（通信与信息系统专业论文）智能公交调度系统中调度信息提取电路的fpga实现.pdf

尚人学顺l 学位论文智能公交渊懂系统中州度信息提取1 u 路的f p g a 实现 摘要 城市公共交通的智能化和信息化是近年来公共交通领域的一个新的具有前 瞻性的发展方向。城市公共交通智能调度系统将高科技引入公交车辆的运营管 理体系，能够大大提高公交车辆的运营效率。发展先进的城市公共交通系统是 缓解城市交通压力的有效途径。 在我国，采用g p s 技术建立城市公交智能调度系统的技术开发和应用推广 工作已经开展了很多年，其无线数据通讯的实现，主要是采用单频点超短波电 台或集群电台系统或g s m 网络。本文提出了在城市公交智能调度系统中实现 无线通信的一种新途径，即利用数字电视地面广播实现无线通信。采用数字电 视地面广播系统具有单频点电台或集群系统无可比拟的优点：系统容量大、使 用费用低廉、无需建设或维护通讯系统等；另外，与g s m 网络相比，数字电 视地面广播具有更丰富的带宽资源，可以方便的从传输简单的调度数据信息扩 展到为乘客提供视频服务信息等其他业务。 数字电视近年来获得了飞速的发展，人们对基于d v b 标准的数字电视业务 的需求越来越多。在有线电视相对繁荣的今天，地面广播的方式一度倍受冷落。 然而随着电视系统由模拟逐步转向数字，地面广播渐渐显露出它的巨大发展潜 力。广义而言，数字电视地面广播是一种上下行非对称的无线数据传输方式， 而且它的下行线路具有宽带的特点，具有传输高速数据的能力。加之其特有的 无线接收和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会所要求的信息到人的需 求，具有很大的商业开发价值。除了为固定电视用户提供节目广播以外，数字 电视地面广播还有两大开发热点：移动电视和移动信息接收。目前移动电视已 在上海公交车辆上试播成功，并取得了良好的社会效应；而在移动信息接收领 域的应用，还有待进一步的研究开发。 本文是开发上海市文化广播传媒集团的项目“基于数字电视地面广播的城 市公交智能调度系统”的结果。城市公交智能调度系统是一个庞大而复杂的系 统，包含了由总监控服务器系统、数据库服务器系统、站牌服务器系统、通信 服务器系统组成的调度指挥中心，无线通信网络d t t b ，以及电子站牌终端和 公交车辆终端等几大部分。我作为项目的成员之一，主要负责此系统中车载接 收设备硬件电路的开发。调度信息提取单元电路的设计目标是将公交调度信息 从m p e g 一2 传输流中提取出来。结合本人的实际工作，本文详细描述了该车载 硬件电路中调度信息提取单元电路的设计方案和实现过程。 最后，本文利用现场町编程门阵列( f p g a ) 技术及相关软件和硬件测试平 台，实现了调度信息提取单元电路的软件仿真和硬件验证。 关键词：城市公交智能调度系统，数字电视地面广播，d t t b ，m p e g 一2 传输流，现场可编程门阵列，f p g a ，v h d l 海人学顾 学位论文 智能公交谢度系统中州度信息提取l 乜路的f p g a 实现 a b s t r a c t t h ea p t s ( a d v a n c e dp u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) i st h ed e v e l o p m e n t t e n d e n c yi n t h ep u b l i ct a f f i cf i e l d t h ea p t si so n ep a r to ft h e i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m s ) t h ei n t r o d u c i n go fh i g h t e c h i nt h e p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n s y s t e mw i l lm a k e t h es y s t e mm o r ee f f i c i e n t t h e r e f o r e ，t oc h a n g et h ec r o w d e d s t a t e o ft h ep r e s e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m si no u rc o u n t r y , t h es t u d yo fa p t sb e c o m e s v e r yi m p o r t a n t i no u rc o u n t r y ，t h es t u d yo fa p t sb a s e do nt h eg p st e c h n o l o g yh a sb e e n c a r r i e do u tf o rm a n yy e a r s t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi s o n e i m p o r t a t ep a r to fa p t s ，u s u a l l y u s ec o l l e c t i o nb r o a d c a s t i n gs y s t e mo rg s m s y s t e m i nt h i sp a p e r , o n en e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d t t b ( d i g i t a lt e l e v i s i o n t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) ，i sb r o u 曲tf o r w a r da n du s e dt ot h ea p t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lt vt e c h n o l o g y , t h ed t t b s h o w si t sp o t e n t i a l i nt h ec o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n t h eb r o a d b a n do fd t t bi ss u i t a b l et ot r a n s f e rh i 曲 s p e e dd a t a ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f w i r e l e s sr e c e i v i n ga n dm o b i l er e c e i v i n gi sa l s o m a g n e t i cf o rc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n t h i sp a p e ri st h er e s u l to ft h e s t u d yo nt h ep r o j e c t “c i t ya p t sb a s e do n d t t b t h ea p t si sac o m p l i c a t e ds y s t e m ，a n di ti n c l u d e st h ed e t e c t i n gs y s t e m ， d a t a b a s es y s t e m ，c o m m u n i c a t i ns y s t e ma n ds oo n a so n em e m b e ro ft h ep r o j e c t ，i a m r e s p o n s i b l ef o r o n e p a r to f t h eh a r d w a r eo nt h ev e h i c l e s t h eh a r d w a r eh a st h r e e f u n c t i o n s ：t or e c e i v et h ed t v s i g n a l ，t of i l t e rt h ec o m m a n di n f o r m a t i o nf r o mt h e d t v s i g n a l ，a n d t os h o wt h ei n f o r m a t i o no nt h es c r e e n m yj o bi st of i l t rt h e c o m m a n di n f o r m a t i o nf r o mm p e g - 2 t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) ，a n dt h er e a l i z a t i o no f t h e c i r c u i ti sb a s e do nf p g a t h e p a p e r e l a b o r a t e st h ep r o c e s so ft h ec i r c u i td e s i g n k e yw o r d s ： a p t s ，d t t b ，m p e g 一2 ，t s ，f p g a ，v h d l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有j 汉保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：曰期： 海人学顺 j 学位论殳智能公室喇度系统中删度信自摊且j c u 路的f p g a 实现 1 1 论文的选题背景 第一章绪论 随着我国经济建设的持续快速发展，城市规模不断扩大，相应的城市交通 需求也不断增加。虽然城市道路建设突飞猛进，然而仍然赶不上车辆的增长速 度。随着我国城市化进程的不断推进，大中城市居民出行次数会逐年递增，预 计到2 0 1 0 年城市居民的交通总量将达2 5 0 0 亿人次。同时，由于多种原因致使 公交车辆运营速度由每小时1 2 1 4 公里下降至5 1 0 公里，新增的运力被运输效 率下降抵消，公交承担运量不断减退，居民出行方式逐年由公交向自行车等个 体交通方式转移，这无疑加剧了交通的拥挤程度 1 】。如何解决城市居民出行交 通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾成为摆在我们面前的一项 迫切任务。优先发展城市公共交通，提高公交服务水平，吸引更多乘客乘坐公 交出行，减少私人交通出行量，这无疑是解决这一矛盾的首选途径。 公共交通是城市赖以生存的重要基础设施之一。它作为城市动态大系统中 一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是 联系社会生产、流通和人民生活的纽带。公交系统具有运载量大、运送效率高、 能源消耗低、相对污染少、运输成本低等优点。因此，要解决大、中城市目前 普遍存在的交通拥挤、交通事故频繁和环境污染等问题，应特别重视优先发展 城市公共交通。优先发展城市公共交通已经被世界各国公认为解决大中城市交 通问题的最佳策略，是城市交通可持续发展的必由之路。但是，与发达国家相 比，我国各大中城市的公交系统服务水平较低，主要表现在车辆到发时间不确 定，信息化服务基本上是空白，调度方式比较原始落后。目前公交调度管理的 技术手段主要是通过电话和便携式对讲机进行调度信息交流，主要调度方式是 由线路主站调度签发路单，靠司机传递路单，到副站后由副站调度签发到站时 间和车辆返程时间。这种人工的经验式调度已远远不能适应日益复杂的路面状 况，使车辆的利用率下降，而且对营运车辆途中的动态信息根本无法反馈和掌 握。随着国民经济的飞速发展，城市建设的日新月异，城市公共交通面临的问 题急需改善和解决。传统的公交调度指挥手段已远远不能适应城市客运公交的 需求，发展智能化调度，充分挖掘现有运力，灵活科学调度，已成为公交调度 管理的前进方向。区| 而，集g p s 卫星定位、通讯控制、计算机网络、智能化运 营管理 一体的智能公共交通系统必将大大改善公交管理水平，吸引更多潜在 客流，提高公交系统经济效益，减少政府财政补贴。由于采用公交出行的居民 增加，相对减少了其它车辆出行，这势必会缓解城市交通压力，减少环境污染， 降低交通事故发生率，改善交通环境，带来巨大的社会效益。本项目旨在解决 公交调度系统存在的上述问题，为智能公共交通系统的实施提供理论基础和技 术准备，使城市的公交管理达到国际先进水平。因此，公交车辆智能调度系统 的研究与实施具有重要的现实意义和应用前景。 商人学顺 j 学位论文 智能公交i | f 度系统中涮度信息提取 u 路的f p g a 实现 1 2 智能公共交通系统国内外研究现状分析 美国、日本、加拿大、英国、法国、韩国等国家都投入了较大的人力和物 力从事智能公共交通系统研究，在国际上处于领先地位，并已取得了显著的成 果。自八十年代以来，许多国家公共交通部门开始应用先进的信息与通信技术 进行公交车辆定位、车辆监控、自动驾驶与路径引导、计算机辅助调度以提高 公交服务水平。根据1 9 9 8 年美国运输部的联邦公共交通管理局( f 1 a ) 出版的 “a p t s 发展现状”，美国的a p t s 主要研究基于动态公共交通信息的实时调度 理论和实时信息发布理论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服 务水平的实施技术。具体包括车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管 理等几方面的研究。日本城市公共交通智能化的发展经历了3 个阶段：7 0 年代 末开始应用公共汽车定位系统一公共汽车接近显示系统：8 0 年代初开始应用公 共交通运行管理系统，其中包括乘客自动统计，运行监视和运行控制；进入9 0 年代，由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度 是十分困难的，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性导致乘客数量的急剧 减少。东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统( c t c s ) ，旨在改 进公共汽车服务，重新赢得乘客。欧洲许多国家同中国一样具有悠久的历史， 城市街道一般都比较狭窄。但是，它们通过实施公交优先政策，设立公交专用 道路，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提 高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地 缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效益， 这些经验值得中国许多大中城市借鉴。 与欧美国家相比，我国的公共交通事业还比较落后。然而，面临着大中城 市日益严重的交通拥挤和环境污染等问题，只有大力发展公共交通才是获得城 市交通可持续发展的根本途径。各级政府一直高度重视公交事业的发展，每年 都对公交给予巨额财政投入，以改善目前落后的公共交通状况。同时，积极实 旌公交优先发展政策，对于先进技术的引入给予大力支持。这些都为智能公共 交通系统在我国的实施提供了有利条件。我国已经有杭州、上海、北京等地安 装了电子站牌，车载g p s 定位设备，实现了车辆的实时跟踪、定位、公交车与 调度室的双向通讯，以及电子站牌上实时显示下班车位置信息等功能。由于上 述功能，使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，节约了劳动力， 减轻了劳动负担，同时，提高了车辆运行正点率和服务水平，吸引了大量客流。 1 3 基于d t t b 网络的智能公交调度系统 1 3 1d t t b 简介 海大学砸i 学位论文智能公交测度系统中调度信息提取l u 路的f p g a 实现 数字广播电视的传播途径有卫星、地面和有线三种。目前，很多国家都已 经实现了数字卫星广播和有线数字电视广播，而数字电视地面广播技术 ( d t t b ：d i g i t a l t e l e v i s i o n t e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n g ) 也在日趋完善。数字电视 地面广播由于地面信道状况复杂，在应用需求上又要求实现移动和便携接收的 功能，使整个技术系统的要求最高。d t t b 具备无线数字系统所共有的优点： 较之卫星接收，有实现容易、价格低廉的特点；较之有线接收，不易受城市施 工建设、自然灾害、战争等因素造成的断网影响：完善的d t t b 系统所具备的 蜂窝单频网功能，不仅提高了频谱的利用率，而且可应用与宽带无线接入市场； 而移动和便携的独特优势使该系统能满足现代信息社会“信息到人”的要求， 即实现5 个w ( w h o w h e nw h e r ew h i c h w h a t ) ，也就是无论何人何时 在何地均能任意获取他想得到的信息。广义而言，数字电视地面广播系统可被 视为一个上、下行非对称的宽带无线数字通信系统【2 1 ，而优秀的无线、宽带、 移动传输系统是当前世界信息技术领域的研究焦点之一。因此，d t t b 有着具 有巨大的社会需求和市场商机【3 j 。 目前，数字电视地面广播领域有三个相对成熟的标准制式正在参与全球制 式竞争。它们是欧洲的d v b t 、美国的a t s c 和日本的i s d b t 2 , 3 , 4 , 5 1 。三者之 间相互独立，在各自特定的应用领域里具有自己的优势。 下面简单介绍一下这三种制式： ( 1 ) 美国的a t s c a t s c 采用的是8 - v s b 调制系统，是在n t s c6 m h z 频道上开发的，即8 电平残留边带调制方式，采用的是具有导频的单载波调制，是现有成熟a m 调 制技术的发展。抗多径和干扰依赖于复杂的自适应均衡器，不支持移动。 ( 2 ) 欧洲的d v b t 欧洲的d v b t 采用的是c o f d m ( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 调制，基于8 m h z 带宽，采用编码的正交频分复用技术，属于 多载波调制技术，使用1 7 0 5 ( 2 k ) 或6 8 1 7 ( 8 k ) 个载波，2 k 模式支持移动。 ( 3 ) 日本的i s d b t 日本的i s d b t 是在欧洲d v b t 基础上的改进，采用o f d m 载波调制方 案可适应6 、7 、8 m h z 带宽，并把频带进行分段传输( b a n d w i d t hs e g e m e n t e d t r a n s m i s s i o nb s t ) ，对不同的b s t 采用不同编码类型和调制映射方式( q p s k 或q a m 等) ，以满足不同业务的需求。如对传输多媒体文本文件对信道编码的 技术要求较低，而对移动视频接收等要求则较高。 在这三种标准中，美国的a t s c 和欧洲的d v b t 占主导地位，而d v b t 制式应用最广泛、最灵活，并已在欧洲启动实施。由于a t s c 制式不支持移动 接收，所以本论文所讨论的“智能公交调度系统”中所用到的d t t b 网络采用 了d v b t 标准。下面重点介绍一下d v b t 标准的特点。 欧洲从1 9 8 8 年开始研究d v b 的数字电视格式。d v b 的含义是数字视频广 播，它是总称，包含卫星的广播格式d v b s ，电缆的电视广播格式d v b c 和 地面的电视广播格式d v b t 三种。1 9 9 5 年制定了地面的d v b t 广播格式的技 术规范。1 9 9 6 年开始生产d v b 电视接收机使用的集成电路芯片。与a t s c 不 同，d v b t 采用c o f d m 的多载波调制方式，即编码的正交频分复用调制。在 传输频带范围内，同时传送2 0 0 0 8 0 0 0 个载波，数字电视信号加载在这些载 海人学坝i j 学位论文智能公交渊度系统中 _ 4 度信息提取电路的f p g a 实现 波上。载波相互之间具有正交的相位关系，互相之间干扰最小，各载波之阳j 留 有保护带，具有以下特点： ( 1 ) 接收多径传输的电视信号时不发生重影 由于电视频段处于超高频范围内，这种信号遇到高楼，大树或山坡阻挡时， 信号将发生反射，直射波与反射波通过的路径距离往往有所不同，造成延时时 间不同，对于模拟的电视信号，这将引起图像重影。然而，d v b 的传输方式不 会发生重影，相反，直射信号与反射信号叠加的结果相当予信号增强，改善了 信号的接收效果。 ( 2 ) 可以建设单频网( s f m ，节省频率资源 对于同一套电视广播，可以建设多座发射台，电视接收机的接收效果是多 座发射台信号的叠加，例如，全省播送省电视台的一套节目，可以使用许多发 射台，每一个发射台都使用同一个发射频率。这样，带来两个优点，第一是， 利用一个频段的频率的资源实现大面积的覆盖，无线电频率是宝贵的资源，因 此大大提高了频率资源的使用效率。第二是节省发射功率，为了获得同样的信 号覆盖范围，使用单发射机工作时，有很大一部分的信号能量浪费了。使用多 发射机工作，每一个发射机只需要发射较小的功率，那么，在很大的覆盖范围 内，都能够得到稳定、满意的接收效果。带外的信号强度很低，提高了功率的 利用效率，还可以减轻对邻频信号的干扰。图中表示了在相同信号覆盖区的情 况下，单发射机所需要的发射信号场强如较高的细线表示。单频网多发射机的 场强如粗线所示。显然，单发射机有很大的发射功率浪费了，多发射机的场强 分布比较均匀，而且，对于带外信号的干扰比较小。 ( 3 ) 无方向性接收 电视信号是超高频信号，具有很强的方向性，因此，利用室外天线或机上 天线接收电视信号时，往往需要调整天线的方向，以达到最好的接收效果。使 用多发射机方式时，信号来自多个方向，因此，可以不需要调整天线的方向， 就能够获得满意的接收。 ( 4 ) 移动式接收 一般来说，在高速行驶的汽车上是无法接收电视信号的。因为，相对运动 将产生多普勒效应，使得信号的频率发生偏离。普通的电视机无法接收频率偏 离的信号。但是，c o f d m 的调制方式能够克服频率偏离的影响，仍然能够获 得满意的接收。d v b 采用m u s i c u m 的伴音调制方式。无论从图像和伴音的 调制方式来看，d v b 和a t s c 格式的数字电视都无法实现兼容。 1 3 2 基于d t t b 的智能公交调度系统 在城市公交车辆监控调度系统中，需要借助无线数据通信系统将指挥中心 的调度命令传送至移动车辆上。从目前我国城市公交车辆监控调度系统的开发 和应用来看，其无线数据通讯的实现，主要是采用单频点超短波电台或集群电 台系统或g s m 网络。采用单频点超短波或集群电台系统的缺点是：系统建设 难度高，需要申请频点，用于通讯系统的投资大；系统容量有限，只能支持很 4 海人学坝l j 学位论文智能公交调度系统中侧度fi 息提取 u 路的f p g a 实现 少量车入网；通讯系统维护费用高。 数字电视地面广播具有移动接收和无线接收的特点，且近年来对数字电视 地面广播系统的研究日益成熟，利用数字电视地面广播实现车辆监控调度系统 的无线数据通讯功能，是一个比较好的思路。这种解决方案具有单频点电台或 集群系统无可比拟的优点：系统容量大、使用费用低廉、无需建设或维护通讯 系统等：另外，与g s m 网络相比，数字电视地面广播具有更丰富的带宽资源， 可以方便的从传输简单的调度数据信息扩展到为乘客提供视频信息服务等其 他业务。 基于d t t b 的智能公交调度系统综合了无线通信网络d t t b 、g p s ( 全球 卫星定位系统) 、g i s ( 地理信息) 等技术。以d t t b 网络作为传输信道的公交智 能调度系统的框图如图1 1 所示。 在图1 1 中，智能化公交调度系统建成后，纳入系统管理的所有公交车 辆通过车上的智能车载设备( 每个车载终端上都配备了g p s 定位系统) ，将车 辆的位置、速度、路况信息、乘客数量等，通过d t t b 网络传回公交车监控调 度中心。调度中心根据接收到的道路情况、车辆运行情况等信息采取相应的调 度措施，合理安排发车间隔时间，并通过d t t b 网络将调度指令发送到公交车 辆上。司机根据指令控制出发时间、行车速度等，从而保证了线路畅通，并确 保公交发车更均衡。同时，车内的乘客还可以通过设在公交车内的车载装置， 了解所乘线路的车辆、线路情况等。另外，调度中心还将车辆信息通过d t t b 网络发布到安装在线路站点上的电子站牌上，乘客可以通过电子站牌了解到某 线路所经过的全部站点，某站点都有哪些线路经过，某线路下一辆车还有多少 分钟到达本站等最新的公交线路运行情况，还可以通过电子站牌了解到天气信 息、时间、道路车辆拥挤信息甚至广告信息等。 图1 1基于d t t b 的公交智能调度系统 ：海大学坝卜学位论文智能公交训度系统中调度信息提取l u 路的f p g a 实现 智能化公交调度系统的功能总结如下 ( 1 ) 公交车载信息终端与调度中心实时交互各种信息，从而指挥车辆运 行，并向车内的乘客提供出行参考信息； ( 2 ) 公交电子信息站牌向等候车辆的出行者提供车辆位置、到站、时间、 道路交通情况、天气情况、时间等信息，还可以根据实际情况发布一些广告信 息： ( 3 ) 通信服务器系统是调度中- t z , 5 n 移动设备( 公交电子信息站牌、公交车 载信息终端等) 的通信枢纽； ( 4 ) 站牌服务器系统能够自动分析计算车辆的运行情况并能够自动地向公 交电子信息站牌变更剩余时间和位置等信息； ( 5 ) 数据库服务器系统是整个智能公交调度系统的数据中心： ( 6 ) 总监控服务器系统是整个系统监控中心，具有车辆监控、无线数据下 载以及系统维护等功能； ( 7 ) 数字电视用户可以通过看电视了解到公共交通方面的及时、实用的出 行信息。 1 4 论文的主要工作和论文安排 在智能公交调度系统中，由于调度信息是通过d t t b 网络混合在数字电视 码流中传送给每个公交车辆的，所以在公交车辆上需要安装一种信息接收设 备。公交车辆上配备的接收设备应能实现以下功能：准确接收并解调数字电视 信号；提取调度信息；显示调度信息。为了实现这些功能，接收设备相应的从 硬件结构上大体划分为三大单元，分别是：高频头单元，f p g a 单元，显示单 元。高频头单元用来接收包含了公交调度信息的数字电视信号，并对其进行解 调和其他处理，高频头的输出接口符合，最终以d v b 的通用并行接口形式( s p i ) 将传输流送入调度信息提取单元；f p g a 单元的功能主要包括两部分：车辆调 度信息基本流提取部分和u s b 控制部分，f p g a 最终以u s b 接口的形式将调 度信息原始流送入显示单元；显示单元的功能是将调度信息正确地显示在电子 屏幕上。本文将主要介绍f p g a 单元中车辆调度信息基本流提取部分电路的 v h d l 语言描述，并利用m a x + p l u si i 对电路的功能进行了仿真和验证。 本文的重点是根据d v b 的数据广播标准和m p e g 一2 系统层规范，分析 m p e g 一2 传输流的复用和解复用原理，并提出解复用的算法和调度信息提取单 元电路的f p g a 实现。 第一章讲述了论文的选题背景以及正能公交系统的国内外研究现状，并提 出了智能公交系统中无线通信部分的一种全新的解决方案，即利用数字电视地 面广播系统实现智能公交系统的无线通信部分。 第二章介绍了d v b 标准及m p e g 2 传输层规范，重点讲述了d v b 数据广 播标准以及m p e g 一2 传输流的复用和解复用机制。这是提取调度信息基本流的 一红大学预j 。学位论文 智能公交涮艘系统中调度信息提取电路的f p g a 实现 理论基础。 第三章介绍了f p g a 技术和v h d l 语言以及它们的设计特点。这是利用 f p g a 设计电路的必要基础。 第四章是本文的重点，也是本文所作的主要工作。详细介绍了基于f p g a 的调度信息提取电路的设计思想和设计流程。 第五章总结了本文的工作。 l 海人学坝 j 学位论义智能公交调度系统中蒯度信息提取乜路的f p g a 实现 第二章d v b 标准及m p e g 一2 系统层规范 本章重点介绍了数字电视广播d v b 标准和d v b 数据广播原理，以及 m p e g 2 系统层规范。 由于本文中调度信息数据是作为私用数据按照d v b 数据广播标准进行传 输的，所以本章重点介绍了d v b 数据广播标准。 本章还深入分析了基于m p e g 2 标准的系统层复用原理，这是对多路节目 解复用的基础，也是在设计调度信息提取单元时，提取调度信息基本流的理论 基础。同时，本章还详细讲述了如何从p s i 中找出需要的公交调度信息基本流 的p i d 。因为只有查找到公交调度信息基本流的p i d ，才能从电视节日码流中 提取出需要的公交调度信息。 2 1d v b 标准简介 2 1 1 数字电视广播标准及d v b 简介 数字电视以其卓越的画面和音响质量以及多功能、多用途、与信息高速公 路互联互通的特点，成为广播电视发展的必然趋势。与之相应，数字电视传输 系统的研究与开发也取得了长足的进展。根据国际电信联盟无线电通信部的规 定，数字电视系统的组成见图2 1 。 复 用 图2 1数字电视广播系统【4 目前，全球数字电视广播领域有三个相对成熟的标准制式f 在参与全球制 j ：海大学硕j j 学位论文智能公交调度系统中调度信息提取f u 路的f p g a 实眦 式竞争。它们是欧洲的d v b 、美国的a t s c 和日本的i s d b 。三者之间相互独 立，在各自特定的应用领域里具有自己的优势。其中美国的a t s c 和欧洲的 d v b 占主导地位，而d v b 制式应用最广泛、最灵活，并已在欧洲启动实施。 各种传输标准的比较见表2 1 。由表2 1 可见，各种传输标准采用了相 同的信源编码方式，都是m p e g 一2 的复用数据包( 即数字电视码流一般都是以 m p e g 2 码流为基础的) 。但由于它们的传输途径不同，其信道编码采用了不同 的方式。 表2 1 传输标准的比较4 】 a t s c 地面广播 d v b td v b 。cd v b si s d b - t 视频编码 m p e g 2m p e g 2m p e g 2m p e g 一2m p e g 2 音频编码 a c 一3m p e g - 2m p e g 一2 m p e g 2m p e g 2 复用方式 m p e g 2m p e g 2m p e g - 2m p e g _ 2m p e g - 2 调制方式 8 v s bc o f d m q a mq p s kq p s k 带宽m h z 682 7 d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t ) 意为数字视频广播。它是欧洲1 7 0 多个组织 参加的一个项目，包括了卫星、电缆电视和地面广播的普通电视和高清晰度电 视的广播与传输。 d v b 项目的主要目标是找到一种对所有媒体都适用的数字电视技术和系 统。对它的要求是： 1 系统应能灵活传送m p e g 2 视频、音频和其他数据信号。 2 系统使用统一的m p e g 2 传输流复用 3 系统采用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 4 系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。 5 系统使用统一的加扰机制，但可有小同的加密。 6 选择适于传输媒体的调制方式以及任何必须的附d n - q 错方法。 7 鼓励欧洲以外的地区使用d v b 标准，推动建立世界范围的数字视频广 播标准。 8 支持数字系统中的图文电视系统。 d v b 标准有三个：d v b s ，d v b c ，d v b t ，分别适用于卫星，电缆电视和 地面j “播。 i i 海人学顺卜学位论文智能公交调度系统中渊度f 者息提取l u 路的f p g a 实现 2 1 2d v b 数据广播标准 d v b 定义了一套将数据封装在m p e g 一2 传输流中的方法。由于数据广播的 应用范围极其广泛，单一的广播方式难以满足要求，因而e t s i ( 欧洲电信标准 组织) 在制定d v b 数据广播标准的时候，在d s mc c ( 数据存储媒体控制和命令) 标准的基础上提出了多种可供选择的方式，每一种都灵活有效的支持特定的应 用环境，8 1 。 d v b 数据广播标准定义的数据传输方法有 ( 1 ) 数据管道传送( d a t ap i p i n g ) 这是一种通过d v b 广播网络的简单的、异步的、点对点的发送数据的方式。 数据管道通过d v b 广播通道提供非同步、端到端的数据业务。它将数据直接 插入传送流的净荷中，数据的重组和表述由用户自行定义。一般任何协议的数 据传输都是以打包形式传送的，这些数据包可以有不同的长度。如果数据没有 打包或打包方式与d v b 的传输链不相关，那么最主要的传送方式就是数据管 道。在m p e g 2 的分层中，传输流数据以固定的长度1 8 8b y t e s 发送，高层的 数据包必须在发送端进行分片，而在接收端进行重分配。本文中调度信息数据 的传送就采用了这种传输方法。 ( 2 ) 数据流( d a t a s t r e a m i n g ) 它支持数据广播业务，在d v b 广播网络内，需要一个面向流的，点对点 的，异步或同步或被同步的发送数据。异步数据流、同步数据流、被同步的数 据流支持基于码流的异步、同步或被同步的端到端数据业务。数据流方式将数 据包装在m p e g - 2 的包中。 a 异步数据流定义为既不需要码流内也不需要码流间定时，需求的只有数据的 码流，即r s 2 3 2 数据。在需要异步传输数据包，并且p e s 机制有利于传输 时，就采用异步数据流。因为对于这种传输必须是非同步的，则选择流标识 p r i v a t es t r e a m2 ，而拒绝p e s 包头域的使用。 b 同步数据流定义为有定时需要的码流，前后包的数据有间隔周期。也就是说， 包之间的最大和最4 , n 达时间是有限制的，同步数据流与其它数据流之间没 有很强的同步关系，但数据和时钟可在接收机中由码流再生，比如e 1 ，t 1 。 如果在接收端的输出数据速率需要非常精确，那就可以使用同步数据流。接 收时钟通过p c r ( p r o g r a m c l o c kr e f r e n c e ) 来l 司步。9 b i t 的p t s ( p r e s e n t a t i o n t i m es t a m p ) 扩展在大范围的数据速率中需要精确地放置数据接入单元。该 9 b i t 扩展了p t s 的精确性，从1 l u s 到3 7 n s ( 2 7 m h z 的时钟) 。如果接收到 相同数据业务的多协议解码器必须在相同的时间内以定位的方式输出数据， 或者如果在输出数据流中有暂时的信号损失，而需要保持同步，那就需要精 确的数据放置。 c 被同步数据流定义为有定时需要的码流，与同步数据流相同，有流内定时需 智能公交调度系统中谢膛竹岜提取i u 路柏f p g a 县现 求，但同时与其它p e s 流，像音视频码流那样有很强的定时关系。主要是用 p e s 结构中的p t s 和或d t s 的定时能力与相应的数据相连，其数据能由其 它数据流同步重放。 ( 3 ) 多协议封装( m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ) 对于多协议封装的数据广播规范支持数据广播业务，在d v b 广播网络内需 要发送数据的通信协议，对于不同的通信业务都可以使用d v b 的传输机制。 多协议封装提供了一种传输机制，在d v b 网络内m p e g 一2 传输流的顶部使用 传输数据网络协议。多协议包封装、循环数据和循环对象方式使用d s mc c 格 式将数据包装进m p e g 一2 的相应部分。多协议包封装支持在m p e g 一2 传送包中 传输任意协议的业务，i p 业务，其编址可以是单播( u n i c a s t ) 、多播( m u l t i c a s t ) 和广播( b r o a d c a s t ) 。在地址接收端使用4 8 比特的m a c 地址，但是d v b 没 有规定这些m a c 地址是如何分配给接收端的。由于d v b 网络是用于广播的， 数据的安全性则非常重要。通过支持对数据包的加密，并且动态地改变m a c 地址，这样该封装对数据传输才是安全的。 ( 4 ) 数据循环滚动( d a t ac a r o u s e l s ) 周期性地传送广泛的数据文件。数据循环的数据广播规范支持数据广播业 务，在d v b 广播网络内需要周期性的数据传送模型。循环数据支持在d v b 广 播通道中周期性数据传输模式的业务，服务器周期循环发送一组不同内容的数 据到用户，如果接收者选择自己想要的数据，只要等到该发送时刻就可以得到。 数据循环是一种传输机制，通过周期性的重复循环的内容，允许服务器向解码 器传，直到申请的数据模块被广播。关于数据循环的典型例子就是图文电视系 统。在这个系统里，一组图文数据页在模拟视频信号的一些扫描线中被周期性 地广播发送。当用户申请这些数据页时，他们必须等待下次数据页被广播。用 户所必须等待的最长时间由它所占用的一个完整循环的时间决定，并且可以依 次从循环的大小和广播的数据速率中推算出来。 ( 5 ) 对象循环滚动( o b j e c t c a r o u s e l s ) 循环对象支持由d v b 网络独立协议所定义对象的循环播放业务，广播服务 器向用户播出有一定结构的对象组，对象可以是目录对象、文件对象或码流对 象。d s mc c 循环对象有利于一结构组对象的传送，通过目录对象，文件对象 和流对象从广播服务器传送到广播接收端( 客户端) 。实际的目录和内容( 对 象实现) 位于服务器中。服务器重复地插入d v b 服从的使用循环对象协议的 m p e g 一2 传输流的记载对象。循环对象是d v b 业务的一部分。发送的目录和 文件对象包含对象的内容，而在广播内所发送的流对象是参考其它流的。流对 象也可以包含关于d s mc c 事件的信息，这些信息是在一特殊的流中广播发送 的。d s mc c 事件可以用规则的流数据广播发送，可以用于触发d s mc c 的申 请。多客户端可以通过读取重复发送的循环数据来覆盖对象实现，然后在一本 地对象实现中模仿服务器的对象。如果与服务器有或多或少的交互式连接，循 环对象就可以提供给客户端一条路径来访闯申请以及这些申请使用的内容。 ( 6 ) 用户定义服务( r e g i s t e r e ds e r v i c e ) 将来用户可以根据实际需要定义自己的应用类型。 智能公交渊度系统中酬度竹恩提取 u 路的f p g a 实j 弛 从另一个角度来看，d v b 的数据包可以分为以下几种格式： ( 1 ) 直接基于t s 包，固定长度18 8 b y t e ，直接基于私有数据机制，简单的数 据管道采用这种方式。本文所论述的课题中就采用了这种格式来发布调度信息 数据。 ( 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 ”e ，而且提供数据流精确同步的机制( 利用显示时间标签p t s ) ，9 比特的 p t se x t e n s i o n 域可以精确到2 7 m h z 的时钟周期，即3 7 n s ，所以d v b 选择p e s 用于同步和被同步码流的传输，当然也可以用于异步码流。 ( 3 ) 基于数据片。m p e g 一2 数据片( s e c t i o n ) 也提供长度可变的打包方式，但最 大包长是4 k b y t e ，而且是异步传输。它是为了方便解复用器用硬件过滤出单一 的s e c t i o n ，从而降低对解码器软件的要求。在多协议封装和轮放中选用这种打 包方式。 2 2m p e g - 2 标准简介 2 2 1m p e g 一2 简介1 2 1 m p e g ( m o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 译为运动图象专家组，它是在i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织) 的召集下，为数字视频 和音频制定压缩标准的专家组。该组织最初在1 9 9 2 年制定了m p e g l 标准，应 用于光盘的节目制作。广播电视行业从m p e g l 标准的应用上看到了m p e g 技 术对于电视行业的意义，于是该组织于1 9 9 4 年推出了m p e g 一2 标准。m p e g 一2 标准是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。m p e g 2 可以说是m p e g 一1 的扩充，因为它们的基本编码算法都相同。但m p e g 一2 增加 了许多m p e g 1 所没有的功能，例如增加了隔行扫描电视的编码，提供了位速 率的可变性能( s c a l a b i l i t y ) 功能。m p e g 一2 要达到的最基本目标是：位速率为4 9m b i t s ，最高达1 5m b i t s 。 m p e g 2 的标准号为i s o i e c1 3 8 1 8 ，标准名称为“信息技术电视图像 和伴音信息的通用编码( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y g e n e r i cc o d i n g o fm o v i n g p i c t u r e sa n da s s o c i a t e da u d i oi n f