（微电子学与固体电子学专业论文）数字电视信源解码系统架构设计与总线分析.pdf

摘要 |r,i i i ：_ i iiii l - - = i 曼! 曼曼 摘要 随着集成电路设计技术的发展和芯片集成度的提高，传统的a s i c 设计方法 已经不能满足系统设计复杂性和上市时间紧迫性的要求。在数字电视领域，数字 电视的广泛普及和数字电视机顶盒技术的发展也给基于传统a s i c 设计方法的数 字电视信源解码器的设计带来了新的挑战。s o c 设计理论和技术的发展则使得系 统级芯片在集成电路的设计领域中越来越显现出其优势。本文基于s o c 设计方 法学对数字电视信源解码系统的架构设计做了理论分析和实践探索，研究了数字 电视信源解码系统的设计、实现和验证分析问题。 s o c 设计主要研究系统设计方法和i p 核复用等问题。基于系统设计方法，本 文通过分析m p e g - 2 标准中信源解码系统的性能要求及当前的市场情况对信源 解码s o c 进行了需求分析，从系统功能和性能上定出了信源解码s o c 的设计目 标。然后结合软硬件划分理论及解码系统各子功能特点对系统进行了软硬件划 分，提出了b t v 3 0 0 0 信源解码s o c 架构。 b t v 3 0 0 0 采用了基于a r m 核的双核架构、基于a m b a 2 0a h b 的总线结构 和基于d d rs d r a m 的存储器结构。本文重点从软硬件划分的合理性、总线带 宽和存储器吞吐率等系统性能因素方面对该架构设计方案进行了定性和定量的 分析。 在i p 核复用技术上，本文主要以视频解码核作为研究对象分析了i p 核设计 和复用所需要考虑的问题。视频解码核是信源解码系统中最关键的功能模块，该 模块对于系统的性能要求也最高。视频解码核的设计重点不仅仅是解码功能的实 现，还需要从系统资源和性能角度去考虑。本文主要针对视频解码核中的基于桶 型移位计数器的变长解码器的实现方法和基于流水线的运动补偿模块的设计方 法做了分析。 总线性能是s o c 设计需要考虑的问题，特别是在基于a h b 总线的系统中， 总线利用率以及主设备间的总线竞争对系统性能影响很大。b t v 3 0 0 0 采用了系 统总线和存储总线分开的总线方案，系统总线采用单层a h b 总线结构和延迟优 先级总裁方案，存储总线采用单层a h b 总线结构和简单优先级总裁方案。 本文最后介绍了基于m e n t o r 的s e a m l e s s 软硬件协同验证平台，并基于此平 台完成了b t v 3 0 0 0 的系统级功能验证和性能分析，重点分析了总线仲裁方案对 于系统总线和存储总线的性能影响。 关键词数字电视：信源解码；片上系统；架构设计；总线 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi cd e s i g nt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n go ft h ec i r c u i t d e n s i t y , t r a d i t i o n a la s i cd e s i g nm e t h o d o l o g yc a nn ol o n g e rs a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o ft h ed e s i g nc o m p l e x i t ya n dt h et i m eu r g e n c yt om a r k e ti nt h ed i g i t a lt e l e v i s i o na r e a , t h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ed i g i t a lt e l e v i s i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fs e t - t o pb o x t e c h n o l o g ya l s oc h a l l e n g et h et r a d i t i o n a la s i cb a s e dd e s i g n s o cd e s i g nt h e o r ya n d t e c h n o l o g ym a k et h es y s t e mc h i pb e c o m em o r ea n dm o r ep r e d o m i n a n ti nt h ei c d e s i g na r e a t l l i st h e s i sm a d es o m es y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g np r a c t i c ef o rt h es o u r c e d e c o d i n gs y s t e mo fd i g i t a lt e l e v i s i o nb a s e do nt h es o cd e s i g nm e t h o d o l o g y s o cd e s i g nm a i n l yf o c u s e do ns y s t e md e s i g nm e t h o d o l o g y , i pr e u s em e t h o d o l o g y , e r e 嘞s y s t e md e s i g nm e t h o d o l o g y , w em a d er e q u i r e m e n ta n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h e m p e g - 2s t a n d a r da n dt h ec u r r e n tm a r k e ts t a t u s f u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c e d e f i n i t i o n sa b o u tt h es y s t e mw e r em a d ea c c o r d i n gt ot h er e l a t i v et h e o r ya n dt h e f e a t u r e so fe a c hs u bf u n c t i o n so ft h es y s t e m 眦sm o r e ，t h i st h e s i sp r o p o s e dt h e b t v 3 0 0 0a r c h i t e c t u r ef o rt h es o u r c ed e c o d i n gs y s t e m 1 1 1 eb t v 3 0 0 0h a sad u a l c o r ea r c h i t e c t u r eb a s e do na r m m i c r o p r o c e s s o r s , ab u s a r c h i t e c t u r eb a s e do na m b a 2 0a h ba n dam e m o r ya r c h i t e c t u r eb a s e do nd d r s d r a m q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st ot h eb t v 3 0 0 0a r c h i t e c t u r ew e r e m a d ef r o mt h ea s p e c t so fs y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ss u c ha st h er a t i o n a l i t yo f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r t i t i o n ，m e m o r yt h r o u g h p u t , b u sb 锄州d 电e t c a st ot h ei p r e u s e dt e c h n o l o g y , w et o o kt h ed e s i g no fv i d e od e c o d i n gc o r ea sa l l e x a m p l e v i d e od e c o d i n gi st h em o s ti m p o r t a n c ef u n c t i o n a lc o r ea n dt h em o s tc r i t i c a l p a r to ft h es y s t e ms i n c ei t sb a n d 、 r i d t hc o n s u m i n ga n dc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y f u n c t i o n a li m p l e m e n t a t i o ni st h ek e yf o rt h ec o r ed e s i g n , b u ts y s t e mr e s o u r c e sa n d p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ss h o u l da l s ob ec o n s i d e r e d t a k i n ga c c o u n to ft h e s ef a c t o r s ， w em a i n l yi n t r o d u c e dt h ed e s i g no fv a r i a b l el e n g t hd e c o d i n gu s i n gt h eb a r r i e rs h i f t e r a n dt h em o t i o nc o m p e n s a t i o nu s i n gp i p e l i n es t n l e t u r ef o rt h ec o r ed e s i g n b u sp e r f o r m a n c ei sa ni m p o r t a n tf a c t o rt os y s t e md e s i g n , e s p e c i a l l yf o rs y s t e m s b a s e do na h bb u s b u su t i l i z a t i o na n db u sc o n t e n t i o nb e l w e e i lm u l t i p l em a s t e r s a f f e c t e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c em o s t 1 1 1 ec u r r e n tb t v 3 0 0 0a d o p t sd i v i d e db u s a r c h i t e c t u r eo fs y s t e mb u sa n dm e m o r yb u s 1 1 1 es y s t e mb u su s e das i n g l e l a y e ra h b b u ss t r u c t u r ew i t hd e l a y e dp r i o r i t ya r b i t r a t i o ns c h e m e ，w h i l et h em e m o r yb u su s e dt h e s i n g l e - l a y e ra h b b u ss t r u c t u r eb u tas i m p l ep r i o r i t ya r b i t r a t i o ns c h e m e f i n a l l y , w ei n t r o d u c e dm e n t o r ss e a m l e s sc o - v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，a n df i n i s h e d t h ef u n c t i o nv e r i f i c a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rt h eb t v 3 0 0 0s y s t e m ， m a i n l yf o c u s e do nt h ee f f e c to f t h eb u sa r b i t r a t i o ns c h e m e st ot h eb u sp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：d i g i t a lt e l e v i s i o n ；s o u r c ed e c o d i n g ；s o c ；a r c h i t e c t u r ed e s i g n ；b u s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：了息趁l 一日期：兰：翌：! 尘二兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 歹皂魄 导师签名：日期：坌竺壁： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1s o c 设计方法学概论 集成电路工艺线宽每代按比例缩小，集成度则依照摩尔定律即每1 8 个月单 位元件数增加一倍。特征尺寸的缩小、成品率的提高和集成密度的增加成为促进 集成电路发展的技术因素u j 。特别是随着深亚微米工艺的出现，在单芯片上就能 达到千万门的集成密度，这使得把一个系统集成在一个芯片，即实现片上系统 ( s o c ，s y s t e m - o n - c h i p ) 成为可能。另一方面，传统的i c 设计工具和设计方法存在 硬件开发周期长，仿真验证速度慢，前端逻辑设计和后端物理设计的反复返回等 问题，现代系统日益增加的复杂性和上市时间( t t m ，t u n ct om a r k e t ) 的紧迫性使 得设计方法必须从传统的电路设计转向系统设计，设计的重心也必须从逻辑综 合、布局布线转向系统的设计、软硬协同设计以及仿真。工业界和学术界也都开 始把注意力集中到系统设计。这些促使了s o c 设计理论和技术的发展。 s o c 是从整个系统的功能和性能出发，用软硬结合的设计和验证方法，利用 i p 复用及深亚微米技术，在一个芯片上实现复杂的功能。s o c 作为系统级芯片， 在集成电路的设计领域中越来越显现出其优势。在互联网设备、消费电子产品、 传感器网络等应用中，s o c 都已经逐渐占据了主要地位。根据中国半导体行业协 会的统计报告，2 0 0 1 年s o c 在集成电路市场中所占份额是1 3 ，2 0 0 7 年这个比 例将会增加到2 5 左右，而在s o c 的应用中消费类产品对其依赖将会在4 0 左 右 2 1 。这将是个巨大的市场，因此产业界都在不遗余力地创新研究和开发s o c 。 s o c 设计的发展促进了s o c 设计方法学和技术的发展。s o c 设计方法学注重 的是系统设计，与传统的集成电路设计方法有很大的不同。s o c 技术包括系统设 计方法、腰核的设计与复用技术和深亚微米集成电路等p j l 4 】。在系统设计方法上， s o c 架构设计要求设计者必须对系统进行合理的软硬件的划分，在不同的结构模 块之间实现各个参数的估计，并在设计的早期对这些参数进行设计空间裁剪以得 到较短的改进周期。这些参数包括系统性能、吞吐率、功耗和硅面积等。对于口 核的设计和使用，m 核的生成绝非是简单的设计抽取和整理，碑核的使用也绝 不等同于集成电路设计中的单元库的使用，它所涉及的内容几乎覆盖了集成电路 设计中的所有经典课题，包括测试、验证、模拟、低功耗等，口核的复用所涉 及的设计思路、时序要求、性能要求等也需要人们重新评估已有的设计方法1 5 j 1 6 】。 第三个内容是深亚微米集成电路的设计。由于工艺线宽的降低，使得整个系统在 北京工业大学工学硕士学位论文 设计思路、布局规划和时序驱动方面都将面临新的问题，深亚微米集成电路设计 方法的根本性突破是s o c 设计方法学中最具挑战性的【7 j 。 本文主要研究如何将第一和第二个方面的s o c 设计技术应用于数字电视信 源解码系统架构设计中，即研究如何基于软硬件协同设计方法有效的在系统级设 计空间中分析这些参数，如何分析可重用的解码器碑核的开发和使用。 1 1 2 e g 2 标准概况 m p e g 是运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r e se x p e r tg r o u p ) 的缩写，成立于1 9 8 8 年，目的是建立运动图像和相应音频的编码标准。1 9 9 2 年m p e g 完成m p e g 1 标准 8 1 ，即“低于1 5 m b s 的用于数字存储媒体的活动图像即相关声音的国际标 准 ，主要应用于v c d 、多媒体和v h d 质量的广播电视。1 9 9 4 年m p e g 通过 i s o i e c1 3 8 1 8 号建议，即“活动图像及其声音的通用编码 标准，目标是高级 - r 、l l , 标准的图象质量以及更高的传输率( 1 8 m b i t s s ) ，通称m p e g 2 标准 9 1 ，主要 应用于d v d 、常规数字电视d t v 和高清晰电视h d t v 。1 9 9 9 年通过m p e g - 4 标准( i s o i e c1 4 4 9 6 ) e 1 0 l ，用于低比特率传输( 低于6 4 k b i t s s ) ，将内容和交互性作 为核心，采用基于内容和对象的压缩编码，以实现数字视音频、图形合成应用以 及交互式多媒体的集成，主要应用于无线窄带和可视通信以及可视电话。 m p e g 2 标准在1 9 9 3 年1 1 月汉城会议后，形成了委员会文件草案。1 9 9 6 年 1 月通过为国际标准，编号为i s o i e c1 3 8 1 8 。m p e g 2 的开拓性工作一直延续到 进入2 0 0 2 年。m p e g 2 完全吸收了m p e g 1 所采用的压缩编码技术，同时性能 加以扩展，覆盖了从常规电视到h d t v 等范围非常宽的视频压缩业务，广泛应 用于卫星广播业务( b b s ) 、电缆电视( c a t v ) 、数字电视地面广播( d t t b ) 、点播电 视( v o d ) 、数字音频广播( d a b ) 、多媒体终端、网络数据库业务、双工通信等众 多领域。m p e g - 2 标准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。 1 1 3 数字电视机顶盒技术发展概况 我国从2 0 世纪9 0 年代末启动数字电视。2 0 0 4 年我国开始全面推进有线电视 从模拟向数字整体转换，在2 0 0 5 年开展数字卫星直播业务，计划在2 0 0 8 年全面 推广地面数字电视，2 0 1 5 年关闭模拟电视网络【1 1 l 。数字化是未来发展的趋势， 而数字化的核心技术是m p e g - 2 编解码技术i l 到。 数字机顶盒产品被认为是继p c 和手机之后，第三个拉动半导体市场的整机 产品，而中国又被看作是机顶盒的主要生产地之一根据( 2 0 0 5 - 2 0 0 6 年中国数 字机顶盒市场与产业报告，目前大多数中国机顶盒厂商的产品是销往国外的， 2 0 0 5 年中国有7 0 的机顶盒产品出口，数量上比2 0 0 4 年增长了5 3 i i 引。虽然国 第l 章绪论 内市场规模仍不大，但随着中国数字电视、网络电视等产业的发展和机卡分离的 进步实施，国内机顶盒市场必将迎来快速发展的时期。在国际市场上，随着消 费者向集成的数字电视机过渡，整个机顶盒市场也将增长。据市场研究公司 s t r a t e g ya n a l y t i c s 最新发表的题为数字电视机顶盒：全球市场预测的研究报 告称，2 0 0 7 年全球数字电视机顶盒销售量为1 0 2 4 亿台，比2 0 0 6 年增长了1 2 。 这篇报告预测称，2 0 0 8 年全球数字电视机顶盒销售量将达到1 2 8 亿台【l3 1 。 1 2 数字电视信源解码芯片发展研究概况及课题来源 数字电视的广泛普及以及数字电视机顶盒技术的发展，使得广大生产厂商越 来越关注m p e g 2 信源解码芯片的研究和开发。数字电视机顶盒主要用来接收数 字电视节目，处理数据业务和完成多种应用的解析，其典型硬件结构如图1 - 1 所 示。数字电视机顶盒通过天线接收到模拟电视信号，然后首先通过调谐器t u n e r 从传输层提取信道编码信号，由解调器d e m o d u l a t o r 完成解调和信道解码处理， 输出m p e g 2 多节目传输流数据，接着由信源解码s o c 完成音视频信号的解码 和处理，恢复原始的音视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收和解析。 警 匿一 天线 1 f1 f 1=r百(t磊un甄erf)1r。吲(demodulator)似p信eg源-2解d码ec器ode。f蒿 i 智能卡ii 通信il 其他外l l 接口i i 接口| i 设接口i 图1 - 1 数字电视机顶盒硬件结构图 f i g 1 一ih a r d w a r e a r c h i t e c t u r ef o rs e t - t o pb o x 信源解码器s o c 芯片作为系统主芯片的重要组成部分，是决定整个系统功 能、性能和成本的关键。随着芯片技术的发展，现在很多厂商将很多功能集成到 这个主芯片中，如c p u 、解复用器、图形处理器和音视频处理器等。从m p e g - 2 标准来看，数字电视m p e g - 2 解码芯片可以分为两类：标清( s d t v ，s t a n d a r d d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 和高清( i - n 3 t v ，h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 解码芯片。随着高 清技术的发展，特别是数据压缩和传输技术的进步，高清电视信号传输和存储成 本显著降低，这使得高清机顶盒成为市场的热点，其发展前景也被各厂商看好。 但是由于受到高清节目价格高、高清机顶盒价格高、配套设施要求高这“三高刀 的限制，高清市场的推广难度比较大【1 5 l 。目前，高清机顶盒的主要市场在美国与 澳洲，中国厂商以针对这些市场出1 2 1 为主，高清机顶盒市场在中国还未启动，其 发展前景有赖高清电视在中国的普及以及高清节目源的丰富1 1 6 1 。 目前在市场上，对于解码和显示标清电视图像的m p e g 2m p m l 解码器芯 北京工业大学工学硕士学位论文 片，国内外已有多家公司推出了单片的s o c 解决方案。如意法半导体( s t ) 推出的 基于2 4 3 m h z 的嵌入式c p us t 2 0 高性能的安全m p e g - 2 解码器s t i 51 0 0 t 1 7 j ，富 士通( f u j i t s u ) 公司推出的基于a r c 4r i s c ，3 0 0 m h z 的高速c p u 的m p e g 一2 解码芯片s m a r t m p e g i s 】。北京海尔集成电路有限公司的基于内嵌海尔t u r b o5 1 c p u ，工作频率可达1 0 8 m 的爱国者解码芯片h i 2 0 1 1 1 9 1 等。 对于数字电视m p e g - 2 解码系统的设计研究，参考文献 2 0 h 2 u 从理论上对 于如何进行系统建模分析，优化存储器的结构和i ob u f f e r 大小做了分析，【2 2 】 研究了如何减小存储器大小，【2 3 】则从低功耗角度对系统设计进行了分析。也有 很多报道对于m p e g 视频解码的子模块，如变长码解码( v l d ) 、反量化( i q ) 、反 离散余弦变换( i d c t ) 和运动补偿( m c ) 的具体实现做了描述洲巾丌。m p e g 2 信源 解码系统由于具有实时性要求，且包含c p u 、存储器、总线、解码处理单元、 d m a 以及控制逻辑等，是一个典型的s o c ，因此从s o c 设计的角度来分析信源 解码系统的架构设计是一个很重要的课题。 北京市嵌入式系统重点实验室自成立以来，就致力于多媒体和无线通信领域 芯片的研究和设计。本实验室在数字电视领域已经成功开发出基于欧洲数字电视 标准的信道解调芯片，所以研究信源解码s o c 的设计对于将来提供一个整体的 机顶盒解决方案或者是解调解码单芯片解决方案都将具有非常重要的意义。实验 室具备a r m 处理器核授权，通过s o c 设计方法学研究和分析基于a r m 核的数 字电视信源解码s o c 的设计对于实验室的教学和科研也都具有很重要的理论研 究意义和现实参考价值。 1 3 本文工作及结构 本论文主要讨论数字电视机顶盒信源解码系统的设计问题。本文首先总结了 s o c 及其设计方法学的发展情况、m p e g - 2 标准、数字电视机项盒以及信源解码 芯片发展情况。然后按照s o c 设计流程，从s o c 设计的角度对于解码系统的性 能指标进行了分析和预算，基于此性能要求和需求分析提出了m p e g - 2 信源解码 s o cb t v 3 0 0 0 的系统架构，并对此架构进行了分析。基于该s o c 架构，通过设 计和重用p 核的方法完成了视频解码系统的设计，重点分析了视频解码核中变 长码解码和运动补偿子模块的设计和实现。最后介绍了基于s e a m l e s s 的软硬件 系统仿真平台的构建，通过该平台完成了对b t v 3 0 0 0 系统的功能仿真，并在此 基础上分析了b t v 3 0 0 0 系统中各总线的性能，主要通过仿真对总线的仲裁方案 设计进行了分析和总结。 本论文章节安排顺序如下： 第一章介绍论文的研究背景和技术发展概况。主要介绍了s o c 设计方法和技 术的发展概况、m p e g - 2 标准概况以及数字电视信源解码芯片的技术发展概况， 第l 章绪论 并阐述了课题来源及研究意义。 第二章介绍了论文的研究目标。主要通过分析m p e g 2 标准和市场需求情况 定出了s o c 设计目标。重点分析了m p e g 2 信源解码系统的基本性能和指标要 求，以及编解码器的结构。然后针对这些性能指标对于要设计的信源解码s o c 作出需求分析，从功能和性能角度确定了系统设计目标。 第三章解决了信源解码s o c 的系统级设计问题。针对提出的设计目标，基于 s o c 系统分析方法以及软硬件划分思路提出了b t v 3 0 0 0m p e g 2 信源解码s o c 架构，并从处理器的选择、总线结构以及存储器结构的设计这三个方面分析了该 架构的特点及其可行性。主要介绍了a r m 处理器核的架构及性能特点，并提出 了基于a r m 9 2 6 e j s 核和a r m 7 t d m i 核的双核架构设计思路。通过总结系统互 连技术和分析a m b a 2 0 a h b 总线技术，提出了基于a h b 的系统总线和存储总 线结构及其设计思路。通过对系统数据率和存储带宽的计算，确定了基于d d r s d r a m 的存储器结构。 第四章主要结合s o c 中i p 核的设计技术，介绍了信源解码系统中视频解码 核模块的设计和实现。重点从s o c 的系统实时性要求角度分析和提出了基于桶 型移位计数器的变长解码器的实现方法和基于流水线的运动补偿模块的设计，并 通过对桶型移位计数器的硬件开销以及流水线结构的时间开销的分析，研究了 s o c 中i p 核设计所需要考虑到的系统设计问题。 第五章介绍了b t v 3 0 0 0 系统的软硬件协同验证问题。首先介绍了m e n t o r 的 s e a m l e s s 软硬件仿真平台，并基于此平台提出了b t v 3 0 0 0 的软硬件协同验证方 法。通过功能仿真和性能分析验证了b t v 3 0 0 0 解码系统的功能及其架构的性能。 本文最后一章介绍了b t v 3 0 0 0 系统中的总线分析方法及其结果。主要结合 b t v 3 0 0 0 的系统级仿真结果，对系统总线性能和存储总线性能进行了分析，重 点分析了总线仲裁方案对于各总线性能的影响。 第2 章m p e g 2 信源解码介绍 第2 章m p e g - 2 信源解码介绍 2 1m p e g - 2 信源编解码标准介绍 本文1 1 2 中已经对m p e g 相关标准的发展概况以及研究内容做了介绍。本 章主要分析和总结m p e g 2 标准对于数字电视信源解码系统的技术和指标要求， 介绍数字电视m p e g - 2 信源编解码器的一般结构及其功能。 2 1 1m p e g - 2 相关标准简介 根据m p e g 2 标准文件1 9 ，m p e g 2 标准目前有1 0 部分。m p e g 2 标准作为 一种信息技术标准，规定了数字化活动图像和附带音频信号的一般编码方法，最 重要部分主要有4 个，如表2 1 所示。 表2 - 1m p e g - 2 主要标准 t a b l e2 1m a i ns t a n d a r d sf o rm p e g - 2 警攀m p 电6 蔫标准“j ：立毒善纂蓥囊：戆篡誊露i 插准内容麓j 鬻慧墨露豢藕 p ? ：q j m p e g - 2 标准。! 键h 船：。“! j ：”j 一：? i s o i e c1 3 8 1 8 1规定了系统编码层的要求和音视频同步的方法 i s o i e c1 3 8 1 8 2规定了视频编码的技术要求和所需要的解码处理过程 i s o i e c1 3 8 1 8 3规定了音频数据的编码表示 i s o ，i e c1 3 8 1 8 - 4 检查已编码比特流是否符合1 3 8 1 8 1 ，2 ，3 的特性要求 按照1 3 8 1 8 2 视频编码技术规定，m p e g 使用类和级来划分比特流和解码器。 定义“类”为所应用的工具，例如双向编码( b 帧) 这一工具可以用在主类中，但 简单类却不使用。“级 只与参数分级( s c a l e ) 相关。比如说4 ：2 ：2 级就指亮度( 和色度( c r , c b ) 采样比例为4 ：2 ：2 。高级解码器应能接收高速比特流，和主级解码 器相比较，它就应当有较多的解码器缓存和容量较大的帧存储器。但高级中的主 类口 h e ) 和主级中的主类( m l ) 却使用完全相同的编码、解码工具和句法 要素。 大多数广播应用只需要使用这些分类中的子集( 表2 2 ) ，如m p m l ，支持 标准清晰度电视( s d t v ) ；m p h l 支持高清晰度电视( h d t v ) ；高级- 1 4 4 0 是一 种高清晰度方案，与主级相比较，它的清晰度加倍：高级( 唧 m l ) 的清晰度不 再加倍，仍具有和高级1 4 4 0 一样的分辨率，但使用1 6 ：9 宽高比格式，这样它的 水平样值数由1 4 4 0 增加到1 9 2 0 。表格中列出了各种分类对应的图像质量、传输 带宽要求以及编码方式，即亮度色度采样比和图像最大分辨率、最大输出比特流 数据率和帧类这些参数。比如说对于主类主级m p j v l l 其亮度和色度采样比为 4 ：2 ：0 ，水平分辨率为最大为每行7 2 0 像素，垂直分辨率最大为每帧5 7 6 行，输出 比特流最高速率为1 5 m b p s ，图片预测种类包括i 帧、p 帧和b 帧预测。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 2 广播应用中的图像档次和级别定义 t a b l e2 - 2p r o f i l ea n dl e v e ld e f i n i t i o nf o rb r o a d c a s t i n ga p p l i c a t i o n 髫 p 7 黟j ：j 嘎o p t ”。 ，喾。简单类弘j 誓，鼍1 ：雩一主类0 i r 。 j 爹高类j 雾霉譬罐 罄j i 、分类。_ 。l i_一。- 。 ： 鬟妊蠢”，。囊毒j i s i m p l e ，p 粤婵吐、i ，m a i np r o f d e )磊斌基基炉p r o f i l 囊，毒猫滋鞑蠡。籍如j 。t 西：j 茜池二4p“，； 一目j ，冒婚 高级4 ：2 ：0 ；1 9 2 0 x11 5 2 ；4 ：2 ：0 4 ：2 ：2 ；1 9 2 0 x1l5 2 ； ( h i g hl e v e l ) 8 0 m b p s ；i , p , b 帧 10 0 m b p s ；i , p , b 帧 高级1 4 4 0 4 ：2 ：o ；1 4 4 0 x 1 1 5 2 ；4 ：2 ：0 4 ：2 ：2 ；1 4 4 0 x 1 1 5 2 ； ( h i g hl e v e l 6 0 m b p s ；i , p , b9 0 m b p s ；i , p , b 一1 4 4 0 ) 主级4 ：2 ：0 ；7 2 0 5 7 6 ；4 ：2 ：0 ；7 2 0 x 5 7 6 ；4 ：2 ：0 4 ：2 ：2 ；7 2 0 x 5 7 6 ； ( m a i nl e v e l ) 1 5 m b p s ；i , p 15 m b p s ；i , p , b 2 0 m b p s ；i , p , b 低级4 ：2 ：o ；3 5 2 x 2 8 8 ； ( l o wl e v e l ) 4 m b p s ；i , p , b 主类主级m p m l 是m p e g 2 标准中应用最为广泛的组合，d v d 、s d t v 、 卫星数字电视和有线数字电视都采用m p m l ，它适用于将现行p a l n t s c 模 拟电视信号数字化后的压缩编码。主类高级m p h l 适合于数字高清晰电视。 对于实际应用中m p m l 和m p h l 来说，其幅型比可以为1 6 ：9 或4 ：3 ，扫描 方式可以为逐行或隔行方式。对于m p m l 而言，从分辨率来看又可按照模拟 电视制式分为兼容n t s c 制式的7 2 0 x 4 8 0 3 0 f p s ( 每帧图像的分辨率为7 2 0 4 8 0 像素，帧率为3 0 帧秒) 和兼容p a l 制式的7 2 0 x 5 7 6 2 5 f p s ( 每帧图像的分辨率为 7 2 0 x 5 7 6 像素，帧率为2 5 帧秒) ，中国采用p a l 制式。对于高清m p h l 的分 辨率和帧率，常用的也有1 9 2 0 x 1 0 8 0 2 5 f p s 和1 9 2 0 x 1 0 8 0 3 0 f p s 两种。总的来 说，m p e g - 2 标准规定了如表2 3 所示的标清和高清格式技术指标。 表2 3 标清和高清格式技术指标 t a b l e2 - 3s d t va n dh d t vt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s 髅蝴鞲滞 每荷最天。：霉爹爹帧蕞饕j _ 每秒最鬻典型爱警黼：驾 黪簪类别j ；警 i+：t 戳，_ ；菇，融侈蠢悬磊石乏夯线数。i ：j羔：杰螋攀? i数据率，二i，攀弗溅 ；：“0o。，。f i 耻嗡 m p m l 7 2 0 5 7 63 0 l o m b p s1 5 m b p s m a h l 1 9 2 0 1 1 5 26 0 2 0 m b p s8 0 m b p s 2 1 2m p e g - 2 标准中的编解码器结构介绍 m p e g - 2 同时采用了预测编码、变换编码和统计编码技术，它采用了一系列 的编码手段消除系统冗余信息：利用二维离散余弦变化p c d 去除图像空间冗余 度，利用运动补偿预测去除图像时间冗余度，利用视觉加权量化去除图像灰度冗 余度，利用熵编码去除图像统计冗余度。利用这些技术，m p e g - 2 图像压缩编码 器的设计方案可概括为三部分：有运动补偿的帧间差值、8 x 8 像素的自适应离散 8 第2 章m p e g 2 信源解码介绍 曼1 i 1 1 i 鼍曼舅寡曼皇曼曼曼曼寰量曼曼量葛 余弦变换和变字长编码，如图2 - 1 所示。 数据码率控制 刊运蓑翁偿h 离篓囊弦h 鬈毳h 骀h 薯鬈鎏畔 图2 1m p e g 2 编码系统结构图 f i g 2 - 1m p e g 2e n c o d i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a m 其中d c t 是一种空间变换，在m p e g - 2 中d c t 以8 x 8 的像素块为单位进行 处理，生成8 x 8 的系数数据块，其特点是能将像素块的能量集中在少数的低频 d c t 系数上( 生成的8 x 8d c t 系数块中，仅左上角的少量低频系数数值较大，其 余系数值很小) ，这样传输的时候就只需要传输少数系数。量化器是将d c t 变化 后所得到的系数按照某个量化步长按比例缩小。量化步长越小，量化精度就越细， 包含的信息就越多，但是所需的传输带宽就越大，编码器需要根据视觉感应准则， 在量化精度和传输带宽之间做折中，选取合适的量化步长对一个8 x 8 的d c t 变 换块中的6 4 个d c t 变换系数进行量化，一般情况下，一个d c t 变换块中的大 多数高频系数在量化后都变为零。将这种8 x 8 的二维d c t 系数进行之形扫描 ( z i g z a g ) ，将其转换为一维排列方式，转换的一维数组的前面是非零d c t 系数， 后面则是长串的量化为零的d c t 系数，并基于此一维数组进行游程编码，得到 非零系数前的连零系数数量( 即游程) 和非零系数，从而极大的提高压缩率。 上述过程只是得到了d c t 系数的一种离散表示，实际传输前还需要进行比 特流编码，产生用于传输的数字比特流。简单的编码方式是采用定长码，即每个 量化值以同样数目的比特流表示，这种方法的缺点效率低。采用基于编码的统计 特性进行编码的方法( 即熵编码) 可以使平均比特率得到下降。m p e g 2 视频压缩 系统中采用霍夫曼编码( h u f f a n a ac o d i n g ) 这种熵编码的方法，这种方法会对经常 发生的大概率符号分配较少的比特表示，而对不常发生的小概率符号分配较多的 比特表示，最终可以使得整个码流的平均长度区域最短。采用熵编码产生的比特 流的速率随视频图像的统计特性变化，但大多数情况下传输系统的分配频带是恒 定的，所以在编码比特流进入信道前需要经过帧缓冲存储器缓存，最后送出恒定 比特流数据。 运动估计则用于帧间编码方式，通过参考帧产生对被压缩图像的估计。运动 估计做的好，被压缩图像和估计图像相减后的值( 即估计误差) 就很小，传输时带 宽要求就小，所以运动估计的精确程度对于帧间编码的压缩效果非常重要。运动 估计以宏块为单位，计算被压缩图像与参考图像的对应位置上的宏块间的水平和 垂直位置偏移( 即运动矢量) 。运动估计时，p 帧采用最近解码的i 帧或p 帧做参 考图像，而b 帧则以其前后两帧参考图像做双向预测运动估计处理后只传输 估计误差和运动矢量，估计误差和运动矢量一样经过后面的变长码编码处理以减 小数据传输率。 北京工业大学工学硕士学位论文 解码过程和编码过程相反。对应于编码过程，m p e g - 2i s o i e c1 3 818 2 还 给出了解码所需要的处理过程，如图2 2 所示。 图2 - 2m p e g 2 解码系统结构图 f i g 2 - 2m p e g - 2d e c o d i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a m 2 2m p e g - 2 信源解码s 0 0 的设计流程 解码输 出像素 基于s o c 的系统设计流程一般如图2 - 3 所示。在设计的准备阶段，首先根据 市场、销售等情况进行需求分析，定义好产品的功能和特征。然后进行系统架构 设计，主要进行软硬件划分、选择微处理器核、定义总线结构和存储器结构，这 几个方面的决策是相互影响的，所以应当从系统的性能、复杂度和成本各方面综 合考虑。在定义好系统架构后，就开始进行软硬件的设计。硬件设计可采用基于 v e r i l o g 或v h d l 的a s i c 设计流程，也可以采用基于s y s t e m c 的系统级设计流 程幽】。软件的设计则可以按照软件的架构来划分，涉及到底层的启动代码、硬件 驱动、中间件和上层应用程序的开发，以及实时操作系统r t o s 的设计或移植等。 系统集成是最后也最重要的阶段，在这个阶段需要进行大量的软硬件协同仿真以 验证系统功能是否满足设计要求，并进行软硬件的优化以提高性能。上述这些过 程也不是一步接一步的，对于系统的软硬件协同验证应该是越早开始越好。 图2 - 3s o c 设计流程图 f i g 2 - 3s o cd e s i g nf l o w 对于b t v 3 0 0