（通信与信息系统专业论文）dvbc接收机的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 每辱化是电视产业发展的一个趋势。目前广播式数字电视系统的建设是产业内部的一 憾矗。柿蠕抑赫凝的促肝，粹电舰捕线数字蝴腿孵蝴 厶有极好的发展自日景y 本文主弱：寸论了袅字电视系统中d v b - c 接收机的设计与实现。文中首先介绍了世界 上流行的几种数字电视系统标准和数字电视广播的发展现状，然后简明扼要地介绍了 m p e g - 2 标准和欧洲的d v b 标准中的核d 哩论，并仔细分析了其中部分技术细节。 基于耐摊的理解，黻潮钟召了d v b - c 接吼的删方案。然后提出了嵌 入式系统编程需要注意的一些问题，并详细描述了该系统使用的实时操作系统n 1 l c l e u s p l u s 。在i h 馑础之e ，文章用较大篇幅讨论了软件系统设计中的中间件技术，并给出了本 系统中按此思想编写的两个软件模块，中间件技术的使用馒墼听嗽件系统具有蔼融植性。 数字蝴中的条件访问( c a ) 系统是榔撒立的卟系统，村以班捌卿睹案者酷 予了详尽地说明。 税辛嘬后，作醐挝自己缉以揪字电视接蝴府勺j 支焖旰字铘市土蕴跟踪，展望 了数字电视接收机的技术发展和市场前景。其中高清晰度电视和 1 c 宽带接入网是其中的 技术发展热点。 文中所介绍的d 、，b c 接收帆已经生产出样机。该机的硬件平台稳定；软件层次清晰， 代码重用率高，可移植性强，因此获得了合作单位的女子评。 煳：孵椒峭d w - c 黼中腓 g u i 条件访问 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i 扭l t vi sf i l ed e v e l o p m e n tt r e n do f t v 缸i 啷n o w a d a y s t h ec 0 珊嘣o n 0 f d i 酬t v s y s t e m i saf o c u s d i g i m i 疵d i 酬s a t e l l i 地t v a n d d i g i t a l c a b l et v , f a h i g h t 血嘶釉慨加獭d e 甜1 d 她a n d d e v e l o p m e n t o f m o d e m t e c h n o l o g y t h el t l e s i sm a i n l yd i s c u s s e sm e d e s i g na n d t h ei m p l e m e n t a t i o no f d v b - cr o c e i v 既s e v e r a l p o p u l a rd i g i t a lt vs y s t e m s t a n d a r d sa n dt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt vh d c 蹴 i n t r o d u c e d f i r s t l y t h e n i t i r m o d u c e s t h e m p e g - 2s t a n d a r d a n d n l e 脚d v bs t a n d a r d 曲p l y a r e r t 眦t h e p a r t i a l t e e l - m o l o g y d e t a i l i s a m l y z e d c a r e f u l l y b a s e do n 也ec o m p r e h e n s i o nt ot h o s es l 棚】c i 被t h el 衄d w a r ed e s i g np r o j e c ti sd i s c u s s e d p a 而c u 妇d 弘a f t e re x p l a i n i n gs o m e 茧孕| i 矗咖t e c h n o l o g yi n ( m l b e d d e ds y s t e mp r o g r a m m i n g , a r t o s ( n w , l e m p l u s ) u s e d i n d v b - c r e c e i v e r i s d e s c r i b e d i n d e t a i l b a s e d o n t h o s e o 啊蜘搬也e 蜥sd i s c u s s e st h em i d d l 黜t e d a l o g yi ns o l w d es y s t e md e s i g ni ng r e a ts p a c e t h e nt w o s o l 丘w d l em o d u l e sp r o g r a n n n e da c e o r d 迦t ot h em i d d l e w a r et e d m o l o g ya r cd e s c r i b e d t h e m i d d l 瓣t e c h n o l o g ym a k e st h ew h o l es o l , w a r es y s t e mc a nb et r m 】s p l a n t e de a s i l y t h ec a s y s t e mi sa l la b s o l u t eo n ei nw h o l ed i g i t a lt vs y s t e mc o r r e s p o n d i n g l y , s ot h ef l a e o r ya n d t h e i m p l e m e n l a t i o n p r o j e c t a b o u t c a s y 逝m a r e i l l u m i n a t e d c a r e f i a l l y a t 吐七e n do ft h i s 被t h ei 1 1 o rf o r e c a s t st h el e d m o l o g yd e v e a o p m e mt a x it h em 卸虹 s i l l l l l t i o no fd v b r e c e i v 苜a c c o r d m gt o 吐田e ey e a r s 砌m o l o g ys t u d ya n dm a l 盘e tr e s e a r c ho l l d v b r e c e i v 豇t h e h d t v a n d h f c w i d e b a l x t a c c e s s n 酿聃7 0 r b a l e l a o t s p o t s i n l h e m t h ed v b - cr e c e i v e rs a m p l ed i s c u s s e di nt h et h e s i sh a sb e e nr , r , x t t r 蛆t h es a m p l eh a s h i g l a 曲| b d i 睇a t t h es 锄el i m et h es o f h 硼嘴h a sc l e a rc o r , s a a a c f i o na n dc f l 1b e t r a n s p l a n t e d e a s i l y , s o i ti s p l 捌b y t h e c o o p e r a n t c o m p a n y k e y w o r d s ：d t v ；m p e g - 2 ； m i d d l e w a r e ；g u i ； d v b - cr e c e i v e r , c 血 i l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 电删支术，经历着从黑白电 见至彬色喇嗝到数字电视的发扁寸秸! 。觋在蝴绝电视 虽蝴0 色；i 终能，膨募i 匿真的蔼睫蛋士i 互步，但是，倒门仍然是枞电扭。在图像f 言号 的镦怍处理、控制调节、记京重放、调带骅调、传输转播、接收豆历爸雠中，图伤 f 言号 和伴音信号都是在时间轴上和振幅轴e 连续变化的模拟信号。模拟电视最明显的缺点是接 力传输方式产生噪声，长距离传输使信噪比恶化，使图像清晰度越来越受到损伤；发送传 输烙中，放大器的j 戡l 螺累使图像对蝴铲生走崃越大的畸变；相位失真的积累产生 色彩失氨使鬼矽现象蠢睐筋m 重。同肘，模拟黜砸具有稳劫磋、可靠慨、调整 繁杂、硎匪集成、自硎端悃难、以厕辫高昂等缺点。因比数字嘟魈必成为瞄见技 术发展的主要方向。 _ | 行 胃数字电视，剧：旨将传统的蚴嘟赡号经过抽样、量4 楠编冯隼蝴二i 赫擞 传菱冉勺数字式信号，然后趟亍宅附功能的处理、传输、存f 黼记录，也可以用电二子僦 趟亍处理、监；贝4 和控制。采用数字技蒂敝使科电视设备获得比原制然斌设备更高的 粼能，而且还其存瞒浆岐术不触拯哟新功能，使电 赃豺进入劳渐时4 掣1 。 _ i f 许来，瞻醚赙= 压缩技术、计朝技术、通信技术、超越硝城魁射姘啪憾基 发展，电信网栅博r 虮网获得了超乎 想象的巨燃。曾嬲碱已经发生了一系j 列的 变化，在电视节目的制作设备方面已- 酎艮大部分实现了数字处理：在电视节目的睹存设 备胡目也出现了许多数字设孙包晤人 门最熟悉的v c d 、d v d 等：翟啼目的1 专输方面， 我们从卫星e 己可以按8 臣0 多套数字压缩编码的节目。电况系统的这全面数字他e 日至具 有三个显著特点回： 、 1 将最终形成电视、电话和计算阢三网合一的缭台数字业务网。原本是；器环同自q 媒 体的电视广播、电话阳计算机数据通詹，在全撇与糊舌，者蝴同一符号“o 和“1 ”， 只不i 堂副门的速率不同而己，人们可以把信号组合在一起，通过个双向宽带网送到每个 家庭。 华中科技大学硕士学位论文 2 全面数字化第二个特点是电觇制式将实现全球统一，t 醐n t s c 、p a l 和s e c a m 等不同的电视制式，而将统在1 t u - r 6 0 1 数字标准之中。因此更利于节目的交换和信息 的交流。在数字系统中标准不仅仅对设备外围的接口，而且对数字信号处理的整个流程和 细节都作了详细规定。 3 全面数字化的第三个影响是数字电况业务的可分级性带来的各种业务的统性，不 同质量的信源只是占用的比特率不同，而具有相同的格式，如家用质量的电视比特率在 1 5 m b p s ，专业级质量在4 s m b p s ，广播级质量在g - 9 m b p s ，但都打成m p e g - 2 传送包， 可以在同个设备中完成各种不同级别的图象业务。 一个典型的广播式的数字电视系统中包括前端的编码器复用器调制器和终端的接收 机。在绪论的各部分中，我将介绍数字电视广播的发展状况，并洋细讨论数字电况娶娜 的技术发展和展望，最后在l h ：基础e 提出本课题一“d v b - c 接收机的设计与实现”所研 究的主要内容。 从2 0 世纪8 0 年代开始，欧洲、美国、日本都硼贫拔展了自己的数字电视，并形成了 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播咖颂目，并成立了d v b 联盟。 d v b 联盟共同制定了数字电视的d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t ) 标准。这是套有关电视 广播系统大家庭诸多要素的统标准，其中最引人瞩目的是d v b 数字卫星和有线电观传 输系统的标准。这些标准已作为世屏勘 - 的标准被大多数国家接受，包括中国。它敬其他 标准自州噱是灵活碱和移珈蘑信的优势。 d v b 标准规定数字电视系统使用统一的m p e g - 2 压缩方法和m p e g - 2 传输流及复用 方法。统一的服务信息系统提供广播节目的细节信息、统一的r - s 纠错码、统的加扰系 统和条件接收公共接口。允许不同的厂商选用不同的条件接收系统，对于不同的传输媒体， 可采用不同自臼调制方法及通道编码纠错方法。目前，d v b 已有多个标准，它们分别是： d v b - s ：用于卫星直播电视。它采用q p s k 调制，使用m p e g - 2 格式，用户端达到 c c i r 6 0 1 演播室质量的码率为9 m b p s ，达到p a l 质量的码率为5 m b p s 。个5 4 m h z 转发 器俪为蓉轲达6 8 m b p s ，并可供多套节目复用。 华中科技大学硕士学位论文 d v b - c ：用于有线电视系统。它具有1 6 、3 2 、6 4 q a m 等多种方式，采用6 4 q a m 调 制时，卟p a l 通道的传送码率为4 1 3 4 m b p s ，还可供多套节目复用。d v b - c 的音频压 缩方法可有多种选择：立体声m u s i c a m 、多声道m u s i c a m 及a c 一3 。 d v b - t ：用于地面开路数字电视系统。d v b - t 标准是1 9 9 8 年2 月批准通过的。第一 个正式的开路数字电视系统于1 9 9 8 年初开女皱蕃营。m p e g - 2 数字视音频压缩编矧乃然是开 路传输的核心。采用c o f d m 调制方式，适用于大范围多发射机的8 k 载波方式。数字地 面电视( d 觥正在逐渐被世界各国所采用，目前已在欧洲的1 5 个国家和澳大利亚、 新西兰得到应用。 由于相对较低的基础设旅费用投入和各国相对简单的标准协调问题，数字卫星电视 f d w 鳓网、数字有线f g 视x ( d v b - c ) n 和数字y p n 0 9 却w - x ) 网先走步，发展很快。1 9 9 7 年以来，d v b 标准为基础的数字电视已径在全世界普及，拥有了几千万用户，给整个电视 行业带来深刻的影q 铲j 。 日本是数字电视研究与开发起步最早的国家，1 9 6 4 年就开始进行高清晰度电视技术 h d t v 的研究。早在1 9 8 5 年它就建立了1 1 2 5 线、每秒6 0 帧的m u s e 制式，9 0 年代初日 本已经开播模拟高清晰度电视节目，但由于技术上实际上已经过时日本政府不得不中断模 拟黼晰度电视的研究，走向数字化大潮流。目前，日本的数字电视技术要比美国和欧洲 落后大约四五年。从1 9 9 3 年开始，日本开始研究全新概念的电视广播i s d b ( 综合业务数 字广播) ，1 9 9 4 年1 1 月，在国际电联无线电通信部门会议e ，日本通过决议将m p e g - 2 作为数字广播的技术基础予以采用，正式开始迈向数字电视。美国多家电视台在1 9 9 9 年 1 1 月已正式开始播送高清晰度电视节目，但日本至少要到2 0 0 3 年才会正式开始开通常规 性的数字电视转播眼务，而且届时开i 蘑该顷服务地区也只限于东京、大坂和名古屋三市， 其他地区要等到2 0 0 6 年才有望开i 恿数字电视转 酽1 。 美国对h d t v 的研究与日本和欧共体相比起步较晚，但是由于它在发展 受字电况机方 面占有优势，n - n 是1 9 9 3 年成立的数字h d t v 大联蹦g a ) ，使得它现在在h d t v 的发展 中具有举足轻重的作用。1 9 9 4 年2 月，g a 推出了数字h d t v 大联盟制式，它不但吸取了 本国各主要数字h d t v 制式的优点，而目孙日本和欧洲的研究中得到许多启示，因此标准 高，方法灵活。1 9 9 6 年1 2 月，美国正式批准了由a t s c 委员会制定的主要用于地面广播 数字电视的标准，称之为d t v 。1 9 9 7 年4 月，又颁布实施了数字电视地面广播的时间表 及电视频道分配方案。到1 9 9 9 年的1 1 月1 日，开播d 1 节目的电视台数量己达1 6 0 家， 华中科技大学硕士学位论文 城市的数量达3 0 个，覆盖面占美国电视观众的比例为5 3 。至岭年，全美1 6 0 多家电视 台全部开播亡i t v 节目。在这期间，美国数字电视广耀跻喇电视广播同时播放，直到2 0 0 6 年全美将停【e 模拟电视的广播。 d t v 标准包括视频编码输 、扫描格式和预处理、视频编码压缩和压缩参数、音频编 码器输 格式、预处理、编码和压缩参数、服务业务复用、传输层特性及规范。其视i 莎i 压 绷m p e g - 2 雠，搠a t s c 雠a 5 2 ( 即a c - 3 ) ，翩糕 i s o i e c l 3 8 1 8 1 、1 3 8 1 8 - 2 、1 3 8 1 8 - 4 以及a t s c 标准a 5 2 。d 的r f 传输子系统采用残 余边带调制v s b ，分为地面广播和高数据率两种模式。8 v s b 用于地面广播，它在6 m h z 频带内的传输数据速率为1 9 2 8 m b p s ，一般可传送4 套标准幅宽度电视节目或一套 1 9 2 0 1 0 8 0 i 高清晰度电视节目；1 6 v s b 用于高速率模式，它适用于信噪比很高的信道( 高 于2 8 3 d b l ，在6 m h z 频带内的传输速率可达3 8 5 7 m b p s ，可用于有线电视网等环境。 下面是三种数字电视松静崖的完整比较： 表1 1 三种数字电视标准比较 美国标准a t s c欧洲标准d v b日本标准i s d b 地面卫星有线地面卫星有线地面卫星有线 调制 8 v s 副 q p s kq a m 丑确k q p s kq a m分段q p s kq a m 方式 1 6 、，sc o f c o f b d m d m 视频 m p 】：g _ 2贱g _ 2舻b g _ 2 编码 方式 音频 a c - 3吒g 2巾e g - 2 编码 方式 复用慨g _ 2 伊e g 2m p e g - 2 方式 在中国，中央电视台于1 9 9 5 年就引进了美国通用仪器( g d 公司的加密的数字电视设 备，1 9 9 6 年又引进了美国科学皿睁兰翅s - a ) 公司的数字压缩设备进行卫星电视的传输。 从1 9 9 7 年1 月开始至9 8 年初，先后有广东、广西、湖南、湖北、河南、福建、江西、辽 宁、内蒙( 2 套) 、青海、陕西、江苏和山西共1 7 个省的节目，用m p e g - 2 数字压缩技术， 通过卫星传输。截至1 9 9 8 年底，包括用模拟方式e 星的省、市电视台达到3 0 个，其中用 4 滤0 。，滤：瓣 华中科技大学硕士学位论文 数字压缩电视斌通过卫星撇省电视台数目已麟02 4 个，占据了8 0 l t 伊 。舅半 卫星广播已经成为中国卫星广播的主流”。 基于对未来数字电视发展的良好预期，中国在加紧制定标准的同时，也着力在运营体 制e 有所突破，已经开始的中国有线电视网络的产业化改造及中国国家有线广播电视干线 网( 期) 的完工，都无疑为中国未来的数字电视发展注入了齐腰一d 荆，我们期待着中 国数字电视发展的美好明天。 随着数字电视的不断发展，数字电视接收机也在不断地完善和提高。总的看来莘菝科羊 两个发展趋势：第，接收机系统方案的集成度越来越高；第二，接收机的功能斡着多元 化、网络化发展。以下我主要对符合欧洲d v b 标准的数字电视接收机的一些基本方案和 技术进行概括，然后介绍当前的些发展趋势。 由于数字电视接牧机的发展不到l o 年，在大部分家庭已经拥有相当品质的彩色模拟 电视的情况下，生产数字电视整机显然会遇到市场的阻力，因此大部分厂商把精力放在开 发和生产数字电视机顶盒即s t n s e tt o pb o x ) 上。这样用户可以不更换电视而是购买相当 便宜的s t b ，就可以收看到数字信号传输的电视节目。 从1 9 9 4 年开始，p h i l i p s 、l s il o g i c 、s t 等公司都推出了全套的d v b 接收机方案。早 期的方案般包括的芯片较多，主要由解调芯片、解复用芯片、m p e g - 2 解码芯片、嵌入 式c p u 、音视频编码芯片和各种类型的r a m 、r o m 组成。1 9 9 8 年以后，各厂商纷纷推 出单片( 除信道解码芯片外) 的d v b 接收机方案，这样芯片的集成度提高，成本也随之 下降。目前市场匕销售的d v b 接收机基本都是基于这些单片方案的产品。 一种产品要想在市场上具有竞争力光有低廉的价格是不行的。d v b 接收机也需要不 断- ：f - 富自己的功能。目前主要有以下几个功能受到广泛关注。第一，提供对c a ( 条件接 收) 系统的支持。电视台需要通过c a 系统来实觋对节目的加密和对用户的管理、收费。 c a 系统要求接收机支持i c - c a r d 接口以和s 玎埘t c a i d 进行通信，并目提供标准的d v b 数 据流解扰模块。第二，实现对t s 流的存储。这个功能现在有两个趋势：种是由接收机 提翎醯接口( 比如咙掺口) ，将璐渍翻疑明蕴里供用户回放，安列好碌壤伊嗷功 华中科技大学硕士学位论文 能；另种是接收弧6 兽供u s b 或者i e e e l 3 9 4 这一类的高速通用接1 2 1 ，将t s 流i 面尘封门 存入计算机中，用户再通过计算机进行处理。第三，实现局域网网络接口。这样接收机可 以接收m 局域网传来的玛流，实现局域网上的视频播放。第四，实现w e b 浏览功能。用 【 户可以通过担收机浏览网页，当然这需要现有电视分辨率的适当提高和专门性网站的提供。 - f 当然，以上部分功能还处于概念阶段，限于其他条件的限制无法立即投入商用。但是在不 久的将来，功能强大的接收机肯定会收到广大用户的欢迎。 i 1 4 本文研究的主要内容 _ ； _ 顺应数字电视系统发展的历史潮流，从1 9 9 8 年9 月开始，我的导师王宏远博导就领导 ： t 学生进行数字电视系统的研究与开发。经过近两年的艰苦奋斗，研制开发出从源端到接收 ： i ； 端的一系列产品，并于2 0 0 0 年底推出了中国第套有线高清晰度数字电视系统，在深9 i 式 p 撵喊功。笔翻僦3 位同学负责其中d 、，b 剐删激怃叽、高清晰度电测劐妫啪开 ： 发。随后，为了实现多功能的d v b - c 接l 踟叽，我又负责开发了套新的方案。本人的主 要工作有：做为d v b 组组长，在理解标准的基础上，在王老师的指导下进行系统方案的 设计。并负责硬件系统调试和软件系统设计。领导另外两位同学完成了多个版本的软件编 ： 写与调试。本文正是在对新代d v b - c 接收机的研发的基础e 写作而成的。 ： 本文主要嘞口何设计并实现一个多功能的d v b - c 接收机，包括硬件系统设计、软 ： 件系统设计、硬件主板调试和软件的具体编码实现。其中关键技术有嵌 式实时系统编程 l l 携术、中唰勘r 、c a 系统设计等。本丈的主要内容氰一、绪论。介纫珊辞 景，包 括数字电觋赕字电视接收机的发展历史和现状。二、m p e g - 2 茅1 d v b 标准。椒r j - m p e g - 2 。 标准、d v b 鼢以简要的介组重点谢辑m p e g - 2 中p s i 部分自铺稚。三、总体介绍 ， d v b - c 黜的唰书张 防案。本章将侧重于总f 妨案设计、硬件设计，包括主要芯片 ， 性能介绍和主晒江作原理介绍。四、d v b c 软件系统中的关锤瞵沭。本章睁结合笔者在 嵌入式系统开发中的经验总结些软件设计的关键技术，并对本系统使用的r f f o s 进行介 绍a 五、软件系统和其中的关键技术一中间件。结合自己在两个不同平台上设计软件的经 验，介绍目前备受关注的中间件技术，并给出两们垂用在d v b - c 接收机中的实例。六、 c a 系绕殴汁。将首先介绍c a 系统的工作原理，然后进步提出本系统中自懈；眵凛。 6 ，i 滋塞i i 惑一。；i 巍。： 华中科技大学硕士学位论文 七、数字锄魈 收机前景。数字嘟赃眵f 毽丕在不断发晓中，笔揪自己开发中的_ 堂 感受和市场用户提出的要求对数字电视接收机的几个发展趋势作出简单的介绍和预测。 华中科技大学硕士学位论文 2m p e g - 2 和d v b 标准 本课题中所实现的d v b - c 接收机实际上主要需要完成对通过有线电缆传输的数字电 视信号进行信道解码和信源解码。如前文所述，在d v b 标准中，d v b 联盟主要制定了信 道编码标准和系统层标准，而信源编码符合m p e g - 2 标准。这些标准是实现d v b - c 接收 机的理论基础，在本章中将对其中的重要部分进行讲解。 2 1m p e g - 2 标准 2 l 1m p e g - 2 简介吲【9 l 【1 0 1 m p e g - 2 标准1 9 9 4 年1 1 月公布。其全称为“运动图像及其伴音的编码”， 包含标准 数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率从每秒 3 兆比特1 0 0 兆比特。m p e g - 2 标准目前分为9 个部分，统称为i s o i e c l 3 8 1 8 国际标准。 各部分的内容描述如”j ： 第部分一i s o i e c l 3 8 1 8 1 ，s y s t e m ：系统，描述多个视频，音频和数据基本码流合 成传输码流和节目码流的方式。 第二部分一i s o 正c 1 3 8 1 8 - 2 ，v i d e o ：视频，描述视频编码方法。 第三部分一i s o 正c 1 3 8 1 8 - 3 ，a u d i o ：音频，描述与m p e g - 1 音频标准双向兼容的音频 编码方法。 第四部分一i s o m c l 3 8 1 8 _ 4 ，c o m p l i a n c e ：符合测试，描述测试一个编码码流是否符 合m p e g - 2 码流的方法。 第五部分- - i s 0 怔c 1 3 8 1 8 - 5 ，s o f t w a r e ：软件，描述了m p e g - 2 标准的第一、二、三 部分的软件实现方法。 第六部分一i s o 正c 1 3 8 1 8 _ 6 ，d s m - c c ：数字存储媒体命令与控制，描述交互式多媒 体网络中服务器与用户间的会话信令集。 以上六个部分均已获得通过，成为正式的国际标准，并在数字电视等领域中得到了广 3 ，鹣曩；i 夔- _ j ， 华中科技大学硕士学位论文 泛的实际应用。此外，m p e g - 2 标准还有三个部分：第七部分规定不与m p e g - 1 音频双向 兼容的多通道音频编码；第八部分现已停止：第九部分规定了传送码流的实时接口。 1 9 9 0 年成立的a t m 视频编码专家组与m p e g 在i s o 正c 1 3 8 1 8 标准的第和第二两 个部分进行了合作，因此e 述两个部分也成为r r u t 的标准，分别为：r i u - t r e c m 2 2 0 系 统和r r u - t r e c h 2 6 2 视频。 m p e g - 2 具有以下几个突出特点 ( 1 ) 支持的图像分辨率高，包括符合i t u - r r e c 6 0 1 ( c c 瓜6 0 1 潞式的标准分辨率的数字电视 和更高分辨率的h d t v 。支持包括商速体育运动在内的活动图像。 ( 2 ) 不是m p e g - 1 的简单升级，m p e g - 2 在系统和传送方面作了更加详细的规定和进步 的完善。m p e g - 2 特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为s d t v 和 h d t v 的编码标准。 ( 3 ) 专门规定了多路节目的复分接方式，还兼顾了与a t m 信元的适配问题。 ( 4 ) 所支持的应用广泛，既包括存储媒体中的d v d ，广播电视中的数字广播电视和h d t v ， 还可应用于交互式的点播视频唧) 和准点播视频( n v o d ) ，此外，还能够适用于a t m 这种新兴的宽带通信网i l l 】。 从功能上说，m p e g - 2 标准主要分为系统层和压缩层两个部分。系统层主要负责对码 流的组织和控制，以方便传输和解码。而压缩层则是实现对原始数字视频信号的高压缩率 低失真的压缩。 2 1 2m p e g - 2 系统层标准 根据传输媒体的质量不同，m p e g - 2 中定义了两种复合信息流：传送流( t s ：t r a m l x m s t r e a m ) 和节目流( p s ：p r o g r e ms t r e a m ) ，其形成过程如图2 1 。共有三个步骤f 1 3 1 ： 1 数字化的视频、音频和辅助数据，经过压缩后形成各自的基本流( e s ) 。 2 视频和音频的e s 流分别按一定的格式抒包，构成艮旬静潞式的打包的基本信息 流( p e s ：p a c k e f i , z e d e l a e n t a t y s t r e a m ) ，分别称为视频p e s 和音频p e s 。这一步骤在打包 器内实现，p e s 的长度可在一定范围内变化。 9 j 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 m p e g - 2 系统层的结构 3 将视频，音频的p e s 流以及辅助数据按不同的格式再打包，然后进行复胃，即分别 生成了t s 流和p s 流。 节目流是对完整的视频和音频p e s 包进行复接形成的。由于视频、音频编码器本身的 特性，p e s 包的长度是可变的，因此p s 包的长度也是可变的。而传送流是将视频和音频 的p e s 包作为固定长度的t s 包的净荷，然后对t s 包进行复用形成的。 p s 包与髑包在结构上的这种差异，导致了它们对传输误码具有不同的抵抗自皂力，因 而应用自哪境也有所不同。 i 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i 疚复同步， 避免了信息丢失。而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 法确定下包的同步位置，就会造成失步，导致严重的信息丢失。因此，在信道环境较为 恶劣，传输误码较高时，一般采用b 码流；而在信道环境较好，传输误码较低时，如： 存储或媒体控制，一般采用p s 码流。在本课题中所涉及的码流全部是t s 流。 2 1 3m p e g - 2 压缩层标准 概括地说，m p e g - 2 图像压缩的原理是稠了图像中的两种特性：空间相关性和时间 相关性。帧图像内蝴个场景都是由若干像素点构成的，因此一个像素通常与它周 围的某些像素在亮度和色度e 存在一定的关系，这种关系叫作空间相关性：一个节目中的 一个情节常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成，一个图像序列中前后帧图像间也存 在一定的关系，这种关系叫作时间相关性。这两种相关l 生使得图像中存在大量的冗余信息。 1 0 勘溘瓿施盏；氨；：蠢醚妊。 厂1 f 譬 l “ 华中科技大学硕士学位论文 如果莸们能将这些冗余信息去除，只保留少量非相关信勘新亍传输，就可以大大节省传输 频带。而接收机利用这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一定的图像质量 的前提下恢复原始图像。一个好的压缩编码方案就是能够r 3 v 限度地去除图像中的冗余信 g t l 2 1 。 m p e g - 2 中编码图像被分为三类，分别称为i 帧，p 帧和b 帧。i 帧图像采用帧内编码 方式，即只利用了单帧图像内的空间相关陛，而没有利用时间相关性。i 帧主要用于接收 机的初始化和信道的获取，以及节目的切换和插入，i 帧图像的压缩倍数相对较低。i 帧图 像是周期性出现在图自釉寺咧中的，出现频率可由编码器选择。p 帧和b 帧图像采用帧间编 码方式，即同时利用了空间和时间上的相关眭。p 帧图像只采用前向时间预测，可以提高 压缩效率和图像质量。p 帧图像中可以包含帧内编码的部分，即p 帧中的每一个宏块可以 是前向预测，也可以是帧内编码。b 帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。 值得注意的是，由于b 帧图像采用了未来帧作为参考，因此m p e g - 2 编码码流中图像帧的 传输j 顷序和显示顺序是不同的。 m p e g - 2 的编码码流分为六个层次。从e 至下依次为：视频序列层( s e q u e n c e ) ，图像组 g - ( c , o p - g z d 删c 赴h 妨，图像, g - f e i c t u r e ) ，像条层( s c e ) ，宏鼬b l o c k ) 和像块层 ( b l o c k ) 。其中较为重要的是宏块层，m p e g - 2 中定义了三种宏块结构：4 ：2 ：0 宏块4 2 2 宏 块和4 ：4 ：4 宏块，分别代表构成个宏块的亮度像块和色差像块的数量关系。4 2 ：0 宏块中 包含四个亮度像块，个c b 色差像块和个c r 色差像块：4 ：2 ：2 宏块中包含四个亮度像块， 二个c b 色差像块和二个c r 色差像块；4 ：4 ：4 宏块中包含四个亮度像块，四个c b 色差像块 和四个c r 色差像块。这三种宏块结构实际上对应于三种亮度和色度的抽样方式。 在帧内编码的情况下，编码图像仅经过d c t ，量化器和比特流编码器即生成编码比特 流，而不经过预测环处理。d c t 直接应用于原始的图像数据。在帧间编码自吁隋况下，原始 图像首先与帧存储器中的预测图像进行比较，计算出运动矢量，由此运动矢量和参考帧生 成原始图像的预测图像。而后，将原始图像与预测像素差值所生成的差分图像数据进行 d c t 变换，再经过量化器和比特流编码器生成输出的编码比特涮1 3 i 。 可见，帧内编码与帧间编码流程的区别在于是否经过预测环的处理。 m p e g - 2 视频压缩方案中包含以下关键技术环节：1 离散余弦变换d c t ；2 量化器； 3 之型扫描与游程编码；4 熵编码；5 信道缓存；6 运动估计；7 运动补偿。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 4 传送流语法结构 m p e g - 2 中规定一个衔差包f r s ) 的长度为1 8 8 字节，t s 包由4 字节的包头，可变长字 节的自适应字段以及数据载荷组成。：乓中包头各域实现的主要功自 茸：传送包的同步，识 别，俪基鄹马指示，条件接收以及传送包的连续计数等：自适应字段则包括较高层次解码 功能的有关信息，主要实现解码过程中定时信息的恢复与同步及随机存取指示，拼接倒计 数等。下面对包头域和自适应字段中与本课题相关的若干域进行简要的说明。 图2 2 传送流语法结构 1 t s 包同步字节：1 b y t e ，值为0 x 4 7 ： 2 传送包识别p i d ：1 3 b i t ，表示传送包载荷数据类型，该值不能任意取，m p e g - 2 系统预分配的p i d 号如下： 表2 1p t d 号分配 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 0 0 0 2 0 ) ( 0 0 0 f 保留 0 x 1 f f f 空包 3 自适应字段控制：2 b i t ，表示后面是否接有自适应字段和负荷信息，m p e g - 2 对其 系统规范如下： 表2 2 自适应字段意义 0 0 为i s o i e c 未来使用保留 0 1 无自适应字段，仅含有效负载 1 0 仅含自适应字段，无有效负载 1 1 自适应字段后为有效负载 4 连续f 生计数器( c o n f i n u i t y _ c o t r a e r ) ：t s 包中的4 比特连续包计数器。用于在解码 端检测t s 包是否有丢失。包计数只对相同的p i d 计数，没有有效载荷的鹳包不应计数， 对于复制的相同p i d 的包，包计数器应该保持不变。此值对于接收机解码具有很大的影响， 错误设置将使接收机认为是包丢失，从而导致误码掩盖等功能，造成贴图效应等。 1 p e r 标志符：i b i t ，自适应字段中的五个标志之一。指示自适应域是否包含 v c 蹦p r o g r a mc l o c k r e f e m a c e ) 域。0 - 不含；1 含。 2 p c r 域：p c r 非常重戛它以固定频率插入包头，表示编码端的时钟，并反映了编 码输出码率。接收桫蝴p c r 可以用来调整解码端的系统时钝以保证对节目的正确解码。 3 填充字节：1 b y t e x n ，值为0 x f f ，m p e g - 2 系统层规范要求一个p e s 包的包头必须 包含在个新的t s 传送包中，p e s 包数据要充满t s 传送包的负荷，若p e s 包数据的结 尾无法与髑包的结尾对齐，则需要在t s 包的自适应域的最后插 相应数量的填充字节， 使得两者的结尾对齐。解码时填充字节则被自动丢弃。 2 1 5 p s i 信息 2 1 5 1p s i 信息概述阎 为了能对复合后的 i s 流中所含的各种焦鼠进行标识( 如区分音砚频包) ，在复合的时 候需要插入p s i 信恩( n o 酗n s p e c i 五ch 1 ：妇m 血o n ) 。p s i 由4 个表组成，它们是节目相关表 ( 鼢d 、节日映刺秀好m f d 、有存纠接收表g 蚋网络信息表。p a t 表说明传送流中 _ _ - - - _ _ - _ - _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 有多少节目及其相应p m r 表的p i d ；p m t 表说明一个节目中有多少种基本斑( 一路节目 可以有一路劫e 频，多路音频和多路；5 据) 及其各自的p 日d ：c a t 表说明码流是看加密，解 码掰吼用c a t 表寻拗嘧控韦情即巳c 岣和加密；眺息o m 旧；n r r 表说明提洪节目的 网络信息。其中n i t 和c a t 是可选的。可以说传送流中各个基本流的组织结构是由p s i 信息信息传送的。p s i 信息以段( s e ( 了【o n ) 为单位进行组织，s e c t i o n 可以作为负载插入 t s 包中。然后以一定的比率插入一路节目的t s 流中，形成完整的路节目的t s 流。 m p e g - 2 规定p a t 作为p i d = 0 的t s 包的有效载荷进行传送，p v l t 作为由b a t 表中所指 定节目映射表p d 的t s 包的有效载荷进行传输。 2 1 5 2p a t 与p 仃的段结构嘲 表2 3 p a t 语法 表2 - i ，表2 - 2 为p a t 和p m t 的语法结构。p a t 表格的整体字头为8 字节长度。由 表格识别符，表格区段长度，传送流识别符，版本号，当前下次指示器，段号和最后段号 1 4 漶；谶垂。搬毫， 华中科技大学硕士学位论文 组成。其可变字长的节目表清单由1 6 比特的节目号与对应的1 3 比特的节目映射表p 值 细戎。p m t 表的整槲为1 2 字节长度，由表陷识别符，表恪段长度，节目号，版本号， 当前下次指示器，p c r 的p i d ，节目信息长度组成。可变长的节目描述由节目所含基本流 的流类型，基本流p i d 号，扩展信息长度和扩展可变长基本流描述符组成 2 i 5 3p s i 信息的结构 节目指定信皂口s d 的中的p a t 表和p m t 表结构如图2 - 3 所示。它说明了两种表之间 1 5 华中科技大学硕士学位论文 的关系，及接收端如何利用这些焦鼠来从多路的节目中恢复出所需节目的相关信息。 匕匕如说为了从个多路复合的节习中提取出节目i ，接收机会先搜索p i d 号为0 x 0 0 0 0 的t s 包，这样就可以获得节目相关表，通过对节目相关表的搜索，就可以获知存储有节 目i 各种基本l 赢信息的节目映射表的p di ，然后再搜索包舒亥节目映射表的髑包，就可 以获得节目i 的节目映射表，表中有各种节目信息，如有包含节目时间信息o ，c r ) 的包的 p i d 号，接收酗过获取其指定的包中所含的p c r 域来保持与信源时钟同步。此外还含有 对各种基本流信息的描述。这样接收机就可以从复合的码流从提取所需要的t s 包。 市目0+ 网络p i d + 盹 节目l 节目i- 节目映射表p 如一i l t 7 节目z p c rp 皿 节目kp m x ， 肿节目描述符 基本再流1 l节目i虬i 基本码流 l节目- p i n j i - 、 2 2d y b 标准 2 2 1d y b 标准概述1 4 1 图2 3 节目特定信息伊s d 的结构 d v b 标准源于欧洲，它是欧洲1 2 个国家的8 5 家制造业和广播业公司的代表在1 9 9 3 年9 月的“数字视频广播集团”粥口会议中提出的，后由欧洲嘲制定的数字电视标 1 6 华中科技大学硕士学位论文 准。除了欧洲国家采用外，亚太地区、中东及美国部分业者都遵口耕标i 隹。 d v b 核心系统包括： 采用m p e g 2 视频和m p e g 2 音疑m u s i c c a m 立体声，环绕声，以及杜比的a c - 3 环 绕前以及其它用户数据进行灵活组合。 采用m p e g 2 传送流t s 进行复用。 采用提供节目内容和其它信息的通用服务信息s i 系统。 采用通用前向纠错f e c 系统。 采用通用扰频系统，通用条件存取接口。但也可以采用其它专利系统，以及新近研制的 系统。 调制与附加通道编码系统。传输e 针对不同的信道有不同的信道编码调制方式：卫星 广播采用q r , s k 调制，有线电视采用q a m 调制，而地面广播则采用q p s k q a m 调制或 具有可选l 生保护间隔的c o f d m 调制两种方式【1 7 o 2 2 2q a m 调制技术介绍1 5 l 由于本姓要论述d v b - c 接收机的实现，所以在这里详细介绍d v b - c 标准