（通信与信息系统专业论文）基于fpga的mpeg2_ds3网络适配技术研究.pdf

摘要 摘要 i 匠年来，数字电视技术得到了大力发展和广泛普及。与此同时，对于数字电 视信号的传输技术也提出了新的疑求和挑战。如何在尽量不增加建发成本的前提 下，联爝已套匏网终资源簧输瑟代兹数字魄褫售号，已经袋为一个遥秘嚣实嚣 的问题。对数字电视信号网络滔酉已技术的研究，有助于加快有线电视网、电信网 和计算机网络“三网台一”的发媵进程。 m p e g 2 是世界范围内广泛馒爝戆一手孛视频压续编码格式，被许多圜家秘组织 俸为数字电视的裙关标准。d s 3 接匿是p d h s d h 网络设备最常用的标准接瞄之一， 被广泛应用于通信网络。利用p d h s d h 网络传输m p e g 2 码流，是数字电视广播 的一种解决方案。其关键技术在于发送端和接收端m p e g ，2 传送流与d s 3 码流之 鞫懿禳互转鼗。 本论文正是针对上述问题，在广泛阅读和研究d v b 和i t u 相关标准的錾础上， 讨论了系统发送端和接收端对于m p e g 一2 物璎接口和d s 3 接口之间的适配过程， 著且对此逶酝方寨在f p g a ( 褒场可壤程门薄列) 芯片土豹实现送行了比较详尽的 论述。 文章首先介绍了关于数字电视系统的一些基本概念，m p e g 2 传送流格式和 m p e g 一2 的物理接翻，以及d s 3 捣流的帧结构。随后根据m p e g 一2 d s 3 网络适配 静器瑗，疆密了一耱基于f p g a 魏设计方案。遄过对发送灞帮接l 芟端一系列模块 的仿真，验证了本方案的可行j | 生。 本课题在x i l i n xi s e5 2 i 开发环境中，聚嗣v h d l 作为程序设计语苦，完成 了冬烹荽功戆摸交豹设诗，荠逡行了仿真霜验谖。 关键词：m p e g 一2 ，d s 3 ，网络适配，f p g a a b s t r a c t a b s t r a o t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n ga n dt h eg r o w i n gd e m a n do f u s e r s ，t h e r ea r en e wc h a l l e n g e sf o rt h et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e h o wt ot r a n s m i td i g i t a l v i d e os i g n a lw i t he x i s t i n gn e t w o r kh a sb e c o m ear e a l i s t i ci s s u e t h er e s e a r c ho fn e t w o r k a d a p t a t i o no fd i g i t a lv i d e os i g n a lw i l lq u i c k e nt h ei n t e g r a t i o no fb r o a d c a s t i n gc a b l e n e t w o r k ，t e l e c o mn e t w o r ka n dc o m p u t e rn e t w o r k m p e g - 2i sa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rv i d e oc o m p r e s s i o n i th a sb e e na d o p t e db y m a n yc o u n t r i e sa n do r g a n i z a t i o n sa st h es t a n d a r do fd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g d s 3 i n t e r f a c ei so n eo ft h em o s t w i d e l y u s e di n t e r f a c e so fp d h s d hn e t w o r k t r a n s p o r t a t i o n o fm p e g - 2s t r e a mo v e rp d h s d hi sas o l u t i o nf o r d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g t h ek e yt e c h n i q u ei st h ea d a p t a t i o no fm p e g 一2t r a n s p o r ts t r e a mt od s 3 f o r m a t b a s e do na ne x t e n s i v ea n dt h o r o u g hs t u d yo ft h er e l a t i v es t a n d a r d sa n d s p e c i f i c a t i o n so fd v ba n di t u ，t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ea d a p t a t i o np r o c e s so f m p e g 一2p h y s i c a li n t e r f a c et od s 3i n t e r f a c e ，a n dg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e i m p l e m e n t a t i o no nf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y s ) i nt h eb e g i n n i n g ，t h ed i s s e r t a t i o ng i v e sa no v e r v i e wo fd i g i t a lv i d e os y s t e ma n da n i n t r o d u c t i o no ft h ef o r m a to fm p e g 一2t r a n s p o r ts t r e a m ，m p e g 一2p h y s i c a li n t e r f a c ea n d f r a m es t r u c t u r eo fd s 3s t r e a m t h e na c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fn e t w o r ka d a p t a t i o n ， as o l u t i o nb a s e do nf p g ai sd e s c r i b e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o no fb o t ht h et r a n s m i t t e r a n dt h er e c e i v e rd e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n t h i sp r o j e c t ，w h i c hi sd e v e l o p e di nx i l i n xi s e5 2 iu s i n gv h d l ，i n c l u d e st h e d e s i g na n dv e r i f i c a t i o no ft h em o d u l e st or e a l i z et h em a i nf u n c t i o no fan e t w o r ka d a p t e r k e y w o r d s ：m p e g - 2 ，d s 3 ，n e t w o r ka d a p t a t i o n ，f p g a 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：丞遮日期：厶嘭年，月日 关于论文使用授权的说明 虢毯缓翩签名麟 日期。年仃夕日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第章绪论 随着数字电视技术的发展和普及，对于数字化电视信号的传输也提出了新的 要求。一方面要求传输的带宽更宽，另一方面在当今多网合一的趋势下，如何提 高传输媒体的利用效率，也日益受到重视。 d s 3 是数字复用体系的三次群，是传送高速数据流的数字广域网通信标准， 广泛应用于骨干通信网络。m p e g 2 是世界范围内广泛使用的一种视频压缩编码格 式，被许多国家和组织作为数字电视的相关标准。 经过网络适配，将m p e g 一2 的传送流转换成d s 3 格式后，可以利用高速的 p d h s d h 网络传送数字电视信号，可以有效利用网络资源，减少网络建设成本， 数字信道的灵活性也为数字电视将来提供更多附加服务提供了便利，同时促进了 电信网络与有线电视网络的融合。因此，研究数字电视信号的网络适配技术，在 计算机网络、电信网和有线电视网“三网合一”的发展进程中具有一定的实用价 值。 图1 1 网络适配器在数字电视传输系统中的位置 电子科技大学硕士学位论文 1 2m p e g 一2 网络适配技术的发展与f p g a 技术 1 2 1m p e g 一2 网络适配技术的发展 在m p e g 2 标准被广泛采用前，我国的电视信号多采用混合差分脉码调制 ( h d p c m ) 这种编码格式进行数字化传输。因为这种编码格式属于一种浅压缩编 码，经过压缩后的一套节目的码流率大概为7 0 m b s 。在传输时通常将两套节目信 号复合成1 4 0 m b s ，经过一个s t m 1 接口在s d h 网络上传送。 最近几年m p e g 一2 标准逐步普及，采用m p e g 2 编码的一套电视节目码流率 大概在5 m b s 到8 m b s 。d s 3 接口( 4 4 7 3 6 b s ) 的传输容量适中，利用d s 3 接口 传输m p e g 一2 编码的数字电视信号不仅应用较为灵活，而且设备之间具有较高的 通用性和兼容性。目前，对于m p e g 一2 网络适配方面的设计，国内的相关方案大 多是使用多片专用芯片分别实现各个环节的功能。一方面，系统的集成度不高， 还要考虑各部分电路协调工作的问题，诸如通信、中断响应等；另一方面，一些 核心功能的实现，如a s i 时钟数据恢复，d s 3 成帧等，仍然是分别使用国外的成 品芯片。 因此，基于f p g a 的、发计是更好的选择。将各个模块集成在一起进行设计， 在一片芯片上实现大部分的功能，不仅可以避免很多电路设计上的麻烦，提高整 体系统的稳定性和可靠性，而且可以通过完整的设计，有效地提高系统的工作效 率，同时今后如果有需要，可以很方便的进行功能上的修改或者扩展。 1 ，2 2f p g a 技术 自1 9 8 5 年x i l i n x 公司推出第一片现场可编程门阵列( f p g a ) 至今，以f p g a 为代表的数字系统现场集成技术取得了巨大的发展。f p g a 的集成规模已由当初的 1 2 0 0 门发展成为今天的百万门级。通过不断更新优化产品架构和生产工艺，实现 了更多的逻辑单元、更高的性能、更低的单位成本和功耗。 纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根 本在于，f p g a 不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其 开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，用户可以反复地编程、擦除、 使用，或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能，促使f p g a 越来越多地取代了a s i c 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使f p g a 成为首选。f p g a 不仅可以解决电路系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且 2 第一章绪论 开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，使其在现代数字系统设计中 占有重要的地位。 对f p g a 器件进行功能设计一般采用的是“t o pt od o w n ”的方法，亦即从系 统总体要求出发，自上至下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设 计，各层的功能可以用硬件描述语言或电路图来实现。 本课题的开发平台是x i l i n x 的i s e 5 2 i ，仿真采用的是m o d e l s i m 5 7 。 1 3 本文研究内容及章节安排 本文系统深入地研究了数字电视系统中m p e g 2 传送流与d s 3 帧格式之间的 适配技术，分别讨论了系统发送端和接收端的功能模块划分和f p g a 实现方案， 并给出了仿真结果。 第二章首先对数字电视体系与m p e g 一2 标准作了概述，介绍了世界各国主要 的几种数字电视标准以及m p e g 一2 系统层协议规范、t s 包的语法结构。随后介绍 了m p e g 一2 标准的三种物理接口形式。 第三章介绍了p d h s d h 网络体系中广泛使用的d s 3 帧结构，以及d s 3 复帧 中各个开销比特的含义和使用方法。 第四章重点讨论系统发送端将a s i 形式的m p e g 一2 传送流适配到d s 3 帧格式 的过程，以及此过程中的功能模块划分，随后详细讨论了各主要模块的f p g a 设 计方案。 第五章主要讨论系统接收端将接收到的d s 3 码流通过反向适配，转换成 m p e g 2 传送流的过程，以及相应模块的f p g a 设计方案。 第六章针对设计方案的f p g a 实现给出了仿真结果，并对仿真结果进行了分 析，验证了设计方案。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章数字电视体系与m p e g - 2 标准 2 1 数字电视的发展及现状 模拟电视技术经过几十年的发展，虽然其图像质量有了相当程度的改善，但 终究因为模拟电视信号在处理、放大和传输过程中，非线性失真的不断积累使图 像对比度产生越来越大的畸变，远距离传输引入的信噪比恶化造成图像清晰度下 降，相位失真的积累使图像产生镶边等，将无法从根本上解决模拟信号在传输过 程中的固有缺陷。 数字电视技术是在将模拟信号转变为数字电视信号的基础上对其处理、存储、 传输的技术。随着大规模集成电路、数字传输技术、数码压缩技术和计算机技术 的高速发展，数字化已经成为当今信息社会发展的一个显著特征和关键技术，其 中数字视频技术已成为目前通信、多媒体、广播电视和计算机等各种产业发展的 焦点。 目前，美国、欧洲和日本各自形成三种不同的数字电视标准。 美国的标准是a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e 先进电视制式委 员会) ；欧洲的标准是d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g 数字视频广播) ；日本的标 准是i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g 综合业务数字广播) 。 这三种数字电视标准对视频信号都以m p e g 2 为核心进行压缩编码。但对音 频信号，a t s c 选用杜比a c 3 数字音频压缩标准，而d v b 采用i s o i e cm p e g 的m u s i c a m 声音标准；a t s c 除了m p e g 一2 定义的节目专用信息p s i 外，还提 供了节目及系统信息协议p s i p ，用于描述系统及节目层中一个传送流中所有的虚 拟频道所包含的信息，但只适于数字电视地面广播。而作为m p e g 一2 的p s i 的拓 展，d v b 还提供了业务信息s i ，适用于d v b 系统不同的传输信道，便于综合接 收解码器i r d 接收数字电视节目；d v b 支持条件接收，但a t s c 目前还不支持： 另外，在信道传输方式上也不同。 目前d v b 组织成员己发展到3 0 0 多个，遍布世界3 0 多个国家，d v b 的卫星、 电缆和地面的普通电视标准已经欧洲通信标准组织通过，基于m p e g 一2 的d v b 普 通数字电视1 9 9 5 年已经通过卫星进行广播。应用d v b 标准发送数字视频节目的 国家和地区还在不断增加，远远超出欧洲的范围，d v b 有望成为新一代世界范围 4 第二章数字电视体系与m p e g 2 标准 内的数字视频标准。 2 2 数字电视广播系统 数字电视系统是一个广义的概念。在电视信号的获取、产生、处理、接收和 存储的全过程中使用数字电视信号就称为数字电视系统。数字电视系统包括了节 目的制作和播出、存储与记录、传输与接收以及控制、测量等全过程的数字化， 使系统的功能及质量有了根本性的改善。 在数字电视系统中，各路电视信号或音频广播信号经过压缩编码器的处理后 成为若干路数据码流。这些数据流和其他数据流在复用器中按照统一的协议进行 时分复用，同时在复用码流中插入业务信息( s i ) ，用于提供节目业务的辅助信息， 便于接收端对节目的选择。为了实现电视广播业务的付费收视，通常对数字电视 节目码流进行了加密处理。根据广播系统采用的传输信道的不同，对基带码流信 号进行不同的信道编码调制处理，然后发射到信道中。用户终端系统有数字电视 接收机、数字机顶盒、数字卫星接收机、家用计算机等设备。数字电视本质上和 数字通信一样，都是以数字化形式传递信息。因此计算机多媒体业务和通信业务 逐渐进入电视领域，多种通信方式和计算机协议在数字电视系统中得到运用，如 a t m s d h 、t c p i p 等已经和m p e g d v b 、d t v 方式结合。这是广播电视、通信 和计算机三网融合的技术基础。 数字电视广播系统如图2 一l 所示。 l 簇格挲h 黜h 蒹霭h 集蒿h 调制r 了 、 l 一l 一l jl 一l 一j ， ，、 ： 网络传输 ： 犀狃骚剪匝心乡 广 图2 1 数罕电视厂捕系统框l 划 数字编码器的作用是将模拟视频信号变为数字码流形式的信号，利用脉冲编 码调制( p c m 编码) ，把模拟视频信号通过采样、量化、编码三个阶段，变换成时 间和幅度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，去掉信号中的冗余 成分，达到压缩传输频带和节省存储空间的目的。在数字电视系统中，信源编码 一e 一 电子科技大学硕士学位论文 基本都是采用m p e g 2 标准。 信道编码的目的主要是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。 调制是利用单载波或多载波在物理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。 传输网络的媒介可以是卫星传输、光纤传输，也可以是电缆等。 2 3m p e g 一2 标准 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 ) ，即运动图像专家组，它是国际标准化组 织( i s o ) 为数字视频和音频制定的压缩标准。m p e g 压缩标准采用了三种关键的压 缩技术：离散余弦变换( d c t ) 、运动补偿( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) * nh u f f m a n 编码。 m p e g 2 是目前应用最为广泛的音频视频压缩编码标准。它提供了良好的压 缩性能，成为了公认的数字电视标准。欧洲的d v b ，美国的a t s c ，日本d a v i c 协会等标准化组织与团体都采用m p e g 2 作为视频压缩标准。m p e g - 2 具有以下 的优点： 视频压缩与m p e g 1 是向后兼容的； 对t v 和计算机显示可以是全屏交织的, n 或渐进的视频； 增强的音频( 高质量、单声道、立体声等音频特征) ； 可以传送复用( 在一个单一传送流q u o t a 包含不同的m p e g 码流) ； 可以进行其他业务( o u i 、交互性、加密、辅助数据传送等) 。 m p e g 2 的结构可分为压缩层和系统层。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，分别形成了视频的基本流 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本流；紧接着系统层将 不同的基本流分别加包头打包成为p e s ( p a c k e t i s e de s ) 包。为了多路数据节目流的 复用和有效的传输，又将p e s 包作为负载分割后插入传送流包或节目流包中，其 结构如图2 2 所示。 第二章数字电视体系与m p e g 2 标准 斟蛩鋈翌吲羔虢p i 节目流1 种箩副砧篓辞 幽2 - - 2m p e g 2 节目流与传送流 因此，在m p e g 2 标准中，有两种不同类型的码流输出到信道，一种是节目 流( p s ：p r o g r a ms t r e a m ) ，另一种是传送流( t s ：t r a n s p o r ts t r e a m ) 。 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，就会失去同步，导致严重的信息丢失。因此节目流一般用于 几乎没有误差产生的媒体存储如d v d 等存储介质或者信道环境较好、传输误码率 较低的环境：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。因此传送流适用于在信道环境较为恶劣，传输误码率较 高的网络中进行远距离的传输。 2 3 1 m p e g - 2 传送流系统层 - p 一】8 8 i - - 一 镒黝负荷黝m 荷黝伍苟1 2 豢憎垂黍 垂茼单元 臀p i d 燃| 撼卜凇缀 开嫡指示 8 1li l j 一 一2 一一一 t 自适应牛 不连缝随机接基车谴优 啉绷攀幕 压长雇 指示人指永 先指示 8 1 一一一。一 厂玉飞、 讶换 倚迸用户 用户 r 厦岛遗 埔志黝 p c r o p c r 倒汁数数据长度数据麻段忙瘦 图2 3m p e g 2 传避包结构 电子科技大学硕士学位论文 如图2 3 所示，t s 包由3 2 b 的包头、可变长度的自适应字段和净荷组成【i j 。 包头由8 b 同步字节、l b 传送差错指示、1 b 负荷单元开始指示、1 b 传送优先级、 1 3 b 包标识( p i d ：p a c k e ti d e n t i f i e r l 、2 b 传送加扰控制、2 b 自适应字段控制和4 b 连 续计数器组成。其中，负荷单元开始指示表示打包的原始流p e s 数据包字头或包 含与节目有关的p e g 信息的起始端，是否出现在该t s 包的负荷中。自适应字段控 制表示在包头后面是否有自适应字段或有效负荷。连续计数器中的数值对于具有 相同p i d 值的有效负荷而言，从0 1 5 连续循环，用来在解码端检测是否有丢失 的t s 包。t s 包头语法见表2 一l 。在t s 流中，用不同的p i d 来区分不同的t s 包 所携带的内容，包括p a t ( p r o g r a ma s s o c i a t i o nt a b l e ：节目关联表) 、p m t ( p r o g r a m m a pt a b l e ：节目映射表) 、p c r 和音频、视频及附加数据信息等。 除了各节目的各个传送流外，还应有节目专用信息( p s i ：p r o g r a ms p e c i a l i n f o r m a t i o n ) ，p s i 数据由固定字长的整体字头和可变字长的p a t 或p m t 以及4 b 的c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ：循环冗余校验) 码构成。 p a t 表的整体字头长度为8 b ，由表标识符、表分段长度、传送比特流标识符、 版本号、当前下次指示器、分段号和最后分段号组成。而可变字长的节目清单由 各个1 6 b 的节目号与对应的1 3 b 的节目映射表的p i d ( p a c k e ti d e n t i f i e r ) 值组成。 p m t 表的整体字头长度为1 2 b ，由表标识符、表分段长度、节目号、版本号、 当前下次指示器、p c r 之p i d 、节目信息长度组成。而可变字长的节目描述由节 目所含基本比特流类型( 包括音频、视频、附加数据信息等) ，基本比特流对应的 p i d 、扩展信息长度和扩展可变长度的基本流描述符组成。其中有一个p i d 含有该 节目时钟参考p c r 信息。 表2 一lm p e g 2 t s 包头语法 m p e g 一2t s 包头语法 语法比特长度注释 t r a n s p o r t _ p a c k e t 0 s y nb y t e 8 b同步字节 t r a n s p o r t _ e r r o r _ i n d i c a t o r l b传送差错指示 p a y l o a d u n i t s t a r t i n d i c a t o r l b负荷单元开始指示 第二章数字电视体系与m p e g 一2 标准 9 电子科技大学硕士学位论文 包头语法中的几个重要标志【1 1 ： ( 1 ) 同步字节( s y n _ b y t e ) ：8 b 长度的字段，其值为0 x 4 7 h ，该字段是m p e g - 2 的传送包标识符。 ( 2 ) 传送错误标志指示( t r a n s p o r t长度的字段。当其值为_ e r r o ri n d i c a t o r ) ：l b 1 时，表示在相关的传送包中至少有一个不可纠正的错误位，只有在错误纠错之后， 该位才能被重新置0 。 ( 3 ) 有效负载起始指示( p a y l o a du n i ts t a r ti n d i c a t o r ) ：l b 长度的字段。该字段 用来表示t s 包的有效负荷带有p e s 包或者p s i 数据。 ( 4 ) 传送优先级( t r a n s p o r t _ l o r i o r i t y ) ：l b 长度的字段。当该字段置为1 时，表 示相关的包比其他具有相同p i d 但此字段置0 的包有更高的优先级。可以根据此 字段确定在一个原始数据流中数据的传送优先级。 ( 5 ) p i d ：1 3 b 氏度的字段，表示存储于传送包的有效负荷中的数据类型。不 同的电视节目和业务信息s i 对应有不同的p i d 值。对于一台解码接收机而言，为 了找到它所要接收的电视节目，它首先通过p i d 值找到p a t 、p m t 、c a t 、n i t 、 s d t 、e i t 及t d t 等，通过这些有关节目的信息表，尤其是节目的专用信息表， 可以查到所要接收节目的p i d 值和对应的节目时钟参考p c r ，这样节目就可以被 还原。表2 2 给出了p i d 的分配，注意具有p i d 值为o x 0 0 0 0 、0 x 0 0 0 1 、 0 x 0 0 1 0 0 x l f f e 的传送包允许携带一个p c r 。 ( 6 ) 传送加密控制( t r a n s p o r t ： 长度的字段。该字段用_scrambling_contr01)2b 来指示传送流包有效负荷的加扰方式。如果传送流包首部包括调整字段，则不应 被加扰。对于空包，该字段置为“o o ”。“o o ”表示不加密，“0 1 ”“1 0 ”“1 1 ”由用户 定义。 ( 7 ) 调整字段控带i ( a d a p t a t i o n f i e l dc o n t r 0 1 ) ：2 b 长度的字段。表示传送流包 首部是否跟随有调整字段或有效负荷。 ( 8 ) 连续计数器( c o n t i n u i t zc o u n t e r l ：4 b 长度的字段。其值随着具有相同p i d 值的t s 包的增加而增加，当达到最大时，又恢复为0 。如果调整字段控制值 a d a p t a t i o nf i e l dc o n t r o l 为“o o ”或“1 0 ”，该连续计数器不增加。 ( 9 ) 调整字段( a d a p t a t i o n _ f i e l d ) ：为了传送打包后长度不足t 8 8 b ( 包括包头1 的 不完整t s 包，或者为了在系统层插入节目时钟参考p c r 字段，需要在t s 包中插 入可变长字节的调整字段。 ( 10 ) p c r 字段( p r o g r a m _ c l o c k _ r e f e r e n c e ) ：节目时钟参考，表示编码端的时 钟，并反映了编码输出码率。接收端根据p c r 可以调整解码端的系统时钟，以保 1 0 第二章数字电视体系与m p e g 2 标准 证对节目的正确解码。 表2 2 p i d 分配表 p i d 分配表 p i d 取值( 1 3 b )p i d 值使用描述 0 x 0 0 0 0 节目关联表( p a t ) 0 x 0 0 0 1 条件访问表( c a t ) 0 x 0 0 0 2 传送流描述表( t s d t ) o x 0 0 0 3 0 x 0 0 0 f 保留 可以分配为n e t w o r k _ p i d ，p r o g r a m _ m a p p i d ， o x 0 0 1 0 0 x l f f e e l e m e n t a r y _ p l d ，或留作它用 0 x l f f f 空包 2 3 2m p e g - 2 的标准物理接口 m p e g 一2 标准中有三种类型的标准物理接口 2 1 ，分别是 ( 1 ) 异步串行接e l ( a s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e ) ( 2 ) 同步并行接口( s y n c h r o n o u sp a r a l l e li n t e r f a c e ) ( 3 ) 同步串行接口( s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e ) m p e g 2 物理接e l 在传送系统中的位置如图2 4 所示。 图2 4m p e g 2 物理接口的位置 2 3 2 1 异步串行接口a s l 众所周知，相对于并行接口而言，串行接1 2 1 具有使用方便、连线少、便于远 距离传输等优点。在d v b 广播电视系统中，a s i ( a s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e ) 是使 用非常广泛的一种串行接口形式，可以作为广播电视前端设备的一种常用接口模 一1 1 电子科技大学硕士学位论文 式。它具有高速、可靠、准确、可热插拔等特点，可广泛应用于各种高速点到点 传输，尤其是视频传输设备。其优点是： ( 1 ) a s i 接口是一种国际性标准，可以使用该接口来组合多种广播设备，不管 是哪个厂家开发的产品。 ( 2 1 采用的是串行模式，连接方式简单。 ( 3 ) 易于处理冗余问题，还可以利用冗余度来解决差错控制。 ( 4 ) 不需要改变任何硬件结构，就可以发送和接收多种速率的m p e g 一2 数据信 号。 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。它使用 分层结构，分为3 层。第0 层：物理层；第1 层：链路层( 数据编码层) ；第2 层： 传输层。 船p a c k e t 警- 懂( f 登cc o 篓m m a ) 薹斗回 篓旧 撩谁署蓥纂；陋夏呕薹劂 p a c k e t s y n c h r o n o u s m p e 0 - 2 t s s v n c n r o n o u s m p e g 2t s 图2 - - 5 利用同轴电缆传输a s i 码流的链路 l a y ”1 i f 絮”i 图2 6 利用光纤传输a s i 码流的链路 1 2 第二章数字电视体系与m p e g 2 标准 物理层的传输介质可以是电缆或光纤。链路层上传输速率为2 7 0 m b s ，采用 d c 平衡的8 b 1 0 b 传输码。由每个8 比特字节产生一个1 0 比特的码字。然后对这 些1 0 比特码字进行并伴转换，其输出比特率固定为2 7 0 m b s 。需要指出的是， 8 b 1 0 b 编码机制中定义的k 2 8 5 专用字符用来在a s i 链路层中建立字节对齐，又 称同步字。在传输数据的空余字段插入同步字，可以使传输码字具有一定的抗扰、 错误检测和再同步能力。在并串转换器要求输入一个新字、而数据源还没有准各 好新字时，就应插入一个同步字，接收时将略掉这些同步字。 a s i 接口第2 层定义使用了m p e g 一2 传送流包的语法，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 3 2 2 同步并行接口s p c l o c k 1l d a t a ( 0 7 ) 8 - 一 t xd v a l i d 1l r x p s y n c 1 - 。 幽2 7s p i 接口 同步并行接口包含一路时钟信号，八路并行数据信号，一路有效信号( d v a l i d ) 和一路包头同步信号( p s y n c ) ，见图2 - - 7 。传输速率锁定m p e g 2 的字节传送速 率。包头同步信号对应t s 包的同步字节0 x 4 7 h ，d v a l i d 信号用来区分t s 包的 长度为1 8 8 字节或2 0 4 字节。当t s 包长为1 8 8 字节时d v a l i d 信号一直为高，如 图2 8 所示。 r 几nr 固9 暇 厂1nr n 厂 受觋虱琐 c l o c k d a t a ( o - 7 ) d v a l l d 厂厂 p s y n c 图2 8 传送18 8 字：声长度t s 包的s p l 信号波形 电子科技大学硕士学位论文 2 3 2 3 同步串行接口s s i 同步串行接口可以看成是同步并行接口的一种扩展模式。它和同步并行接口 一样，传输速率锁定m p e g 2 的字节传送速率。输出的串行数据采用双相标识编 码。 2 4 本章小结 第二章介绍了几种主要的数字电视体系，m p e g 一2 传送流系统层协议规范和 m p e g 一2 标准的三种物理接口形式。这些内容是展开本文研究工作的理论基础。 1 4 第三章d s 3 帧格式 3 1p d h 与s d h 网络体系 第三章d s 3 帧格式 在光纤通信系统发展的初期，为了扩大传输容量和提高传输效率，需要进一 步把若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号，通过高速数字信道传输，到 对方再分离，还原为各个低速数字信号。实现数字信号的合并与分离的技术称为 数字复接与分接( 简称数字复用) ，在p c m 通信中，高次群是由若干个低次群通 过数字多路复接方式构成的。在此基础上建立的通信体系称为p d h ( 准同步数字 体系) 。所谓准同步是指各级的比特率相对于其标准值有一个规定的容量偏差，而 且定时用的时钟信号并不是由一个标准时钟发出来的，通常采用正码速调整法实 现准同步复用【jj 。 因此，p d h 是由低次群到高次群层层复接形成的。最基础的d s 0 的速率是 6 4 k b i t s ，在此以上有d s l f t l ) ，速率为1 5 4 4 m b s ；d s 2 ( t 2 ) ，速率为6 3 1 2 m b s ； d s 3 f t 3 1 速率为4 4 7 3 6 m b s ，等等。一路d s l 信号可传送2 4 路d s 0 信号，一路 d s 2 信号由4 路d s l 信号复接而成，一路d s 3 信号由7 路d s 2 信号或2 8 路d s l 信号复接而成。 随着光纤通信技术和大规模集成电路的高速发展，1 9 8 6 年美国提出了一种以 光纤通信为基础的同步光纤网( s o n e t ) 概念，作为现代化通信网的基本结构。 1 9 8 8 年i t u t 对s o n e t 概念进行了修改，重新命名为同步数字序列，简称s d h ， 使之成为不仅适用于光纤通信，也适合于微波和卫星传输的体制。现在s d h 已经 成为国际上公认的新一代的理想传输网体制。 s d h 是由分插电路复用器( a d m ) 、数字交叉连接系统( d a c s ) 等网络单元组 成，简化了复接分接技术，需要时可直接分接到低速支路，而不必经过从高速到 低速的逐级分接，上下电路非常方便。各支路根据复用层次的不同，而采用不同 的信号码流速率。所有这些信号进入s d h 传输网时，都要被纳入称为“虚容器( v c ) ” 的规定信号格式。v c 是s d h 十分重要的信息结构，它支持通路层( p a t h ) 连接，作 为一个独立单元在s d h 网中传输时保持完整不变，并可以在通路中随时取出或插 入，实现同步复用和交叉连接。 s d h 的最低分级是1 5 5 5 2 0 m b s ，称为基本传送模块，用s t m 一1 表示。s t m n 1 5 电子科技大学硕士学位论文 则表示速率为n 1 5 5 5 2 0 m b s 的传送模块，其中n 一般取1 、4 、1 6 、6 4 、2 5 6 。 需要指出的是，s d h 和现有的p d h 能够完全兼容，同时还能容纳各种新的业务信 号，而且d s 3 接口也是s d h 网络设备最常用的标准接口之一。 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 g s d h 即为1 个s t m 1 6 传输单元，可分为4 个s t m 一4 传输单元，1 个s t m 一4 可分为4 个s t m 一1 传输单元，1 个s t m 1 又可分为3 个d s 3 通道。广电网络公司 在传送数字视频时，多建设d s 3 通道，这是由于每个d s 3 通道可以传输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。所以， 本文讨论的网络适配主体设计也是连接d s 3 网络接口。 3 2m p e g 一2 传送流与d s 3 的适配方式 m p e g 一2 信号如何适配到d s 3 接口信号中，u t j 1 3 1 建议已有规定。根据 建议，在基于d s 3 接口的网络中传输m p e g 2 信号时，首先将m p e g 2 信号适配 到a t m 信元中，然后再把a t m 信元映射到d s 3 帧结构中。由于a t m 层对信号 的传输没有实质意义，而且适配效率低，设备复杂，成本高，因此在我国，s d h 网络传输m p e g 一2 信号时，大多不经过a t m 适配环节，而是采用“透明传输”方 式，将m p e g 2 传送流直接适配到d s 3 接口信号中1 4 j 。 b l p e g 一2 传送流 ( 1 8 8 字节或2 0 4 字节包结构) 有帧结构无帧结构 a t m 适配 适配传输适配传输 i ， p d h 或者s d h 网络d s 3 接口 幽3 1m p e g - 2 到d s 3 的适配方式 这种透明传输方式又分为有帧结构的适配传输和无帧结构的适配传输两种方 案，如图3 1 所示。相对于后者，有帧结构的适配传输方案可以充分利用帧结构 的同步性实现快速同步，并且利用帧中的告警位、奇偶校验位实现信道的性能监 控，提高了系统的可维护能力。本文仅讨论有帧结构的透明传输方案。 1 6 第三章d s 3 帧格式 3 3d s 3 的帧结构 d s 3 是由复帧( m u l t i f r a m e ) 构成【5 】，一个复帧的结构如图3 - - 2 所示。 一6 8 0b i t s o 6 08 51 7 02 5 53 4 04 2 5 5 1 05 9 5 口外销比特 图3 - 2 d s 3 的复帧结构 一个复帧又分为7 个子帧( m s u b f r a m e ) ，而1 个m s u b f r a m e 又分成8 块具有 8 5 b 的比特块，其中每个比特块的第一个比特称为开销比特，用于d s 3 的通道开 销，其他8 4 b 用于传送净荷。所以一个复帧共有5 6 个开销比特。 f 一 图3 3 d s 3 的子帧结构 如前所述，可以得出d s 3 传送有效净荷的码流速率为 4 4 7 3 6 8 4 8 5 = 4 4 2 0 9 6 9 4 m b s