（通信与信息系统专业论文）数字视频信号解码电路的设计与实现.pdf

ab s t r 8 c t t b echip卜 4 b 8637 3is切 弥 dto d e c o de di gi tal vi d eo si gl 坦 1 . a n e r the s t r e 别 的15 p r oce s sed b y th e a s i c ， 山e o u tp uti s a n a 1 0 g vi d e o s l g 坦 】 即d di gi因 a u d l os i 多 扭 1 . b e c a u s e the v l d e o s l 即a!i s anal o g si gna l ， 访 d e o s i 助alo uly n e edtoampl i fi e d an d th e n p uttoa j v co n n e c to r .w 七 can w a t c h the p a lorn t s csi gi . l o n the moni tor. t h e aud i o st gn a 】 1 5 di 乡 回 si gnalsoth atwe n e e d touse d / acon v e rt e r fo n o w e d b y the a 了 vcolme cto r. t h e f p g a d evl cepl a y e d an面po比 川 t ro leinthe sy st o n . t b e fo gic c ircui t isserv ed bythe fpg a devi ce. a ft e r the co ntro l fo gi c tr aj 拐 九 rmedbythe fpg a ， th e ps s tr e 出 叭 c an d i r ec t 1 y p u t toth e d ec0 d e a s i candt h en d eco dsd b y the c hi p .t b e mc uc an acc e s s th e a si cvia the h ifb 此， w b i l e the l l l f b usiss 如u 】 成 曰勿the f p g a . 八 习 d withthe hel p of fpg a ， th e mc ucan 创 沁 e ssthe p c mand o th erc hi p s . 丁 七 e p m gr 山 的 叨 d 咖 b y as sem bl e l angi 坦 g e inthe m c uco n fi gsthe sy 引 七 mv l a iz cb us co 皿ec t ed tofpg a . u n d e r the con tr o l of t h emc u，比 es y s t e m can w o rk atthe e x pec t ed s ta t e.了 七 er e s o u r s eof the m p e 0 2 si g 泊 i co m esfr o mane n c o d e sy s t e l l l . t 七 j s sy 引 睡 mcan beco 成g edby one se ri al inte 代 朗 e c o n tr o l l ed 6y the host .we m u stcom p l y tothe con 刀 n 切 山 c ation p r o to col on th e hostw h e n seedin g the con trol m e 熨 之 g e . a n d we n e e d tocon 。 o l the e n c o desys t o mb y the 货巧 ali nte ri 触 c e tomake th e o utp ut， 比 已 aj 刀to留c o r d withthe d e c o d e sy雍m、r e q u i r e m e ni k e ywo r d : m p e g z ， 劝 d codecod in g ， f p g a 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的 部分外，不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了 明确的说明。 研究生签名:迹 犷 梢 “ 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网 公布本学位论文的部分或全部内 容，可以向 有关部门 或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公 布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文， 按保密的有关规定和程序处理。 、 研究生签名:而 碘汁橇 硕士论文数字视频信号解码电路的设计与实现 绪论 l l论文研究背景及意义 数字视频处理在世界范围内发展非常迅速，应用范围不断扩展，其中远程视频、 视频监控等被传统模拟信号一统天下的领域也逐渐被数字视频所取代. 现在数字电视 广播的 全部流程， 即从节目 的拍 摄、 制作、 传输到播出 等正在全面实现数字化， 这都 要归功于 n 田 e g视频/ 音频压缩标准的出现。mp e g标准解决了电视信号数字化后信 息量过大而信道带宽有限的问题， 大大减轻了工程实现上的难度。 数字视频新标准的 推出以及硬件技术的不断进步， 给观众带来了高品质数字化的视听效果， 这一切都真 实的预示了数字化的视频时代的到来。目前世界上的数字电视系统标准有欧洲的 d v b系统、美国的a t s c系统和日 本的is d b系 统. 这几种系统在视频压缩上都采 用m p e o-2 标准，我国 也正 在积极地制定自 己的 数字电 视标准131。 传统的图像信号包含了大量的 信息， 按 照i t i j 一 r r ec石 01 建 议， 仅仅数字化视频 信号的 数据率约为 1 6 6 n 比 p s 。如此高的 数据率无论是 对传输 或是 存储都是 有困难的， 所以必须进行压缩编码处理。 mp e g 一 2 作为国际上公认的压缩方案， 具有广泛的开放 性、灵活性及互操作性等一系列优势，更为重要的是 mp e g 一 2己受到世界上许多厂 商的支 持， 在节目 制作、 节目 传输等 领域已 经涌现了 大量的 符合m p e g-2 的 产品， 相 信在网络、通信、卫星链路等更广阔的领域mp e g 一 2 还将大放异彩。 数字化的视频同样在当今网络化的信息传输机制下占据重要的地位。 数字化的视 频信息因为其应用的简易性、 较高的抗千扰性和保密性、 存储的便利以及长久性被广 泛 应用 视频信息的处理、 传输与 存储领域。 在当 今信息化的社会里， 我们几乎较难接 触模 拟视频信号的产品了， 而传统的视频 档案文件也逐渐数字 化以便 于存储、 再处理 和利 用。 特别是最 近的 数字电 视的大力 推广和数字电 视网络的建设， 使得数字解码变 得越来越重要。 数字视频信号的解码也随之变得很常见， 一个结构简单成本相对低的解码系统就 变得比 较重要了 ， 这样就可以 在很多场所从 压缩后的 数字信息中得到我们人眼能够接 受的p a i 刀 闪 t s c信号。 “ 数 字视频信号( m p e gz) 解码的设计与实 现” 设计目 的就是 将州 田 p g z 标准的视 频 信号数字信号转化成我 们常见的 p a d n t s c的电 视信号，由 专用 m p e g 一 2 视频解 压缩芯片完成解码工作，输出通过 刀v接口可由我们直接观看。 i j 国内 外研究概况121 1 翔 硕士论文 数字视频信号解码电路的设计与实现 在视频压缩编码与视频数据存储等方面，国内外研究的情况如下: 1 .视频编码方面，h.2 64、m p e g 一的应用逐步完善，mp e g 一 7 和 mp e g 一 21 标 准正在制定当中， 但现今应用的 重点仍是m l ， e g 一 20 数字视频技术广泛应用于通信、 计算机、广播电视等领域， 带来了会议电视、可 视电话及数字电视、 媒体存储等一系列应用， 促使了许多视频编码标准的产生。 i t u 一 t 与150 月 e c是制定视频编码标准的两大组织， i t t j 一 t的标准包括 h.2 61、 h.2 63、 h.2 64， 主要应用于实时视频通信领域，如会议电视:mp e g系列标准是由150 皿 c制定的， 主要应用于 视频存储(dv d)、 广播电 视、 因特网 或无 线网 上的 流媒体 等. 两个组织也 共同制定了一些标准，h.262标准等同于mp e g 一 2 的视频编码标准，而最新的 h.2 64 标准则被纳 入m p e g 碑的第10部分。 h .2 64 的 前身是h.2 6 l ，以 支持低 码率的 视频通信为 研究重点，在 压缩效率方 面 与先期的i t l ) . t 视频压 缩标准相比， 具有明显的 优越性。2 0 01年， 15 0的m p e g组 织认识到h.26l潜在的优势，随后 15 0与 i t t l 开始组建包括来自150 /i e cmp e g与 itu一 tv c e g的 联 合 视 频 组 (w乃， j v t 使 之 成 为 一 个国 际 标 准 ， 在15 0 八 e c 中 该 标 准命名为a v c(adv an c edvid eoc odin g) ， 作为m p e g 礴标准的 第 10个选项; 在i tu 一 t 中 正式命名为h.2 64标准。 h.2 64 的 主要优点如下: 在相同 的重建图 像质量下， h 2 64 比h.2 63 十 和m p e g 一减小50% 码率。对信 道时 延的适应性较强，既可工作于低时延 模式以满足实时业务， 如会议电视等; 又可工作于无时延限制的场合， 如视频存储等。 提高网络适应性， 采用“ 网络友好” 的结构和语法，加强对误码和丢包的处理，提高解 码器的差错恢复能力。在编j 解码器中采用复杂度可分级设计，在图像质量和编码处 理之间可分级，以适应不同复杂度的应用.因此 h.2 64/av c标准覆盖整个视频应用 领域， 包括: 低码率的 无线应用、标准清晰度和高清晰度的电 视广播应用、in te m at 上的视频流应用，传输高清晰度的d v d视频以及应用于数码相机的高质量视频应用 等等. 在带宽节约 39% 的基 础上视频质量的信噪比 要比同 类产品 高出40%， 是目 前 视频质量最 好的 编码技术. m p e g 礴与m p e g-1 和州 田 e g 一 2 有 很大的不同。 m 卫 e g 4不只是 具体压缩算法， 它是针对数字电 视、 交互 式应用等整合压 缩技术的需求而制定的国际标准. mp e g -4 标准同以 前 标准的 最显著的 差别在于它是 采用基于对象的编码理念， 即 在编码时 将一 幅景物分成若 干在时间 和空间上相互联系的 视频音频对象， 分别编码后， 再 经过复用 传输到接收 端， 然后再对不同的 对象分别 解码，从而组 合成所需要的视 频和音频。 与m p eg一 1 、 m p e g 一 2 相比， m p e g 确具 有如下独特的优点: 基于内 容的交互 性: 高效的压缩 性; 通用的访问 性。 m p e g 4提供了易出 错环境的鲁棒性， 来保证其在许 多无线和有 线网 络及存储介质中的 应用， 此外， m l ， e g 一还支持基于内 容的 可分级 性， 即把内容、 质量、 复杂性分成许多小块来满足不同用户的不同需求， 支持具有不同带 硕 f论 文 数字视频信号解码电路的设计与实现 宽、不同存储容量的传输信道和接收端。 应用领域有:因特网多媒体应用;广播电 视;交互式视频游戏; 实时可视通信:交互式存储媒体应用; 演播室技术及电视后期 制作;采用面部动画技术的虚拟会议;多媒体邮件;移动通信条件下的多媒体应用; 远程视频监控:通过a t m 网络等进行的远程数据库业务等。 mp e g 一标准被称为“ 多媒体内容描述接口 ” ，为各类多媒体信息提供一种标准化 的描述， 允许快速和有效的查询用户感兴趣的资料。 mp e g 一 7 的目标是支持对多种音 频和视觉的描述，对于视觉信息，描述将包括颜色、视觉对象、纹理、草图、形状、 体积、 空间 关系、 运动及变形等。 抽象 层与提取 特征的 方式有关: 许多低 层特征能以 完 全自 动的方式 提取， 而高 层特征需要更多 人的交互作 用。 m p e g-7 还允许依据视觉 描述的查询去检索声音数据，反之也一样。 m p e g 一 21 标准的目 的 是将不同的协议、 标准、 技术等有机地融合在一起。可以 说是 技术的集成， 通过这种集成环 境就 对全球数 字媒体资源进行透明 和增强管 理， 实 现内 容描述、 创建、发布、 使用、 识别、 收费 管理、 产权保护、 用户隐 私权保护、 终 端和网络资源抽取、事件报告等功能. 2 视频处理方面，伴随着编码技术标准越来越灵活以及硬件性能的不断提高， 视频处理解决方 案趋于多 样化。 现在m p e g 一视频压缩算法的实现 上， 流行的 方法倾向于 较灵活的 方式 例如利用 d sp 来处 理m p eg碑的压缩编码. m p eg礴是一 种开放性 标准， 其中许多部分的 算法 都没有规定， 可以 使用一些新的 算法， 因 此采用通用d s p 方式( 例如德州仪器的6 0 00 系 列d s p) 可以 随时更新 算法、 优化算法， 使得编 码效率更高. 并且在d s p 芯片上 添加 音频协议和其它控制协议相对容易。所以，用 d s p实现 m p e g 并 算法有着较高的实 用性。 a lte r a 的 视频和图像处理解决方案。 随 着图 像采集、 显示分辨率、 高级压缩以 及 视频智能技 术的 进展， 视频应用的处 理带宽也在 不断增加。 另一 方面， 多变的 标准和 分辨率要求也 使得设计人员无法采用 现成的技术。 川t e ra采用模块化、 可编程视频和 图像处理方 案迎合了这种发展趋势， 方案具有 较高的性能和灵活性， 它更新方便， 开 发成本 低。 alt er a视频和成像方案可以 用作数字信号处理(ds p) 协处理器以 及单芯片 解决方案。 与 单芯 片 d s p视频和成像解决 方案的 对比: f p g a协处理器承担了负荷较大的 任务， 从而提高了 性价比。 例如， 设计人员可以 采用一 个 d s p器件和一片f p g a来 实现成 本效益最佳的高清晰 田s p) 方案，而不 必使用8 到 10片d s p 器件。 与a ssp 器件的 对比: a s s p器件一般不能及时支持 变化较快的视频和成像标准。随着新 标 准的出 现， 生产商 很快便不再采用a s s p 。 f p g a能 够很容易的进行更新，支持分 辨 率更高 的视频新标 准， 因 此成为 视频解决方案的 通用平台。 与a s ic方案的 对比: a si c 硕士论文 数字视频信号解码电路的设计与实现 无法象 fpg a那样轻松的进行修改，其灵活性和成本也不如fpg a 。 1 3论文的主要工作 本课题设计之初， 完成了广泛搜索与查阅国内外有关视频解码资料和文献， 完成 课题方案的制定，并在此基础上完成开题报告; 完成视频解码的硬件设计，p c b的制作，器件的焊接等; 完成视频解码部分逻辑电路fpg a的程序编写和调试; 确定对系统的配置的处理方式并设计相应控制电路，编写了m c u的代码; 对数字视频信号的来源的编码板进行了了解， 在此基础上完成软件串行下载以及 在线调试的 实现， 使之输出的数 据符合解码板的 要求: 完成学位论文的撰写。 1 .4 电 视 信号的信号组成11.2 1 口 一 101 电 视的 基本原理就是将某处景 物的图像在另 外一处的人眼中重 现， 图 像的 重现包 含图 像信息的获取、 转换、 传输和重 现等过程。 图像的获 取通过 摄像来完成， 摄像管 通过把电子束按照一定规律扫描整个靶面， 就能顺序产生代表这个图像的电信号， 即 光电 转换来实 现。 重现图 像是显像管， 电视接收 机的显像管是通 过光电 效应来实 现电 光转换， 把摄像机输出的包含电 视图 像信息的电 信号转换成光 信号， 重现电 视图 像。 电 视 信 号 的 传 送: 由 于 图 像的自 变 量 空 间 是 连 续 的 ， 而 且 是 三 维 的 ( x， y，t) ， 因 此， 为了 完 整无损的传送图像， 需 要三个连续的 变量， 在目 前的 技术下， 采用电 磁波 作为传输 信道， 其自 变量只能为一维的， 显 然电 视图像不经过处 理是无法在广播信道 中 传输的. 实际上，由 于人眼的分辨力 有限的特 性， 把图 像分成许许多多的像素， 把 每个像素的按照一定的顺序一个个转换成相应的电信号传送出去。 电 视系 统中 把构成一幅图像的 各个 像素都 传送一遍， 称为进行了 一 个帧处理， 将 组成一帧图像的像素，按顺序转换电信号的过程， 称为扫描. 扫描的过程于人们看书 时视线从左到右、 从上到下依次进行的过程相类似。 从左到右的扫描称为行扫描;自 上而下的扫描称为帧 ( 或场)扫描。 复 合同 步信号: 在电 视系 统中， 为了 能够正确 地重现图 像， 需要接收 端与发送端 同 步扫 描， 即扫描器起始相位、 扫 描的频 率相同 。 为了 收发同步的需要， 在电视发送 端每当 扫描完了 一行时加入一个同步 脉冲， 每当扫描完 一场时 加入一个 场同步脉冲， 他们分 别在行与场逆程期间 传送， 其宽 度分别小于 场、 行的逆程时间。 我国的电视标 准规定， 行同 步脉冲宽 度为4. 7 us ， 脉冲前沿 滞后行消隐 信号前沿约1 . 3 us; 场同步 脉冲 宽度为 160 u s( 2. 5 个行周期) ，脉冲前沿滞后场消隐信号前沿 160 u s o 硕 士论 文数字视频信号解码电路的设计与实现 复合消隐信号:图像分解或者恢复的扫描逆程中， 若不采取措施， 将出现行、场 回扫线， 这将对正程所传送的图像起干扰作用.消除回扫线的方法是， 在行、场扫描 的逆程期间，在摄像头与显像管中分别加入能使扫描电子束截至的消隐脉冲，即行、 场消隐 信号。行消隐脉冲的宽 度是 12 us ， 场消隐的宽 度是1 6 12 us ( 其中包含一个行逆 程 12us) 。行、场的消隐电平对应的是图像信号的黑色电平。 槽脉冲与均衡脉冲: 行、 场同 步脉冲幅度 相同、 宽度不同， 所以 一般借助于微分 和积分电路的组合来分离。 在场同步期间没有行同步信号， 会造成此期间行不同步的 现象，于是在场同步的脉冲中形成一些缺口 ( 凹槽) ，来代替行同步信号的办法，这 些凹 槽称为槽脉冲。 在分离 场同步 信号时， 较宽的 场同步 脉冲经 过积分电路后输出 的幅 度比 行脉冲的幅 度大的多， 采 用积分电路分离出 场同 步， 可使输出 信号达到一定 幅值 后使场扫描与 其同步， 但是由 于 奇数场与偶数 场的 场同步脉 冲内的 开槽， 与场同 步脉 冲权后的 行同步相差半 行， 从 而使两场的 场同 步脉冲的 积分起始电 平不同. 为了 消除 相邻两场同步时间的误差 配， 采用了以 下两个措施: 一是在 场同步脉冲前后的 若干 行内， 将同 步脉冲的频率提高一 倍， 为了 使频率提高后行同步脉冲平均电平不变， 将这 些脉冲的宽度 减小到原 来的 一半， 它们分别被 称为前均衡脉 冲和后 均衡脉 冲: 二 是在 场同 步内开槽脉冲频率也 提高 一倍， 这样在奇数场和偶数场的场同 步期间的同步 脉冲波形将完全相同。全电视信号的波形如下所示: 图 1 . 1全电视信号波形 l s视 频压缩采用的方法渺 视频图像的数据量非常大，按照 i t u 一rr e c .6 01 建议的数字电视标准，其比特 率可以 达到 z 16 m b / 5 。高 清晰的电 视的比 特率更高，达到 1 . 188 g b/ s 。 如此高速率的 数据 是很难通过卜s m 升 2 的电 视信道 进行传送的，因此一定要进行数据率的压缩。 图 像之可以压 缩是因 为原始图 像中存 在很大的 冗余， 图像的冗余度来自 图像 像素 之间 在空间和时间 上的 相关性。 预测编码: 通 过建立一个预测模型， 用以 有的 像素来预测未编码的像素点， 并 对 预测 误差进行编 码， d p c m方法就是预 测编码的典型。 它使用己 编 码像素的线性组合 一5. 硕士论文数字视频信号解码电路的设计与实现 对未编码的像素进行预测，而传输其误差。 变换编码:变换编码的主要措施是将一组数据变换成另一组相关性更小的数据， 以利于在编码时使用较少的码子。 k-l变换是去相关意义上最佳的线性变换编码， 然 而， 由于它的变换系数和图像的内容有关， 计算比较复杂， 所以实用上很少采用。d c t 方法在变换效率上不及 k-l ，而他的基是固定的，由于有快速算法， 在实际中广泛运 用。 d c t : 下图示出了8 个作为d c t基函数的 余弦波的前四个:诚 乃= “ 试 尹 劝， 其 中。 夕 二 ， 其频率卜 。 ， 1 ， ， 7 。 每个波呵0在8 个点 上抽样: 。 = 旦 竺 竺， t = 0.1 . .7 l 6 得到8 个v f ， f 旬， 1 ， 7 基函数的波形如下所示: 塞 刀j in甘 品仙j刀 刁-l 提 加 解 加 刀j 1几u 月uj.0 -0-l 习:5“” .月.n j11 刁-l 图1 . z d c t 基的波形图 根据选择的8 个抽样点， v f 矢量是正交的。这8 个正 交矢量可以组成8x8 的变 换矩阵，计算一维d c t可以用下式 、c，go co sl 鱼 错 立 ， (1 . 1 ) 硕 士 论 文 数 字 视 频 信 号 解 码电 路的 设 计 与 实 现 式 中 。 = 价 f=0 了 0 f= 0 ， 1 ， 二维d c t是建立在一维d c t 基础上的， 由于图像像素在二维方向上都有相关性， 即每个像素与其左右， 上下相邻的像素都有相关性， 所以要采用二维 d c t进行压缩， 二维d c t可以直接由一维d c t 推得: c : 二 拱 c v z n 口 i n 一1 c j艺艺 ， 司 y -0 r( 2 x 十 1)1汀 ， ， ( z y + 1 万 才， 二 、 p 一 c o sl ic o sl .气1 . ， .月 j.，一j，_ “ n 。 一 扮 f= 0 f 0 认 1，. ”， q = 价 f= 0 f 0 f=0 ， 1， 一7 这时图像被分成nxn 个像素p xy的 块。 如果犷8， 每个块就 产生8 x 8 的d c t 系数 剑 。 从计算效率和能量集中两 方面看， d c t 是一个很好的 变换方式，广 泛用于帧内 编码。 运动补偿:由于在拍摄物体运动时，存在运动的情况， 两帧图像之间同一物体的 位置已 改变， 为了 使差值能 量最小， 可以 将 解码后的前一帧图 像中 该物体的像素移至 后一帧该物体的位置上，这样差值就小了， 这种方法就是运动补偿， 移动多少由运动 矢量 ( mot io n 砚to r ) 来 表示， 得到的运动 矢量称之为 运动估计， 运动估计 使得一幅图 像中的一块像素和另外一幅图像的一块像素最佳相关.进行运动补偿的过程:1 、计 算运动矢量， 2 、 使用矢量移动图像n的数 据， 3 、 将预 测的图 像与实际图 像相比较， 4 、发送矢量和预测误差。 可 变长 编码: 假如某些符号发 送的 概率比另一 些符号大得多， 那么对概率大的符 号给予短的码子， 对概率小的给予长的码子就能减小平均比特数。 霍夫曼编码就是这 类编码，采用霍夫曼编码时，为信源符号分配的码子的长度取决于符号发生的频率。 线 性预 测与 变换编码相结合的编码 方法是目 前为止实 用中 最有效的编码方 法。 混 合编 码方法中首 先采用线 性预测方法 进行帧间编码， 以 利用图像时间域的相关性; 然 后对 预测误差做部分空间 预测， 对预 测误差进行变换 编码， 压缩图像的空间 相关性; 接着 进行量化， 以利用人眼的 视觉特性压缩 表示图 像所需的 数据量; 最后采用变长编 码以 获得高 效的 码字表示。 对活动的图像， 混合编码的方 法的 压缩率可以达到 2 0: 1 一 5 0 :1 甚至更高。 m p e g z的 编码和解码过程， n 田 e g中的 关键技术是 d c t 、 运动补偿和霍夫曼 编码。以下是解码器重建图像的过程 硕 士 论 文数字视频信号解码电路的设计与实现 图 1 . 3 解码器重建图像的过程 1 . m p egz 码流 码流有多个不同的层次和类型:e s 、pe s 、p s 、rs 。 es 为数字电视信号各个组成元素 ( 如视频信号、音频信号等)编码后所形成的 直接表示基本元素内容的流。 m pe gz 视 频e s 流的6 层结 构: 图 像 系 列 (s e q u e n ce ) 、 图 像组( g o p)、 图 像 ( pi c n lr e ) 、 宏块条 ( 51 1 哪) 、 宏块 ( m b ) 、 块 ( bloc k)。 流的表现形式为 二进制数据， 要明白 二 进制所表示的含义， 还要借助于另 外一些二进制数据来表明 那些数据是属于 哪个层的，以及相关的参数， 这些数据置于有效数据的前面， 而且有固定的码字，称 之为头部信息，一般头部信息的起点由起始码 ( s t a rtc o de)标识。起始码由一个同 步码开始: 0 x00o 0 01。即23个 0 和一 个 1 组成的 比 特流。在其后的 一个字节为起始 标识码，定义如下表所示: 表头名称起始标识码 ( 十六进制) p i c tu e 一 沈 川 c o d e ( 图 像头 ) 0 0 s l i ce es s 切 t c o d e ( 宏块条头 ) 01 ar re servedb0 re s e rvedbl u s er-d a ta s ta rt ee c o de( 用户数据头 ) b2 s eq此 n ce es 卜 ea d e r- -c o de( 序 列 头) b3 se q uen c e we 卿 ry o 仁 co de( 序列错误标 识) b4 e x te n s io n-s切 d ee c o de ( 扩 展 头 ) b5 re s e r v edb6 s eq姗 c e 一 印 屯c o de ( 序列结束标 识) b7 c r o u p - s ta xt es c o de ( 图 像组头) b8 s y s t e m 一 s taj t 叩 de ( 系 统 头 ) bg f f 表 1 . 1视频中的起始码 硕 士 论 文数字碗频信号解码电路的设计与实现 m p e g视频的e s流的语法结构为对应于视频编码所述的6 层结构，对应每个编 码层次， 都有相应的信息头部和压缩编码数据， 码流的各层的主要语法元素组成如下 所示: q uan ti se d d c tcoe ffic i e ntfor o n e s * s b l o ck( v 面abl e l eng t h ma c 了 o bl0 c k addre s s mode ( o ptio nal ) q u a n t i zat l o n val ue 幻 口 o tio n v e c t o t s 以吐记 b l o c k p attern 1 切mi】 1 出】 c e b l o c ks s l a rt c o d e 5 1 1 优 ad dre s s q 让 aj m i 刀 鱿 i o n v al能 m留rob l o ck 0 口 场 四印b 1 0 ck l 5 妞rt c 。 过 之 p i c t 世 e fl ags s l i ce 05兮 “e si 峡 】 1 1 一 几 5 七 比 t 叨 d e 哭q u c n c e p ar印 旧 tt e r s ( 叩 石 。 nal) q u a n t 1 za t l o n wei ght in g 切 以 妇 口 x p r o fi l e 明dl e v e l p i c t 叮 e 0 p i c 奴 叮 e l p i c tu 托 p-1 图 1 . 4码流的各层的主要语法元素 p es 流:音频或视频数据经过编码后得到基本码流 ( e s ) ，还是无法直接送入传 输系统或者节 目系统中，而是需要经过数据分组后才能送出。数据分组也称为打包。 e s 流 经 过 打 包 后 的 流 即p e s ( 卿ket el elnen ta rys tr 已 刃 刀 ) ，其 包 的 长 度 可 变， 但 一 般 是 取单元的长 度。一 个单元长度可以是一幅图 像或者一个音频帧。在 p e s的头上包含 了当 前p e s 包数据的重 要信息，由 此可以 识别这个p e s 包 是视频 还是音 频，在p e s 的头 上包含了该数 据的解 码或者播放的相对时间，以同 步和修正音 / 视频数据。p e s 包的 起 始 码 沿 用了e s 流 的 格 式， 起 始 码 前 缀 ( p ac k e t s ta 时 es c o d e 少re ffi x) 由23个。 和 1 个1组成。 其后紧跟的8比 特数 据为起始码的 种类 ( 由e 翻j d ) ， 它的取值范围 在系统码 ( 以b g 刁x ff) 中 ， 因 此不会和e s 中的 各个头信息混淆。 ps 流是将 一个节目的 多 个组成 元素的p e s按照它 们之间的 相互关系进行组织、 并 加入各组 成部分 关系描述后的码流， 它主要用于 对节目 的存储。 所有的基本码流就 硕 士 论文 数字视频信号解码电路的设计与实现 像单个节目码流一样同步解码。 ps 由 两层组成， 即 系统层和压缩层。 系统层由p a c k e t h e ader组成， 在pa ck一 he ader 中 的p ac k-s t ar t- c ode 的规则也和p e s 头信息相同， 采用由23 个。 和1 个 1 组成的同 步 头 加 上 8 比 特 的 类 型 码 。 p a c k 劝 川 l-i 为 d e 的 值固 定为ox 00 0o ol ba 。s c r( s ys tem c fo ck re fe 嘟 ce ) 为该节目 的 系统时 钟参考， 所有的 基本流都用它来 做时钟的同 步。 s c r 共由42个比 特组成， 其中前33 比 特为sy 咖m ee c l ock r e fere n ce se b ase ， 后 9 比 特 为 sy st e m c lo c kre fe re n c 气 e xt e ns ion. 在 系 统头 中 ( sy st e m 少e ad er ) 中 包 含了 节目 码 流 的复用信息 ，即节 目流 中包含 了几个基本 流及其属性 。系统 头的起始码 ( sy st 。 卫 一 he a d e r- 沈 喊 -c o de)固 定为以 o 0 000lb b 。 压缩层包含了 各个p e s 数据流。 p a c k h 帕日 e r p ack lp a c k h e 月 d 叮 n a c k z p 即k head er p 郎k n r一- - 一 p 即 k 5 切n c od c 01 3cr p r o gra d i r ou x r ate p 朗k s tuffing b yte syst e m 卜 即d e rp e s p a c k e tp e s p acke七 l 卜 。 耐 er a t c bo u 刀c 刁 ， . d i 介 bo u n d 6x e d 且 ag 二s ps n ag 即 d i o l o ck fi 贬 v i d 即 二 l o c k fl 越 v i d e c 几 b o u n d e n gth 图 1 . s p es 流的结构 t s流则是将多个节目 的多个组成元素 的 p e s按照它们之间 的相互关系进行组 织、 加 入各组成部分关系描述和节目 组成 的信息，并进一步封装成 传输包后的 码流。 t s 利用一 套节目 信息 表(ps d 来管理码流中 各个p e s 的关系及其他的 一些复用信息， p sl 的 数据包括节目 关联表 ( p a y ) 、 条件 接受表 ( c at ) 、 节目 映射表 ( p m t ) 等。 p a 】 ， 的p id 为 ox000 o ， 它主要是指出 码流中包含那些节目 ，节目 的 编号与对应的节 目 映射表， 并指定网 络信息表多对应的p id; p m t 提供各个节目 ( 或 服务) 与 实际 的 p e s 分组流之间的关系， 就是该节目 中 有哪些元素流，以 及这些元素流的基本属 性 ( 是视 频流还是音频流， 或是数据流) 。以 下是码流的流程图: 硕士论文数字视频嗜号解 码电路的设计与实现 图 1 . 6码流的流程 硕士论文数字视频信号解码电路的设计与实现 2系 统整体方案的设计 2. 1系统硬件的设计 系统方案设计时需要多方面考虑问题， 包括硬件电路实现的难易， 相关知识的准 备， 资料和文献的获取。在选择视频解码处理方案时， 采用了技术较为成熟的专用视 频压缩编码芯片提供视频解码的方案，放弃了利用 d s p加逻辑电路的新做法。这使 得 系统的 硬件实 现不 会过于复杂，由d s p芯片 实现m p e g 一 2 的编码算法。这个方案 的问 题 是需要 编写图 像压缩 编码的 算法程序， 这要求设 计者对m p e g 一 2 视频压缩算法 有很深 入的理 解，并且能够精 确地用 d s p编程来实 现复 杂的算法。这个方案使得系 统的 编 码部分的 难度陡增，系统整 体实现难度较大，不 适宜采用。 在 此基础上， 我们确定的 方案是: 首先利 用f p g a进行 接口的 时序转化， 使输入 的数字化压缩过的信号输入到视频解码芯片，通过视频解码芯片解码后变换为 pa l /nt s c格式的模拟图像数据流， 数字的音频信号通过d 从 变换后， 最后通过 月v 口输出在监视器上，同时mc u也要实现对解码芯片的控制， 使他工作在我们想要的 工作状态。 现在m p e g 一编解码的 方案非常多，能提 供 m p e g 一 2 视频 压缩编解码芯片的供 应商 也很多，主要有:c 一 c u be， ibm ，l silogi c ， p hi li ps， f uj i t s u 等。由 于各种编码方 案的目标、技术、难易程度以及成本要求的不同，所以应用的场合也往往不尽相同。 ibm的 视频编 码产品一般是 属于高 端产品，在s d i ， v 川 d t v领域应用较多。相 对 中 端 的 产 品 使 用 是c 一 c u be或l silogi c 的 编 码 产 品 . 再 简 单的 系 统 就 通 常 是 采 用 f uj i ts u 或p hi l i p s 的芯片t。 它将音频、 视频编码和复用集成 在一个芯片中 ， 具 有很强的功 能， 外部只需加入 简单的 相关芯片就能实现整个编码系 统. 同时， 所有的视频、 音频压缩算法都运行在 e m p res s 的内 部卜 n p s 处理器上，编 码软件都已 固 化在芯片中， 无需额外的软件开 发 ， 系 统 主 控 芯 片 通 过iz c 总 线 就 可 以 设 定 必 要 的 编 码 参 数 . f uj its u 的m b 8 6 3 73是 同档次 的功能类似的m p e g 一 2 解码芯 片， 芯片的详细介绍 见后面。 本系统采用的 就是 富士通公司的 m b 8 6 3 7 3 视频压缩编码芯片。 最后采用的方案是: 视频解码芯片 ( m b 8 6 3 7 3 ) + 时 序和逻辑变换芯片 (fp g a ) 十 控制芯片 ( m c u ) 的方案，原理框图如下所示: 硕 士论 文 数 字 视 频 信 号 解 码 电 路 的 设 计 与 实 现 m p e gz p s 流 图2 . 1 解码的系统框图 2. 2视频放大部分 m b 8 637 3 输出 的视频信号是模拟的p a i 舰t s c的 信号，要通过 较长的 传输线 送 到监视器上， 在传输的过程中会有所衰减， 而且为了 和监视器接收端阻抗匹配，需要 进行放大和 进行负载驱动，在 此设计中 采用了n j m 2 2 68 。 通过n j m 2 2 68 放大和 输 出阻抗变换后输出到 v端子。 n n 12 2 6 8是一个双通道的视频放大器，它输出具有 6 d b的增益，输出阻抗为75 欧姆: 一 个 通道是嵌位电 路保持直流信号固定，另 外一个是偏置电 路; 嵌位电 路的 输入端接y或者c v b s 信号， 偏置电 路的 输入端接 色差信号. 按照n j n 2 2 69 的原 理 设计的原理图如下: 硕 士 论 文 数字视频信号解码电路的设计与实现 图2 . 2视频放大模块 2. 3音频d z a模块 m b 863 73输出 的音频信号是数字的， 不能够直接输出在刀v端子， 需要进行d /a 转换， p hi li ps公司的pcm 17 23 是进 行音频d 从 变换很成熟的一 款芯片， 只需要通过 串 行总线 ( m c/m d 迎 以 l ) 进行寄存器配置就可以达到我们需要的要求，在本设计中 采用tp c m1 7 2 3 。 p c m1723 是片集成了音频 d a转换器和锁相环电路，锁相环通过一个 27m的外 部时钟的输入，输出256 fs 或者 3 84fs系统时钟:d /a 转换器包含了一个三次和的转 换器， 使波形更加平稳，一个 8 倍的内插数字滤波器， 和一个模拟的输出放大器:可 以 接受 16 、 2 0 、 24 比 特的 输入 通过正常 模式或者iz c格式 : 通过m l 几 讨 c z h id 串 行总线可以对p c m 的内部寄存器进行配置;串行总线的时序如下图所示: ml mcmd di s do 图2 3 p c m17 23的串 行总线时序 例 如对输入数据格式的 配置寄存器 是 i w 【 1 :01 ，可通过f p g a模拟的串行总 线 一1 4 硕 士 论 文数字视频信号 解码电 路的设计与实现 时序对此寄存器进行写操作; p c m1 723的内部结构如下图所示: ， 一 州 ， 卜、州目 盆戈 蕊 一 下 兰华军裂 户 。 . . 砰3甲侧， 书 0， 汽 1 燕 ， ov ， p 右 刊 口 丫 坛八 c 冲 【v 蕊 图2 4 p c m1 7 2 3 的内部框图 按照p c m1 7 23 的原理和引脚资料设计的音频d 了 a 的原理图如下所示: 图2 万 音频d 从模块 s c k o 是系 统的 输出时 钟， 它是p l l 通过 后输出 的， 通过内 部寄存器s y s 和s f1 : 0 可 以 设 置 输 出 的 系 统 时 钟， 默 认 的 是3 84 fs ， fs是 采 样 频 率， 即l rclk: 在 此 设 计中要 输出的 是256fs ， 可对寄存器 进行写设置; z e r o 是静音输出， d a c k 是m b 8 6 3 73的数字显 示输出的时 钟信号， 频率为2 7 m， 提供给p c m1 7 23 作为参考时钟: 硕 士 论 文 数字视频信号解码电路的设计与实现 a d t o 忍c k 几r c k分别为比特数据，比特时钟和采样时钟 2.4mb8 63 73 2 .4.i mb 863 73 概述 入 于 e gz 解码芯片m b 8 6 3 73在单 个芯片 上集成了 视频解 码、 音频解码。 解码输出 的图像可以在普通的电视系统上，由于它内部含有一个 n t s c / p a l的编码器和一个 10比 特的d /a转换器， 还能够输出i t u . r656 数 字视频格式和复合色差的 数字输出 ， 能够按照 o s d进行输出。它能够支持 mp e g z的 p s 和 p e s流，通过专用并口或者 c pu 总线输入数据流，能够 自 动解压缩 p es 和 p s流的数据包，从数据包中分离出 p t s 信息来控制解码的同步。 在视频解码上与15 0 /i e c 1 3 818 一( 州 田 e g z 视频) 标准一 致，支持的类和级有: m p m l 、 m p l l 、sp m l ，同时也能够 解码 m p e g i ， 支持高清晰的图片显示模 式;支 持的 最大的 码流达到 巧m比 特每秒: 支持快放、 慢放、暂停、重放和静止模 式的播放;支持 n t s c和p a l的相互转换. 在音频解码上支持 mp e gi 第二层的双通道的解码，支持 a c 一 3 的 卜1 模式的解 码，支持线性 p c m音频的解码。 硕士论文数 字 视 频 信 号 解 码电 路 的 丧 计与 实 现 茸 2住脱垒刃卜 、 一 匕菜墨华， 钾 鬓 靡 一 1 一嚓 户 一 一 0娜la i a 倒如 5 娜.1浦 . 如 嗯v 盆 巨 。5 匆阔 份尹 ci co皿 甲o r y，伪i c 劝 甲 甲 甲 r 一，r 匕r- - - 一 - - - 一- - 一- - - 一 1 r一一一一-一一