o l l o o 1 0 1 i o ll o l l l l1 0 0 1 1 ll o o l o lo o i o l oo o l o l l0 0 l ll lo o i l1 0 1 0 1 0 0 11 0 1 0 ll1 0 0 0 ll1 0 0 0 0 10 0 0 0 1 00 0 0 0 1 l0 0 0 l ll 0 0 0 11 0 1 0 1 0 0 01 0 1 0 1 0 1 0 0 0 l o 1 0 0 0 0 0o o o o o o0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 lo 0 0 1 0 0 l l o l o o1 1 0 1 0 1l l o o o ll l 0 0 0 00 1 0 0 0 0 o l o o l o 0 1 1 0 l o 0 l l o o o 1 1 0 1 1 01 1 0 l l ll l o o l l1 1 0 0 l o0 1 0 0 0 10 1 0 0 l lo l l o l l0 11 0 0 i l l l l l 0i l i i i ll l l o l ll l l o l 00 1 0 1 0 l0 l o l l l0 l l l l l0 1 1 1 0 l l l l l o o1 1 1 1 0 1l l l 0 0 1 l l l 0 0 00 l o l 0 00 1 0 1 1 00 1 1 1 1 0o l l l o o 图1 4 6 4 q a m 的星座图 ( 4 ) d v b t 传输标准 d v b t 系统用于地面v h f u h f 广播信道上传输标准数字电视节目和 h d t v 节目。d v b t 中主要规范的是发送端的系统结构和信号处理方式，对接 收端则是丌放的。 d v b t 传输系统的结构与d v b s 传输系统有一定的相似之处【2 1 1 。在基带物 理接口与同步、同步反转与数据加扰、r s 编码、卷积交织、卷积编码等环节上 与d v b s 系统完全相同。d v b - t 传输系统的信道编码和调制原理框图如图1 5 8 第1 章引言 所示。 1 ) 内交织 由于地面广播信道的环境恶劣，d v b t 系统采用了两层纠错编码和两次交 织的方案，以进一步提高对误码的纠正能力。外码采用r s 码，外交织采用深度 i = 1 2 的卷积交织，内码采用卷积码，其方案与d v b s 系统中完全一样。稍有 差异的是，卷积编码后生成的x 、y 两条平行支路序列需被转换成一路串行序列， 而不是像d v b s 系统中那样直接映射到i 、q 符号。内交织器则由分路器 ( d e m u x ) 、比特交织器和符号交织器3 个部分组成。 图1 5d v b - t 传输系统的信道编码和调制原理框图 去 天 线 a 分路器 分路器将内层编码器输出的串行码流分解成并行的v 个子码流，v x , j - 应于每 个调制符号映射的比特数，即调制星座大小可表示为2 v 。对q p s k ，v = 2 ，即分 成2 个子码流：对1 6 q a m ，v = 4 ，即分成4 个子码流：对6 4 q a m ，v = 6 ，即 分成6 个子码流。 b 比特交织器 与外交织器不同，内层的比特交织器采用了块交织方式。符号序列按n x m 的大小分成帧，并按“z ”字形扫描顺序输出。 9 第1 章引言 c 符号交织 符号交织的目的是将v 比特的符号映射到每个o f d m ( 多载波调制技术) 符 号的1 5 1 2 个( 2 k 模式) 或6 0 4 8 个( 8 k 模式) 有效载波上。符号交织也采用块 交织方式，块的大小等于o f d m 的有效载波数。对于2 k 模式，交织器的大小 为1 5 1 2 个符号；对8 k 模式，交织器的大小为6 0 4 8 个符号。 2 ) 映射和调制 d v b - t 系统采用o f d m 传输。每个v 比特的符号对每个载波进行相应的调 制，v - 2 时为q p s k 调制，v - 4 时为1 6 q a m 调制，v = 6 时为6 4 q a m 调制， 映射方式为格雷码映射。 3 ) o f d m 及帧结构 o f d m 将输入到调制器的数字信号先进行串并行变换，从一个串行数据流 变换成1 1 个并行数据流，分别调制在n 个载波上，用于消除地面广播中的回波 干扰及其他线性失真所引起的符号问干扰。6 8 个o f d m 符号组成一个帧，每4 个o f d m 帧组成一个超帧。在o f d m 帧中，有些用于节目信息数据的传输，有 些符号用于传输散布导频、连续导频和传输参数信令等信号。 4 ) 散布导频与连续导频 连续导频以恒定数量分散于每个o f d m 符号内，在8 k 模式的6 8 1 7 个载波 中插入了1 7 7 个连续导频载波，在2 k 模式的1 7 0 5 个载波中插入4 5 个连续导频 载波。连续导频是向接收端提供同步和相位差估计信息。散布导频的位置在不 同的o f d m 符号中有所不同，以4 个o f d m 符号为周期循环。散布导频向接收 端提供关于信道特性的信息1 2 2 1 。 5 ) 传输参数信令( t p s ) t p s 载波用于给出与信道编码和调制参数有关的信令。一个t p s 块所传送 的信息包括：调制星座图的类型、多级质量传送时的分层信息、保护间隔、卷 积编码码率、o f d m 的模式( 2 k 模式还是8 k 模式) 以及超帧内的帧序号( 4 个o f d m 帧构成一个超帧) 。t p s 数据块以o f d m 帧为周期循环。 6 ) 自动增益控制( a g c ) 和自动频率控制( a f c ) 自动增益控制将接收信号的功率恢复到标称数值，以便进行解调。自动频 率控制校正接收o f d m 信号的频率偏移。 7 ) 单抽头均衡器和相位校正 o f d m 将i s i 的影响转换成为每一载波上的复数乘法因子，即幅度衰减和相 1 0 第l 章引言 位旋转，而这一因子可由导频测出，只需要一个抽头的均衡器就可以校正幅度 上的衰减和相位旋转。 1 1 1 4 我国的数字电视广播传输 数字电视广播主要通过卫星、有线电视和地面无线广播3 种传输方式实现。 对边远地区，卫星传输是最佳途径；对入口稠密的城市和地区，有线电视是最 合适的传播方式：地面数字广播的优势在于可以实现移动和便携接收【2 3 】。 目前，我国已基本形成技术新颖、符合国情的地面数字多媒体电视广播 ( d m b - t ) 方案。d m b t 方案提供一种数字信息传输方法，系统的核心采用了 m q a m q p s k 的时域同步正交频分复用( t d s - o f d m ) 调制技术、前向纠错编 码技术、分级调制和编码，实现多媒体业务。d m b t 标准和欧洲的d v b t 标 准在纠错编码、信号调制、帧结构、同步技术等方面完全不同，根本不可能用 软件升级等方式解决机顶盒的接收转换问题。 d m b - t 采用伪随机噪声( p n ) 序列填充的t d s o f d m 多载波调制技术， 有机地将信号在时域和频域的传输结合起来，在频域传送有效载荷，在时域通 过扩频技术传送控制信号，进行同步、信道估计，实现快速码字捕获和稳健的 同步跟踪。 基于p n 序列扩频技术的高保真同步传输技术和巧妙利用o f d m 保护间隔 的填充技术，提高传输系统的频谱利用效率和抗噪声干扰性能。新的t d s o f d m 信道估计技术，提高系统移动接收性能。采用前向纠错编解码( f e c ) 技术，解 决系统误码门限差的问题。针对其他标准无法支持双向互动、互联网扩展等问 题，进行支持互连网的扩展设计，以适应未来信息的数字化、多样化和多媒体 化拓展，在现有数字电视无线广播基础上进一步扩展互连网业务、组播、点播、 导呼等增值业务，以及拓展视频、数据和语音等综合、交互、移动、便携业务。 d m b - t 设计了灵活的接口方案，支持国际上通用的m p e g 2 - t s 流数据格式， 支持任何类型的视频压缩和数据格式，如m p e g 2 、m p e g - 4 等。 d m b - t 采用不同于已有数字电视技术标准的与自然时间同步的分层复帧结 构，符合单频网要求，支持移动数字电视服务，解决由单个发射机无法覆盖的 盲区问题。 d m b t 系统是一个完憨透明的数据传输系统，支持所有传输格式为 m p e g 2 - t s 流的数据码流。m p e g l 、m p e g 2 、中国的a v s 、m p e g 4 、h 2 6 4 、 第1 章引言 i p 数据、w i n d o w sm e d i a9 等格式的数据码流，4 ：3 、1 6 ：9 等各种显示格式的 信源数据流，打包成该格式的码流都可以经过d m b t 传输系统进行传送。 1 1 2 数字电视机顶盒 1 ，1 2 1 数字电视机顶盒的分类 机顶盒( s e t - t o p b o x ，s t b ) 就是放在电视机顶上的一个盒子，是电视机的 一个附加部件，其目的是提高电视机性能或增加功能。已经推出的机顶盒就有 以下几种： ( 1 ) 付费电视机项盒 付费电视机项盒又称为解扰机顶盒。用户只能安装一个解扰机顶盒进行解 扰才能收看增加的电视节目。 ( 2 ) 图文电视机项盒 电视的场逆程中有很多空间可以用来插入数字信息，利用图文电视机顶盒 可以接收文字和图形信息。 ( 3 ) 网络电视机顶盒 它利用电话网络作为传输介质，电视机作为显示终端，实现家庭电视机网 上浏览、电子邮件收发和双向信息交流功能。 ( 4 ) 数字电视机顶盒 它将接收下来的数字信号转换为模拟信号，使用户不用更换普通模拟电视 机就能收看数字电视节目。主要包括： 1 ) 卫星数字电视机顶盒 卫星数字电视机顶盒，又称为集成接收解码器，用来接收数字卫星广播节 目。该类机顶盒的主要功能是接收数字电视广播。也支持数据广播、图文电视 等应用，其缺点是支持交互式应用比较困难。 2 ) 地面数字电视机顶盒 地面数字电视机顶盒的主要功能是接收通过地面广播信道传输数字电视信 号。目前，世界上已存在着3 种地面数字电视广播标准：欧洲的d v b t 、美国 的a t s c 和日本的i s d b - t ，它们分别使用不同的调制与信道编码方案。 3 ) 有线数字电视机顶盒 有线r 乜视网络有着较好的传输质量、较宽的信道带宽以及电缆调制解调器 1 2 第1 章引言 技术的成熟，使得该类机顶盒支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用。此类 机项盒是本文所研究的主要内容。 1 1 2 2 数字电视广播与机顶盒的发剧2 4 】 按照数字电视机顶盒的软硬件配置，可以将其发展划分为三代： ( 1 ) 第一代数字电视机顶盒( 又称为硬件机项盒) ，都是基于嵌入式的实 时操作系统来编制应用程序，一般无中间件系统，有c a 系统，只有简单的本地 交互功能，无回传信道，可扩展性差。 ( 2 ) 第二代数字电视机顶盒，是在硬件机顶盒中增加了中间件系统，应用 程序基于中间件编制，有c a 系统，有简单的交互功能，有些还有回传信道。 ( 3 ) 第三代数字电视机顶盒( 软件机顶盒) ，具有回传信道和高级交互功 能；有开放的中间件系统，应用程序基于标准的中间件及j a v a 语言编制；有开 放的c a 系统平台，可以实现同密和多密接收。该类机顶盒系统为实现设备的多 标准性、多业务适应性和功能扩展性提供了灵活、开放的解决方案。 1 2 数字电视机顶盒的主要技术 1 2 1 机顶盒的功能结构 擞字电视机顶盒从功能上看是计算机和电视机相结合的产物【2 5 1 ，在信号处 理和应用操作上，它包括： ( 1 ) 物理层和链路层：包括高频调谐器、q p s k q a m c o f d m v s b 解调、 卷积码解码、去交织、r s 解码器等。 ( 2 ) 传送层：包括解复用，它把m p e g - 2 传送流分成视频、视频和数据包。 ( 3 ) 节目层：包括音频、视频解码。 ( 4 ) 应用层：包括业务信息( s i ) 、电子节目指南( e p g ) 、图形用户界面 ( g u i ) 、浏览器、遥控、c a 等。 ( 5 ) 输出接口：包括模拟视频，音频接口、数字视频音频接口、数据接口、 键盘、鼠标等。 数字电视机顶盒由硬件和软件系统组成，整机结构可分为4 层，如图1 6 所 示。从底向上分别为：硬件平台、底层软件、中间件、应用软件。底层软件