（微电子学与固体电子学专业论文）数字电视机顶盒解复用电路的设计.pdf

数字电视机顶盒解复用电路的设计 摘要 本文中的解复用模块是数字电视机顶盒中的单片式解复用器与解码芯片的 一部分。数字电视机顶盒是模拟电视机向数字电视机过渡的最佳解决方案，是 数字时代家庭必备的多媒体信息终端，使用数字电视机顶盒的有线电视用户， 可以享受电视、数据、话音等全方位的信息服务。我国试行的数字电视标准是 在移植欧洲数字视频广播标准( d v b ，由i s o i c e1 3 8 1 8 描述) 的基础上制定 的，而d v b 标准采纳m p e g 2 标准的系统层。所以本文在对数字机顶盒作简 要介绍后也将简单介绍m p e g 2 的特点以及码流格式。最后依据m p e g 2 的码 流格式定义完成本设计，阐述该解复用模块的功能、工作流程、总体硬件结构 图及硬件电路的r t l 代码描述、模块与外部的接口时序以及周期分析等。 关键词：数字机顶盒，d v b ，m p e g 2 ，传输流，节目流，解复用，r t l 代码 d e s i g no fd e m u x c i r c u i ti ns t b a b s t r a c t t h ed e m u xm o d u l ep r e s e n t e di nt h i sp a p e ri so n ep a r to fs i n g a l c h i pf o rs t b ( s e tt o pb o x ) s t bi sab e s tt r a n s i t i o n a li m p l e m e n tb e f o r ed i g i t a lt e l e v i s i o n r e p l a c ea n a l o gt e l e v i s i o nc o m p l e t e l y ，i ti sa l s oan e c e s s a r yt e r m i n a li n f o r m a t i o nu n i t o fm u l t i m e d i ai nt h i sd i g i t a la g e t h ec o n s u m e r so fc a t vw h ou s es t bc a ne n j o ya i n t e g r a t i v ei n f o r m a t i o n a ls e r v i c e ss u c ha st v , d a t u m ，s o u n da n ds oo i l t h et e n t a t i v e s t a n d a r df o rd i g i t a lt e l e v i s i o ni nc h i n ai se s t a b l i s h e d b y t h ed v b ，w h i c hi s c o n s i t u t e do ft h es y s t e ml a y e ro ft h em p e g - 2s ot h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w ： d e s c r i b i n gt h ep r i n c i p l ea n dc o n f i g u r a t i o ni nc h a p t e ro l l e ，i n t r o d u c i n gt h es y s t e m i c l a y e ro fm p e g 一2i nc h a p t e rt w o ，c h a p t e rt h r e ew h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f t h i s p a p e r i sad e t a i l e d p r e s e n t a t i o n o fm yd e m u xm o d u l e d e s i g n i n c l u d e f u n c t i o n ，f l o wc h a r t ，h a r d w a r ef r a m e w o r k ，r t lc o d e ，i n t e r f a c ep e r i o d sr e q u i r ea n d c y c l ea n a l y s i s k e y w o r d s ：s t b ，m p e g 一4 ，p e g 一2 ，h 2 6 4 ，t r a n s p o r ts t r e a m ，p r o g r a ms t r e a m ， d e m u x ，r t lc o d e 插图清单 图i 2 1 数字电视厂播接收解码示意图4 图1 。2 2 机顶盒软件系统结构5 图1 2 3 中间仲位置5 图2 21 单个的音频和视频数据流的复用方式一1 3 图2 2 2 典型的传送多路解调和解码的示例1 5 图2 2 3 典型的传送多路复用示例1 5 图2 2 4 典型的传输流到程序流的转换1 5 图2 2 5 节目流原型解码器1 6 图3 ，1 1 数字电信信号绷解码系统2 0 图3 ，2 1 传输流数据包报头2 l 图3 2 2 解码器利用p c r 重建节目时钟原理2 2 图3 2 3p s i 信息2 4 图3 。2 4p t s 和d t s 示例2 5 图3 2 5 传输流工作状态下的流程图，3 1 图3 31 节目流和i p 状态下的1 二作流程图3 5 图3 4 】解复用电路总体硬件结构图3 6 图3 5 1d e m u x 与m e m o r yi n t e r f a c e 接口时序4 2 图3 5 2d e m u x 与p c i 模块的接口时序4 3 表3 21 表3 2 1 表3 2 1 表3 2 1 表3 2 ，1 表3 31 表3 3 ，2 嵌33 2 p e s 分组码流格式 p e s 分组码流格式( 续1 ) p e s 分组码流格式( 续2 ) p e s 分组码流格式( 续3 ) p e s 分组码流格式( 续4 ) 节目流组一 侉目流组头部 仃目流组头部( 续袭) 表格清单 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 2 3 2 3 3 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_ l 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒趔：i 些厶堂或其他教育机构的学位或证仕而使jj j 过的材 料。与我一同i 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾作了明确的说明，f ：表示谢 意。 学何论文作者签字：签字日期；= f f _ =月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒虺互些盍堂有关保留、使j | j 学位论文的规定有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目b 王些态堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：渤 签字日期：爷儡年弓月p 日 学位论文作者毕业后去向：淘雾、半軎讯工1 准 工作单位：晦幕d 喝唧氧 通讯地址：乜i 5 i 布 导师虢1 ，努 签字日期：c 瑶年7 月c 1 一日 电话：3 掰“ 邮编： 致谢 本论文是在刘声雷教授和宁波中科集成电路设计中心黄晁博士、陈红洲老师的悉 心指导下完成的。刘声雷老师在我平时的生活和学习中给予了极大的帮助，在论文的 写作上也给予了尽可能多地支持。感谢两位老师的培养、支持和谆谆教诲。 本课题是在宁波中科集成电路设计中心完成的。在该课题期间，宁波中科集成电 路设计中心为我提供了良好的软、硬件环境，并且特别为做课题的学生们在生活以及 学习上提供特殊的照顾，借此机会向他们表示真诚的谢意。在这里特别要感谢的是凤 芯项目组副组长彭聪，他在项目的进行中对我进行了很多无私的指导的帮助。同时还 要感谢与我一同在宁波中科做课题的同学们，我们在项目进行中互帮互助，共同进步。 感谢凤芯项日组的所有老师、员工以及客座学生对我的帮助。 感谢理学院的老师和同学! 感谢所有教育过我的老师们f 感谢文中引用过文献的所有作者们! 感谢我的父母家人对我的支持和关心! 作者：吴艳芳 2 0 0 6 2 1 9 前言 随着广播电视技术的发展和广播电视设备的更新，电视领域发生了一系列 巨大的变化，会议电视、v c d 、d v d 、数字电视以及高清晰度电视( h d t v ) 等 新技术和新系统正迅速走进我们的生活。与传统的模拟电视相比，这些新系统 的突出特点是采用了全数字的图像声音处理技术。针对不同的应用领域，一系 列相应的数字视频音频编码标准也迅速地被制定并不断得到完善，其中包括： 应用于会议电视及可视电话的h 2 6 1 ，用于静止图像压缩的j p e g ，用于v c d 的m p e g 1 、用于广播电视、d v d 以及h d t v 的m p e g 一2 、用于网络电视的 m p e g 4 等。与此同时，数字演播室标准及数字电视的质量评价标准也制定出 来。 数字电视可从节目内容、技术角度和用户角度来解释。从用户收视角度解 释，用户采用i r d ( i n t e r g r a t e dr e c e i v e r d e c o d e r 综合解码接收机) 或数字电视 接收机( d v b 接口) 收看的节目，方为真正意义上的数字电视节目；按节目内 容来源划分，数字电视节目可以是电视节目，也可以是电影；从技术角度解释， 数字电视节目可以是以数字方式拍摄、制作、存储、播出和传输的电影和电视， 也可以是以前库存的资料片经数字化处理所制成的电影和电视。 数字机顶盒是在过渡时期用模拟电视机接收数字电视节目、提供综合信息 业务的终端设备。它在我国的应用是从1 9 9 5 年1 1 月3 0 日接收中央电视台4 套数字压缩加扰收费电视节目开始，随后各省、市、自治区电视台也采用数字 压缩方式利用卫星传输，各地有线电视台利用卫星数字电视接收机接收转播。 1 9 9 9 年1 月1 日开始实施“村村通广播电视”工程，卫星数字电视接收机普及 较快，但根据我国国情，卫星数字电视节目暂不准个人接收。 有线数字电视4 个环节中前3 个环节一节目制作、信号发射、信号传输 都已实现了数字化，剩下要解决的是用户接收数字电视这一环了。而实现终端 接收数字电视的关键，就是在模拟电视机上安装数字机顶盒，因此数字机顶盒 是实现有线电视数字化的标志，换言之，数字机项盒是实现“有线电视向数字 化整体平移”战略的跳板。对于有线电视网络运营服务商来说，也只能通过数 字机顶盒的推广入户，才。能打开数字电视的大门，使数字电视产业链的形成及 有线电视由粗放型经营向集约化经营转变成为可能。 根据国家数字电视发展计划的时间表，2 0 0 3 年正式在有线电视网上播出标 准清晰度电视和高清晰度电视，同年完成我国地面数字电视广播频率规划和标 准制定，并有计划在一些重点城市进行标准清晰度电视和h d t v 试验播出，2 0 0 5 年正式播出，“十五”期间全面推进卫星数字电视传输，2 0 0 5 年停止上星节目 的模拟传送：2 0 0 5 年，省级以上广播台、电视台基本实现采、编、播数字化， 节目传输、交换网络化，2 0 0 8 年，在北京奥运会上，将向世界转播数字高清晰 度电视节目，2 0 1 0 年我园广播电视全面实现数字化，2 0 15 年停止模拟广播电视 的播出，完成从模拟制式向数字化制式的过渡。 按照广电总局“十五”计划，2 0 0 5 年要实现有线数字电视用户超过30 0 0 万，这意味着至少要推出30 0 0 万个数字机顶盒。这很具有商业上的应用前景， 众多i c 设计者们都准备在此应用项目上大展手脚，同时这种竞争也促进了数字 机顶盒功能上的完善、技术上的革新，这其中当然就包括了本文所阐述的对码 流解复用步骤上功能完善和技术革新。现有的数字机顶盒中，解复用器多是由 单独的芯片完成，现在越来越多的厂家研发包含解复用器和解码器( 更有包括 解扰器的) 功能的单片芯片。本文中所述的解复用电路就是单片式解复用和解 码芯片中的一部分。 2 1 1 数字电视机顶盒的基本概念 第一章绪论 数字电视机顶盒( s t b ，s e t t o p b o x ) 是扩展电视机功能的一种新型家用电 器。它把卫星直播数字电视信号、地面数字电视信号、有线电视网数字信号甚 至互联网的数字信号转换成模拟电视机可以接收的信号，使观众可以在现存模 拟电视机上观看数字电视节目，进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的 消费类电子产品。数字电视机顶盒是模拟电视向数字电视过渡期间的产品，通 过数字电视机顶盒，不仅可以提供丰富的节目内容，而且改变了收看电视的传 统方式。 1 2 数字电视机顶盒的原理与结构 数字电视机顶盒接收数字电视节目，处理数据业务和完成多种应用的解析。 各类信源在进入有线电视网络之前经过两级编码，第一级是音视频信号的信源 编码，并将所有信源封装成传输流，第二级是传输用的信道编码。与前端相应， 数字电视机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调，接着还原压 缩的信源编码信号，恢复原始音视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、 解析。 数字电视机顶盒的工作过程：数字电视机顶盒通过网络接口模块选择频道， 并进行解调和信道解码处理，输出m p e gi i 多节目传输流数据，送给解复用器， 解复用器从m p e gi i 传输流数据中抽出一个节目的已打包的视音频基本流 ( p e s ) 数据，包括视频p e s ，音频p e s 和辅助数据p e s ，解复用器输出的是 的音视频p e s ( 在本设计中的单片解复用和解码芯片中，解复用模块输出到外存 的是音视频e s ) 。视频e s 送入视频解码器，取出m p e g i i 视频数据并对其解码 后，输出到模拟编码器，编码成模拟视频信号，再经视频输出电路输出。音频 e s 送入音频解码器，取出m p e g i i 音频数据并对其解码，输出脉冲编码调制 ( p c m ，p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 音频数据到音频d a 变换器，音频d a 变换 器输出模拟立体声音频信号，经音频输出电路输出。其接收解码示意图如图 1 2 1 。 数字电视机顶盒包括硬件和软件两部分。硬件提供数字电视机顶盒的硬件 平台，实现音视频的解码，软件用来实现电视节目内容的重现、操作界面的实 现、数据广播业务的实现，以及机顶盒和i n t e r n e t 的互联。 l 、数字电视机顶盒硬件组成 ( 1 ) 网络接口模块( n i m ) ：网络接口模块完成信道解调和信道解码功能， 送出包含视音频和其他数据信息的传输流( t s ) 。 ( 2 ) 信源数据传输流解复用器：传输流中一般包含多个音视频流及一些数 据信息，传输流解复用器用来区分不同的节目，提取相应的音视频流和数据流， 送入视音频解码器和相应的解析软件。 数手电础1 = m l p e g 传输流。 解复用器 一音视频p e s 网络接口模块 图1 2 1 数字电视广播接收解码示意图 ( 3 ) 条件接收模块：对于付费电视，条件接收模块还对音视频流实施解扰， 并采用含有识别用户和记忆功能的智能卡，保证合法用户正常收看。 ( 4 ) 音视频解码器和后处理：解码器完成对音视频信号的解压缩，经视频 编码器和音频d a 变换，还原出模拟音视频信号，在模拟电视机上显示高质量 图像，并提供多声道立体声节目。 ( 5 ) 嵌入式c p u 与存储器模块和接口电路：嵌入式c p u 是数字电视机顶 盒的心脏，它与存储器模块用来存储和运行软件系统，并对各个硬件模块进行 控制。接口电路提供丰富的外部接口，包括通用串行接口u s b ，以太网接口及 r s 2 3 2 ，模拟、数字视音频接口，数据接口等。 2 、数字电视机顶盒软件系统 在机顶盒中，软件系统是一个重要的组成部分。主控制器的工作通过软件 的执行来完成。 机顶盒的软件基本结构如图1 2 2 所示。操作系统一般采用实时操作系统。 在这个操作系统中主要完成进程调度、中断管理、内存分配、进程间通信、异 常处理、时钟提取等工作。硬件驱动部分提供外围硬件设备的驱动，包括1 2 c 总线、异步串行通信口、并行通信口、非易失内存、键盘、遥控器、调谐器、 信道解码模块等。图形接口主要用于完成图形显示功能，以便于为用户提供友 好的图形用户界面。音频解码和视频解码驱动用于控制音频解码和视频解码硬 件的工作。解复用和数据表提取模块主要是对码流解复用和数据表提取操作的 控制。应用程序编程接口将所有与硬件相关的底层函数映射到一个统一的接口 上，并且提供一些与硬件无关的公用处理函数，比如网络协议、图形格式分析、 4 由于机顶盒中的软件非常复杂，随着业务的不断变化，软件的功能也需要 不断的完善。因此软件更新就成为一项重要的需求。软件更新的实现方法包括 在线广播下载更新和单机本地更新。单机本地更新通过机顶盒上专用数据口将 程序烧写到f l a s h 内存中，或通过更换程序r o n 实现。在线广播下载更新是 在系统前端通过特定的协议将更新软件插入到码流中，传送给机顶盒。 1 3 数字电视机顶盒的功能 数字电视机顶盒能够接收m p e g i i 数字电视传输流和各种数据信息，通过 解调、解复用、解码和音视频编码，在模拟彩色电视机上观看数字电视节目和 各种数据信息。目前，数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目， 同时具有所有广播和交互式多媒体应用功能，包括： ( 1 ) 电子节目指南( e p g ) ：它为用户提供一种容易使用，界面非常友好， 可以快速访问想看节目的方式，用户可以通过该功能看到各个频道上近期将播 放的电视节目。 ( 2 ) 支持交互式应用如准视频点播( n v o d ) 、视频点播( v o d ) 、互动 游戏等。 准视频点播也称为增强先进的按次付费观看( p p v ) ，是一个特殊的广播 应用。n v o d 用户和服务提供者之间没有真正的交互，服务提供者将节目的标 题广播下来，用户仅仅选择可给他提供最先开始的频道。该机制是由e p g 来支 持的。n v o d 的功能包括： 预览：在用户购买前，对想购买的节目进行预览； 选择：在e p g 中选择一个已购买的节目； 暂停：停止播放该节目； 恢复：在暂停后恢复观看该节目： 快进快退：对该节目实现快进快退操作。 视频点播为每个用户提供视频点播功能，让用户能在他所希望的时间和地 点看他想看的节目，是服务提供商的终极目标。有线电视数字机项盒利用交互 式的数据信道和广播信道，为实现该功能提供理想的技术基础。 ( 3 ) 高速数据广播：能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门 网络等各种信息。d v b 定义了四种数据广播方式：数据管道( d a t ap i p e ) ，数 据流( d a t as t r e a m ) ，多协议封装( m u l t i p l ep r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ) 和数据对 象轮流传送( d a t a o b j e c tc a r o u s e l ) 。 d v b 的数据广播规范具有很强的数据业务支持能力，机顶盒实现对上述数 据广播业务的支持后，其作用类似一个在用户家中的数据通信网关。机顶盒本 身可以不对接收数据的有效负载进行处理，只是通过解复用实现数据分流，将 6 相应的数据送给处理终端。 ( 4 ) 因特网接入和电子邮件：数字电视机顶盒通过内置的电缆调制解调器 便可实现因特网接入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子 邮件，也可以提供各种接口与p c 相连，使用p c 接入因特网。 ( 5 ) 软件在线升级；可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器将升 级软件传送给机顶盒，机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软 件，并对保存在存储器中的软件进行更新。 ( 6 ) 有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密，数字电视机顶盒应具 有解扰和解密功能。 随着数字i 乜视和网络技术的发展，数字电视机顶盒的功能将更加完善，尤 其是单片p c 技术的发展，将促使数字电视机顶盒在物理结构上将各部分硬件 高度集成，形成s t b 核心芯片，从而减小体积，降低成本，提高性能。外部接 口将更加丰富，通过u s b 接口可以和数码相机连接，通过i d e 接口可以挂接 硬盘实现节目存储等。交互式机顶盒将成为数字电视机顶盒的主流，用户在模 拟彩色电视机上不仅能收看数字电视，还能实现娱乐和上网。 1 4 数字电视枫顶盒的分类和发展 机顶盒分为标准清晰度( s d ) 和高清晰度( h d ) 两种级别，每种级别按照业务 和功能划分为基本型、增强型、高级型三种类型。“机项盒及其附带遥控器的 功能”国家广电总局已颁布了实施指导意见。 基本型机顶盒具有能满足免费数字电视业务和付费电视业务的基本功能， 具备授权数字电视节目的接收、简体中文显示和g b 2 3 1 2 字库、基本e p g ( 电 子节目指南) 、软件升级、加密信息提示等。 增强型机顶盒在基本型机顶盒功能的基础上，具有能满足按次付费业务、 数据广播业务、广播式视频点播和本地交互业务的功能，具备集成中间件、 g b l 3 0 0 0 字库等。 高级型机顶盒在增强型机顶盒功能的基础上，具有能满足视频点播业务、 上网浏览业务、电子邮件收发业务、互动游戏及i p 电话业务的功能，具备开放 式的中间件系统、复杂的e p g 、回传信道、支持i n t e r n e t 接入、存储硬盘等。 高清晰度电视机顶盒是上述三种类型的横向扩展，可以兼容接收标清和高 清信号，可做上下变换，输出标清和高清信号。 上述这种分类只是机顶盒的基本分类，至于在实际应用过程中，服务平台 的运营商则会针对当地消费者的需求进行充分的市场调研后，结合当地的需求， 制定适合的机项盒要求。 现在全球都在进行广播电视数字化，各国相继制定数字电视计划，相继推 出了数字电视服务，而作为接收载体的机顶盒市场更是繁荣起来，各大机顶盒 厂商根据不同的市场需求，推出了各异但功能却更先进的机顶盒，如：( 1 ) 美 国摩托罗拉公司和灵活电视公司联合推出了一种声控数字电视机顶盒，用户可 通过说话来让电视机播放他们想看的节目。( 2 ) p a c e 微技术公司生产的d c 一 5 5 0h d 高清晰度数字有线机顶盒，是迄今世界上最小的hd 机顶盒，该设备支 持在有线网上传送v o d 和h d t v 。( 3 ) 美国d g 2 l 科技成功开发了具备支持 m p e g i v 规格的编解码功能的i p 机顶盒“n e u r o n ”系列，除可使用m p e g i v 规 格进行h d t v 播放外，还配备了支持m p e g i i 规格的解码功能。( 4 ) b r o a d c o m 公司在美国推出系列e c h o s t a r 卫星电视机顶盒，这种t v s t b 使用b r o a d c o m 公 司的i c ，使几台电视机能用一个机顶盒运行，解决了一机多用问题，机顶盒不 用随电视机的数量配置的问题，这也是多数家庭最现实的问题。相信随着机顶 盒功能的改进和使用的方便快捷，机顶盒将为数字电视的推广提供更强有力的 支持与服务。 数字电视机项盒是模拟电视机向数字电视机过渡的最佳解决方案。数字电 视机顶盒是数字时代家庭必备的多媒体信息终端，使用数字电视机顶盒的有线 电视用户，可以享受电视、数据、话音等全方位的信息服务。随着数字技术、 多媒体技术和网络技术的发展，数字电视机顶盒的功能将进一步得到完善。 1 5 d v b 标准简介 现在，数字电视尚无统一的国际标准，世界上现行的标准有：美国的标准 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d v b ( d i g i t a lv 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i s d b ( i n t e g r a t e d s 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) 。 我国的数字电视标准除卫星数字电视标准已经确定并公布外，其他标准由 于种种原因还未能确定。在有线数字电视标准上，国内各地区已经采用是欧洲 数字视频广播标准( d v b ，由i s o i c e13 8 1 8 描述) ，现在也已成了行业标准 和国家实行标准。目前，正在推广使用的有d v b c ，d v b t ，d v b s 三种。d v b s ( q p s k 调制) 为数字电视卫星广播采用；d v b ，t ( o f d m 调制) 为地面无线 发射的数字电视广播采用；d v b c ( q a m 调制) 为地面h f c 网络数字电视广 播采用。我国已完成了广播电视卫星传输的数字化改造，已经形成了以d v b s 技术构架的数字电视卫星广播网，d v b t 的实验播出正在准备之中，而作为数 字电视广播在国内的主要覆盖手段的d v b c ，已在开始在h f c 网络中大力推 广。 d v b ( 数字视频标准) 组织是一个以欧洲为基础的国际技术合作组织，有2 0 多个组织参加，于1 9 9 3 年正式成立d v b 项目，其主要目的是找到一种对所有传 输媒体都适用的数字技术规范，对它的要求是： r 1 1 系统能灵活传送m p e g 一2 视频、音频和其它数据信号。 f 2 1 系统使用统一的m p e g - 2 传送比特流复用。 ( 3 ) 系统使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 ( 4 ) 系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。 f 5 ) 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 f 6 ) 选择适于不同传输媒体的调制方法和通道编码方法以及任何必须的附 加纠错方法。 ( 7 ) 鼓励欧洲以外的地区使用d v b 标准，推动建立世界范围的数字视频广播 标准，这一目标得到了i t u 卫星广播的支持。 d v b 标准的传输系统分为信源编解码( s o u r c ec o d i n g ) 和信道编解码 ( c h a n n e lc o d i n g ) 两部分。信源编码采用m p e g 一2 码流，首先对音频和视频 进行复用，然后再将多个数字电视节目流进行传输复用，在接收端进行相应的 解复用和解码。d v b 数字广播系统除传送普通的视频、音频信号外，还需传送 接收i r d 调谐、节目指南，以及图文、字幕、图标等信息。 1 6 课题意义 数字电视机顶盒是模拟电视机向数字电视机过渡的最佳解决方案。数字有 线电视机顶盒在我国的发展还刚刚起步，许多科研院所、企业单位都在开发研 制过程中。解复用模块位于数字电视机顶盒接收解码流程的前端，所以解复用 器所支持的码流格式以及类型直接影响数字机项盒的性能和功能，并且现在越 来越多的厂家将研发注意力转移到单片解复用和解码芯片中。本文中的解复用 设计就是单片解复用和解码芯片中的一部分。 1 7 论文结构 本论文共分四章，每章的主要内容如下： 第一章绪论。本章开始介绍了数字电视机顶盒的基本概念，然后是数字机 顶盒的原理及结构，再其次是数字机顶盒对用户来说所能提供的功能，最后是 数字机顶盒的分类以及发展。 第二章m p e g i i 简介。由于我国的数字电视标准是在移植欧洲数字视频广 播标准的基础上制定的，d v b 标准采用m p e g 】i 的系统层，所以在第二章中将 简单介绍m p e g i i 的特点以及码流格式。 第三章解复用器硬件设计。根据解复用器的三种工作状态( 传输流状态， 节目流状态，i p 流状态) 对解复用器的硬件电路在功能、流程图、电路图以及 9 时序分析等方面的设计以及实现做出阐述。 第四章结论。给出第三章中所作设计的验证结果以及此设计存在的不足 等。 2 1m p e o 简介 第二章m p e g i i 简介 m p e g ( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t s g r o u p ) ，即运动图像专家组，是国际标准化组织 ( i s o ) 于1 9 8 8 年成立的专责制定有关运动压缩编码标准的工作组，所制定的 标准是国际通用标准，h qm p e g 标准。该标准主要由视频、音频和系统3 个大 部分组成，目前主要有：m p e gi 、m p e g i i 、m p e g i v ( m p e gi i i 已放弃) 和 未来的m p e g 。 m p e gi 是m p e g 的小画面模式，具有3 5 2 x 2 4 0 的图像分辨率，每秒3 0 帧 的播放速度，用c d 音质的伴音，适用于1 5 m b p s 以下数据传输率的传输存储 系统中应用。v c d 采用的就是m p e gi 编码格式。 m p e g i i 是高质量图像的压缩标准，也称为用于广播电视的图像压缩标准， 其图像分辨率为7 2 0 x 4 8 0 ，6 0 场秒；其数据传输率为3 - 1 0 m b p s ，为可变传输 速率，即对复杂图像分配较大的数据，对简单图像分配相对较大的压缩比，保 证画面质量，又不致使数据量太大。m p e g i i 兼容m p e gi 标准。d v d 和超级 v c d 采用的是m p e g i i 标准。 m p e g i i i 是i s o i e c 最初为h d t v ( 高清晰电视广播) 制定的编码和压缩 标准，但由于m p e g i i 的出色性能已能适用于h d t v ，因此，m p e g i i i 标准并 未制定，通常所说的m p 3 指的是m p e gl a y e ri i i ，只是m p e g 的一个音频压缩 标准。 m p e g 是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的 交互性和灵活性。m p e g l v 传输速率在4 8 0 0 6 4 0 0 b p s 之间，分辨率为1 7 6 1 4 4 ， 可以利用很窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据，从而能以最少的数据获 得最佳的图像质量。m p e g i v 属于种高比率有损压缩算法，其图像质量始终 无法和d v d 原m p e g i i 相比，毕竟d v d 的存储容量比较大。因此，现在的 m p e g r v 只能面向娱乐、欣赏方面的市场那些对图像质量要求较高的专业视频 领域暂时还不能采用。 m p e g 对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与 所描述的内容相联系，以实现快速有效的搜索，由于该标准不包括对描述特征 的自动提取，它也没有规定利用描述进行搜索的工具或任何程序，因此，它可 以独立于其它m p e g 标准使用，但m p e g1 v 中所定义的对音频、视频对象的 描述仍然适用于m p e g v i i ，这种描述是分类的基础。我们也可以利用m p e g v l l 的描述来增强其它m p e g 标准的功能。m p e g v l l 的应用范围很广泛，既可应用 于存储( 在线或离线) ，也可用于流式应用( 如广播、将模型加入i n t e r n e t ) 。 它还可以在实时或非实时环境下应用，如：数字图书馆( 图像目录、音乐字典 等) 、多媒体名录服务( 如黄页) 、广播媒体选择( 无线电信道、t v 信道等) 等。m p e g v l l 未来将会在教育、新闻、导游信息、娱乐等各方面将发挥巨大的 作用。 m p e gi 的出现使v c d 取代了录像带，m e p g i i 的出现使数字电视逐步取 代模拟电视，m p e g i v 的出现使多媒体系统的交互性和灵活性大为增强，而 m p e g v l l i 筘j 出现将会带我们进入一个互动多媒体的网络时代。 2 2m p e g i i 标准简介 m p e g 标准主要由视频、音频和系统3 个大部分组成，由于解复用只涉及 系统层，所以，下面只介绍m p e g i i 的系统层部分。 m p e g i i 的系统部分强调将一个或更多个音、视频或其他基本数据流合成多 个或多个数据流，以适应于存储和传送，按照该标准的句法和语法进行系统编 码，可以在很宽的恢复和接收条件下进行同步译码。 系统编码可以有两种方式：传输流和节目流，以适应于不同的应用。该标 准定义的传输流和节目流提供了必要的和充分的编码语法，保证同步译码和音 频视频信息显示，同时确保译码缓冲区即不上溢也不下溢。根据译码和显示时 的音频视频数据，以及数据本身的传送情况，信息在编码中使用不同的时间标 签。两种流定义都是面向分组的多路复用流。 单个的音频和视频数据流的复用方式如图2 2 1 所示： 1 2 图2 2 1 单个的音频和视频数据流的复用方式 按照i t u t r e c h 2 6 2 1 1 s o 1 e c1 3 8 1 8 2 和i s o i e c 13 8 1 8 3 标准对视频和 音频信号进行编码压缩后的原始流被组合成p e s 分组。当p e s 分组形成的时候， 使用该分组所需的与传输流或节目流无关的信息是可以被加入的。当p e s 分组 加上系统级信息形成传输流或者节目流时信息是不需要被加入的。 节目流是将一个或多个具有相同时间基点的数据流的p e s 分组合为单个 流。那些原始数据流可以是一个程序的非多路复用的数据流，也可以是来自不 同的节目流，每个节目流对应一个原始流。并具有相同的时间基点，在这种情 况下，各个流中的s c r 域值应保持一致。 和单节目流一样，所有的原始数据流可以被同步译码。 节目流是针对错误较少的环境设计的，适用于像交互式多媒体这样一些涉 及软件处理系统信息的应用。节目流分组是可变的而且相对较长。 传输流是将有多个独立时间基点的多道程序合成一个单独的数据流，其中 属于同一道程序的各个原始数据流的p e s 分组具有相同的时间基点，传输流是 针对那些容易发生错误的环境而设计的，譬如在容易丢失和高噪音的环境中存 储和传送。传输流分组长度为1 8 8 字节。 传输流和节目流为不同的应用环境而设计，但他们的定义并不严格的遵守 分层模式。从一种形式转换到另一种形式是可能的，合理的，然而并不存在子 集或超集的关系。尤其是从传输流中抽取一道程序的内容并产生有效的节目流 是可能的，只要通过普通的p e s 分组格式变换就行了。但并不是节目流需要的 所有域值都可以直接从传输流中获得，有一些必须经过推导，在多层模式中， 传输流可能跨过几层范围，为的是更有效的、轻易的实现高带宽的应用。 该标准没有规定编码器和解码器的结构或实现，也没有规定多路复用器和 多路解调器的结构或实现。然而比特流的性质对编码器、解码器、多路复用器 和多路解调器提出了功能和性能上的要求。 2 2 1 传输流 传输流的速率是可以变化的或固定不变的。在任何情况下组成的原始流可 以变化或固定，在这些情况下的语义和语法限制都是相同的。传输流速率由程 序参考时钟( p c r ) 字段所在的位置和数值所决定。通常对于每个程序都有自 己的p c r 字段。 传输流可以用很多有效的方法产生数据流，从原始的编码的数据流，从节 日流，从其它本身包含一个或多个程序的传输流都可以构成含有一道或多道程 序的传输流。 传输流的设计方法使它可能以最小的努力完成下面一些操作： ( 1 ) 从传输流中的一道程序恢复被编码的数据，解码并显示解码结果。如 图2 2 2 所示。 ( 2 ) 从传输流中的一道程序抽取分组，并生成含有此道程序的新的传输流， 如图2 2 3 所示。 ( 3 ) 从多个传输流中提取一道或多道程序的分组，并生成新的传输流。 ( 4 ) 从传输流中抽取一道程序生成含有此道程序的节目流。如图2 2 4 。 ( 5 ) 把一个节目流转换成一个传输流以适于通过容易出错的环境。然后， 恢复成一个有效的，有时完全相同的节目流。 其中( 1 ) 和( 2 ) 是以传输流为输入的原型的多路解调和解码系统。传输 流由两层构成：系统层和压缩层。传输流解码器的输入流有一个包含压缩层的 系统层。视频和音频解码器的输入流只含有压缩层。 接收传输流的原型解码器执行的操作或针对整个传输流( “多路复用宽操 作”) ，或针对某个单独的原始流( “特定数据流操作”) 。传输流的系统层 可分为两个子层，一个相应于多路复用宽操作( 传输流分组层) ，一个相应于 特定数据流操作( p e s 分组层) 。 1 4 图2 2 2 典型的传送多路解调和解码的示例 解码 后的 后的 音频 需要说明的是，传输流的模型解码器的结构并不是唯一的，一些系统解码 器的功能，例如解码器的时钟控制可以同样很好的分布于原始流解码器或者通 道特殊解码器中。同样，由通道特殊译码器所发现的错误传送给某个音频或视 频解码器的方法也是多种多样的，这种通信路径在以上的途中并没有表示出来。 含有多个含有单个 图2 2 3 典型的传送多路复用示例 在含有多道程序的传输流被转化为仅含有单道程序的传输流的情况下，重 新多路复用操作将包括程序参考时钟( p c r ) 时间标志的修正，以计算时间标 志到达的变化。 含有多道 程序的传 纠通道特殊解码器p 划譬器p 图2 2 4 典型的传输流到程序流的转换 在传输流和节目流中的特殊字段的语法定义有利于图2 2 ，3 和图2 2 4 中所 示的转换，同时并不要求某个特定的多路解调器或解码器实现这些功能。 一 、，广 一路码 一 一多解 一 一流 一 一送 一 再一 有道多程的送t锕吨够耀黼雠流 2 2 2 节目流 节目流可有固定的或变化的速率，组成的原始数据流可有固定的或变化的 速率，在每一种情况下，组成的原始数据流可有固定的或变化的速率。语法和 语义限制对每一种情况来说都是相同的。节目流速率由系统参考时钟( s c r ) 和m u xr a t e 字段的位置和数值所决定。 一个音频视频解码系统的原型如图2 2 5 所示。他的结构不是唯一的一一包 括解码时钟控制在内的系统解码器可以通过平均分布在原始数据流解码器和通 道特殊解码器米完成一一但这对讨论来说仍是有用的。这个原型的解码器设计 并未对程序解码器的设计提日l 任何正式的要求，实际上，非音频，视频数据也是 允许的。 广一一一一一一一。一一懈码 !：后的 图2 2 5 节目流原型解码器 图2 2 5 中所示典型节目流解码器由系统、音频和视频解码器组成。在本解 码器中，一道或多道音频、视频流的多路复用编码表示，假设以某种特殊通道 格式在一些通道中被存储或传送，这种特殊通道格式不受该m p e g i i 标准的制 约，也不属于原型解码器的通道特殊解码部分。 原型的解码器以节目流为输入，并依靠节目流解码器从输入流中提取时间 信息。节目流解码器对输入流进行解调，产生作为音频视频解码器输入流的原 始数据流，最后结果就是解码后的视频音频信号。 时间信息在节目流解码器、音频视频解码器和特殊通道解码器中的流动并 未在图2 2 5 中示出。音频视频解码器相互之间以及和通道之间通过这一时间 信息进行同步。 节目流由两层构成：系统层和压缩层。节目流解码器的输入流是一个包含 压缩层的系统层，音频视频解码器的输入流是一个压缩层。 原型解码器的操作可以用于整个节目流( “多路复用宽操作”) ，或者应 用于单个原始数据流( “特定数据流操作”) 。节目流系统层又可以分为两个 子层：一个相应于多路复用宽操作( 组合层) ，一个相应于特定数据流操作( p e s 分组层) 。 2 2 3 分组的原始数据流 一个原始流的具有相同流号的连续p e s 分组可以用来构造p e s 流。当p e s 分组用来构造p e s 流时，它们需包括原始流参考时钟( e s c r ) 字段和原始流 速率( e s r a t e ) 字段。p e s 流数据应该保持它们在原始数据流中的原始顺序。 p e s 流中不包含一些传输流和节目流所包含的一些必需的系统信息，例如组头、 系统头、节目流映射、节目流目录、程序映射表以及传输流分组语法等信息。 2 ，2 ，4 时间模式 系统、视频和音频都有一个时间模式，它的端到端延迟一一从信号输入编 码器到信号从解码器中输出一是一个常数，它包括下面一些延迟：编码、编 码缓冲、多路复用、传送或存储、多路解调、解码缓冲、解码和显示。作为此 时问模式的一部分所有视频采样和音频采样仅被显示一次，除非有意被编成反 码，而且编码器和解码器具有相同的图像时间间隔或音频采样频率。系统流编 码包含的时间信息可以保证实现具有恒定端到端延迟常数的系统。解码器的实 现可能并不严格的遵守这种模式，但至少也要保证可以接受的性能。时序必须 和所有有效的比特流保持一致，而不管他们的产生方式。 所有的时序被定义为共同的系统时钟，被作为系统时序时钟。在节目流中 此系统时钟与音频或视频的采样时钟之间有一个严格的特定比率，或者稍有区 别但仍足以提供精确的端到端时序和时钟回复。在传输流中此系