（通信与信息系统专业论文）一种dmbt单频网适配器的设计与实现.pdfVIP

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着信息时代的到来，数字电视系统必将取代模拟电视系统，因此单频网 数字电视地面广播成为了当前的研究热点。而实现单频网的关键就是解决多 个发射机发射同步的问题。本文所研究的d m b - t 单频网适配器，就是实现 d m b t 单频网同步的关键设备之一。 该设备通过在原有的传输流中插入附带时间信息的兆帧初始化包，使得网 内各中继发射站根据接收到的时间信息，推算出发射时间，从而实现各发射 台发射同步。此外，它还能设置传输流的传输控制方式，并将这些控制信息 写入到兆帧初始化包中传输出去。 本文根据单频网适配器要实现的基本功能，提出了一种基于f p g a 和单片 机的d m b - t 单频网适配器的整体设计方案，并将该系统分为控制板和处理板 两部分进行处理。通过对各部分器件的选型和电路原理图的设计，实现了系 统硬件平台的构建，并在硬件设计的基础上提出了一种d m b t 单频网适配器 的软件设计方案。 在实现过程中，该设计的难点在于如何实现a s i s p i 流之间的转换，控制 板和处理板之间的通信，初始化兆帧包的构建与插入，码流同步，以及对输 出码流的速率调整。本文就这些难点提出了一系列的解决方案，完成了功能 划分和各子模块的设计，提高了代码的可重用性，降低了二次开发和升级的 成本。文中还提出了一种新的p c r 校正算法，这种算法通过t s 流本身来传 递p c r 减法差值，避免了重复查找和定位p c r ，既节省了f i f o 所要占用的 逻辑资源，又避免了在减法差值存储过程中对f i f o 的读写控制，且时序控 制相对简单，同时还简化了程序。 经在线仿真验证，该设计达到了d m b t 单频网适配器的功能要求。完成 整机后，对整机进行了实际的调试，通过使用专用的码流分析仪观察调试结 果，并对结果进行分析，证明了该设计的可行性和可靠性，且达到了预期的 技术指标。最后，本文对所做的研究进行了总结，提出了一些设计上有待改 进的方案。 关键词：数字电视地面广播；单频网；单频网适配器；同步；兆帧初始化包 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to fi n f o r m a t i o na g e ，t h ea n a l o gt vs y s t e mi sd e s t i n e dt ob e r e p l a c e db yt h ed i g l t a lt vs y s t e ma n dh e n c es i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ( s e n ) i m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gb e c o m e sah o tt o p i co f r e s e a r c h t h ek e yo fs f ni m p l e m e n t a t i o nr e s i d e si nr e s o l v i n gt h et r a n s m i s s i o n s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo fd i f f e r e n tb r o a d c a s t e r s t h i sp a p e rp r e s e n t ss t u d i e so fa s f na d a p t e rb a s e do nt h ed m b - ts t a n d a r d ，w h i c hi sak e ye q u i p m e n tt oa c h i e v e t h es y n c h r o n i z a t i o ni nd m b - t s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k a m a j o rf u n c t i o no ft h ee q u i p m e n ti st oi n s e r tm e g a - f r a m ei n i t i a l i z a t i o n p a c k e t ( m i p ) i n t ot h et r a n s p o r ts t r e a ms ot h a te a c hr e l a ys t a t i o nc a nc a l c u l a t et h e s y n c h r o n i z e db r o a d c a s t i n gs c h e d u l ea c c o r d i n g t ot h et i m ei n f o r m a t i o ni n c l u d e di n t h em m m o r e o v e r , i tc a ns e tt h et r a f f i cc o n t r o lp a r a m e t e r sa n db r o a d c a s t st h e s e c o n t r o li n f o r m a t i o nw i t ht h em i p a ni n t e g r a ld e s i g no fd m b ts f na d a p t e rb a s e do n af p g aa n da s i n g l e c h i pi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e dt ot w op a r t s a c c o r d i n gt o t h e i rf u n c t i o n s ：t h ec o n t r o lp a n e la n dt h e p r o c e s s i n gb o a r d a p r a c t i c a lh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g ni sa c c o m p l i s h e dt h r o u g hc a r e f u ls e l e c t i o no f v a r i o u sc o m p o n e n t sa n dc i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a md e s i g no fe a c hp a r t b a s e do n t h eh a r d w a r ed e s i g n ，ad m b - ts f na d a p t c rs o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o ni st h e n p r e s e n t e d i nt h e a c t u a ld e v e l o p m e n t p r o c e s s ，p r o b l e m s f o c u so nh o wt oa c h i e v e c o n v e r s i o no fa s i | s p if l o w , h o wt oh a n d l ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nc o n t r o l p a n e la n dp r o c e s s i n gb o a r d ，a n dh o wt or e a l i z ec o n s t r u c t i o na n di n s e r t i o no fm i p , s y n c h r o n i z a t i o no fs t r e a m ，a sw e l la sa d j u s t m e n to fc o d ef l o wr a t e i nt h i st h e s i s ，a s e r i e so fs o l u t i o n sa r ep r o p o s e df o rt h e s ed i f f i c u l t i e sa n dt h ew h o l ed e s i g ni s a c c o m p l i s h e dv i af u n c t i o n a lm o d u l e s ，w h i c hi m p r o v e st h er e u s a b l em e r i to fc o d e a n dr e d u c e st h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n du p g r a d i n gc o s t s t h ep a p e ra l s o p r o p o s e s an e wp c rc o r r e c t i o na l g o r i t h m ，w h i c hd e l i v e r st h ep c rd i f f e r e n c e t h r o u g ht r a n s p o r ts t r e a mt oa v o i dr e p e a t i n gs e a r c ha n dp o s i t i o n i n go fp e r t h e p r o p o s e dm e t h o dn o to n l ys a v e sf i f ol o g i cr e s o u r c e s ，b u ta l s oa v o i d sr e p e a t i n g r e a da n dw r i t ec o n t r o lo ff i f oi ns t o r a g eo fs u b t r a c t i o nv a l u e s m o r e o v e r , t h e s c h e d u l ec o n t r o li sr e l a t i v e l ys i m p l ea n dt h ep r o g r a mi ss i m p l i f i e d 西南交通大学硕士学位论文第页 o n l i n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g na c h i e v e s t h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fd m b ts f na d a p t e r w i t ht h ec o m p l e t i o no fp r a c t i c a le q u i p m e n t , t h i sp a p e ra l s o p r e s e n t st h ed e b u g g i n gr e s u l t so b t a i n e df r o mas p e c i a ls t r e a m a n a l y z e r a n a l y s e so ft h eo b s e r v a t i o nr e s u l t sp r o v et h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ed e s i g na n dd e m o n s t r a t et h ea c h i e v e m e n to fe x p e c t e dt e c h n i c a li n d i c a t o r s f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec o n t r i b u t i o no ft h er e s e a r c ha n dg i v e sa n o u t l o o ko nf u t u r ei m p r o v e m e n t so ht h i sd e s i g n k e yw o r d s ：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 l b r o a d c a s t i n g ；s f n ；s f na d a p t e r ； s y n c h r o n i z a t i o n ；m l p 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 提出一种基于d m b t 标准的单频网适配器的软硬件设计方案。 2 提出了一种改进的p c r 间接校正方法。 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囡，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：卉务牟 日期：2 d o 召 c 刁 指导老师签名： 乞牡( 捉) 日期：弘砷占，d 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 随着科学技术的发展，人类已迈入了信息时代，而这一时代的基本技术特 征就是数字化、网络化和信息化，由此，数字电视系统蕴育两生。由于人们 对高品质视听生活的不断追求，必然推动传统模拟电视系统向数字电视系统 转化的进程，使数字电视成为信息时代电视的发展主流。 1 1 数字电视 数字电视并不是一般意义上的电视设备，而是指一个从节录录制、节目编 辑、节目制作、信号发射、信号传输、信号接收到节目显示完全数字化的一 个电视系统【。因此，数字电视比传统模拟电视的可靠性更高，抗干扰和纠错 能力更强，画面音质更清晰，其频带利用率也更高。 目前，数字电视按其传播方式主要分为：数字电视地面广播、数字电视卫 星广播及数字电视有线广播。其中数字电视地面广播方式的应用最为广泛【2 j 。 为了规范数字电视地面广播的传输标准，现在国际电信联盟( i t u ， i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 已批准了3 个数字电视地面传输提案， 并公布为国际标准，即以美国为代表的a t s cd t v ( a d v a n c e dt e l e v i s i o n s y s t e mc o m m i t t e ed i g i t a lt e l e v i s i o n ) 、以欧洲为代表的d v b t ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t t e r r e s t r i a l ) 以及以日本为代表的i s d b t ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i f 西t a l b r o a d c a s t t e r r e s t r i a l ) i 引。2 0 0 7 年，我国也制定了自己的国家标准，即拥有自 主知识产权的d m b t ( d i g i t a lm u l t i m e d i a t e l e v i s i o nb r o a d c a s t t e r r e s t r i a l ) 标 准。本篇论文所设计的适配器就是基于国标d m b t 标准开发的。 对于数字电视地面广播来说，它主要采用两种组网方式来扩大节目在一定 地理区域内的覆盖率，即多频组网方式和单频组网方式。但单频网比多频网 频谱利用率更高且节目覆盖范围更大，因此，目前我国有关数字电视的实验 都采用单频组网方式1 4 j 。 1 2d m b - t 单频网适配器 在整个d m b t 数字地面广播单频网系统中，要求各个发射站在同一频段 上同时发送相同的信息。但是，由于中心发射站到各中继站的距离不一样， 西南交通大学硕士学位论文第2 页 使得各中继发射站接收到的信息码流在时间上不同步，而且，分布式网路传 输复杂多变，系统不可能为所有的发射站点事先设定其同步信息，因此，有 必要使用到d m b - t 单频网适配器。 d m b - t 单频网适配器的核心功能就是在原有的t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 流 中插入一个带有同步信息的兆帧初始化包( m i p ，m e g a f r a m ei n i t i a l i z a t i o n p a c k e t ) ，然后通过分布式网络( 一般为有线网络，例如光纤网) 传输到各个 中继发射站，各中继发射站根据m i p 包提供的同步信息，各自对传输的t s 流进行适当的延迟，使得各个中继发射站同时发射相同的信息码流。因此， 单频网适配器是单频网实现的关键设备。 1 2 1 国内外单频网适配器研究状况 在国外，一些发达国家已经有了单频网适配器的成熟产品，比如加拿大 u b s 公司的d v s4 0 1 0 、丹麦p r o t e l e v i s i o n 公司的p t 5 8 7 9m i pi n s e r t e r 、法国 b r o a d c a s ta v e n u e 公司的a l t o 等1 5 j 。这些产品均实现了m p 插入功能，m i p 时间参数的计算都是基于g p s 接收器产生的参考信号，但是，国外产品不但 价格昂贵( 每台8 - - 一1 2 万元) ，而且其传输标准大都是d v b t 标准，这与我 国国标d m b t 标准不相适应。 在我国，也有单频网适配器的相关产品面世，如杭州数电科技有限公司的 d i g i c a s t 单频网适配器，但是该产品技术还不够成熟，和国外产品相比仍然存 在一定的差距，更重要的是，这款产品只支持d v b 。t 和d v b h ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t h a n d h e l d ) 标准，目前基于国标d m b t 标准的单频网适配器的研 究正在起步阶段。 1 2 2 研究d m b - t 单频网适配器的重要意义 由于国标d m b t 标准和欧洲的d v b t 标准采用完全不同的技术体制，从 纠错编码、信号调制、帧结构、同步技术等完全不同，根本不可能用软件升 级的方式解决，因此需要自主研发d m b t 系统的相关设备【5 5 1 。国标刚刚制 定，基于d m b t 的单频网适配器的研究开发有着非常广泛的应用前景，并且 对我国信息设备知识产权自主化也有十分重要的意义，因此，研究基于国标 d m b t 的单频网适配器迫在眉睫。 西南交通大学硕士学位论文第3 页 1 3 课题内容及结构 本论文是依据作者在新光微波公司实习期间基于国标d m b - t 的数字电视 系统开发项目来编写的，文中讲述了在d m b t 数字电视系统中对单频网同步 起关键作用的单频网适配器的工作原理、软硬件研发构思以及产品的调试结 果。 本文的第一章对数字电视系统的基础知识进行了简单的介绍，并阐述了单 频网适配器的作用和国内外该产品的研究现状，以及我国自主研发基于国标 的单频网适配器的重要意义。第二章介绍了d m b - t 单频网适配器的实现原 理，对其中的一些关键技术做了详细的讨论。第三章介绍了单频网适配器要 实现的基本功能，在此基础上提出了d m b t 单频网适配器的总体设计方案。 第四章介绍d m b t 单频网适配器的硬件开发平台，主要使用的芯片选型，并 实现了各部分的相关硬件模块设计，最后给出了单频网适配器的整机图。第 五章介绍d m b t 单频网适配器的软件开发平台，设计语言，在硬件设计的基 础上完成了各功能模块的软件设计，并给出了仿真结果。第六章给出了该研 究成果的调试实验结果，并对结果进行了系统的分析。第七章对全文做出总 结，提出设计上一些有待改进的方案。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 第2 章d m b - t 单频网适配器实现原理 目前，d m b t 数字电视广播系统都是通过单频网来实现的，要实现单频 网，关键就是实现网内各中继发射台发射同步。本章将从单频网出发，介绍 通过单频网适配器来解决单频网同步问题的实现原理。 2 1 单频网 单频网( s f n ，s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ) 是由多个不同地点的处于同步 状态的无线发射台，在同一时间、以同一频率发射同一信号，以实现对一定 服务区的可靠覆盖。单频网带来的最直接的好处就是频谱效率的提高，相对 于传统的模拟电视广播而言，由于不需要频率重用，在服务区内传送一路信 号只需要一个频段，因此节省了大量的频率资源，对于需要较大带宽的电视 广播而言，这一优点更为突出。多个发射台同时工作所带来的分集效果，可 使得接收的信号可靠性增强。此外，通过对发射网络的调整和优化，还可以 降低总的功耗，减轻对附近其它网络的干扰1 4 j 。 2 1 1d m b - t 单频网的结构 要组成一个单频网需要很多设备，图2 1 给出了d m b t 数字电视地面广 播单频网系统的基本结构框图。在节目制作中心，编码器先对电视信息和其 他数据进行编码，形成m p e g 2 ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p 2 ) 码流；经由 复用器将这些多路m p e g 2 码流复用为一路m p e g 2 码流，并更新服务信息； 然后，再通过单频网适配器，在复用后的m p e g 2 码流中插入包含各种传输 参数和时间参数的m i p 包，用以传送使单频网中各发射台之间实现同步的时 间信息和传输控制信息；整个系统的参考时间和参考频率都是通过g p s 接收 机产生的。网络传送适配器是使各发射台联网的设备，它能将从单频网适配 器中得到的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，通过光纤分配网络 将该信息分为几路发送到各个发射站点。各发射台的同步系统一般集成在调 制器中，它能对接收到的t s 流中的m i p 包进行处理，与单频网适配器一起实 现时间同步的功能，然后d m b t 调制器对同步后的信号进行调制，送往天线 发射出去。 西南交通大学硕士学位论文第5 页 图2 - 1d m b - t 单频网系统基本结构图 2 2d m b t 单频网的同步原理 要实现单频网，在发射端的最大难点是多个发射机同时同步播出同一节 目。完整意义上的同步包括频率同步、时间同步和码元同步三个方面，其中 最重要的是时间同步。这三个同步问题都是通过g p s 接收机和单频网适配器 来解决的。 2 2 1 频率同步 频率同步即是指所有发射台的载波频率必须相同。它需要一个公用的基准 振荡器来驱动各个发射机内所有的级联振荡器。 频率同步主要是由g p s 接收机来实现。g p s 接收机可以从卫星信号上得 到一个精确的秒脉冲( p p s ，p u l s ep e rs e c o n d ) ，并由此产生一个精确的1 0 m h z 的参考频率，在锁定g p s 的情况下，其稳定度可达1 e 一1 2 量级，即使在g p s 失锁的情况下，g p s 接收机也能产生稳定度达1 e 1 0 量级以上的参考时间和 参考频率。由于每个发射机的基准频率都是来自g p s 接收机产生的1 0 m h z 频率，因此各发射机的振荡频率相同，可实现频率同步。 2 2 2 码元同步 码元同步，即要求调制信号的比特率必须同步。d m b t 单频网中的节目 分配网络一般为专用光纤网，它不会像普通数字光纤通信网那样在通信流量 拥挤时会出现丢包的状况，因而只要保证d m b t 单频网中的发射机频率和时 间同步，就可以保证节目的码元同步。 西南交通大学硕士学位论文第6 页 在频率同步的情况下，要实现码元同步归根结底就是要做到时间同步，因 此码元同步是由单频网适配器来实现的。 2 2 3 时间同步 时间同步是单频网同步的关键所在，它要求各发射台在同一时间发射同一 信号。 在d m b t 单频网中，时间同步是通过d m b t 单频网适配器来实现的。 主发射站点的单频网适配器对输入的t s 流进行码流处理，插入包含时间、系 统控制等信息的m 口包，然后将处理好的码流送入传输网络。在中继发射站 点，对应的单频网同步系统将解析m i p 包，计算传输延时，并自动补偿，得 到该站点发射信号的时间，最终使各发射台之间实现发射时间同步。 2 2 3 1d m b - t 系统的信号结构 单频网适配器的一个重要作用就是对原有码流进行重构，因此，了解信号 结构十分重要。在d m b t 单频网系统中，数据都是以打包的形式传输的。一 个t s 包有1 8 8 或2 0 4 字节，它包括包头和负载两部分。包头占4 个字节，包 含了当前t s 包的同步信息、说明信息和控制信息。余下的字节就是要传输的 数据负载。 通过单频网适配器，在原有的一定数量的t s 包中插入一个m i p 包，就形 成了一个兆帧，图2 2 为一个兆帧的结构图。由于m 口包从语法上看也是一 个t s 包，因此，兆帧就是一定数量的连续t s 包的集合。一个兆帧所包含的 t s 包的数量是由前向纠错编码率、保护间隔和调制方式决定的。d m b t 标 准规定，每个兆帧中有且只有一个m i p 包，当前兆帧包里的m i p 包附带着下 一个兆帧的同步信息和控制信息，每个m i p 包在兆帧里的位置是任意的，它 可以固定也可以不固定。 7 上i7 u r 纵 1 t s 包m i p 包b 包t s 包 包头有效负载包头有效负载包头有效负载包头有效负载 4 1 8 8 2 0 041 8 8 2 0 041 & 3 ：2 0 041 8 8 2 0 0 字节字节字节字节字节字节字节字节 图2 - 2 兆帧结构图 西南交通大学硕士学位论文第7 页 2 2 3 2 时间同步相关参数 与实现时间同步有关的参数有：同步时间标签( s t s ，s y n c h r o n i z a t i o nt u n e s t a m p ) 、最大延迟、p o i n t e r 和接收时间k 。其中，同步时间标签s t s 、最大 延迟和p o i n t e r 是从发端单频网适配器中得到的，而接收时间k 是从接收端 同步系统中得到。 同步时间标签s t s 表示的是t s 流从单频网适配器发送出去时的发送时 刻。由于s t s 是由中心发射站的单频网适配器产生的，因此各中继站发射台 接收到的s t s 是相同的。 最大延迟可通过单频网适配器来设定。它表示某个码数据从离开单频网 适配器，到各中继站发送该数据的这段时间。最大延迟参数也是保存在m p 包中的，因此，各发射台接收到的最大延迟时间也相同。 p o n i t c r 是用来记录当前数据包在整个兆帧中的位置的。如果m i p 包设定 为固定位置，那么就可根据p o n i t e r 直接找到该兆帧中的m i p 包。 接收时间t f 是由各中继站上的同步系统产生的。它记录的是同步系统接 收到某个t s 数据的时刻。 2 2 3 3 时间同步原理 由于各中继站到中心发射站的距离不同，要使各中继站发射台的时间同 步，关键就是计算各个中继站在接收到某个t s 数据后，需要延迟多长时间才 能发送该数据。图2 3 给出了用单频网适配器实现同步的原理图。 i p p s 发端 适配器 收端同 步系统 i 适配器发送弧i p 各发射台同步发送数据 i s ? s l 最大延迟时间 ； ：中继站揍收到h i p ： i 揍收日寸问 l 延迟时间 图2 - 3 单频网适配器同步实现原理图 在中心发射站，单频网适配器用一个计数器来对来自g p s 接收机上i o m h z 频率计数，当g p s 秒脉冲1 p p s 上升沿到来时，该计数器清零。若适配器开 始发送m i p 包，此时计数器上的计数值就可以表征m i p 包的发送时刻，也即 西南交通大学硕士学位论文第8 页 是s t s 参数。由于该s t s 参数是由中心发射站发往各中继站的数据，因此各 发射台接收到的s t s 是相同的。另外，在中心发射站，人们可以通过单频网 适配器设定各发射台的最大延迟时间，它实际上就是t s 流经节目分配网络传 送到各中继站所经历的时间t 和聪流到达各中继站后需要“等待 的时间t d 鼢 之和。由于在d m b - t 单频网系统中能够处理的最大网络延时为1 秒，因此最 大延迟的取值范围为o 1 秒。 在各中继站，收端的同步系统同样用一个计数器对来自g p s 接收机上的 1 0 m h z 频率计数，当1 p p s 上升沿到来时清零。若同步系统接收到m i p 包， 此时计数器上的计数值就可表征接收时间k 。由于各中继站到中心发射台的 距离不一样，因此他们的接收时间也不一致，延迟时间也就不一致了。 从图2 2 中可知，对于发端适配器来说，各中继站发射台同步发送数据的 时刻是s t s 与最大延迟时间之和；对于接收端同步系统来说，各发射站同步 发送数据的时刻是接收时间和延迟时间之和。因此有： s 硒+ 最大延迟时间= 接收时间+ 延迟时间 ( 2 1 ) s t s 和最大延迟时间都是固定的，所以，接收端同步系统可根据接收时间计 算出该发射点应延迟的时间： 延迟时间= ( s t s + 最大延迟时间) 一接收时间 ( 2 2 ) 这样就使各发射台实现了时间上的同步。 西南交通大学硕士学位论文第9 页 第3 章d m b - t 单频网适配器的设计思路 在本论文中，单频网适配器是基于我国数字电视地面广播国家传输标准 d m b t 的相关要求来设计开发的。该单频网适配器主要分为处理板和控制板 两个部分，其中处理板负责对数据流进行处理，控制板负责人机交互。 3 1d m b - t 单频网适配器的功能要求 d m b t 单频网适配器是保证数字地面广播在传输时实现同步的重要设 备，它的核心功能是构建和插入m i p 包，而其它功能都是围绕这个功能拓展 开来的。 d m b - t 单频网适配器要实现的基本功能有： ( 1 ) a s i 流与s p i 流的转换：由于在数字电视系统中，各部分设备都是由同轴 电缆连接，因此单频网适配器的输入信号和输出信号都是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 ) 流，但在单频网适配器对码流进行处理 时，应当将a s i 流转换成s p i ( s y n c h r o n i z a t i o np a r a l l e li n t e r f a c e ) 流，即 以字节为单位传输的t s 流，因此，在适配器的输入和输出接口处要注意 a s i 流和s p i 流之间的转换。 ( 2 ) t s 流同步，并对1 8 8 2 0 4 包进行处理：查找 i s 流中的同步字节，以确定 t s 包的包头，根据包头，解析当前t s 包的相关信息。由于从复用器出 来的t s 包可能是1 8 8 字节的，也可能是2 0 4 字节的，因此需要将2 0 4 字 节的t s 包转换成1 8 8 字节，以便于适配器统一处理。 ( 3 ) 插入m i p 包：这是d m b t 单频网适配器的核心功能，在构建m i p 包时， 其中有关t s 流传输模式的相关参数可由用户自行设定，另外还要更新与 单频网同步相关的时间参数。每个兆帧中只插入一个m i p 包且位置任意。 ( 4 ) 兆帧大小调整：前向纠错编码率、保护间隔以及调制方式决定了兆帧的大 小，而m i p 包中以上三个参数可以让用户设定，因此当它们发生改变时， 兆帧的大小也要自我调整。 ( 5 ) 码流速率调整：由于在原有的t s 流中加入了m 口包，所以，单频网适 配器的输出码流速度肯定大于输入的码流速度，因此要对原有的码流速度 进行调整，它包括在输入端对原有码流去空包，以及在输出端对处理过的 i s 流插入空包等等。 ( 6 ) p c r 校正：由于m l p 包的加入，以及为调整码流速度对空包做的处理， 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 使得原有的t s 包之间的相对位置发生了改变，为了保证节目的正常播放， 还要对p c r 信息进行校正。 ( 7 ) 人机互动：单频网适配器可以通过键盘设定有关t s 流传输模式的相关参 数，并通过显示设备显示设定界面和查看当前工作模式。 3 2d m b - t 单频网适配器的总体方案 根据单频网适配器的功能要求，提出了一种d m b t 单频网适配器的总体 设计方案，该方案将系统分为处理板和控制板两个板块，其具体的设计框图 如图3 - 1 所示。 输入 图3 - 1 系统总体设计框图 处理板包括信号接收模块、数据处理模块、信号发送模块和电源模块。接 收模块接收前端设备发出的a s i 流，并将有效的a s i 流及相关控制参数传送 到数据处理模块。在数据处理模块中，先将a s i 流转换成以字节为单位传输 的t s 流，并对此时的t s 流进行处理，插入m i p 包，调整码流速率并校正 p c r 信息，将处理好的t s 流和输出控制信号发送到信号发送模块上，再由信 号发送模块将 i s 流转换成a s i 流发送到下一级设备中去。电源模块则是对单 频网适配器中各个模块提供电源，由于各个芯片所需的电压不一定相同，在 供电之前，还要进行相应的变压。 控制板主要包括控制模块、显示模块和键盘。用户通过键盘对t s 流的传 输模式进行设定，把设定好的参数值通过控制模块传输到处理板上去，如处 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 理板上的数据处理模块反馈回来的信息表示为接收失误状态，则控制模块还 需负责重传数据，直到处理板正确接收到数据为止，显示模块负责显示人机 交互的界面。 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 第4 章硬件设计 依据第三章所讲的d m b t 单频网适配器的总体设计思路，本章就适配器 的控制板和处理板两部分硬件设计做详细介绍。 4 1 控制板 单频网适配器控制板的作用是设定数据在单频网中传输的模式，并实现对 当前传输模式的查看。它由控制模块、控制板与处理板数据通信接口、键盘 和显示模块组成。其接口框图如图4 i 所示。 a t 8 9 c 5 5 j h d 2 4 2 p l ，5 r s 处s d r。 p 1 2p 1 6日n 理 一s c l p 3 op 1 7朋 板 s d p 3 1p 2 7d 7 p 2 ，6 u d 6 d 5 d 1 4 p 0 0p 2 5 j 、x d 3 fp 0 1p 2 4 一 p 0 2p 2 3 p 0 3p 2 2d 3 lll p 0 4p 2 ld 1 lp 0 5p 2 0d 0 图4 - 1 控制板接口图 控制模块的主芯片采用了a t m e l 公司推出的a t 8 9 c 5 5 ，该芯片工作电压 低，性能高，具有2 0 k 可编程可擦写的程序存储器，可大大的降低开发成本。 j h d 2 4 2 是一款2 行2 4 字的l c d 液晶显示模块，它是以字符形式显示的， 控制简单方便，便于接口。 控制板的核心器件就是a t 8 9 c 5 5 。其p 0 0 p 0 5 为信号输入端口，负责 和键盘接口，接收按键信息。p 3 o 、p 3 1 、p 1 2 与处理板接口，负责向处理板 传送m i p 包中的控制信息，其中p 3 1 为数据输出口，向处理板一位一位的输 出串行数据，p 3 0 为串行数据时钟输出口，输出串行通信参考时钟，p 1 2 为 数据输入口，位位的接收从处理板发来的反馈信息。p 1 5 、p 1 6 、p 1 7 与 显示模块j h d 2 4 2 的操作控制端口r s 、e n 、r w 对接，对j h d 2 4 2 输出控制 信息，p 2 口与j h d 2 4 2 的数据口对接，向外输出a t 8 9 c 5 5 处理好的显示数据。 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 4 1 1 控制模块 控制模块是控制板的核心部分，它是由a t 8 9 c 5 5 芯片及其外围电路组成 的。其电路图如图4 2 所示。 h 0 p 1 q t 2 )v c c 争珂曼；， p 1l 2 e o 即g a d 四 ” 薰邶? 撼 一v p l 柏i ( a d t ) p 1 3 舶2 ( 【场 p 1 3p 0 3 ( d 3 6 3 5 帅翼| 4 6；撼3 v p 1 j p 0 ，4 ( d 町 p t - d i 0 x a d 习 3 3 ，阳6 一v v p 1 7 p o _ 6 ( d 旬 r s t 舶! 【 d 7 ) 暑 m ， 9 洌 3 x i * , x d ) e a t v p p 专_ j v 瑾 毯 i l d e p k o g 门五i n t mp s e n 銎罂e ，l l 云 p 3 3 ( i n t l )p 27 ( a i 乃 嚣p 27 。 p 3 4 f r 0 ) p 26 ( l 2 7门e p 3x e l 2 p 2 j ( 1 3 ) 3 6船5 吨 l 。 ； p 3 取、5 坚盐咒4 ( 1 2 ) 2 5心 p 37 ( r d ) p 2 3 ( 1i ) 2 4p 20 搴町俨差 x t 1 , 2 p 2 _ 2 ( 1 0 ) 2 3舯2 x 1 l lp 2t ( 9 2 2鼢 2 lp ，n o n dp 2d 【 8 ) 图4 - 2 控制模块电路原理图 在a t 8 9 c 5 5 的r s t 引脚上加入了一个按键复位电路，这个电路用到了通 断电监视芯片m a x 7 0 7 ，其工作电压为+ 5 v ，其中m r 为手动复位端，p f i 为电源电压下降监视输入端，p f o 为电源电压监视输出端，r e s e t 为高电平 输出脉冲端。m a x 7 0 7 每触发一个r e s e t 就产生一个2 0 0 m s 的复位脉冲，有 3 种方式触发r e s e t 信号：当其上电或按下手动复位端时，由r e s e t 端发 出一个复位脉冲；由p f i 跟踪电源，若p f i 小于1 2 v ，则p f o 产生一个复位 脉冲。在本次设计中，同时采用了上电复位和手动复位两种复位方式，具体 电路图如图4 2 。 此外，a t 8 9 c 5 5 上还需接上一个时钟振荡电路，它由两个2 0 p f 的电容c 1 、 c 2 以及一个晶振组成，本次设计中用到的晶振为1 1 0 5 9 2 m h z 。 除此之外，由于p 01 ：3 为开漏极输出，内部没有上拉电阻，所以必须接上 上拉电阻，否则它不能正常工作。 4 。1 2 控制板与处理板通信接口 控制板与处理板的通信采用的是自定义的串行通信协议。通过数据发送端 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 s d a ，数据接收端s d a r 以及串行时钟s c l 组成的3 线接口进行数据传输。 该协议规定数据的接收与发送不在同一条数据线上，因此它的收发独立，但 是接收与发送是分时段的，不能同时进行。具体的通信协议将在软件设计部 分予以介绍。 4 1 3 键盘 键盘是用户进行参数设置的输入设备。在本设计中，键盘共设计有上、下、 左、右，确定，退出6 个按键，用户可结合l c d 上的显示，完成参数的设定 及显示当前状态等操作。 4 1 4 显示模块 显示模块采用了晶汉达电子有限公司生产的l c d 液晶显示模块j h d 2 4 2 。 该模块是字符型显示模块，共有2 行显示，每行可显示2 4 个字符。 j h d 2 4 2 共有1 6 个引脚，其引脚功能如下： ( 1 ) v s s - 第l 引脚，接地。 ( 2 ) v c c ：第2 引脚，电路电源。其工作电压为+ 5 v 。 ( 3 ) v e e ：第3 引脚，液晶驱动电压。电压大小为0 到5 v 。 ( 4 ) r s ：第4 引脚，寄存器选择信号。当其为高电平时，当前寄存器为数据寄 存器，当其为低电平时，当前寄存器为指令寄存器。 ( 5 ) r w ：第5 引脚，读写信号选择。当其为高电平时，读信号，当其为低电 平时，写信号。 ( 6 ) e n ：第6 引脚，片选信号。该信号要在下降沿触发。 ( 7 ) d b 0 - - d b 7 ：第7 到1 4 引脚，数据线。 ( 8 ) l e d + ：第1 5 引脚，背光驱动正电压。电压大小为5 v 。 ( 9 ) l e d 一：第1 6 引脚，背光驱动负电压。电压大小为o v 。 要使i , c d 显示模块j h d 2 4 2 正确的显示数据，还要根据j h d 2 4 2 相应的指 令表对其进行初始化、功能设置、显示设置、输入方式设置等，并按照数据 的读写时序，正确的传输显示数据，这些将通过软件部分来完成。 4 1 3 控制板的电路版图 图4 3 为控制板的电路版图。 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 4 2 处理板 图4 3 控制板