（通信与信息系统专业论文）dvbasi接口系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 电视作为一种现代化的大众传播媒体，已经走进了千家万户。人们对电视节 目内容的要求、电视节目质量的要求以及电视节目互动性的要求越来越高。传统 的模拟电视系统，由于其带宽限制和模拟信号传输的局限性，无法提供更多的、 更清晰的电视节目。数字电视技术提供更多、更清晰、同时也易于实现具有互动 性的电视节目。 而视频信号的传输是整个数字电视系统中重要的组成部分之一。关于视频信 号传输技术的研究，是目前数字电视技术研究的一个热点。 欧洲的数字电视标准一数字视频广播d v b 是一个基于m p e g 一2 标准的传输 方案，定义了一个开放的业务信息系统，旨在推广基于m p e g 2 标准的电视服务。 它规定了用于各种传输媒介的基本系统，包括卫星网络、有限电视网络和地面传 输等等。 本文根据欧洲数字电视标准d v b a s i 接口标准，研究了m p e g 一2 传输流的 接收和发送系统的实现方案，据此构建的系统实现了m p e g 2 传输流的接收和发 送。 本文首先对欧洲数字电视标准的发展进程了阐述，分别简单介绍了d v b t 、 d v b s 和d v b c 等三类应用于不同领域的数字电视标准；然后，本文着重分析 了d v b - a s i 接口系统的设计，并对d v b a s i 系统协议结构以及d v b a s i 系统 设计应注意的两个雠题进行了讨论；接着，本文重点介绍d v b a s i 接口系统的 硬件实现，分别介绍了a s i 接口芯片、p c i 接口芯片和f p g a 芯片等芯片的原理 及应用，阻及在p c b 板设计过程需要处理的一些问题：之后，本文重点介绍了 m p e g 2 标准系统部分关于传输流语法结构以及目标解码器的实现；最后，重点 介绍了m p e g 2 传输流p c 端的软件设计包括传输流的接收和发送模块、传输漉 的分离模块和传输流的解码模块的介绍。 关键诃d v b - a s i ：m p e g - 2 ：p c i ；f p g a ；传输流； 华南理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t a sam a s sm e d i a ，t e l e v i s i o nh a se n t e r e dal o to ff a m i l y p e o p l e sh a v eg r e a t d e m a n df o rp r o g r a mc o n t e n t ，h i g hq u a l i t yo fa u d i o v i s u a li n f o r m a t i o n ，a sw e l la s i n t e r a c t i v ep r o g r a m b e c a u s eo fl i m i t e db a n d w i d t ha n di n h e r e n t d i s a d v a n t a g e so f a n a l o g u et e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e ，i ti sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yd i f f i c u l tt o d e v e l o pn e ws e r v i c e s w i t hd i g i t a lt e c h n o l o g y , i te a s e st h ei n t e g r a t i o no fs y s t e m s ， m a k i n gi tp o s s i b l et od e l i v e rm u l t i m e d i ac o n t e n tt ot h ec o n s u m e r s ，t oo f f e rc o n s u m e r s a d v a n c e di n t e r a c t i v es e r v i c e s d i g i t a lt e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei sv i t a ld i g i t a lt e c h n o l o g y n o w a d a y s ， i ti sp o p u l a rt or e s e a c hd i g i t a lt e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，t h ee u r o p e a nd i g i t a l t e l e v i s i o ns t a n d a r d ，i sa t r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do nm p e g - 2s t a n d a r d ，d e f i n i n g a l l o p e n s e r v i c e i n f o r m a t i o ns y s t e m ，a i m i n ga tp o p u l a r i z i n gt h et e l e v i s i o ns e r v i c eb a s e do nm p e g 一2 s t a n d a r d ，i t s p e c i f i e sb a s e l i n es y s t e m s f o rv a r i o u st r a n s m i s s i o nm e d i a ，s u c ha s s a t e l l i t e ，c a b l e ，t e r r e s t r i a l ，e t c b a s e do nt h et h e o r yo fe u r o p e a nd v b a s is t a n d a r d ，t h et h e s i sf o c u s e so nt h e r e s e a r c ho fd e s i g ns c h e m eo ft s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rs y s t e m ， t h e na c c o r d i n gt ot h es c h e m ei m p l e m e n t st h et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n go fm p e g 一2 t s a tf i r s t ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fe u r o p e a nd i g i t a lt e l e v i s i o n s t a n d a r d ，g i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt od v b - t ，d v b - ca n dd v b ss t a n d a r d t h e n ， t h i st h e s i s e m p h a s i z e so nd e s i g n i n gd v b a s ii n t e r f a c es y s t e m ，s i m u l t a n e o u s l y d i s c u s s i n g d v b a s i s y s t e mp r o t o c o l s t r u c t u r ea n dt w o - n o t e w o r t h i n e s sp r o b l e m r e l a t i n gw i t hd v b - a s is y s t e md e s i g n 。i nt h i r dp a r t ，t h eh a r d w a r ec o n s t i t u t i n g s t r u c t u r eo fd v b a s is y s t e ma n dt h ef u n c t i o n so ft h eu s e dc h i p ，s u c ha sf p g ai c ， a s ii c ，p c ii ca n d8 0o n ，a r ed e s c r i b e d ；a n da l s od i s c u s s e ss e v e r v a li m p o r t a n t p r o b l e m si n t h ep c bd e s i g n t h e n ，t h i st h e s i se m p h a s i z e so na n a l y z i n gt h es y n t a x s t r u c t u r eo fm p e g - 2t r a n s p o r ts t r e a ma n dt h ei m p l e m e n to fs y s t e mt a r g e td e c o d e r a t l a s t ，t h ed e s i g no fs o f t w a r ei np ci n c l u d i n gt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gt sm o d u l e ， p a r s i n gt sm o d u l e ，d e c o d i n gt sm o d u l e ，i sd i s c u s s e di nd e t a i l s k e y w o r d sd v b - a s i ；m p e g 2 ：p c i ；f p g a ；t s i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 组侈 作者签名：67 旷j日期：细歹年占月t 占日 嘭钐劬 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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：砖思了日期：扣庳g 月佣 导师签名：墨嘭饧吼年月日 第一章概述 1 1 引言 第一章概述 电视作为一种现代化的大众传播媒体，已经走进了千家万户。人们对电视节 目内容的要求、电视节目质量的要求以及电视节目互动性的要求越来越高。传统 的模拟电视系统，由于其带宽限制，无法提供更多的、更清晰的电视节目。采用 了数字化技术的电视系统，人们可以在电视机上看到d v d 质量清晰的电视图像， 享受到电影院的音响效果，频道可从几十套增加到几百套，用户不仅能看到现有 的电视频道，还能欣赏卦新开办的多样化、专业化、个性化节目，而且可以获得 如电视政务、电视商务、即时天气预报、生活信息、交通信息、股票信息、短信 彩信等大量的资讯信息和服务。 由于视频信息内容丰富且信息量大，对视频信号的处理、传输、存储和显示 都提出了新的要求。而视频信号的传输则是整个数字电视系统中重要的组成部分 之一。关于视频信号传输技术的研究，有利于推动数字电视技术的发展。 1 2 欧洲数字电视发展进程 欧洲电信标准化协会( e t s i ) 于1 9 9 3 年9 月制定d v b ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) 项目，推出了全数字电视系统。欧洲通信标准组织分别通过d v b 卫星标准、d v b 电缆电视标准和d v b 普通电视标准。 1 、d v b 卫星电视标准( d v b s ) ： d v b s 用于卫星信道。卫星信道的特点是，可用频带宽、功率受限、干扰大、 信噪比低，所以要求采用可靠性高的信号调制方式、强的信号纠错能力，对带宽 要求特别高。因此d v b s 采用前向纠错( f e c ) ( 包括v i t e r b i 编码、交织、r s 编码及加扰等电路) 、正交移相键控( q p s k ) 调制的信道处理，然后馈送给卫星 链路。接收时进行相反的处理。 2 、d v b 电缆电视标准( d v b c ) ： d v b c 用于有线信道。有线信道的特点是，信噪比高、频带资源窄、存在回 波和非线性失真。这些特点要求d v b - c 采用带宽窄、频带利用率高、抗干扰能 力较强的调制方式。同时，由于信道信噪比高，误码率较低，对纠错能力要求不 是很高。因此，d v b c 的信道部分采用r s ( r e e ds o l o m o n ) 码和卷积码交织技 术、正交幅度调制技术( q a m ) 。 3 、d v b 普通电视标准( d v b t ) ： d v b - t 用于地面广播信道。地面广播的特点是，地形复杂时存在时变衰落和 华南理工大学硕士学位论文 多径干扰，信噪比较低。因此d v b - t 采用前向纠错( f e c ) 方式，包括内码交织、 内码v i t e r b i 编码、外码交织、外码r s 编码和能有效消除多径干扰的正交频分复 用技术( d f d m ) 以及格雷码映射4 1 6 6 4 q a m 调制等进行信道处理。然后在原 来用于模拟的6 m h z 、7 m h z 和8 m h z 的频带内发送数字电视节目。d v b t 发送 的比特率是可变的。例如：在6 m h z 频带可在3 7 2 3 8 m b i t s 比特率之间进行选 择，以适应不同的接收环境，如移动接收应适当降低发送的码率。 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。目前， 应用d v b 标准发送视频节目的国家和地区在不断增加，远远超出欧洲的范围， 已有来自欧洲和美国的2 5 个国家约2 0 0 多个组织的参加，成为新一代世界范围内 的数字视频标准。 1 3 课题研究背景和论文内容安排 随着数字视频广播电视技术的不断发展，模拟电视向数字电视的过渡已全面 展开。我国也正在积极推动这项工作。数字电视产业化项目列为叫一五“计划十二 项重点项目之一。2 0 0 3 年6 月1 2 日，广电总局发布了我国有线电视向数字化过 渡时间表，并首批确定了北京、上海、广州等3 3 个试点地区。根据时间表，我国 数字电视采取先试点后推广的分阶段逐步实施的办法，2 0 0 8 年我国主要城市将完 成数字化过渡，北京奥运会将采用数字信号转播。2 0 1 5 年将全面停止模拟信号的 播出。 目前国际上已形成了以美国a t s c 和欧洲d v b 为代表的两大企业联盟组织， 分别制定了代表各自利益的数字电视标准，并在世界各地大力推广。我国目前尚无 统一的国家标准。因此，发展数字电视面临着技术标准的制式选择，就必须加快有 关国家标准的制定，才能不受制于人。标准制式已经成为未来数字电视是走自己的 路还是国内厂商最终成为外资的o e m 厂商的关键，也是摆脱数字电视产业链条 最末端的重要砝码。 本课题是根据欧洲d v b a s i 标准设计和实现d v b a s i 接口系统。该系统可 以高速无差错的接收和发送m p e g 2 传输流信号。 2 第一章概述 本文各章内容安排如下： 第一章绪论，介绍本文研究背景和主要工作内容： 第二章d v b a s i 接口系统的设计；首先，对d v b a s i 接口标准进行了描述， 包括d v b a s i 接口标准的介绍、d v b a s i 接口传输系统的框架和d v b a s i 系统协 议结构，并讨论了d v b a s i 接口传输系统设计中应注意的两个问题。 第三章d v b a s i 接口系统的硬件实现；首先，对d v b a s i 接口系统硬件实 现框架进行了一些简单的介绍；然后，分析了各个硬件模块的设计包括a s i 接口 实现设计、p c i 接口实现设计和f p g a 的应用等：最后，对p c b 设计中应注意的 一些事项进行了讨论。 第四章m p e g - 2 标准简介；首先，介绍m p e g 标准的发展历程，对各标准 的特点进行了概述；然后，详细介绍m p e g 2 标准系统部分的传送流语法结构及 系统目标解码器的工作原理，并讨论了音视频同步的方法； 第五章d v b a s i 接口系统p c 端的软件实现；首先，介绍m p e g 2 传输流 接收和发送模块；然后，讨论了多节目m p e g 2 传输流的分离模块；最后，简单 的介绍了一下m p e g - 2 传输流的解码包括t s 2 p e s 模块、音视频p e s 解码和音视 频的同步。 最后是结论、参考文献和致谢。 3 华南理工大学硕士学位论文 第二章d v b a s i 接口系统的设计 2 1 概述 在d v b 的应用系统中，异步串行接口a s i 是一种常用的接口模式【，可作为 广播电视的前端设备( 如调制器、复用器或网络匹配器等) 。该接口与d v b s p i 和d v b s s i 一样均为欧洲电信标准。由于各种有线电视设备的后继装置控制功能 不同，所以对d v b a s i 接口的要求也不同。欧洲电信标准给出的d v b a s i 接口 标准有很大的灵活性。 d v b a s i 接口以串行比特方式发送和接收m p e g 2t s 数据流，数据速率 2 7 0 m b s 。其连接方式是一种单向的、从发送到接收的连接模式，没有返回回路 和握手信号。由此决定了d v b a s i 接口有别于其它d v b 接口方式，其优点是1 3 4 】： 符合国际标准，可使用该接口组合多种广播设备：连接方式简单，采用串行模式； 易于处理冗余问题，并可利用冗余度实现差错控制：无须改变硬件结构即可发送 和接收各种速率的m p e g 一2 数据信号。 2 2d v b a s i 接口传输系统 图2 1 和图2 2 分别描述出基于同轴电缆的a s i 传输链路和基于光纤的a s i 传输链路【1 1 。 i 8 - 2 l i剧l层o f 繁缸重) 臣墨( 互m 重匪噩 2 鏊广i 繁虹翌) 匪口咂塑h 墅，臣煎 图2 1 基于同轴电缆的a s i 传输链路 f i g u r e 2 - 1 c o a x i a lc a b l e b a s e da s y n c h r o n o u ss e r i a lt r a n s m i s s i o nl i n k d v b a s i 接口系统传输的数据是标准的m p e g 2 传输流分组。在发送过程中， 字节首先经过8 b 1 0 b 编码，也就是每8 位字节产生一个1 0 位字。然后，这1 0 位字经过工作频带在2 7 0 m b i t s 的并，串转换器。如果爿r - m 转换器要求新的输入字 节，而数据源没有新的字节输入，同步字将插入。这些同步字将被接收设备忽略 掉。在同轴电缆的应用中，最后的串行比特流一般都要通过缓冲驱动电路，然后 4 第二章d v b - a s i 接口系统的设计 通过耦合瞬络到同轴电缆连接器。而在光纤电缆的应用中，串行比特流都是通过 驱动电路驱动l e d 发射器，然后通过机械的连接器与光纤电缆耦合。 层一2 i层，l 层加l m t s p e 包g - 2 到，l 8 b 编码1 0 bh 同款节h 黼转换 放大器缓冲 嚣 销 繁引! 墅兰h ! 耋重二h 箜鲨h 兰：墅兰二h 竺竺竺h 篁 图2 - 2 基于光纤电缆的a s i 传输链路 f i g u r e 2 - 2f i b r e - o p t i c b a s e da s y n c h r o n o u ss e r i a lt r a n s m i s s i o nl i n k 在同轴电缆应用的接收过程中，m p e g 2 传输流数据首先经过同轴电缆与连 接器耦合网络，然后进入时钟恢复电路和数据恢复电路。在应用光纤传输的接收 过程中，首先是光敏检测器将光平转换成电平，然后再通过时钟和数据恢复电路。 恢复串行数据比特是通过一个解码器转换1 0 位传输字回到原来传输的8 位字节。 为了恢复字对齐，解码器首先查找同步字；同步字是一个特别的1 0 位字，它不会 出现在所有可能输入的数据字。一旦发现同步字，标志着开始接收数据并建立相 应的解码器字同步输出字节。 2 3d v b a s i 系统协议结构 d v b a s i 系统协议结构分为三层：层0 、层l 和层2 。 2 3 1 层o ，物理层 物理层规定了传输介质、驱动器、接收器以及传输速度。d v b a s i 标准对两 种传输介质分别做了考虑，一种是l e d 驱动的多模光纤，一种是同轴电缆，并规 定链路的传输速度为2 7 0 m b s 。物理层的基本单元是链路。图2 3 说明了d v b a s i 标准关于发送( s ) 和接收( r ) 的连接要求。 广= _ = _ 连接器连接器r 【慧 j 卜豇唾 鬻i 6由 图2 3 层0 链路连接参考 f i g u r e2 - 3s e r i a ll i n kl a y e r - 0r e f e r e n c ep o i n t s 物理层最关心的问题是抖动问题。在同轴电缆应用中，抖动主要是指传统与 5 华南理工大学硕士学位论文 随机抖动以及占空系数的失真。而在l e d 驱动的光纤应用中，抖动有随机的抖动 ( r j ) 和确定的抖动( d j ) 。这些抖动会引起接收的串行比特流出现伪码现象。 在传输系统中，确定的抖动( d j ) 是因为在正常电路情况的时序失真而产生。确 定的抖动( d j ) 包括信号上升沿和下降沿之间的传播延迟差异以及受带宽限制的 传送部份与符号顺序之间影响。随机的抖动( r j ) 是由系统中的热噪声引起，这 种热噪声的产生属于高斯过程。 用8 b 1 0 b 分组码编码后传输线速率为2 7 0 m b i t s ，因而在物理介质中数据传 输的速率为2 7 0 m 波特( b a u d ) 。在发送过程中，发送器通过晶振产生2 7 m h z 时 钟来进行并行的字节传输。在接收过程中，接收器从接收进来的数据中，采用锁 相环( p l l ) 恢复出2 7 m h z 传输时钟，采用恢复出来的2 7 m h z 时钟用于传输字 节到层1 处理单元。 2 3 2 层1 ，数据编码层 数据编码层包括对串行编码规则、专用字符和差错控制的规定。它采用d c 平衡的8 b 1 0 b 传输码。这种编码方式把每一个8 b i t 数据字节变换成具有下列特 性的1 0 b i t 码字：1 、游程长度等于或小于4 b i t ：2 、d c 编制最小。这种码通过无 效传输码点和“运行”不等性来提供差错校验。作为超出对数据字节进行编码需 要的额外码字，规定了专用字符。特别是逗号这个字符，用于在d v b a s i 传输 链路中建立字节对齐。这个系统以字节同步的方式接收m p e g 2 传送包，接收的 参考时钟是采用固定的2 7 m h z 的时钟频率。接着，对字节进行8 b 1 0 b 编码，对 出现的每一个8 b i t 字节产生一个1 0 b i t 的字，使这些1 0 b i t 字通过以固定输出比特 率2 7 0 m b s 工作的并，串转换。如果并串转换器请求输入一个新字，但是数据源 还没有准备好新字，就应该插入同步字k 2 8 5 。 接收装置利用接收的串行比特流来恢复时钟信号，同时，把串行比特流转变 为1 0 b i t 的字，经过8 b 1 0 b 解码器把这些1 0 b i t 的字解码成8 b i t 的字节。在解码 的同时识别出有效的m p e g 2 数据信号和插入的逗号字符( k 2 8 5 ) 。在传输的过 程中，因为传输的抖动和干扰会引起传输出现字节的伪码。这种现象使得并，串转 换器错误识别接收的1 0 b i t 字。字节对齐的恢复可以很好的解决这这个问题。在 接收到的5 个字节窗口中检测到相邻的两个k 2 8 5 传输字符，则认为后面的字节 为有效的排列顺序。将解码后的数据送入串并转换器，把每个1 0 b i t 的码字转换 回8 b i t 的码字，从而恢复出m p e g 2 传送流分组。 2 3 3 层2 ，传输协议层 传输协议层使用m p e g 2 传送流分组作为基本的信息单元。传输流分组可作 为一块连续的字节被传输( 也就是说，传输流中单个分组中没有同步字节插入) 6 第二章d v b a s i 接口系统的设计 或作为字节插入同步字传输，或者两种方式混合传输。 传输的要求，在每个传输流分组之间前必须有至少两个同步字( k 2 8 5 字符) ， 为0 0 1 11 1 1 01 0 或1 1 0 00 0 0 10 1 。 传输分组格式，传输分组结构应该符合文献 2 5 】中关于传输流分组结构规范。 包的长度可以为1 8 9 字节或2 0 4 字节。 传输包时序，如图2 - 4 所示为连续字节传输方式和如图2 5 所示为单个字节 传输方式。 筐父二二二三曼二二麓 8 b 1 0 b 编码 m p e g - 2 传输包 1 8 8 0 b i t 填充数据 特殊字符逗号k 2 8 5 n + 1 0 b i t 图2 - 4 数据包的传输格式( 以1 8 8 字节为一个包为例) f i g u r e 2 - 4t r a n s m i s s i o nf o r m a tw i t hd a t ap a c k e t s ( e x a m p l ef o r18 8b y t e s ) 图2 - 5 数据脉冲的传输格式( 以1 8 8 字节为一个包为例) f i g u r e 2 5t r a n s m i s s i o nf o r m a tw i t hd a t ab u r s t s ( e x a m p l ef o r18 8b y t e s ) 2 4d v b a s i 设计时应注意的问题 为了提高设备的互用性，不同厂家生产的m p e g 2 设备可以互连。a s i 传输 链路设计中有两个问题需要考虑。一个是由a s i 的异步传输特性引入的问题；另 一个是由a s i 传输流非局期性引入的问题【3 3 j 。 2 4 1a s i 的异步传输特性引入的问题 a s i 是单向的传输链路，它可以在数字视频设备间传输数据，图2 - 6 给出了 一个a s i 传输链路的理论模型，该模型基于a s i 的层1 和层0 。 图2 - 6 a s i 传输示意图 7 华南理工大学硕士学位论文 f i g u r e2 6a s it r a n s m i s s i o ns k e t c hm a p 框图包含一个a s i 传输节点a ，在这个节点处数据进入传输缓冲器，在传输 时钟的控制下，数据以恒定速率输出，这就产生了一个同步数据流。由于a s i 的 传输是异步的，在图中加入一个“可变延时”功能块，被修改的t s 流通过a s i 链路传输到接收缓冲器，数据在接收时钟的控制下，以恒定的速率输出缓冲器。 在这里必须确保从接收器出来的数据流与传输缓冲器的输出流类似，那么在设计 a s i 传输系统时就不能不考虑应采用的缓冲器的长度。图2 - 6 中，可变延时功能 模块体现了a s i 的异步传输特性，这种特性可以表示为一个短的时间段内数据传 输速率发生的变化。d v b 规范中，数据速率在一段固定时间( 称为窗) 内进行平 均，每个窗内含有一定数据( n ) 的时间段，d k 代表第k 个时间段中传输的字节 数( 图2 7 ) 。 图2 7 时间窗示意图 f i g u r e2 - 7t i m ew i n d o w ss k e t c hm a p 月= 一l y 皿一。 窗内的平均数据速率( 字节秒) 由下式得出：a s i r a m x = 毛_ 。 这里，为时间窗内时间段数据，r 为时间窗的持续时间。 每次进行测量后，时间窗内的测量时间向后移动一个时间段( 用x = t n 表示) ， 然后将测得的各个d 值相加，再除以时间窗持续时间，就得到该时间窗内数据传 输的平均速率。该速率规范允许代入不同的和丁值。 通过以上分析，可以假设传输速率与上式中的平均速率相等，但由于实际速 率可能并不是这个平均速率，它往往会偏离该值，因此引入“峰值速率”来表示 在n 个时间段内的最高速率。在这个峰值速率下，数据迅速填满接收端的缓冲器， 而当接收时钟与传输时钟绑定时，接收缓冲器中的数m 据是以平均速率流出的， 它比峰值速率要低得多。一个瞬时的高速率之后，又是一个瞬时的低速率，因此 接收缓冲器中有时填充了大量的字节，如果接收缓冲器的长度不够，将导致数据 上溢出，造成数据的丢失；或者有进会发生下溢出，缓冲器读空。设计中一种极 端情况是：当以2 7 0 m b i t s ( a s i 链路的最高速率) 的速率传输时，峰值速率时间 段内传输了所有的数据，其他时间段内却没有数据传输。那么，接收缓冲器的长 度就要求能支持这种情况，而不会造成数据的丢失。 8 第二章d v b a s i 接口系统盼设计 2 4 2 a s i 传输流非周期性引入的问题 某些a s i 传输流具有非周期性，为了确保正确的接收( 把同步字节正确识别 出来) ，接收端所需的缓冲器的长度在图2 7 加以说明。图2 8 中信号处于层0 和 层1 的接口部分。假设从一个m p e g 2t s 开始到下一个m p e g 2t s 开始，其间 的总字节数为一个m p e g 2 传输包周期。在图2 8 ( a ) 中，a s i 传输流具有周期 性，传输一个t s 包之后就插入若干同步字符k 2 8 5 ，那么，接收端所需的缓冲器 的长度为一个传输包长时，就可以正确识别同步字节。而在图2 - 8 ( b ) 中，传输 包是非周期的( 第一个包长与第二个包长不等) ，为消除其非周期性，正确识别同 步字节，所需的a s i 接收缓冲器取为两个m p e g 2 包。这样时钟成分比较丰富， 可以确保正确地把m p e g 一2 t s 提取出来。如果缓冲器的长度不够长，则容易错判， 并且，输出的码流不具有周期性。 ( b ) 豳 同步字节 团m p e g 传输字节 a s i 填充字节 图2 - 8a s i 传输包周期性与非周期性示意图 f i g u r e2 - 8a s it r a n s p o r ts t r e a mp a c k e ts k e t c hm a p 从以上的分析中可以看出，在a s i 设计时，应考虑到链路的时延变化特性。 当传输速率和接收速率绑定时，为了正确接收数据流，所需要的接收器缓冲器的 长度是设计时要注意的方面。另外，为了消除传输流的非周期性，接收缓冲器的 长度也要加以考虑。对这两方面的进行综合考虑，设计出来的接收缓冲器才能具 有较好的性能。 2 5 本章小结 本章首先讲述了a s i 接口用于视频传输的优点，进而讲述基于同轴电缆和基 于光纤两种模式的d v b a s i 接口传输系统构成，并分析了d v b a s i 接口系统三 层协议结构，最后提出了d v b a s i 设计中需要考虑的两个问题。 9 华南理工大学硕士学位论文 第三章d v b a s i 接口系统的硬件实现 3 1d v b a s i 接口系统的硬件实现概述 d v b a s i 接口系统的实现概念框图如图3 - 1 所示 图3 - 1a s i 传输系统概念框图 f i g u r e 3 一lc o n c e p t u a lb l o c kd i a g r a mo fd v b a s ls y s t e m 接收过程中，m p e g 2 传输流数据从b n c l 进入线路驱动器后，然后经过传 输流解码器进入f p g a 内部的接收f i f o 。由f p g a 控制f i f o 中的数据放入 s d r a m 中。当p c i 总线接口控制器发出一个总线申请的操作的时候，f p g a 将 s d r a m 的总线切换到p c i 总线控制器。此时起动d m a 传输操作将s d r a m 中 的数据读到电脑中。 发送过程中，由p c 端通过应用程序选择用户数据通过p c i 接口发送到 s d r a m 中，f p g a 控制器将s d r a m 中的数据经发送f i f o 送到传输流编码器。 从传输流编码器出来的数据，再经线路驱动器将一路视频数据分成正反两路视频 数据经耦合网络送出。 由p c 端的应用程序来选择是否接收和发送视频数据。 l o 第三章d v b a s i 接口系统的硬件实现 3 2a s i 接口的硬件实现 3 2 1c y p i 砸s s 公司的a s i 接口芯片介绍 c y p r e s s 公司针对a s i 接口标准推出了一系列的接口芯片。主要有以下六 种【3 】： 1 、c y 7 8 9 2 3 c y 7 8 9 3 3 发送器接收器 2 、c y p l 5 g 0 4 0 1 d x b 四通道收发器 3 、c y p l 5 g 0 2 0 1 d x b 双通道收发器 4 、c y p t 5 g 0 1 0 1 d x b 单通道收发器 5 、c y p l 5 g 0 4 0 3 d x b 四通道独立时钟收发器 6 、c y p l 5 g 0 4 k x x x 可编程串行接口 本文主要介绍该公司第一类编解码芯片c y 7 8 9 2 3 c y 7 8 9 3 3 。 3 2 2c y 7 8 9 2 3 编码芯片 3 2 2 1 芯片特性 c y 7 8 9 2 3 是c y p r e s s 公司推出的一种同于点对点之间高速串行数据通信的 发送芯片。c y 7 8 9 2 3 采用的是基带传输通信方式。其性能特点主要有2 9 】： 1 ) 适用于光纤通道、d v b - a s i 、a t m 及s m p t e - 2 5 9 m 等： 2 ) 8 b 1 0 b 编码传输或不编码直传； 3 ) 低速链路速率为1 5 0 1 6 0 m b p s ，高速链路速率为1 6 0 4 0 0 m b p s ； 4 ) 适用于光纤、同轴电缆和双绞线等多种传输媒介； 5 ) 最大传输距离( 以3 3 0 m b p s 为参考值) ：光纤几千米，同轴电缆1 5 0 米， 屏蔽双绞线8 0 米，非屏蔽双绞线4 0 米； 6 ) 采用t t l 同步i o 方式： 7 ) 3 5 0 m w 低功耗； 8 ) 兼容光纤、同轴电缆和两者的混合； 9 ) 内置自我检测。 3 2 2 2 内部逻辑 c y 7 8 9 2 3 的内部电路主要包括时钟产生器、输入寄存器、编码器、移位寄存 器、三对差分p e c l 输出对以及测试逻辑。如图3 2 所示： 输入寄存器的数据输入时序和标准f i f o 的数据输出时序相一致，因而不需 外加逻辑电路，便可和同步f i f o 芯片或异步f i f o 芯片直接连接并将f i f o 芯片 中的数据读入到输入寄存器中，然后再发送出去。在b i s t 方式下，借助于内部 逻辑电路，并行输入寄存器又可作为线性反馈移位寄存器，用于产生一串5 1 1 字 华南理工大学硕士学位论文 节的包含有数据、特定的有效字符码以及设定违例码等一串伪随机序列。 图3 2c y 7 8 9 2 3 发送器逻辑框图 f i g u r e3 - 2c y 7 8 9 2 3t r a n s m i t t e rl o g i cb l o c kd i a g r a m 编码器用于将保存在输入寄存器的数据转换为适合串行e l 输出的数据形式。 由s c # 的输入形态来决定其编码方式：s c d z1 即为高电平时，按控制码表转 换输入的数据为控制码；s c 5 = 0 即为低电平时，按数据码表转换输入的8 位数 据为1 0 位数据码。当设定m o d e 为高电平时，可屏蔽掉编码器8 b 1 0 b 的编码功 能。 o u t a + 和o u t b + 两对差分输出受f o t o 控制，o u t c + 贝i j 不受f o t o 影响， o u t c + 能连续输出数据流，适用于系统进行自环测试。为减少功耗，不用的输出 端都应接高电平，以禁止相应的输出电路工作。 3 2 2 3 工作原理 c y 7 8 9 2 3 的发送工作主要由e n n ( 下一个输入数据使能) 、e n a ( 输入数据 使能) 来控制。当丽或吾丽为低电平时，在c k w 的上升沿，用户的8 位数据 或协议信息将读入发送器的输入寄存器中。然后由编码器编码后送到移位寄存器， 最后在位时钟的控制下通过三对p e c l 差分对串行输出。 c y 7 8 9 2 3 的发送操作方式有三种：编码方式、直通方式( 非编码方式) 、测 试方式。 在编码操作方式下，允许用户发送8 位的数据和控制字符( 数据类型控制字 符s c d 和输入数据检测字符s v s ) 。译码器根据输入的8 位数据和控制字符的状 态等对输入数据进行译码，若数据的内容为正常的数据码，则s c d 为低电平，且 应该使用有效数据码表中的数据字符码组来对输入数据进行编码。若输入数据的 1 2 第三章d v b a s i 接口系统的硬件实现 内容为控制码或协议信息，l l t s c f i 应为高电平，且应按照有效特殊字符码和码系 统等表中的字符码或码组来对输入的数据编码。 测试字符和测试码系列中包含有测试光纤通路连接的码组，这些码组也可用 于测试系统连接中传输误码与定时之间的响应关系。违例字符也可以作为用户数 据包的一部分发送出去( 例如：发送c o 7 ，d 7 o = 1 1 1 0 0 0 0 0 ，s c d ) ，或者由外 部系统通过改变s v s 输入电平来发送违例字符( 将s v s 置为低电平) 。测试时， 无需对系统的传输接口电路作任何改动即可使其产生传输误码，因而允许系统测 试逻辑按照确定的方式来评估系统的误码率。 直通操作方式下，输入的数据是已译码的1 0 位数据即d o 7 ( d b h ) 、( d 。) 和 s v s ( d j ) 等数据，s c d 和s v s 分别作为d 。和d i 的数据输入脚。这1 0 位数据 经直接串行化即可发送出去，数据译码方式的选择可由设计者来决定，对数据的 译码也可通过外加电路来实现。需要注意的是：所选择的译码方式必须保证接收 器p l l 同步器能正确的恢复出2 7 m h z 的时钟。 在c k w 上升沿进入到输入寄存器中的数据，在c k w 的下一个上升沿进入 到移位寄存器。 3 2 2 4 发送电路设计 采用c y 7 8 9 2 3 的a s i 接口发送电路设计，如图3 3 所示【4 i 。 s h o t l i r i l ( ” c v 7 b 9 2 3 ” d 1 。outm c l c 0 0 7 d 3o o t c 上占一专 d 4o d t c +上= 己雪 d 5o u t b +韭i 牛； d 6o l ml l 一 d 7f o t o 匀： 。l s v sm o d e 2 4 心 e n ae n nk 骂 c k w 面而i 图3 - 3 a s i 接口发送电路设计 f i g u r e3 - 3a s it r a n s m i t t e rc i r c u i td e s i g n c y 7 8 9 2 3 的三对差分输出端( o u t a + 、o u t b + _ 、o u t c + ) 每一对输出端都 可以输出一路视频流，因而c y 7 8 9 2 3 总共可以输出三路视频流。本系统只需要 用到一对差分输出端进行视频流传输，其他多余的输出端应接高电平以减少功耗。 1 3 华南理工大学硕士学位论文 这些差分输出端必须加有正确的偏置电压才能正常工作。它的外围电路必须 同时满足与差分输出端直接相连的芯片的要求和c y t b 9 2 3 差分输出端的要求。 如图3 - 3 ，则必须保证c y 7 8 9 2 3 差分输出端的偏置电压也在c l c 0 0 7 输入电压的 要求范围之内。 3 2 3c y 7 8 9 3 3 解码芯片 3 2 3 1 芯片特性 c y t b 9 3 3 性能特点主要有【3 0 】： 1 ) 适用于光纤通道、d v b a s i 、a t m 及s m p t e 2 5 9 m 等： 2 ) 8 b 1 0 b 解码传输或不解码直传； 3 ) 低速链路速率为1 5 0 1 6 0 m b p s ，高速链路速率为1 6 0 4 0 0 m b p s ； 4 ) 适用于光纤、同轴电缆和双绞线等多种传输媒介； 5 ) 最大传输距离( 以3 3 0 m b p s 为参考值) ：光纤几千米，同轴电缆1 5 0 米， 屏蔽双绞线8 0 米，非屏蔽双绞线4 0 米： 6 ) 采