（电路与系统专业论文）车载数字移动电视的设计与实现.pdf

摘要 摘要 数字移动电视是数字电视发展史上一次重大的技术革命，数字移动电视正在 以前所未有的速度发展着。随着汽车等交通工具的广泛使用，车辆已经成为当前 数字移动电视最大的运行载体，展现出广阔的市场前景。与此同时，随着中国数 字移动电视地面传输国家标准的颁布，我国数字移动电视的发展也进入到了一个 崭新的阶段。本文的研究正是在这样的背景下，通过分析当前车载数字移动电视 市场的特点以及汽车电子发展的趋势，设计并实现了一套符合国标要求的高性能 车载数字移动电视系统。 本文设计的系统是以美国a d i 公司的b l a c k f i n 系列双核处理器 a d s p b f 5 6 l 为核心，通过充分利用处理器的外设资源，在单颗处理器上实现了 系统所需的所有外部设备的连接，以较高的集成度实现了系统的硬件平台。在功 能上，该系统能够用于接收、处理、显示数字移动电视信号，并且可以接受用户 的操作，完成与用户的交互等。考虑到系统要在处理器上实时地完成复杂的软件 工作，系统使用嵌入式实时操作系统u c o s i i 作为软件平台，采用多任务的方 式实现了数字移动电视信号的接收、解调、解复用，音视频数据的解码播放以及 人机交互等软件工作。其中，在人机交互界面的显示中采用了u c g u i 图形用户 引擎，极大地方便了该部分的软件工作。此外，本系统中的m p e g 2t s 流解复 用、视频解码以及音频解码均采用软件解码技术，这样针对使用不同信源编码的 移动电视信号，只需要使用相应的软件解码器即可实现所需功能，极大地降低了 系统的硬件成本，提高了系统的适应性。 在系统的验证方面，通过实地接收测试，系统所有功能均正常稳定工作，达 到了系统设计的要求，同时该系统还体现出体积小、功耗低、集成度高、易扩展 等特点。 关键词数字移动电视：a d s p b f 5 6 l ；嵌入式实时操作系统；m p e g 2t s 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 ed 硒t a lm o b i l et e l e v i s i o n ( d m t v ) i sas i g l l i f i c a n tt e c l l i l o l o g i c a lr e v o l u t i o ni n d i g i t a lt e l e v i s i o nh i s t o ni sd e v e l o p i n gw i t l lv e 巧h i 曲s p e e d w i t h l cw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n so ft h e 仃a l l s p o r t a t i o n sl i k ea u t o m o b i l e ，v e h i c l e sh a v eb e c o m et h eb i g g e s t o p e r a t i o nc a r r i e rf o rm e c u r r e n td m t va n ds h o ww i d em a r k e tp r o s p e c t m e 锄w h i l e ， 埘t ht l l ep r o m u l g a t i o no fc h i n a d i g i t a lt e l e v i s i o nt e 仃e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs t a l l d a r d ， t l l ed e v e l o p m e n to fd m t vi nc h i n ah a se n t e r e dan e w s t a g e u n d e rt h j sb a c k g r o u l l d ， t l l i sp 叩e ra 1 1 a l y z e s l ec h 积l c t 嘶s t i c so ft h ec u 盯e n tv e h i c l ed m t vm a r k e ta 1 1 dt 1 1 e d e v e l o p i n gt e n d e n c yo fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s t h e ni tp r e s e n t st h ed e s i g n 锄d i m p l e m e n t a t i o no ft t ：屺h i 曲- p e r f o n n a n c ev c h i c l ed m t vs y s t e mw i l i c hm e e t sm e n a t i o n a ls 切n d a r d ，n l i ss y s t e mi sb a s e do nt h ea d s p b f 5 6 1w h i c hi sah i 曲p e r f o m a i l c ed u a l c o r c p r o c e s s o ro fb l a c k f i ns e r i e sp r o d u c e db ya d i a r e rm a k i n g 如l lu s eo f 廿1 e p r o c e s s o r sp e r i p h e r a l s ，i tr e a l i z e st h ec o 衄e c t i o n sb e t w e e nt h es i n g l ep r o c e s s o ra i l d a l lt h e p e r i p h e r a le q u i p m e n t s t h e nah i g h l yi n t e 伊a t e dh a r d w a r cp l a t f o mi s i m p l e m e n t e d i n 胁c t i o n a la s p e c t ，t h es y s t e mr e a l i z e sm er e c e i v i n g ，p r o c e s s i n ga n d d i s p l a y i n go f t h ed m t v s i g n a l i ta l s oc a i la c c e p tu s e r so p e r a t i o na i l da c c o m p l i s ht h e i n t e r a c t i o nw i t hu s e r s c o n s i d “n gm er e a l - t i m ei m p l e m e n t a t i o no fc o m p l e xs o 行w a r e t a s k s ，t h es y s t e ma d o p t se m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s - i i 弱t h e s o r w a r ep l a t f o r m 觚du s e st h em u l t i t a s km e c h a l l i s mt 0c o m p l e t et h ef o l l o w i n g o p e r a t i o n s ，s u c ha st h er e c e i v i n g ，d e m o d u i a t i n ga 1 1 dd e - m u l t i p l e x i n go fd m t vs i g i l a l ， t h ed e c o d i n ga 1 1 dp l a y i n go fv i d e oa i l da u d i o ，m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，e t c i l lt h e s y s t e m ，u c g u ii su s e di nm ed i s p l a yo fm a i l m a c h i n ei n t e r f a c e ss o a st om a k et l l c r e a l i z a t i o ne a s i e r m o r e o v e r t h es y s t e mu s e ss o f t w a r ed e c o d i n gm e t h o dt oa c c o m p l i s h t i l em p e g 2t sd e m u h i p l e x i n ga n dv i d e o a u d i od e c o d i n g ，s oi tc a i le 戚l ym e e tm e d e m a i l do fo t l l e rd m t vw l l i c hu s e sd i f f e r e n ts o u r c ec o d i n gm e m o db yr 印l a c i n g d e c o d e rl i b r 撕e s t h e nm eh a r d w a r ec o s ti sh i 曲l yr e d u c e da i l dt 1 1 es y s t e m s 叩p l y i n g s c o p ei se n l a 唱e d i i lt h ea s p e c to fs y s t e mt e s t i n g ，a 1 1t h es y s t e m 向n c t i o n sa r ed e m o n s t l 铽e dt 0b e n 0 册a 1a 1 1 ds t a b l et l 哟u g l lt 1 1 er e c e i v i n gt e s t t h es y s t e mc a i l 如l f i ua l lt h ed e s i 盟 r e q u i r e m e n t s f 眦t h e n n o r e ，i th 髂t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs m a l ls i z c ，l o wp o w e r d i s s i p a t i o n ，h i g hi n t e g r a t i o na n de a s ye x p a n s i o n k e y w o r d s ：d i g i t a lm o b i l e r e l e v i s i o n ；a d s p - b f 5 6l ；e m b e d d e dr t o s ；m p e g 2t 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j 匕塞工业太堂或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕塞王些盔堂有关保留、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) 日期：丝量：苎：当 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 伴随着知识经济的全面兴起，信息革命的浪潮席卷全球，人类已真正进入信 息时代。数字化革命就是在此背景下发生的一场全世界范围的新技术革命，电视 的发展也不例外。电视技术的数字化是电视产业发展的必然趋势，也是电视网络 化的前提和必要条件。 数字电视，是指从电视节目采集、录制、播出到发射、接收全部采用数字编 码与数字传输技术的新一代电视，是在数字技术基础上把电视节目转换成为数字 信息( o ，1 ) ，以码流形式进行传播的数字形态。数字电视综合了数字压缩、多 路复用、纠错掩错、调制解调等多种先进技术。由于运用了数字技术，电视清晰 度和抗噪声能力大大加强，而且更少的带宽就可以传输更多的节目。 按照信号传输的方式，数字电视可以分为地面无线传输数字电视( 地面数字 电视) 、卫星传输数字电视( 卫星数字电视) 和有线传输数字电视( 有线数字电 视) 【l 】。其中，地面数字电视和卫星数字电视统称为数字移动电视。 数字移动电视作为一种新锐的电子媒体，它以数字技术为支撑，通过无线数 字信号发射、地面数字接收的方式播放和接收电视节目。它的最大特点是支持便 携式接收和移动接收，在传输电视信号上具有高画质、高音质、多频道、高性能 等独特优势，使观众能随时随地方便地收看电视节目。 目前的数字移动电视主要有两种类型：一是车载数字移动电视，主要安装在 公交车、出租车、私家车、磁悬浮列车、火车等交通工具上；二是手持数字移动 电视，即利用移动电视数据传输技术为手机、掌上电脑、m p 4 等便携式接收终 端提供电视服务。 传统的车载移动电视，具有频道专一、强制收视的特点，传播内容可以有效 地到达目标消费者，其主要应用在公共交通工具上。新一代的车载移动电视增加 了个人化和互动性强的特点，传播效果将更加有效，主要应用在私家车等私有交 通工具上。 随着城市基础设施的建设和城市化信息化的建设，交通系统的建设也将不断 发展和完善，这些都为中国车载移动电视的健康发展提供了一个良好的市场应用 环境，可以预见，中国车载数字移动电视在未来很长时间内都将保持较快的增长 速度。 北京工业大学工学硕十学位论文 1 2 数字电视的发展 自上世纪9 0 年代以来，数字电视在全球范围内迅猛发展。目前，以制定现 今数字电视三大标准的美国、欧洲、日本的发展最为迅速。 美国是世界上最早发展数字电视的国家，其制定的a t s c ( a d v 殂c e d t e l e v i s i o ns y s t e m sc o 姗舱i 位e e ，高级电视制式委员会) 标准于1 9 9 7 年被国际电信 联盟( i t u ) 批准为国际标准，它是世界上第一个数字电视传输国际标准。美国 不仅在技术领域完成了数字电视三大标准的制订工作，而且率先实现了商用播 出。1 9 9 7 年4 月，f c c 为全美1 6 5 0 个电视台指派了用于数字电视广播的频道， 并公布到2 0 0 6 年所有电视台全部实现数字播出，彻底停止现行模拟广播的日程 计划。1 9 9 9 年7 月，美国已有分布在大中城市6 9 个电视台播出数字电视节目， 覆盖了5 0 的美国人口。由于技术支持和资金实力的推动，美国的数字电视截 至2 0 0 3 年年中，地面数字电视的覆盖率已达9 4 ，并于2 0 0 7 年完成模拟向数 字的过渡。 在欧洲，1 9 9 5 年l5 0 个组织合作开发数字视频广播( d 蜮t a l d e ob r o a d c a s t ， d v b ) 项目，并成立了d v b 联盟，共同制定了数字电视的d v b 标准。从1 9 9 5 年起，欧洲陆续发布了数字电视地面广播( d v b t ) 标准、数字电视卫星广播 ( d v b s ) 标准和数字电视有线广播( d v b c ) 标准。欧洲数字电视的卫星广播 1 9 9 6 年开播，数字化已接近1 0 0 。有线数字化自1 9 9 7 年末快速发展，其中英 国计划在2 0 1 0 年全面普及数字电视，停止模拟地面电视广播。 日本是世界上最早推出h d t v 广播的国家。日本数字电视首先考虑的是卫 星信道，并在1 9 9 9 年发布了数字电视的标准i s d b t ( t e r r e 嘶a li n t e g r a t e ds e n ，i c e s d i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) ，这是一种适用于窄带和宽带的数字广播和电视的技术。日 本1 9 9 9 年前后研制成功数字电视，2 0 0 1 年开播高清晰度数字电视，2 0 0 3 年才在 主要的大城市开播地面高清晰电视，于2 0 0 6 年实现地面数字电视全国覆盖，计 划到2 0 1 1 年全国范围内的所有电视台都将采用数字信号发送，彻底结束模拟信 号发送的历史。 我国自从国家科技部1 9 9 5 年批准实施中国高清晰度电视重大科技产业工程 项目以来，中国的数字电视已经历了十三年的发展，并取得了举世瞩目的成绩。 1 9 9 8 年9 月中国第一套( 国际第四套) 高清晰度电视地面广播功能样机系统研 制成功。1 9 9 9 年l o 月，经过改进，利用自主开发的高清功能样机系统完成了国 庆5 0 周年天安门广场庆典的现场实况转播试验。2 0 0 0 年以来，国家设立了数字 电视研发及产业化专项，重点是研究和制定自主知识产权的国家数字电视标准、 数字电视产业化和应用推广试验，包括批准北京、上海、深圳3 个试验区和2 个测试实验室，批准立项系列产业化开发项目。2 0 0 1 年11 月国家广电总局批准 2 第1 章绪论 在全国1 3 个城市率先开展有线数字电视的商业运营试验，2 0 0 3 年上海等城市开 展城市移动无线电视商业试验，2 0 0 3 年1 0 月深圳电视台开出全国首个高清电视 运营频道。到目前为止，全国主要城市都己开通数字电视广播业务。按照我国已 经制定的数字电视实施计划时间表，2 0 0 8 年将全面推广地面数字电视广播，用 数字电视转播奥运会；2 0 1 0 年广播影视节目制作、播出以及卫星、有线传输实 现数字化，数字电视接收机得到普及；2 0 1 5 年将全面实现数字化，完成模拟向 数字的过渡，停播模拟信号。 1 3 数字电视的特点和优势 从广义上来说，数字电视是数字传输系统，是原有模拟电视系统的数字化。 与模拟电视相比，从技术层面分析，数字电视具有以下特点及先进性【2 】。 ( 1 ) 数字电视抗干扰能力强，数字电视信号经长距离传输及反复记录之后 仍能利用均衡技术、再生技术、纠错编解码技术实现无失真复原，从而消除了模 拟信号处理中所固有的噪声积累，因而可实现高保真传输，即图像、伴音质量与 演播室效果无明显差异，从而获得高清晰度视频及高品质音频效果。如标准清晰 度数字电视节目可以达到d v d 质量，在观看高清晰度数字电视节目时清晰度是 目前电视的4 倍以上。 ( 2 ) 数字电视由于采用数据压缩编码技术，传输带宽较之模拟电视大为减 小，传输1 套模拟电视节目的通道可同时传输4 6 套数字电视节目，因而频谱利 用率显著提高，可合理、有效地利用各类频谱资源，从而大大降低信号发射、传 输费用，同时由于采用时分多路复用技术，可实现信道多工复用。 ( 3 ) 数字电视大大降低了信号发射功率，输出信号稳定可靠，易于消除图 像畸变，同时由于采用数字编码方法，便于实现加密解密、加扰解扰，从而为 信息安全与收费电视运营机制的顺利开展提供了必要保障。 ( 4 ) 数字电视输出信号易于存储，可使用各种数字处理技术实现数字特技， 同时应用于节目制作可提高图像质量。 ( 5 ) 数字电视设备广泛适用超大规模集成电路( v l s i ) 技术，可增强系统 功能、提高系统稳定性，而且数字电视在图像格式上与计算机系统相兼容，易于 与计算机系统相连接处理图像信息，同时将数字技术与计算机技术相结合可实现 电视设备的自动控制及操作。 ( 6 ) 数字电视输出信号具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类 通信信道或有线、无线电视信道中传输，便于开展各种综合业务和交互业务( 包 括因特网业务) ，有利于构建“三网合一 的信息基础设施。 3 1 4 地面数字电视广播标准 目前，国际电工委员会i e c 和国际电信联盟l t u 的地面数字电视传输标准 共有3 个：美国的a t s c 、欧洲的d v b t 和日本的i s d b t 。我国于2 0 0 6 年8 月1 8 同正式对外公布了具有自主知识产权的中国数字电视地面广播传输系统标 准d t m b ( 又称d m b m ) ，这样国际上就有了四种地面数字电视广播标准。各 国地面数字电视广播系统使用分布图如图1 1 所示。 图l - l 各国地面数字电视广播系统使用分布图”j f i g u r e l - 】d j g i b lt e 【e v i s i o nt e m s t 川b m a d c 越t j ”gs y s k m sb y c o u n t 叮” ( ”美国a t s c 标准 a t s c 标准采用8 v s b 调制方式，它是有导频的单载波调制，是调幅调制技 术的发展能够在6 m h z 带宽内用8 v s b 调制方式实现1 93 6 m b 口s 数据的可靠传 输。a t s c 系统中加入了o3 的b 的导频信号用于辅助载波恢复，并加入了段同 步信号用于系统统不，系统噪声门限低( 理论值1 49 d b ) ，抗多径干扰依赖于 复杂的白适应均衡器，系统对回波时延变化很敏感，它只提供固定接收不支持 移动接收。 a t s c 标准使用的国家有美国、加拿大、墨西哥、巴两和韩国等。 ( 2 ) 欧洲d v b t 标准 d v b t 标准基于8 m h z 带宽，采用c o f d m 调制方式，它把传输比特分割 到数以千计的低比特率副载波上，属于多载波调制技术，可使用1 7 0 5 ( 2 k ) 或 6 8 1 7 ( 8 k ) 个载波，其中2 k 模式用于普通网，支持移动接收，8 k 模式用于单 频网。d v b t 为8 m h z 频带而开发，但也能应用于任何频带( 6 m h z 、7 m h z 、 8 m h z ) ，其中8 m h z 信道内传输的有效净比特率在49 8 m b p s 3 l6 7 m b p s 范围 之内具有码率取决于信道编码参数、调制类型及保护间隔选择。 v 一 飘 第l 苹绪论 d v b t 标准使用的国家包括欧洲各国、亚太地区的新加坡和澳大利亚等。 ( 3 ) 日本i s d b t 标准 i s d b t 标准在6 m h z 带宽内既可传送数字电视，也可传送独立音频与数据 广播，它在编码方式、调制方法上都与d v b t 基本相同，可以说是经修改的 d v b t ，不同之处在于i s d b t 在接收方面增加了部分接收与分层传输。日本电 视射频信号的带宽为6 m h z ，所以在载波数、载波间隔方面都与d v b t 有所差 别。i s d b t 将整个6 m h z 频带划分为1 3 个子带，每个子带4 3 2 k h z ，它将中间 一个用于传输音频信号，并大大增加了交织深度，因而将引入长达数百毫秒的延 迟，这将影响频道转换和双向业务。i s d b t 采用b s t - o f d m 载波调制方案，可 适应6 m h z 、7 m h z 、8 m h z 带宽，它将信道分割成多个o f d m 段，进行分段传 输，并对不同分段采用不同的编码类型、调制方式及误码保护方案，以满足综合 业务需求。 i s d b t 标准使用的国家为日本等。 ( 4 ) 中国d t m b 标准 d t m b 标准是中国国家标准化管理委员会于2 0 0 6 年8 月1 8 日正式发布的 中国数字电视地面传输国家标准( 标准号g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) ，标准名称为数字电视 地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制( f r 2 u 1 1 i n gs t m c t u r e ，c h a i m e lc o d i n g 锄dm o d u l a t i o nf o rd i g i t a lt e l e v i s i o nt e 仃e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs y s t e m ) ，它实质上是 清华大学d m b t 与上海交通大学a d t b t 的融合方案，作为国家强制性标准， 于2 0 0 7 年8 月1 日开始在全国范围内实施。 d t m b 标准包含了单载波和多载波两种模式，支持在8 m h z 带宽内传输 4 8 1 3 m b p s 3 2 4 8 6 m b p s 的有效净比特率，支持开展标准清晰度电视业务和高清 晰度电视业务，支持包括固定( 含室内、外) 接收和移动( 含便携手持) 接收在 内的多种接收模式，支持高清、标清、数字声、多媒体信息、数据广播及各种混 合业务的传输。此外，d 刑b 标准还支持多频网和单频网的组网模式。 d t m b 标准采用t d s o f d m 调制方式。该调制方式的刷新时间比c o f d m 快l 倍，信号截获时间快了2 0 倍。t d s o f d m 独特的复帧结构与绝对时间( 日 时分秒) 同步，每5 0 0 微秒数据都有地址信息，具有多媒体广播的特点和省电功 能。它的时频结合处理的信道估计和均衡使信号捕获时间比频域c o f d m 和时 域v s b 快4 倍以上【4 j 。 d 刚b 标准和d v b t 标准的系统参数比较如表1 1 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 表1 1d t m b 和d v b - t 的典型系统参数 t a b l el lt y p i c a ls y s t e mp a r 啪e t e r so fd t m ba n dd v b t d t m bd v b t 以6 8 个o f d m 符号为重复帧 帧结构和绝对时间同步的复帧结构 d b p s k 调制方式 t d s o f d mc o f d m 载波数1 ，4 k ( 3 7 8 0 ) 2 k ( 1 7 0 5 ) ，8 k ( 6 8 1 7 ) 系统参数 每个信号帧3 6 b i t ，q p s k 每个o f d m 符号1 b i t 保护间隔 5 5 6 5 u s ， 12 5 u s 7 u s 2 e x p n ，n = l ，2 ，3 ，4 ，5 子载波调制 q p s k 、16 q a m 、6 4 q a mq p s k 、l6 q a m 、6 4 q a m 前向纠错编码 l d p c + b c d 码r s + 系统卷积码 时域交织 b = 5 2 ，m = 7 2 0 支路数b = 5 2 。m = 1 2 频域交织o f d m 符号内交织o f d m 符号内交织 带宽有效带宽 8 m h z 7 5 6 m h z 8 m h z ：7 6lm h z 在o f d m 保护间隔中插入时域p n在o f d m 帧体内插入连续和离散导 同步、信道估计 序列，b p s k 调制 频，b p s k 调制 5 4 1 4 m b p s q p s k4 9 8 m b p s ，q p s k 净码率 l6 2 4 3 m b p s l6 q p s k13 2 7 m b p s 16 q p s k 2 4 3 6 8 m b p s 佑4 q p s k2 3 4 2 m b p s 6 4 q p s k 从表1 1 可以看出，在系统性能方面，d t m b 的性能比d v b t 的性能更稳 健，信息容量更大，移动性能更好，广播覆盖性能更强，多业务广播更方便。单 频网设备更简单、更可靠。 此外，d t m b 系统是一个完整透明的数据传输系统，支持所有传输格式为 m p e g 2 t s 流的数据码流。不管什么样的数据，例如m p e g 1 、m p e g 2 、中国 的a v s 、m p e g 4 、h 2 6 4 、i p 数据、w i n d o w sm e d i a 9 等格式的数据码流，只 要是能打包成m p e g 2 t s 流格式的数据码流都可以经过d t m b 传输系统进行传 送【5 1 。 1 5 课题及其意义 车载数字移动电视，是目前数字移动电视最广泛的应用。是地面数字电视一 类重要的终端，也是地面数字电视独特的地方。有线数字电视无法支持移动，卫 星数字电视在高速车内收看也有难度，针对手机电视的数字电视标准也不适合于 车内大屏幕观看。从业务需求来说，车载电视至少需要标准清晰度节目广播，接 收芯片必须支持高速移动接收。 6 第1 章绪论 从技术层面上看，中国地面数字电视传输标准( d t m b ) 支持车载移动数字 电视，接收芯片也可以完全支持车载移动接收。d t m b 能够在大于2 0 0 公里时 速的超常规速度的载体上正常接收高清晰度的数字电视信号，正是因为其采用的 时域快速信道估计技术，使系统同步和信道估计时间比欧洲d v b - t 缩短约1 0 0 倍左右，这为地面数字电视广播在各种载体上进行接收提供了有利条件。 从市场层面上看，我国车载数字移动电视终端产品也有巨大的市场空间。我 国汽车保有量5 0 0 0 多万辆，其中私家车约3 0 0 0 万辆，每年私家车增速约2 0 ， 目前增速还在加快，汽车市场有望在未来数年内成为全球最大的市场。由于我国 经济高速成长，越来越多的家庭拥有汽车，汽车带来的便利性也使人们的活动距 离变得越来越远，停留在车上的时间也越来越长，车载电视作为提高人们现代化 生活质量的一种手段，也就成为有车家庭的一种必然需求。据2 0 0 7 年中国车 载移动电视发展蓝皮书相关数据显示，2 0 0 6 2 0 0 9 年我国车载电视市场每年 的增长率都超过6 0 ，2 0 0 6 年我国车载电视的市场销售量达到了1 8 8 万台，2 0 0 7 年销售量在3 3 万台左右，2 0 0 8 年由于奥运提供的商机，车载电视的市场销售量 将接近6 0 万台，同比增长率将超过8 0 ，而2 0 0 9 年销量将超过l o o 万台【6 j 。另 据赛迪顾问日前发布的2 0 0 7 2 0 0 8 年中国车载移动电视市场研究年度报告显 示，2 0 0 7 年是中国车载移动电视市场发展极为重要的一年，在政策环境、标准 发展、市场应用等方面的一系列重大事件，均对中国车载数字移动电视的未来发 展产生深远的影响。 通过对车载数字移动电视及其信号传输标准的分析，依据数字电视地面传输 国家标准，本课题拟开发一套满足全国标要求及低成本的车载数字移动电视系 统。该系统将采用单处理器的实现方式，通过外接各功能模块来实现系统整体的 功能。 本课题研究的内容包括满足d t m b 标准的数字移动电视信号的接收、分析 与处理；m p e g 2t s 流的解复用；嵌入式实时操作系统的使用；嵌入式图形用户 界面的开发；音视频信号的解码与同步播放：a d s p b f 5 6 l 双核交互机制；设备 的驱动程序设计等。 本课题结合实际，通过对车载电源、移动接收、显示效果等方面的具体分析， 本系统将实现一个完全满足车载这一特定应用环境的数字移动电视终端，并且提 供人机交互功能，具备体积小、功耗低、集成度高、易扩展等特点。 1 6 本文的结构安排 本文共分为五章，第一章为绪论，介绍了数字电视的发展，分析了数字电视 的特点和优势，同时对当前国内外的地面数字电视广播标准进行了分析和比较， 7 北京工业大学t 学硕士学位论文 其中还重点介绍了我国的d t m b 标准。然后，通过分析我国车载数字移动电视 的发展前景，从技术和市场两个层面介绍了本课题的背景和意义，并列出了本文 的研究内容。 第二章介绍了整个系统的设计方案，包括硬件平台的选择、处理器的使用、 硬件架构设计、软件平台选择、操作系统的使用以及软件构架设计等。 第三章介绍了系统的硬件设计。根据系统硬件的功能需求，本文将系统划分 为处理器和7 个硬件模块，详细介绍了处理器与各模块的连接方式以及各模块的 硬件设计。与处理器相连接的7 个模块为电源模块、电视信号接收模块、存储器 模块、液晶显示模块、音频处理模块、输入控制模块和实时时钟模块。 第四章详细介绍了系统的软件设计。首先从系统软件结构出发，对基于嵌入 式实时操作系统u c o s - i i 的系统任务作了规划。然后对系统的4 个功能模块： m p e g 2t s 流解复用、音视频同步播放、人机交互和a d s p b f 5 6 l 双核交互的设 计和实现过程作了详细的介绍。 第五章介绍了系统的优化和系统的测试。优化部分从a d s p b f 5 6 l 的结构特 点出发，分别介绍了存储器管理、高速缓冲存储器优化、d m a 优化和中断管理 四个部分。测试部分主要介绍了对m p e g 2t s 流解复用程序的测试。 8 第2 章系统方案设计 第2 章系统方案设计 2 1 系统功能及指标 本系统原型框图如图2 1 所示，数字移动电视信号通过天线传送给射频调谐 器，射频调谐器根据嵌入式处理器对其的配置将某个频道的电视信号传送给基带 解调器，基带解调器将解出的基带信号交给嵌入式处理器进行后端的进一步处 理。嵌入式处理器获得基带信号( t s 流) 后通过解复用技术分离出视频码流、 音频码流和辅助信息码流。然后通过软解码技术分别对上述码流进行解码处理， 将解码好的视频流送到液晶显示器显示，音频流送到扬声器或耳机进行播放，辅 助信息则以电子节目指南( e l e c t r o n i cp r o g r 锄g u i d e ，e p g ) 等形式展现给用户。 系统提供键盘或触摸屏作为输入控制设备，完成频道选择、系统设置等操作。 ，f 液晶显示器 l 射频调谐器 扬声器或耳机 ? 嵌入式处理器 l 基带解调器 l l 键盘或触摸屏 ! = 溜一： 一l 存储设备 ，源j 图2 1 系统原型框图 f i g u r e2 - ls y s t e mp r o t o t y p ed i a g r a m 本系统设计的车载数字移动电视将满足中国数字电视地面传输标准规定的 单频网和多频网的接收要求，实现车速范围内的移动接收。系统设计过程中还充 分考虑了系统的通用性，将采用软解码方式处理音、视频数据，这样针对不同信 源编码方式的数字移动电视信号可以通过选择相应的解码器实现解码播放，在提 高系统集成度的同时也降低了系统的硬件成本。 9 北京工业大学t 学硕士学何论文 2 2 系统设计 本系统设计了一套车载数字移动电视的单处理器解决方案。该方案以嵌入式 处理器为核心，通过外设接口与各功能模块相连。功能模块包括电源模块、数字 移动电视信号接收模块、存储器模块、液晶显示模块、音频处理模块、输入控制 模块和实时时钟模块等。由于嵌入式处理器需要完成t s 流解复用、音视频解码、 系统控制等复杂的功能，而且系统实时性要求也比较高，故嵌入式处理器上需要 运行一套嵌入式实时操作系统，协调各个功能模块，完成系统复杂的功能。此外， 为了实现美观、人性化的人机交互界面，系统需要运行一套图形用户引擎，完成 系统要求的各种显示功能。 2 2 1 系统硬件平台选择 近年来，微电子技术的发展突飞猛进，各大嵌入式处理器厂商都争相推出了 各自的高性能嵌入式处理器。考虑到本系统拟采用单芯片的解决方案，并且系统 中要运行嵌入式实时操作系统、要完成复杂的音视频解码算法，这就要求所选的 嵌入式处理器在提供通用微型控制器功能的同时，还要具有强大的运算能力、丰 富的外设接口，要有很强的数字信号处理能力。汇聚式的嵌入式处理器正好满足 上述要求，将控制处理能力和信号处理能力进行了完美的结合。 本系统最终用了美国模拟器件公司的b l a c k f i n 系列高性能数字多媒体处理 器a d s p b f 5 6 1 作为系统的核心。b l a c 始n 系列处理器是高性能和低成本的嵌入 式处理器，它针对嵌入式音频、视频和通信应用的计算和功耗要求来设计，是一 种新型1 6 3 2 位嵌入式处理器。b l a c k f i n 系列处理器基于由a d i 公司和i m e l 公 司联合开发的微信号构架( m s a ) ，它将一个3 2 位r i s c 型指令集和双1 6 位乘 法累加( m a c ) 信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在了一起。 这种处理特征的组合使得b l a c 姬n 处理器能够在信号处理和控制处理应用中均 发挥重要的作用，极大地简化了硬件和软件设计过程【7 1 。b l a c k f i n 系列处理器具 有以下特点： ( 1 ) 高性能处理器内核 b l a c k f i n 系列处理器内核采用了一个1 0 级r i s cm c u d s p 流水线，一个专 门为实现最佳代码密度而设计的混合1 6 3 2 位指令集。b l a c k f i n 系列处理器支持 s i m d ( 大指令多数据) 操作，并提供了加速视频和图像处理的指令。该架构很 适合于全信号处理分析能力，同时还可以在单内核器件或双内核器件上提供高 效刚s cm c u 控制任务执行能力。 ( 2 ) 高带宽d m a 能力 1 0 第2 苹系统方案设计 b l a c k f i n 系列处理器具有多个独立的d m a 控制器，这些控制器支持自动数 据传输，而所需的处理器内核开销极少。d m a 传输可出现于内部存储器和诸多 具有d m a 功能的外设之间。传输也有可能出现于外设和与外部存储器接口相连 的外部器件( 包括s d r a m 控制器和异步存储器控制器) 之间。 ( 3 ) 视频指令 除了具有对8 位数据及许多像素处理算法所常用的字长的支持之外， b l a c k f i n 系列处理器还包括专为增强视频处理应用中的性能而定义的指令。 ( 4 ) 高效控制处理 b l a c k f i n 系列处理器还提供了各种在刚s c 控制处理器中才具有的特点，这 些特点包括：一个功能强大的且灵活的分层存储器架构、出众的代码密度以及各 种外设接口。虽有这些特点都为开发人员提供了巨大的设计灵活性，并最大限度 地降低了终端系统的成本。 ( 5 ) 易用性 在许多过去需要同时采用一个高性能信号处理器和一个单独的高效控制处 理器的应用中，如今只需采用一个b l a c k f i n 系列处理器就足够了，这样极大地缩 减了开发时间和成本，并最终加快了产品的开发进程。 2 2 2a d s p b f 5 6 1 处理器 2 2 2 1 加s p b f 5 6 1 的特点 本系统采用的是a d s p b f 5 6 1 高性能嵌入式处理器，它是针对嵌入式音频、 视频和通信应用的计算和功耗要求来设计的，是一种新型3 2 位嵌入式处理器。 a d s p - b f 5 6 l 处理器的结构框图如图2 2 所示。 北京工业大学工学硕十学何论文 图2 2a d s p b f 5 6l 处理器功能结构框刚8 l f i g u r e2 2f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m o f a d s p b f 5 6 lp r o c e s s o rf 8 】 a d s p b f 5 6 l 处理器主要具有以下特点： ( 1 ) 两个1 6 位定点d s p 内核，每个可以实现高达6 0 0 m h z 持续工作； ( 2 ) 灵活的软件控制动态电源管理； ( 3 ) 4 g b 统一寻址空间； ( 4 ) 每个内核的l 1 指令存储器都包括1 个3 2 l 的s r a m ，其中1 6 k b 可 配置成4 路联合c a c h e ； ( 5 ) 每个内核l 1 数据存储器包括2 个3 2 k b 的s r a m 的b a n k ，每个b a n k 均由两个1 6 k b 的s r a m 组成，其中1 个1 6 k b 可配置成c a c h e ； ( 6 ) 每个内核有4 k bl 1 临时数据s r a m ，访问速度与l 1 存储器同样为处 理器最快速度，不可配置为c a c h e ； ( 7 ) 支持片外同步或异步存储器( 包括p c i 3 3s d r a m ) ； ( 8 ) 灵活的引导方式( s p i 或外部存储资源) ： ( 9 ) 内存管理单元提供内存保护： ( 1 0 ) 多级事件处理； ( 1 1 ) 2 个“看门狗 定时器； ( 1 2 ) 1 2 个定时计数器，支持p w m ： ( 1 3 ) 4 8 个p f ； ( 1 4 ) 1 个支持i r d a 的通用串行口； ( 1 5 ) 并行外设接口( p p i ) 支持i t u r 6 5 6 视频格式； ( 1 6 ) 1 个s p i 兼容端口： ( 1 7 ) 2 个双通道全双工同步串行接口，支持8 个立体声1 2 s 通道； 1 2 第2 章系统方案设计 ( 1 8 ) 2 个1 6 通道d m a 控制器和1 个内部存储器d m a 控制器； ( 1 9 ) 片内自带1 6 3 倍p l l ： ( 2 0 ) o 8 1 2 v 核心电压，3 3 vi o 。 2 2 - 2 2a d s p - b f 5 6 1 的内核结构 a d s p b f 5 6 l 处理器的内核结构如图2 3 所示，包括数据运算、地址算术和 程序控制三个主要部分。 一一一一一一一一 q i l k u h l 一一一一一一一一一7 图2 3a d s p b f 5 6 l 处理器内核结构框图【8 】 f i g u 陀2 - 3c o 陀d i 楚即mo f a d s p b f 5 61p r o c e s s o r1 8 1 b l a c k f i n 内核的数据运算部分包含2 个4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) ，2 个 乘法器累加器( m