（电路与系统专业论文）基于OC协议的机顶盒数据广播软件开发[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕十学伊论文摘要 摘要 随着数字电视的逐步推广和三网合一的进展，机顶盒的重要性已日 益显现，它可以使被动的模拟电视升级为交互式数字电视。 本文所探讨的足符合d v b - c 标准的机顶盒数据广播。首先分析了数 字电视和机顶盒的工作原理，概述了m p e g - 2 标准、d v b 标准和o c 协议， 这些都足进行数据广播的基础。并介绍了意法公司的s t i 5 5 1 6 芯片的特 性，详细说明了整个系统各个模块的功能，以及本系统的开发平台。 然后对数据广播的具体过程进行了研究，对广播软件进行了开发。 详细分析了数据传输、数据处理中的关键问题，并对有线网络的特性指 标进行了计算。在0 s 2 0 实时操作系统基础上，进行了任务的创建、内存 管理、信号量的使用以及消息机制等软件开发。详细分析了0 c 协议，对 其中重要的数据结构进行了剖析，并对这些数据结构的处理进行了软件 设计，在此基础上结合硬件设计出网络数据的接收软件，并设计出整个 数据广播的软件流程。在说明增强电视的基础上进行了增强电视的开发。 这些工作可以使用户能通过有线电视网络上网，实现传统电视上所不能 实现的功能。本设计中实现了在1 6 位色彩模式下显示网页并在其中嵌入 视频的功能。 最后，对整个系统进行了调试，由此检验了设计的完整性，并对数 字电视机顶盒进行了展望。 关键词机项盒，o c 协议，数据广播，i v i p e g 2 硕+ _ 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a ls t b ( s e tt o pb o x ) h a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tb e c a u s e o fg e n e r a l i z i n go fd i g i t a lt va n dt h ef a s tc o m b i n a t i o no ft h r e et y p e so f n e t w o r k s ( i n t e m e t & c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k & c a b l et vn e t w o r k ) i th a st h e a b i l i t yt oc h a n g et h ep a s s i v ea n a l o gt vt oi n t e r a c t i v ed i g i t a lt v d a t ab r o a d c a s tb a s e do ns t bc o n f o r m i n gt od v b cs t a n d a r dw a s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t l yt h ep r i n c i p l e so fd i g i t a lt va n ds t bw e r e a n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fs e v e r a lp r o t o c o l ss u c ha sm p e g 一2a n dd v b s t a n d a r da n do b j e c tc a r o u s e l ( o c ) p r o t o c ow a ss u m m a r i z e d ，w h i c hw a st h e f o u n d a t i o no fd a t ab r o a d c a s t a f t e r w a r d s ，ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h es t i 5 51 6 w a sp r e s e n t e d e v e r ym o d e lo ft h i ss y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m w e r ee x p l i c a t e di nd e t a i l t h e n ，t h ep r o c e s so fd a t ab r o a d c a s tw a ss t u d i e df r o me v e r ya s p e c t sa n d t h er e l a v a l e n ts o f t w a r ew a sd e v o p l o p e d s o m ec r u c i a l q u e s t i o n si nd a t a t r a n s m i s s i o na n dd a t ap r o c e s s i n gw e r ea n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i ci n d e xo f c a b l en e t w o r kw a sc a l c u l a t e d t h es o f t w a r ea b o u tt a s kc r e a t i o na n dm e m o r y m a n a g e m e n ta n ds e m a p h o r e su s a g ea n dm e s s a g em e c h a n i s mw a sd e s i g n e d o nt h eb a s i so ft h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mo s 2 0 w ea l s oe l a b o r a t e dt h e o c p r o t o c o la n dt h ei m p o r t a n td a t as t r u c t u r e ，a n dd e s i g n e dt h es o f t w a r et o p r o c e s st h o s ed a t as t r u c t u r e ，t h e n ，d e s i g n e dt h es o f t w a r eo fh o w t h eh a r d w a r e r e c e i v e sd a t af r o mn e t w o r ko nt h eb a s eo ft h o s ed a t as t r u c t u r e t h e n , w e e x p l a i n e de n h a n c e dt vf u n c t i o na n dd e v e l o p e ds o m ef u n c t i o n so nt h eb a s e 一 硕十学f 论史a b s t r a c t o fi t a l lo ft h ew o r kg a v eu s e r sac h a n c et oa c c e s sn e t w o r k ，a n dt h i si s i m p o s s i b l ei nt r a d i t i o n a lt ve r a i nt h i sd e s i g n ，v i d e om a yb ee m b e d d e di n w e bp a g e ，w h i c hi sd i s p l a y e di nt h ec o l o ro f1 6 b i tm o d e a tl a s t ，t h ed e b u g g i n go ft h es y s t e mw a sc a r r i e do u t ，w h i c hv e r i f i e dt h e i n t e g r i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n ap r o s p e c t i v eo ft h es t bw a sa l s o p r e s e n t e d k e yw o r d ss e tt o pb o x ( s t s ) ，o b j e c tc a r o u s e l ( o c ) p r o t o c o l ，d a t a b r o a d c a s t m p e g - 2 i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。论文主要足自己的研究所得，除了已注明的地方外， 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学 或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研 究所作的贞献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：是隆l 日期：。垒里l 年工月翠日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规定中的 任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 硕十学付论文第一章概述 1 1 数字电视概述 第一章概述 对于真正的数字电视而占，从电视节目的制作到节目的发送、传输和接收，全 部采用数字技术。目前，有线电视除节目传输和用户接收仍采用模拟技术以外，其他 环节已基本实现了数字化。因此，现在我们通常讲的数字电视，主要是指有线电视传 输和用户接收两个环节的数字化，只有实现了电视节目从采集到用户接收全过程的 数字化，才是真i f 意义上的数字电视。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有 模拟式设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术不能达到的新功能，使电视技术 进入崭新时代。与模拟电视相比较起来，数字电视有如下优点： ( 1 ) 采用先进的m p e g 2 压缩技术，可以充分利用频带资源，大大增加电视节目传输的数 量，且图像清晰度很高，达至i i d v d 的效果，伴音质鼍达到环绕立体声效果。 ( 2 ) 抗干扰纠错能力强，终端用户的信号质量可达到前端机房的效果。 ( 3 ) 噪声不逐步积累，基本不产生新的噪声，适合多环节、长距离传输。 ( 4 ) 信号稳定可靠。能够避免在模拟系统中发生的非线性失真对图像的影响，并消除 微分增益和微分相位失真引起的图像畸变。 ( 5 ) 更方便信号的存储，而且存储时f b j 与信号的特性无关。 ( 6 ) 加扰、解密更加容易实现。 正因为数字电视有上述模拟电视不町比拟的优点，所以现在数字电视取代模拟 电视的趋势越来越明显，但是，在我国现有的3 6 亿电视机用户中，绝大多数都足模 拟电视机，而我国将在2 0 1 5 年全面实现有线电视数字化，这其中就需要用到机顶盒， 通俗地说，机顶盒足指能把数字电视信号进行接收并转换为模拟电视信号，再通过 模拟电视机来观看的种电子产品。 1 2m p e g 2 标准 m p e g - 2 杯准是即活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，m p e g ) 于1 9 9 4 年提出的针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的标 准，以实现视频、音频服务与应用互操作的可能性，它是目前最常用的一项爵频、视 频压缩技术，其编码码率从每秒3 兆比特1 0 0 兆比特，特别适用于广播级的数字电 视编码和传送，被认定为s d t v 和h d t v 的编码标准。 m p e g 专家组是联合技术委最会( j o i n tt e c h n i c a lc o m m i t t e e ，j t c i ) 的一部分，j t c l 是由i s o ( 国际标准化组 织) 和i e c ( 国际电工委员会) 建立的。j t c i 负责信患技求，在j t c i 中，下设有负责。音壤，图象编码以及多媒 体和超媒体信息。的子组s g 2 9 。在s g 2 9 子组中，又设有多个工作小组，其中就包括j p e g ( 联合图片专家组，和负 责活动图象压缩的工作组w g l l 因此，可以认为m p e g 是i s o i e cj t c i s g 2 9 w g l i 硕+ _ 学仲论文 第一章概述 m p e g 实际上并不是一个单一的标准，而足包括了适合于各种不同应用的一系列 标准，但这些标准足以一些共同理论为基础的。m p e g 一2 杯准文件即i s o i e c1 3 8 1 8 ， 目前有1 0 部分，其中最重要部分是： i s o i e c1 3 8 1 8 一l 系统( 传输流和节目流) ，p e s ，t - s t d 缓存器模型和基本p s i 表：c a t 、p a t 、p m t 和n i t 。 i s o i e c1 3 8 1 8 - 2 视频编码。 i s o i e c1 3 8 1 8 3 音频编码。 i s o i e c1 3 8 1 8 4m p e g 测试和一致性。 i s 0 i e c1 3 8 1 8 6 数据广播和d s 、f i c c 。 m p e g 传输流一般具有恒定的比特率，但节目流的比特率一般是可变的。 b t p e g 标准能够进行视频和爵频f e 缩，我们知道，电视信号，无论足模拟信号还 是数字信号，总包含有大量的信息。在电视发展的早期实际上已经在使用带宽压缩 技术了。最早的例子或许是隔行扫描。对于给定的行数和给定的图像刷新速率，隔 行争瞄使信号的所需带宽压缩了一半。隔行扫描是有损处理，在隔行于= i 描中，由于 垂直信息和瞬念信息之b j 的于扰l 面有所失真，从而降低了图像中的垂直清晰度。不 过，所丢弃的大多数信息主要是无关信息，因此，在电视发展的早期，在清晰度和 带宽均可接受的情况下，隔行扫描是一项简单的、成功的压缩技术。然而，在复杂 的数字压缩处理过程中，隔行手i 描及其失真却带来了新的问题。m p e g - 2 技术中的一 些复杂性，就是因为需要处理隔行于- 描信号而带束的。与处理逐行扫描信号相比较， 编码效率要低些，信号损失也要丈些。在电视发展过程中，彩色的出现又带来了新 的课题。彩色摄像机产生的足g b r 信号，这样，彩色信息最就是单色信息的三倍 就需要三个单色通道传输彩色信息。为了解决这一问题，第一步就是将g b r 信号转换 为一个亮度信号( 通常以，表示) 和两个色差信弓即和坷言号，或瘌雅号。抽取亮度 信号足在解决与单色接收机的兼容性问题上前进了一大步，然而，信号带宽的减小 主要还是来自于色差信号的处理。 针对图像的编码主要通过两种途径：( 1 ) 帧内编码是利用空j h j 性冗余度的一项技 术，即冗余度就在该图像之内。帧内编码町以单独使用，如用了二静止图象的j p e g 标 准，它也町以和帧日j 编码结合使用，如i p e g 杯准。帧内编码利用了典型图像的两种 特性。首先，并非所有的窄b j 域频率均n 】时存在；其次，空日j 域频率愈高，则其幅 度町能愈小。帧内编码需要对图像中的空i 日j 域频；蕃进行分析，这种分析优点足便于： 变换，例如小波变换和o c t ( 离散余弦变换) 。变换所产生的系数足用于描述每个空间 域频率的幅度。在一般情况f ，许多系数为零，或昔接近于零，这些系数町以忽略， 从而町以减少数掘率。( 2 ) 帧日】编码足利用时b j 性冗余度，即利用连续唧面之f h j 的相 似性。如果某幅卿面町被解码器接收，那么解码器只须利用图像篾即町得到下一个 闸面。随嵩图像中目标的运动，图像差也会增加，但是这种变化可以通过运动补偿 硕t _ 学伊论文第一章概述 来获取，因为一般而言，从一个厕面过渡到f 一厕面时运动目标不会有太大的变化。 如果这种运动可以被测鼍，那么利用前一曲面中目标移动到新位置的信息就可以得 出与当前画面非常接近的目标位置。这种移动过程由发送至解码器的一对水平位移 量和垂直位移量( 它们统称为运动矢量) 所决定。传送运动矢量的所需数据率要低于 传送图象差的数据率。 运动补偿能够减少但不能消除连续i 田j 面之间的差别。这种图像差本身是空问性 的，可以采用上述基于帧内编码的变换编码。运动补偿只是简单地减少差值图像中 的数据量。采用较大的时日j 跨度呵以提高时间域编码器的效率。但是，如果需要更 高的压缩因子，则在处理过程中必须有更长的时间跨度，因为某一给定输出图像的 内容有可能是基于早先发送的图像数据。要使编辑得以正常进行，制作系统将不得 不对时f h j 域编码作出一定的限制，当然，对时日j 域编码的限制也就限制了压缩因子 的可用范围。 针对声音编码时要利用它的两个特点：第一，在典型的音频信号中，并非所有 的频率均同时存在。第二，由于存在着掩蔽效应，人耳不可能分辨出音频信号中的 每个细节。音频压缩是通过滤波或变换将音频频谱分散到各个频带中，在描述较低 电平的频带时只使用少量的数据。由于低电平频带中的掩蔽效应可以消除或降低特 定频带的呵听度，这样可以只需发送较少的数据。 1 3 数字机顶盒 1 3 1 机顶盒简介 机顶盒【l 】 2 1 按应用对象不同可分为模拟电视机顶盒、数字电视机顶盒和因特网机 顶盒，在本论文中讨论的是数字电视机顶创3 1 。按其传播途径可分为以下三种：l 、 数字卫星机顶盒( d v b s ) ，其接收由卫星发射的数字电视信号；2 、数字地面机顶盒 ( d v b m ，其接收由地面广播发射的电视信号；3 、数字有线机顶盒1 4 1 ( d v b c ) ，其接 收通过现有的有线电视网络发来的电视信号。这三种机顶盒的信源编码方式相同， 都足m p e g - 2 的复用数据包，但由于它们的传输途径不同，它们的信道编码也采用了 不同的调制方式。例如，欧洲d v b 数字电视系统中，数字卫星电视系统( d v b s ) 采用 正交相移键控调$ 1 j ( o p s k ) , 数字有线电视系统( d v b c ) 采用正交幅度调制( q a m ) ； 数： 地面开路电视系统( d v b t ) 采用更为复杂的编码正交频分复用调制( c o f d m ) 。 1 3 2 数字机顶盒的工作原理 首先，调谐器把经过电缆传送过束的射频信号( r f ) ，经过调谐器降为一个中心 频率为4 3 7 5 m h z 的中频信号( i f ) ，然后进行a d 转换为数字信号，再进 _ r q a m 解调， 输出m p e g 2 的传输流，再送入到解复用模块，从中找出所需要的p e s 数据，然后再 硕十学f 寸论文第一章概述 将视频和音频p e s 分别送入各自的解码器，最后视频再经过编码，如p a l 制式，输出 到电视机，音频直接输出到爵晌。其工作原理图f 5 1 如图1 1 所示： r f 信号 1 4 d v b 标准 图1 - 1 机顶盒的工作原理图 数字电视广播是一个复杂庞大的工作，它建立在各种各样的协议标准上，主要 有三种标准：( 1 ) a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o i ls y s t e mc o r r m i t t e e ) ，先进电视制式委 员会，这足荚国标准；( 2 ) 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，这是闩本标准：( 3 ) 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，这是欧洲标准，其核心是： ( 1 ) 采用m p e g 一2 压缩的音频、视频及资料格式作为资源； ( 2 ) 采用m p e g - 2 传输复用的方式； ( 3 ) 采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息( s i ) ； ( 4 ) 系统的第一级信道编码采用r - s 前向纠错编码保护； ( 5 ) 调制与其他附属的信道编码方式，由不同的传输媒介束确定； ( 6 ) 使用通用的加扰方法及条件接收接 】【6 j 。 我园采用兼容d v b - c 的标准，该标准以有线电视网作为传输介质，应用范围广。 有线电视系统分为c a t v i j 端和综合解码接收机两部分。采用p e g 一2 压缩编码的传输 流，由于传输介质采用的足| n j 轴电缆，与卫星传输相比抗外界于扰能力强，信号强 度相对较高。调制方式有1 6 、3 2 、6 4 q a m - - - 种方式，对于q a m 调制而占，传输信息速 率越高，抗于扰能力越低。采用6 4 q a m i e 交揪幅调制时，一个p a l 通道的传输码率为 硕十学忙论文第一章概述 4 1 3 4 5 4 b s ，还丁供多套节目复用。d v b - c 传输系统的具有如下几点主要特点：( 1 ) 町 与多种节目源相适配。它所传送的节目既可柬源于从卫星系统接收下柬的节日，又 可柬源于本地电视节目，以及其它外柬节目信号。( 2 ) 既可用于标准数字电视又可用 于高清数字电视。 1 5 数据广播的意义及现状 随着电视技术的迅猛发展，电视广播已经不再足单纯地播放电视节目，而是要 融入更多的信息来满足用户的需要，此时，数据广播应运面生，它能为用户提供股 市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种信息，而其硬件平台只需一台机顶 盒外加一台电视即可，能为用户节省很大的开支。数据广播是三网合一的必然产物， 伴随着第三代电视技术发展而会得到越来越广泛的应用，不久的将来，人们只需在 电视机前操作遥控器就可获得任何必须的信息i _ ”。 但是，目前，数据广播没有得到很好的发展，其中一个主要原因就是各个地方 的标准不统一，虽然都是按照欧洲的d v b 标准，但是各个地方会根据自己网络情况来 稍做修改，因此，需要根据我国具体的国情再参考d v b 标准来制定一个适合我国的标 准，这是目i j 迫切需要做的工作。 目前，各个厂家的数据广播基本上都是以8 位色来显示，这样的显示效果不缓和， 不能适应人们越来越高的要求，在本论文中，采用1 6 位的显示效果。此外，由于本 系统采用了较高频率的解码器，因此，相对其他厂商的机顶盒的速度更快，更加满 足了目前电视观众的要求。另外一个比较突出的问题足，目i j 绝大多数机顶盒的数 据广播都不支持在h t m l 页面中进行视频播放，这样使得有线网络数字电视在与网络 电视( 【p t v ) 竞争中处于劣势，在本论文的设计中这个问题得到了解决，既可在h t m l 中播放视频，也可在播放视频的过程中启动浏览器来进行数据广播，本设计使得基 于机顶盒的数据广播迈出了i 轻实的一步。 1 6d v b 数据广播及对象轮( o b j e c tc a r o u s e l ) 简介 数据广播是一项基于电视网络、卫星网络实现的广播式宽带数据传输系统，d v b 数据广播，按传输介质不同，分为d v b s 、d v b c 、d v b t ，分别通过卫星、有线 电视或地面广播进入干家万户，主要用于数字视爵频广播、宽带数据广播、现代远 程教育等领域，d v b 数据广播的方式有：数据管道、数掘流、多协议封装、对象轮 和数据轮。 对象轮( o b j e c tc a r o u s e l ，0 c ) 是建立在数据轮( d a t ac a r o u s e l ，d c ) 之上的一 种广播方式，对象轮是一种周期性的广播方式，其含义是把目录( d i r e c t o r y ) 、文件 ( f i l e ) 、流( s t r e a m ) 、流事件( s t r e a me v e n t ) 、业务网关( s e r v i c eg a t e w a y ) 当成对 象o b j e c t ，将这哆对象插入到数掘广播的轮当中，以轮送的形式进行广播，对象轮 硕t 学仲论文第章概述 的数据结构符合i s o i e c1 3 8 1 3 6d s m c cu - l 的规范和( ) ( 淀义的c o r b ao r b 框架协 议。 1 7 本论文所做的主要工作 ( 1 ) 对系统中使用的实时内核o s 2 0 的原理进行分析和研究。因为整个系统的应用程 序部足建立在实时内核o s 2 0 的基础之上的，掌握它所提供的各种功能及其使用的方 法对于数据广播应用软件的开发有着相当蓖要的意义。 ( 2 ) 完成了部分用户接口子系统的设计，使用户在操作时更方便、明了、快捷。 ( 3 ) 详细分析了m h po c 协议，并在其基础之上进行了基于机顶盒数掘广播终端软件 的开发，实现通过有线电视网络进行数据广播的功能，这是本论文的重点。 ( 4 ) 根据d v b 标准，进行了增强电视的开发，使广播电视中心能在播放电视节目的 时候启动浏览器来广播各种信息或在浏览器中播放电视节目，增强了电视功能。 ( 5 ) 在整个软件开发的基础上，进行了联机测试，保证了系统工作的町靠性。 硕+ 学臂论文 第一：章数据传输及终端开发平台 第二章数据传输及终端开发平台 进行数据广播需要三个独立的部分：前端信号源，数据的传输，终端接收。本 论文主要研究数据的传输和终端的接收1 8 1 ，而前端的信号源部分就不再详细分析。本 章首先阐述数据传输，并对有线电视网络的特性进行了分析计算，对终端的开发平 台进行了详细的说明。 2 1 数据打包与传输过程分析 在d v b 标准中有详细规定，视频、音频都采用m p e g - 2 的标准来进行压缩，且采 用m p e g - 2 传输复用的方式来进行传输，其他的亚数据也都复用到m p e g 2 的传输流 中，所以详细说明m p e g 2 信号1 9 1 的传输是必要的。 根据m p e g - 2 标准，数据压缩后形成基本码流( e e l e m e n ts t r e a m ，e s ) 、然后生成 打包的基本码流( p a c k e te e l e m e n ts t r e a m ，p e s ) ，然后经过复用，再加上各种哑数据 就形成t s 流。信号的脉镏过程如翻2 - 1 所示： 图2 - 1 信号的压缩过程 ( 1 ) 基本码流 基本码流是由编码器输出的原始基础码流，它只含有解码器所必需的、并与原 始图像或原始音频相接近的信息，也就是包含视频基本码流和爵频基本码流。它是 一种无限接近的实时信号，为方便传输，把基本码流分解为长度可以改变的数据包， 形成打包基本码流( p e s ) 。为了识别数据包的起始处，数据包还需要有包头信息，并 应包含有时日j 标记，冈为打包破坏了时间轴的连续性。 m p e g 对已压缩信号的句法作了严格的定义，以保证解码器能够正常解码。 m p e g 对编码器末作定义，但它必须能够提供句法正确的码流。m p e g 这样规定的 优点是它与实际情况相符合。 ( 2 ) 打包的基本码流( p e s ) 为了更方便地传输数掘，在实际应用时需要将来自压缩器的携带音频或视频的 7 硕 学伊论文 第一二章数据传输及终端开发平台 连续基本码流分解成若于个数据包。在数据包头中包含有用于同步的时日j 标记，通 过这螳包头就可识别数据包，使用p e s 包町以创建节目澍1 0 j 或传输流。 基本码流可以按其应用划分为大小不同的p e s 数据包，其具体长度随应用不间 而有所变化。在每个包的前面部有一个p e s 包头，数据包由一个具有2 4 比特的起 始码i i i 缀和一个码流i d 开始，码流i d 是用柬识别包的内容，例如足视频包还是音 频包，还可进一步用它来识别爵频编码的类型。两种参数( 即起始码i j i 缀和码流i d ) 组成了包起始码，通过它来识别数据包的开始。由于m p e g 只定义了传输流，而没 有对编码器作出规定，设计者可以选择构建一个将基本码流转换为传输流的多路复 用器。在这种情况下，p e s 包就不再以可识别的形式存在，而足以逻辑形式存在于 传输流的有效载荷中。 ( 3 ) 传输流 为用于信号传输和数字广播，若干个节目及其相关的p e s n j 以经复用面成为一个 单独的传输流。传输流不同于节目流，在传输流中，p e s 包可以进一步分解为长度较 短且字节数固定的数据包，传输流的总比特率是不变的，但每个节目的比特率却是 可以动态改变的。而且还能对菜些节目可以采取保护措施，以使这些节目只能被付 费用户收看。在传输流中，应当含有用以管理这种保护措施的条件接收l l l l ( c o n d i t i o n a l a c c e s s ，c a ) 信息，同时还应有处理上述任务的节目专用信息( p r o g r a ms p e c i f i c i n f o r m a t i o n 。p s i ) 。 传输流不只是音频和视频p e s 的复用，除了已压缩的音频、视频和数据外，传 输流中还含有用于描述该比特流的亚数据。在亚数掘中，包括有节目关联衷( p r o g r a m a s s o c i a t i o nt a b l e ，p a t ) ，它列出了该传输流中的每一套节目。p a t 中的每一项均指 向一个节目映像表( p r o g r a m m a p t a b l e ，p m t ) ，它列出了组成每套节日的各个基本 码流。某些节目是开放式的，但是有一些节日是用于条件接收( 加密) 的，这些信息 也包含在亚数据中。 同一基本码流中的所有传输流包，均具有相同的p i d ，这样解码器( 或解复用器) 就可以选择它所需要的基本码流，同时排斥其它基本码流。传输流包应能连续计数， 这样，就能保证在被解码的码流中的传输包均能被接收。 当数据包到达解码器时，有町能出现定时抖动，此外时分复用也会造成时日j 的 延迟，可以利用时i 日j 标记来解决这一问题，但前提是要有稳定的时钟。因此，在传 输流中就必须含有重建稳定时钟的附加数据。数字视频制作设备的正常运行与一个 稳定的同步时钟分配系统密切相关。因此，传输流为每个节目提供各自独立的刚步。 这种同步方法称为节日时钟参考( p r o g r a m c l o c k r e f e r e n c e ，p c r ) ，它町以蓖建一个 稳定的基准时钟，在解码器中，基准时钟经过分频后能够创建时日j 基线，这样，每 个节目的基本码流中的时l h j 标记才足可以使用的。 ( 4 ) 传输流包 硕十学位论文第二章数据传输及终端开发平台 1 8 8 字节 包头 i净荷 最小4 字节包头 同步i 传输i 起始i 传输i p i d l 加扰l 自适i 连续l 自适l 警i 嚣。i 紫i 篡专l ”i 訾i 篇i 誓芝i 觚i 诤荷 羞i 嚣i 篓i 薰卜5 1 盆i 慧l 摹喜 应区l 续性l 接入l 先级il 应区l 字符 长度8l 指示li 指示li 指示 iil p 。c s r i 。p 。c s rj 蒌鼋lj | 翼l 昱耍 图2 - 2 传输流包示意图 传输流包如图2 2 所示，其大小为固定的1 8 8 个字节，每个传输流包均携带有一 个包识别码( p i p ) ，它总是划分为包头和有效载荷( 净荷) 两部分，在包头中含有以下 重要信息： ( 1 ) 同步字节。同步字节是作为解码器识别用的，从而可对包头和有效载荷进行串并 转换。 ( 2 ) 传输错误指示。在传输层之上的错误校正层中，如果原始误码率( b e r ) 太高而无 法校正时，通过它的设置可以指示传输流包中可能含有的错误。 ( 3 ) 包识别符。它足1 3 比特的代码，用于区分不同类型的传输流包。 ( 4 ) 连续性计数器。它是4 比特数值。每当发送一次新的具有相同p i d 的传输流包时， 即可被复用器递增。它用于确定传输流包是否有丢失、重复或顺序错误等现象发生。 在某些情况下可能需要更多的包头信息，此时就要设置自适应场控制比特来指 示这时的包头比特数要多于正常数，这样包头便被扩展，相应地要减小有效载荷以 维持恒定的传输流包长度。 传输流包头中的1 3 比特存放有包识别符。解复用器在解复用时正是利用它来区 分含有不同类型信息的传输流包。在给定的传输流中，属于某一给定基本码流的所 有数据包均具有相同的p i d 。在解复用时，解复用器只需接收含有i f 确p i d 的传输流 包就可以很容易地选择给定基本码流的所有数据。利用视频、音频和数据码流的p i d 就可以选择全部节目的数据，如字幕和图文电视。只有当解复用器在传输流包与其 所在的基本码流之日j 建立了正确的关联，它i 能正确地选择这个传输流包。也只有 当解复用器能识别正确的p i d 内容时它才能完成这项任务。总之，有关p i d 的信息 9 - 硕十学付论文 第二章数据传输及终端开发平台 是十分重要的，这正是节目号用信息( p s i ) 的功能。 ( 5 ) 段( s e c t i o n ) 在对象轮中，数据封装在d s m - c c 的s e c ti o n 中，d s m c cs e c ti o n 是和m p e g p r i v a t es e c t i o n 兼容的数据结构，在实际应用时，只要把需要广播的数据放在 s e c t i o n 中，然后再插入t s 包的载荷中就可以进行传输与广播。其数据结构如表2 - i 所示： 表2 - 1m p e g 私有数据段 语法字节数 p r i v a t e _ s e c t i o n ( ) t a b l e _ i d s e c t i o n s y n f a x _ _ i n d i c a t o r p r i v a t e _ i n d i c a t o r r 倒$ e r v e d p r i v a t e _ s e c t i o n _ l e n g t h i f ( s e 斌i o n s y n t a x _ i n d i c a t o r 一 i 0 ， f o r ( i = o ；i n ；i + + ) p r i v a t e _ d a t a _ b y t e ) e l s e t a b l e i d e x t e n s i o n r e s e r v e d v e r s i o n _ n u m b e r c u r r e n t n e x t i n d i c a t o r s e c t i o n _ n u m b e r l a s t _ s e c t i o n _ n u m b e r f o r ( i = o ；i p f i v a t e _ s e c t i o n _ l e n g t h - 9 d + + ) p r i v a t e _ _ d a t a _ b y t e c r c _ 3 2 8 l l 2 1 2 8 视爵频及广播数据经过上述封装之后，再对其进行编码，使其变为适合网络传 输的信号，最后调制到实际网络中进行传输。 2 2 信号的传输编码 数掘经过压缩、封装后，就会送入网络中进行传输，为了提高传送效率，就要 进行一系列的变化及编码【1 2 】，在d v b - c 中主要经过以下五个步骤：( 1 ) f r 司步字转换及 扰码；( 2 ) r s 编码；( 3 ) 卷积交织；( 4 ) 映射及差分编码：( 5 ) q a m 调制及射频接口， ：2 2 5 i 8 8 8 强 硕十学伊论文第二章数据传输及终端开发平台 然后发送到有线网络中进行传输，如图2 - 3 所示： 图2 - 3 数据编码调制方案 具体经过主要步骤所形成的数掘帧如图2 - 4 所示： “) 物理传输层的数据帧 i 同步11 8 7 字符数同步21 8 7 字符数同步l1 8 7 字符数 l 取反据 据取反据 ( b ) 扰码后的数据帧 l 同步1 8 7 字节数据 r s ( 2 0 4 1 8 8 ) i ( 1 6 字节) ( c ，r s 编码后的数据帧 图2 - 4f e c 帧同步序列结构 原始数掘经过上述一层层的打包封装之后，形成了适合网络传输的信号，最后 调制到有线网络上发送到千家万户。 2 2 1 缩短r s 码结构分析 在下行物理层传输中，使用( 2 0 4 ，1 8 8 ) r s 线性分组码。分组码的大小和信息符 号的数量用一数对( n ，k ) 表示。( 2 0 4 ，1 8 8 ) 线性分组r s 码由g f ( 2 5 6 ) 域产生，并由r s 系统码( 2 5 5 ，2 3 9 ) 经过缩短而得。该码每一个符号代表一个字节，在一个码字中( 2 0 4 个符号) ，该码能够纠正t = ( n k ) 2 = 8 个符号的突发错误，码问最小距离为d = 2 f + 1 = 1 7 个符号，1 1 一k = 1 6 个校验符号被附加在信息长度为k = 1 8 8 的分组码的 末尾，这样一个r s 分组码( 又称为一个r s 编码字) 的码长为r = 2 0 41 在6 f ( 2 ) 域上 能够产生扩域g f ( 2 5 6 ) 的本原多项式为p ( z ) = z 8 + z 4 + z 3 + z 2 + 1 ，该r s 编码的生成多 项式为： 硕卜学伊论文 第：章数据传输及终端开发平台 g ( z ) = ( x + 口) ( 工+ 口2 ) ( x + 口3 ) ( x + 口1 5 ) ( x + 口1 6 ) = ( 2 - 1 、 x 1 6 + 口1 2 1 x 1 5 + 口1 一4 + + 口2 0 8 x 2 + 口瑚工+ 口。硒 这里口足本原多项式p ( z ) 在g f ( 2 5 6 ) 域上的根，为扩域g f ( 2 5 6 ) 上的元素，其中乘法 和加法运算均定义在g f ( 2 5 6 ) 域上。( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编译码器的结构与黔系统码( 2 5 5 ，2 3 9 ) 是完全一样的。缩短的过程足这样的，1 8 8 个信息符号在输入到( 2 5 5 ，2 3 9 ) 编码器之 i ； 先附加5 1 个零符号，在经过编码器之后的2 5 5 个符号中，5 1 个附加的符弓被删除。 使用缩短的r s 编码结构，不仅提高了纠错性能，而且简化了编泽码过程。 2 2 2 带宽计算 d v b - c 标准规定调制技术采用q a m ，在本系统中，采用的是6 4q a h l ，因为其有较 高的频带利用率，在理想情况下，m 维q a m 的最高频带利用宰为l o 酵( b ( s * k “) ) ，当 调制i i 的基带滤波器足升余弦滚降滤波器时，频带利用率为 l o g ? ( 6 ( 1 + 口) ( s + h z 4 ) ) ，其中口为滚降因子，采用r s ( b ，k ) 编码和q a m 技术，当系统 的输入数据速率为f 时，所占的带宽 b = ( 挖，) ( ( 1 + a ) i o g r ) + ， ( 2 2 ) 已知同轴电缆的带宽b = 8m h z ，由以上式子，可以得出当采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码、 6 4 q a m 调制、口- - 0 2 时，该系统的f = ( 1 8 8 2 0 4 ) 宰( 6 1 2 ) * 8 = 3 6 8 6 h z ，改变口，就能 得到不同的数掘传输速率。 2 2 3m - q a m 在数字电视标准中规定，有线电视的调制方式为q a m l l 3 l d 4 l ，既可采用1 6 q a m 也可 采用6 4 0 a m ，信弓较差时采用1 6 q k m 柬减少误码率，信号较好时采用6 4 q a m 束提高传输 速率，q a m 具有比较高的带宽利用率，其利用两个独立的基带波形对两个相瓦正交的 同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的 性质来实现两路并行的数字信息传输。在理想状念下，i d - q a m 的个载波状态可以调 制l o 彰个比特，如1 6q a m 的载波状态最多可以调制一个4 h 的信号，根据星座图口丁知 点数越大，在一个周期内町传送的数据比特数就越多，频谱利用率越高，但是也不 能无限制的增加电平数，因为随着电平数的增加，电平1 1 且j 的间隔减小，噪声容限减 小，在样噪声条件下误码会增加，在时i 日j 轴上也如此，各相位问隔减小，码问于 扰就会增加，这哆会使接收效果变差。 以1 6 q a m 与1 6 p s k 信号来分析一下q a m 的优势，对于1 6 p s k 来说，两个相邻信号点 的距离为d 。z 2 a s i n ( z r 1 6 ) = o 3 9 a 。而1 6 0 a m 相邻的两个信号点的距离为 d 2 = 4 2 a ( l 1 ) ，l 指两个正交方向上的信号电平数，故在此为4 ，得 砍= 4 2 , 4 3 = o 4 7 a ，实验表明d ，超过d 约1 6 4 d b 。 硕十学何论文 第一= 章数据传输及终端开发平台 而且，对于q a 的最大功率与平均功率之比1 为2 ： = l ( l - 1 ) 2 ( 2 ( 2 f 1 ) ) ( 2 3 ) 对于1 6 q a m 来说，l = 4 ，所以占i 删= 1 8 ，而_ _ b p s k 因为其最大功率等于平均功率， 所以蜀。2 i ，即毛。伽，比毛。m 约大2 5 5 d b ，这说明q a 比p s k 有更好的传输特性。q a m 的调制原理如图2 5 所示 2 2 4 误码率分析 图2 - 5o a m 的调制原理 一个q a m 符号由两个正交载波方向上相互独立的p a m 信号合成，每一路的符号错 误概率p = 2 ( 1 一l 、f m ) e r f c ( 4 ( 3 ( m i ) * s n ) ) ，其q b e r f