（计算机科学与技术专业论文）基于“龙芯”的卫星数字电视接收系统的研究与实现.pdf

摘要 随着数字电视广播技术的发展，数字电视接收系统的研究与开发已成为新的发展 方向。龙芯处理器以其低成本、低功耗、指令级并行等优点广泛应用于嵌入式领域。 本文基于龙芯2 e 处理器平台，设计并实现该平台下的卫星数字电视接收系统。 本文提出一种基于龙芯的d v b s 卫星数字电视接收处理方案，采用基于龙芯2 e 平 台的p c i 接口方式，结合s h a r p 公司的b s 2 f 7 v z 0 1 9 4 a 作为前端调谐器模块和捕获t s 码流的p h i l i ps a a 7 1 3 0 芯片来设计整个系统，符合d v b s m p e g 2 标准，充分应用了龙 芯平台对m p e g 2 高效解码特性，可用于龙芯p c 接收和播放卫星数字电视节目。该系 统具有使用方便、结构简单、便于实现和成本低等特点，对基于国产处理器的3 c 融合 ( 即计算机、通信与消费类电子融合) 产品的产业化应用具有重要意义。在卫星数字电 视接收系统的设计与实现过程中，基于特定硬件方案的接收系统驱动开发与优化是工 作的重点，在龙芯平台下对电视节目流的解码分析与优化是本课题研究的主要工作。 本文主要分析了数字电视接收系统的基本原理并在龙芯l i n u x 操作系统上进行了卫 星数字电视接收的原型设计与实现。文章首先介绍了基于d v b 标准的数字电视传输和 接收原理，在此基础上给出了接收系统的整体硬件方案。在对系统软件平台与l i n u x 操 作系统进行简要介绍后，根据系统的功能模块明确了软件系统的层次划分和各部分完 成的主要工作，并给出了软件系统实现的整体分层结构。然后，文章分析了在l i n u x 下丌发设备驱动程序的一般方法，并针对数字电视接收设备，详细探讨了如何在龙芯 l i n u x 操作系统下实现对该设备的驱动。接下来，本文对在龙芯平台下数字电视节目流 的解码播放进行分析和优化，并应用基准测试程序进行了相关测试。最后对系统实现 过程中的研究与丌发工作进行了总结，并阐述了将来进一步对该系统进行扩充与完善 的一些工作。 关键词：数字电视接收；龙芯；d v b s ；设备驱动程序；解码 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fd v b - - sr e c e i v i n gs y s t e mf o r l o o n g s o n l it i n g ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw us h a o g a n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt vb r o a d c a s t i n gt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ha n de x p l o i t u r e o fd i g i t a lt v r e c e i v i n gs y s t e mh a sb e e nan e wd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t t h eg o d s o nc p u h a sb e e na b r o a d l ya p p l i e di nt h ea r e ao fe m b e d d e ds y s t e mf o ri t sa d v a n t a g e so fl o w - c o s ta n d m e r g e di n s t r u c t i o nl e v e l t h ep a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h es a t e l l i t ed i g i t a lt v r e c e i v i n gs y s t e mf o rl o o n g s o n 、) ，i mt h e2 eg o d s o nc p up l a t f o r m t h ep a p e rp r e s e n t sap r o j e c to ft h ed v b - ss a t e l l i t ed i g i t a lt v r e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n g s y s t e mo nt h eg o d s o n b a s e dp l a t f o r m u s i n gt h ep c ii n t e r f a c eo nt h eg o d s o n - 2 e ，c o m b i n e d w i t hs h a r p sb s 2 f 7 v z 0 1 9 4 aa st h ef r o n t e n dt u n e rm o d u l ea n dp h i l i p s ss a a 7 1 3 0w h i c h c a p t u r e st h et ss t r e a m t h ee n t i r es y s t e mi sd e s i g n e di n l i n ew i t ht h ed v b s m p e g - 2 s t a n d a r d s ，f u l l yu t i l i z e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg o d s o n - 2 ep l a t f o r mf o rd e c o d i n gm p e g - 2 w i t hh i g hp e r f o r m a n c e ，a n dc a nb eu s e dt og o d s o np ct or e c e i v ea n dp l a ys a t e l l i t ed i g i t a l t e l e v i s i o np r o g r a m s t h ea d v a n t a g eo ft h es y s t e m ，s u c ha se a s y t o u s e ，s i m p l es t r u c t u r e ，e a s y r e a l i z a t i o na n dl o wc o s t ，m a k e si tg r e a ts i g n i f i c a n c ef o raw i d e rr a n g eo fi n d u s t r i a l i z a t i o n a p p l i c a t i o no ft h e3 ca m a l g a m a t i o n ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e re l e c t n c s ) p r o d u c t sb a s e do nt h ed o m e s t i cp r o c e s s o r s d u r i n gt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h es a t e l l i t e d i g i t a lt vr e c e i v i n gs y s t e m ，t h ee x p l o i t u r ea n do p t i m i z a t i o no fr e c e i v i n gs y s t e md r i v e rf o r s p e c i a lh a r d w a r ei st h ek e y s t o n ew o r k ，a n dt h ea n a l y s i so ft h er e c e i v e dt vp r o g r a ms t r e a m o c c u p i e dt h em a i nw o r k l o a d t h i sp a p e rm a i n l yw o r k e do v e rt h ef u n d a m e n t a lo fd i g i t a lt vr e c e i v i n gs y s t e ma n di t s r e a l i z a t i o no ft h ep r o t o t y p es y s t e mo nl i n u xo p e r a t i o ns y s t e mf o rl o o n g s o n sd v b s r e c e i v i n gs y s t e m f i r s t l y , i tg i v e sab r i e fd e s c r i p t i o no fd i g i t a lt vt r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n p r i n c i p l e sb a s e do nd v bs t a n d a r d ，a b o v ew h a tt h ew h o l eh a r d w a r es c h e m ef o rt h er e c e i v i n g s y s t e mi sg i v e n a f t e ras i m p l ei n t r o d u c t i o nt ot h es y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h el i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ，f o rt h ef u n c t i o nm o d u l e so fs y s t e mt h ea r r a n g e m e n to f s o f t w a r es y s t e ma n d t h em a i nt a s kf o re v e r ys e g m e n ta r ec l e a r l yp r e s e n t e d ，a n dt h ew h o l ed e l a m i n a t i o ns t r u c t u r eo f s o f t w a r es y s t e mi sg i v e n t h e nt h ep a p e rd i s c u s s e dt h ec o m m o n l ym e t h o do fd e v e l o p i n g n d e v i c ed r i v e ro nl i n u xo s ，a n da c c o r d i n gt ot h ed i g i t a lt v r e c e i v i n gs y s t e md e v i c et h ep a p e r p a r t i c u l a r l yp r o b e d i n t ot h ei m p l e m e n t a t i o no fd e v i c ed r i v e ro n l o o n g s o nl i n u xo s a f t e r w a r d s ，t h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o ni sc a r r i e dt h r o u g hf o rt h er e c e i v e dt vp r o 酗吼 s t r e a ma n dt h er e l e v a n tt e s t i n gw i t ht h ec o r eb e n c h m a r ki sm a d e f i n a l l y , t t l l es 哪m a r i z a t i o n f o rt h ep r o c e s so fr e s e a r c ha n de x p l o i t u r eo ft h ew h o l e s y s t e mi sp r e s e n t e da n da l s ot h ef u t u r e w o r kf o rt h es y s t e mt ob em o r ep e r f e c ti sg i v e n k e yw o r d s ：d i g i t a lt e l e v i s i o nr e c e i v i n g ；g o d s o n ；d v b s ；d e v i c ed r i v e r ；d e c o d e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我同工 作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：_ 咖年 月叩日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 星尘困= i 同期：劲知年乡月冲同 日期：剀矿年，月四日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第一章绪论 1 1 背景及意义 随着各种数字音视频信息来源的多样化，消费类电子、通信、电视、广播和计算 机技术日益紧密结合起来，计算机与通信、娱乐业的融合( 即3 c 融合) 将是主流趋势。 数字化是科技发展的必然，也是消费类电子产业和广播影视发展的必然。在各国政府 的推动下，世界广播影视的数字化进程得到了较快发展。数字电视技术已成为世界各 国拓展广播影视服务领域、推动广播影视产业升级的主要源动力，同时也带来了网络 电视0 p 电视) 、手机电视、卫星移动电视、数字电视接收产品等相关数字新媒体的出 现。近年来，多媒体处理技术不断成熟，芯片处理能力不断提高，计算机在数字电视领 域的应用也更加广泛，使得开发基于p c 平台的数字电视收录系统成为可能。而开发龙 芯p c 的数字电视的接收系统，将带动龙芯计算机在多媒体及数字电视方面的广泛应 用，对国产处理器的应用扩展具有重要工程应用价值。 龙芯系列处理器是我国自主研发的具有自主知识产权的中央处理器，它低功耗、 低成本的特点使其在嵌入式、工业控制、数字电视等领域有着非常广阔的应用前景。 龙芯处理器主要包括三个系列，分别面向嵌入式应用、中低端桌面应用和低端服务器 应用。其中，龙芯二号增强型处理器n 1 ( 简称“龙芯2 e ”) 是6 4 位的高性能通用处理器， 它采用9 0 n m 的c m o s 工艺实现，芯片晶体管数目为4 7 0 0 万，芯片面积6 8 0 0 微米 x 5 2 0 0 微米，最高工作频率i g h z ，典型工作频率8 0 0 m h z ，单精度峰值浮点运算速度 为8 0 亿次秒，双精度浮点运算速度为4 0 亿次秒，在i g h z 主频下s p e cc p u 2 0 0 0 的 实测分值达到5 0 0 分，综合性能达到高端奔腾i i i 处理器以及中低端奔腾处理器的 水平，而实测功耗仅为5 7 瓦。另外，龙芯2 e 在同系列机器中首次集成了丰富的多媒 体指令集，通过软解码能完成多种码率的m p e g 1 、m p e g 2 甚至m p e g 4 码流的流畅 播放，能很好的完成数字电视接收节目的播放。 目前，个人接收数字电视节目一般通过两种方式：电视机顶盒( s t b ) 和数字电视接 收卡j 电视接收卡作为电脑主机上的一种硬件，上层应用程序及操作系统与它交互一 般需通过专门的硬件驱动程序。现在，计算机和因特网已经广泛普及，无论是在家庭、 学校还是其他办公场所都装备了计算机，又因其对处理器和各项资源的使用能力远强于 电视机和机顶盒，故将其作为数字电视的接收终端比较理想，这是本课题强调的。此外， l i n u x 社团致力于丌发l i n u x 操作系统下的丌源d v b 驱动内核和应用程序，为p c 接收数 第一章绪论 字电视奠定了良好的技术基础。以计算机作为终端开发数字电视接收系统，不仅充分利 用了p c 资源，降低了接收数字电视的成本，也响应了国家构建节约型社会的号召。 近年来，卫星广播数字电视的发展越来越快，基于d v b s 信号的数字电视接收系 统的使用也越来越广泛，接收技术r 趋成熟。基于d v b s 信号的卫星数字电视接收系 统可以接收卫星数字电视节目，能实现在个人电脑上或嵌入式系统中解码并实时播放 m p e g 一2 格式的数字电视节目流。龙芯系列处理器具有完全的自主知识产权，配以适当 的硬件调谐芯片，可在龙芯平台上实现数字电视接收，成本相对较低。 综上所述，将龙芯p c 与数字电视接收卡相结合作为接收终端，开发基于龙芯p c 的数字电视接收系统，不仅有助于国产龙芯c p u 的市场化应用推广，而且对于国产龙 芯系列产品的可持续发展及国家数字电视推广有深远意义。 本文工作主要分为三部分：首先是对卫星数字电视节目传输与接收基本原理的分 析，在此基础上设计了基于龙芯2 e 平台的d v b s 信号接收处理系统原型，即总体软硬 件方案设计；然后根据具体硬件平台，设计了自硬件驱动层、信号接收层和m p e g 2 t s 码流播放层的软件处理流程，给出了或分析或优化的软件实现；最后根据实验结果 总结全文。 1 2 研究现状 1 2 1 数字电视接收系统在不同平台下的实现 目前，数字电视接收的实现主要还是基于机顶盒的实现方式，在这种方式里，各个 厂家们所使用的芯片平台主要有a r m 、x 8 6 及其他一些小型嵌入式芯片厂家。这种机 顶盒实现数字电视播放的方式最终还需耿决于视频播放终端的类型，根据是模拟或数 字终端进行相应转换。即若播放终端是模拟电视机，机顶盒就需将接收的卫星数字信 号进行数模转换，反之则进行模数转换。这种机顶盒一般比较昂贵。 在操作系统层面上多数采用的是w i n d o w s 系统或w i n c e 平台，极少数为l i n u x 。 而针对个人电脑用户，多是通过在p c 机的p c i 插槽上插上数字接收卡，或笔记本 上通过在u s b 接口接入数字电视接收棒来收看数字电视节目。这种实现方式需要用户 有较高的计算机动手能力和相关专业知识。 在d v b c 、d v b t 、d v b s 信号接收中，d v b c 用于有线电视机顶盒，d v b t 主要用于车载视频系统，d v b s 则用于卫星接收数字电视，这些机项盒一般都是基于 3 2 位高端嵌入式芯片的实现。嵌入式系统由于资源限制，只能实现特定硬件的功能，在 嵌入式系统中播放视频很多时候会因为视频格式、编码的复杂性而不够理想。 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 综上，这些接收数字电视的方案虽能满足部分用户的需求，但其或成本很高不能广 泛普及，或其总体性能不够稳定，安装配置不够方便易行。因此，需寻求更好的卫星数 字电视接收丌发方案。 1 2 2 基于龙芯的数字电视接收系统 龙芯系列机器是国产型机器，具有技术自主、成本低、功耗低等特点。龙芯2 号机 器是其中相对成熟的一款机型，它在龙芯系列机器中首次集成了s i m d ( 单指令多数据 流) 的多媒体处理指令集，这为高效处理多种视频格式提供了可能。此外，龙芯开发者 们在龙芯平台上对媒体播放器m p l a y e r 的移植与优化也为数字视频的高清播放开发工作 奠定了基础。 龙芯系列产品还没有进行过有关数字电视接收的开发，因此，基于龙芯2 号的数字 电视接收系统是首次使用国产c p u 系列机器实现数字电视接收与播放的系统开发，对 实现龙芯系列产品的产业化应用及满足广大人民低成本收看数字电视的需求( 尤其是对 偏远贫困地区) 具有重要意义。 1 3 主要工作及目标 本文主要研究了基于龙芯平台p c i 接口的d v b s 数字电视接收系统。主要内容为 以下几个方面： l 、针对龙芯平台设计卫星数字电视接收的系统原型 对卫星数字电视收发系统及m p e g 2 传输流系统的解复用机制进行分析，参考一般 数字电视机顶盒的接收原理和系统结构，设计龙芯平台卫星数字电视接收的系统原型， 即接收系统的总体框架、系统软硬件实现方案。 2 、卫星数字电视接收系统环境的搭建 包括选择龙芯p c 机型、建立d v b s 卫星地面接收站和研究数字接收卡的硬件系 统接收原理，熟悉各硬件模块的功能等，并配置l i n u xd v b 支持的龙芯操作系统平台。 3 、基于龙芯的d v b s 数字电视接收系统原型的实现 主要是针对具体硬件平台的软件设计与实现，即运行于龙芯平台的电视卡的设备驱 动程序设计及对该平台下多媒体播放器m p l a y e r 播放m p e g 2t s 视频流的实现。 4 、基于龙芯的卫星数字电视接收系统性能的相关测试与优化 包括驱动级的优化和m p e g 2t s 节目流在龙芯平台上的播放优化。 3 第一章绪论 1 4 文章的组织 第一章绪论。主要介绍了本课题的研究背景及意义、课题的研究内容、目标以及 本文的组织结构； 第二章d v b 数字电视基本原理介绍。介绍了数字电视和d v b 标准的编码方式， 对传输流系统及其解复用原理进行了分析； 第三章基于龙芯的卫星数字电视接收系统总体方案设计。分析一般数字电视接收 方式，针对龙芯平台，考虑成本、功耗等因素设计卫星数字电视接收系统总体方案， 包括硬件方案和软件层次设计； 第四章基于龙芯的卫星数字电视接收系统的驱动实现与优化。结合上一章设计的 软件层次结构，根据l i n u x 设备驱动开发的一般原理，针对特定硬件芯片参数进行驱动 开发，实现了接收系统硬件接收卡的驱动，最后对所实现的驱动加载测试并针对龙芯 平台进行驱动优化； 第五章龙芯平台数字电视节目流的解码分析与优化。用m p l a y e r 播放存储下来的 m p e g 2t s 节目流，结合传输流的解复用原理，对t s 流解码进行分析，同时在指令 级、代码级对m p e g 2 视频解码进行相应优化，实现在龙芯平台上较好的播放m p e g 2 t s 节目流，最后通过一般性能测试验证实验结果； 总结全文，并给出下一步的研究方向。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章d v b 数字电视基本原理 2 1 数字电视与d v b 标准 数字电视“1 是指从节目的拍摄、后期制作、存储、压缩( 信源编码) 、传输( 发射， 接收) 、解压缩( 信源解码) 、终端显示全为数字化的新一代电视。数字信号可以方便的 进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可用电子计算机进行处理、监测和控 制。同传统的模拟电视相比，数字电视的优点主要有：图像质量高，采用了数字化技 术；节目容量大，压缩编码信号需要的带宽较窄；安全性强，容易使用密码学对数字信 号的加密和加绕；交互性好，实现e p g 、v o d 等双向交互业务。 国际上主要有三种数字电视标准：美国的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 m c o m m i t t e e ，先进电视制式委员会) ，欧洲的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) 和同本的i s d b ( i n t e g r a t e ds 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) 。欧 洲的d v b 标准出现时间较早，发展最快，普及范围最大，目前已被欧洲、非洲、东南 亚等的许多国家和地区采用。 d v b “1 联盟在1 9 9 5 年由欧洲1 5 0 个组织成立，d v b 标准涵盖数字电视的各个方 面，从传输到接口、条件接收及数字视频、音频和数据的互动。到目前为止，许多广播 业务都采用d v b 标准。 数字电视按传输方式分为地面、卫星和有线三种。1 9 9 7 年，d v b 联盟发表了它的 数据广播技术规范，包括卫星数字电视传输标准d v b s 、有线电视传输系统标准 d v b c 和地面传输标准d v b t 。这些标准的主要区别是它们工作的信道特征不同，采 用了不同的调制方式。d v b s 采用q p s k ，d v b c 采用q a m ，d v b t 采用c o f d m 。 我国的卫星标准采用d v b s ；有线标准也基本参照d v b c ；地面标准我国采用的是自 主开发d m b t ，但在技术上与d v b t 标准很相似。 d v b s 标准提供了一套完整的适用于卫星传输的数字电视系统规范，选定i s o i e c m p e g 2 标准作为音频和视频的压缩编码方式，对信源编码方式进行了统一。卫星数字 电视传输系统对m p e g 2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用后进行信 道编码和数字调制等操作，最后通过卫星传输。 数字电视卫星广播“标准及其解调原理如下图2 1 所示： 5 第一gd v b 数字屯m 挚奉壕g 圈2 - 1 卫星教字电视广播系统厥理图 f i 9 2 - it h e p d m c i l m l o f s a l e l l i l e d i g i t a l i v b r o a d c a s t i n g 般的卫星数字电视广播系统首先将需发送的电视节目音、视频信息和其他节目相 咒的信息( 如字幕等) 经m p e g 2 格式统一编码压缩为一定速率的数字传送流，再经过 甘i = 1 复j | 器复用和加扰器加扰，达到更高速率与要求的m p e g 2 t s 流，最后经过q p s k 数7 渊制器巾频( i f ：i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) 调制，达到适用于浚卫星发射的微波频 率( 如c 波段或k u 波段) 进行卫星发射。 2 2d v b 数据流编码m p e g 2 简介 m p e g 视颡标准是最常用的一种视频压缩标准，广泛用于数字电视、d v d 领域。 m p e g 2 魁一组用于视音频压缩编码及其数据流格式的国际标准。它定义了编解码技术 殷数据流的传输协议，制定了m p e g - 2 解码器之i 苜j 的共同标准。m p e 0 2 系统是将视频、 音频及其它数据基本流组合成一个或多个适宜于存储或传输的数据流的规范，m p e g 2 堆水上可满足广播电祝系统的大多数需要。i s o ，i e c 1 3 8 1 8 1 i s o 1 e c 1 3 8 1 8 8 是 分别定义了m p e g 2 杯准的8 个系统文件，包括系统，视频、音频、一致性测试等。 m p e g 2 “1 系统任务包括：规定以包方式传输数据的协议；为收发两端数据流同步 创造条件：确定将多个数据流合并和分离( 即复用和解复用) 的原则：提供一种进行加 密数据传输的可能性。 “数据包形式存储和传送数据流是m p e g - 2 系统的要点。m p e g 2 系统规范不仅采 j j 丁p s 、i s 和p e s 三种数据包，而且也涉及p s 和t s 两种可以互相转换的数据流。这 j 种数捌包及两种数据流的定义为： l 、打包基本流( p e s ) ：将m p e g - 2 压缩编码的视频基本流( e s e l e m e n t a r ys t r e a m ) 数姑分组为包长度可变的数据包，称为打包基本流( p e s p a c k e t i z e de l e m e n t a r y s t r e a m ) 。e s 是编码的视频数据流、音频数据流，或其它编码数据流的统称。 2 、节目流( p s ) ：将具有共同时问基准的一个或多个p e s 组合( 复合) 而成的单 一的数据流称为节目流( p r o g r a ms t r e a m ) 。 3 、传输流( t s ) ：将具有共同时问基准或具有独立时间基准的一个或多个p e s 组合 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 而成的单一的数据流称为传输流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 。 4 、节目特定信息( p s i ) ：1 个t s 包由固定的1 8 8 b 组成，用于传送已编码视音频 数据流的有用信息占用1 8 4 b 空间。还需要传输节目随带信息及解释有关t s 特定结构 的信息( 元数据) ，即节目特定信息( p s i p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n ) 。 对以上定义说明为：基本码流e s 是不分段的连续码流。把基本码流分割成段，并 加上相应的头文件打包形成的打包基本码流p e s ，p e s 包和包之间可以不连续。在传输 时将p e s 包再分段，打成有固定长度1 8 8 b 的传送码流t s 或可变长度的节目流包( p s 包) 。p e s 是p s 转换为t s 或t s 转换为p s 的中间步骤或桥梁，是m p e g 2 数据流互换 的逻辑结构。t s 和p s 这两种码流分别适应于不同的应用场合，节目流p s 适合在相对 出错较少的环境下使用，其长度是变化的，而传送流t s 能够把多个节目在基于一个或 多个时间标识的基础上构成一个流，其长度是固定的。传送流适合于出错较多的场合使 用，是面向数字化分配媒介( 有线、卫星、地面网) 的传输层接口。 2 3m p e g 2 传输流系统及解复用原理 基于d v b s 的卫星数字电视广播系统一般是将多路节目流复用到一起传输，因此 从接收系统前端经过信道解码后的传输流是经过复用的多个节目流，每个节目流也是该 节目的音视频数据经过复用后的传输流。因此，要最终实现卫星数字电视接收节目流的 解码播放，至少须经过两个层次的解复用，将复用后的传输流解复用成可以解码播放的 音视频流数据。要实现解复用，需要对m p e g - 2 传输流的复用机制有所掌握，现简要分 析如下。 1 、m p e g 2 传输流的结构7 1 m p e g 2 传输流的结构是为系统复用和传输所定义的，属于系统传输层结构中的一 种。通过与m p e g 2 系统时序模型的建立、节目特殊信息( p s i ) 及服务信息( s i ) 共 同作用来实现在恶劣的信道环境中灵活可靠的复用、传输与解复用。m p e g 2 系统部分 给出了多路音频、视频的复用和同步标准。系统传输层的结构可以用图2 2 来描述。其 中，e s 流是经过压缩编码的音视频码流，p e s 流是打包后的音视频编码流，而信道中 传输的码流有两类，一是适用于d v b s 系统这种有可能发生严重错误( 如比特值错误 或分组丢失) 的应用环境的码流是t s 。它是若干1 8 8 b 长度的t s 包的串联，发生传输 误码时它可以从固定长度的包结构中方便地找出同步字，恢复同步；而p s 是不定长度 的，一旦失去同步，就会失去整帧数据，故只适用于相对无误差的环境。m p e g 2 编码 复用结构如图2 2 所示。 7 第= 口d v b 数字电视基丰原g 图2 - 2m p e g - 2 蝙码复用圈 r 9 2 2t h e m u l t i p l e x e r o f m p e g - 2 c o d i n g 传输流分组的语法结构如图2 3 所示，传输流的系统层可分作两个子层：一个是相 刘f 特定数据操作( p e s 分组层，可变长度) ，该层是为编解码的控制而定义的逻辑结 构。p e s 头包括流的性质、版权说明( 该节目是原始节目还是复制节目) 、加入时b j 标 笠p t s 和d t s 、说明d s m 的特殊模式等；另一个是相应于多路复用操作( t s 分组层， 1 8 8 字节固定长度结构) 。该层是针对交换和互操作而定义的。在t s 头中加入同步、说 明有无差错、有无加扰、加入连续计数和不连续性指示( 因为节目流的包相互交叉) 、 加入节i ：1 参考时钟p c r 以及包识别p i d 等。 两个子层之间的复用关系是通过将p e s 结构切割成一个个小包作为t s 包的净负荷 嵌入到t s 流结构中而建立起柬的。这种结构可以很方便地实现直接从传送流中解出原 始占视频、数据；也可以从一个或多个传输流中抽耿想要的基本流来进行解码或构造新 的传输流再次传输；还可以依据通信信道的质量在t s 流与p s 流间作切换。 一个t s 包有1 8 8 个字节，由分组首部、可变长度适配头和净负荷数据组成，如图 2 3 所示。分组首部以固定8 位字段的同步头开始，同步字为0 x 4 7 。同步头后是几个重 要的标志，如“不可纠诈错误指示”、“有效负载起始标志”、“传送优先指示”、“p i d ( p a e k e t i d e n t i f i e r 分组标号) ”、“有效负载加密控制”、“调整字段加密控制”、“连续计数器”等。 其中的“p i d ”是辨别传输流分组的重要参数，p i d 通过节日特殊信息( p s i ) 表来识别 传输流分组中所带的数据。一个p i d 值的传输流分组只带有来自一个原始流的数据。“调 控字段控制”表示分组首都中是否有调整字段，调整字段中含有节目参考时钟p c r 的 重要信息。 分组有效负载带有原始流分组( p e s ) 数据或者带有程序特殊信息( p s i ) 或服务 信息( s i ) 。或者带有私有数据。原始流数据加载在p e s 中，p e s 分组由p e s 分组首部 发其后的分组数据组成。p e s 分组插在传送流分组中，每个p e s 分组首部的第一个字节 就足传输流分组有效负载的第一个字节。一个p e s 包的包头必须包含在一个新的t s 包 中国油人掌( 十东) m l 论i h 叫p e s 包数据要充满t s 传输包的有效负荷区域若p e s 包数据的结尾无法与 t s 乜的结尾对齐则需要在t s 的自适应区域中插入相应数量的填充字节，使得两者的 结j d x 十齐。 竹日特殊信息( p s i ) 表可以被分剖成一段或多段簧于传输流分组的有效负荷部分 h 分段托宦可变一个分段的是太字节数为l k ，分段的丌始由传输流分组有效载荷 中的指针宁段( 1 m i n t e r - f i e l d ) 指示。私有数据在传输流分组中的运载方式是私自定义的， 它州以按用十携带p s l 表的方法构造，一个私有分段的最大值为4 k 。 以上就是t s 层的结构说明。t s 包的有效负荷数据可以是p e s 、p s i 、s i 数据。 n 一 卜- 1 ， f 4 a 眦n * “rr i “f # r k m l ! 上r ih “女q * 0 mn 4 r 7 r t 日h “t r t m ，十h - 懂# r 3 | 担2 - 3 传输流语法结构 f l 口- 3t h e s y u o i x s t r u c t u r e o f l h n s p o t ts t r e a m 2 、m p e g - 2 的系统时序模型“1 山于在数字艇缩系统中，每一帧图像所占的数据量是不同的，其依赖于图像的编码 办式和罔像的复杂度。而通常的传输信遒的时延是固定的，因而，对于活动图像而言， 挥帧的传输时延是可变的于是传输和显示之间没有自然的同步概念。 m p e g 一2 系统时序模型的建立，是为了解决不定时延的问题。它是一个以编码输入 端与解码输出端( 显示端) 之间为一恒定时延的模型。该模型通过每个编码器、解码器 缓冲【苎的延时是可变的方法( 不仅仅是通过原始流通道的缓冲区的延时可变，在音频和 视频i 匝道中单个的缓冲区延迟也是可变的) 柬实现恒定时延。为了实现缓冲区的延时可 变，m p e g - 2 系统采用了在e s 、p e s 、和t s3 个码流层次中设簧相关的时钟信息，分 9 第二章d v b 数字屯视摹本原理 别为v b v - d e l a y 、显示时间标签p t s ( p r e s e n t a t i o nt i m es t a m p ) 和解码时间标签d t s ( d e c o d i n gt i m es t a m p ) 、节目参考时钟p c r ( p r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e ) ，并通过其联 合作用达到编解码的同步和音视频显示的同步。如图2 - 4 所示。 v b v - d e l a y 是表示m p e g 2 假定的目标解码器的视频缓冲校验器，v b v 接收到图像 起始码后，得到当前解码帧解码开始所等待的9 0 k h z 系统时钟的周期数。它用来在播 放丌始时设置解码器缓冲区的初始分配，以防止解码器缓冲区出现上溢或下溢。 p t s 、d t s 、p c r 都是基于统一的2 7 m h z 系统时钟，整个系统由该时钟来同步。 以上三个时钟信息由系统时钟来产生，因此该时钟要求有很高的频率稳定度。 p c r 是指示抽样间隙中系统时钟本身的瞬时值。p c r 在t s 流中的最大间隔( 从编 码位插入p c r 域后至到达解码器解复用时间) 应小于1 0 0 m s ( d v b 中一般为4 0 m s ) 。将 p c r 按一定时l 、日j 间隔精确插入到t s 中，才可保证解码系统时钟以此做出精确重建，以 保持与编码器的准确同步。m p e g 2 系统编解码时钟控制流程如图2 4 所示。 怒灏 诒 静嬲 籀九 图2 - 4m p e g - 2 系统编解码时钟控制 f i 9 2 - 4 t h ec l o c kc o n t r o lo fc o d e ci nm p e g - 2s y s t e m 3 、节目特殊信息p s i 和服务信息s i p s i 是m p e g 2 特有的说明信息，用来自动设置解码所需的参数和引导解码器进行 解码，并提供音视频同步信息。它有4 种信息表组成：节e i 关联表( p a t ) 、节目映射表 ( p m t ) 、条件访问表( c a t ) 和网络信息表( n i t ) 。这四种表都有自己的i d 值。各种 表和节目流的p i d 都是1 3 位，其中p a t 表的p i d 为o 。将p i d - - 0 赋给p a t 显示了p a t 的重要性，它是所有这些信息的根。下面通过一个解码时各表调用的例子来说明它们之 间的关系9 1 。 解码器先在t s 流中找到p a t 表，找出相应节目的p m t 表的p i d ，再由该p i d 找 到该p m t 表，然后在相应的p m t 表找到相应码流的p i d 值，才能找到所需的码流进行 解码。假设要对节目l ( 没有加扰的) 进行解码首先要先找到p a t ，在p a t 表中，列出 了若干节目的p m t 表的p i d ，节目l 的p m t 表的p i d 是2 2 ，由此可以找出节目l 的 p m t 表。在这个p m t 中有若干个码流的p i d 。码流l 、码流2 、分别对应该节目的视 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 频和若干个音频以及其他数据的p i d 。再根据这些码流的p i d 值，就可以在传输流中找 到相应的码流。 c a t ( p i d = i ) 用于节目码流解扰，说明各基本流是否加密。仅有p s i 信息尚不能 使综合接收解码器( i r d ) 自动接收某一业务并提供相应的节目信息。因此，d v b 标准 提供额外的服务信息s i ( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ) 作为p s i 的补充。它提供了整个i r d 的 设置信息，而不像p s i 信息那样仅提供m p e g 2 解码信息，从而可以使i r d 自动调谐接 收待定的节目并可对节目进行分组。s i 中有传输的节目时间表、电子节目指南信息 ( e l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ) 等。s i 信息包括节目的种类( 如体育节目、新闻或电影) 、 节目的起始时问、节目的来源等。总之，p s i 及其扩展s i 是传输流解复用的指导性信息， 接收系统应首先从码流中提取这些信息，才能为后续的码流分析和数据提取提供依据。 4 、m p e g 2 传输流复用结构 在单载波多节目( m c p c ) 方式下，m p e g 2 传输流的复用过程可分作两个层次： 打包后的音视频数据p e s 流合成单个节目的t s 流，以及多个单节目的t s 流合成总的 t s 流，在单载波单节目( s c p c ) 方式下，只含第一个层次的复用，不论是哪一级的复 用，都要满足实时要求；不论是硬件复用还是软件复用，均要考虑速率上的实时要求。 因而，目前大多数复用设备都采用了d s p 实时处理技术。m p e g 2 传输流双层复用模型 如下图2 5 所示。 图2 - 5m p e g - 2 传输流双层复用模型 f i 9 2 - 5 t h ed o u