（信号与信息处理专业论文）基于网络传输的dvbt接收机的设计与实现.pdf

design and implementation of dvb-t receiver based on network transmission a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zhao wei supervised by prof. he wei major: signal and information processing college of communication engineering of chongqing university, chongqing, china april, 2011 中文摘要 i 摘 要 数字电视技术的不断进步，使得相关行业的业务蓬勃发展。相比有线数字电 视的区域限制以及卫星数字电视的政策管制，地面数字电视更具发展的灵活性和 业务开展的创新性，目前开展的多种新媒体经营模式让数字电视领域寻找到了新 的经济亮点，也使地面数字电视的发展拥有广阔的前景。 课题基于网络传输的 dvb-t 接收机的设计，充分考虑了 dvb 标准与我国地 面数字电视 dtmb 标准的技术共性，通过对 dvb-t 接收系统的研究掌握地面数 字电视广播传输的系统架构和技术方法。 论文首先通过对 dvb 标准和 cofdm 调 制原理的分析得到高频头接收所需的系统指标，并在此基础上提出了系统的总体 方案。然后，论文围绕着三星一体化高频头 dnos504zm021a 完成 fpga 处理平 台扩展电路的硬件设计。接收机系统的软件设计主要由 ts 码流提取模块、ts 流 解复用模块、网络传输 dm9000a 控制模块三大部分组成。其中，ts 码流提取部 分主要研究了高频头内部锁相环和信道解调解码芯片 mt352 控制寄存器的配置方 法，同时，利用硬件平台 sopc 嵌入式系统开发的灵活性，在 nios 开发环境中进 行了 ts 码流提取设计的软件实现。考虑到解复用部分实时性的要求，系统采用全 硬件逻辑描述的方式实现解复用模块的功能要求，并将解复用信息通过板载网络 芯片 dm9000a 的控制模块传输到 pc 上层，完成嵌入式开发平台与上位机的网络 通信，方便 pc 上层对音视频数据做进一步的图像还原处理。 论文将 fpga 的 sopc 系统解决方案和一体化数字高频头相结合，对地面数 字电视接收机的信号接收、ts 流提取以及码流解复用工作做了相应的研究，并给 出了系统数据的验证和分析。同时，通过网络实现与 pc 上层的连接，为远距离数 据信息传输提供了一个较为灵活的适用解决方案。 关键词：关键词：dvb-t，高频头，ts 流提取，解复用，网络传输 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract digital tv technology continues to progress, making industries business related flourishing. comparing with cable digital tvs limited region and satellite digital tvs policy control, the terrestrial digital tv has more flexible development and more innovative business. currently, a variety of ongoing new media business models not only find a new economic bright spot for digital tv industry, but also make the development of terrestrial digital tv a broad prospect. this subject designing dvb-t receiver based on network transmission takes full account of the common techniques features between dvb-t standards and chinas terrestrial digital tv dtmb standard. it can help to master the system architecture of terrestrial digital tvs broadcasting transmission and technical approach through researching on dvb-t receiver system. firstly, the paper gets the index system, which needed by high-frequency receiver, by analyzing on dvb standard and the principle of cofdm modulation.then, the paper finishes the expansion circuit design, which surrounded by samsung tuner dnos504zm021a, on the base of fpga hardware processing platform. the receivers software design carries out around three parts, which include ts extraction module, ts de-multiplexing module and network transmission dm9000as control module. meanwhile, the paper researches on the control registers configuration methods of internal pll and channel demodulator and decoder chip mt352, makes full use of the flexibility of sopc embedded systems development, proceeding the soft design of ts extraction in nios environment. taking into account of workings real-time in de-multiplexing part, the system takes hardware logic modules to describe the function of de-multiplexing, and transfers the de-multiplexing information to the top layer of pc by controlling the onboard network chip dm9000a, completing the network communication between embedded development platform and the host computer. in the mean time, it could facilitate the audio and video data for further image reduction processing on pc. it combines the sopc system solutions based on fpga with integrated digital tuner, making corresponding research work on the signal receiving,ts extraction and de-multiplexing for transport stream in terrestrial digital tv receiver, giving the system 重庆大学硕士学位论文 iv datas validation and analysis. at the same time, the paper can provide a more flexible solution for long-distance data transmission by network connection to the upper pc. keywords: dvb-t, tuner, ts extraction, de-multiplexing, network transmission. 目 录 v 目 录 中文摘中文摘要要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 数字电视系统主流标准概述数字电视系统主流标准概述 . 1 1.2 数字电视地面广播系统的发展现状数字电视地面广播系统的发展现状 . 3 1.3 课题研究内容及意义课题研究内容及意义 . 5 1.4 论文结构安排论文结构安排 . 5 2 dvb-t 接收机系统总体方案接收机系统总体方案 . 7 2.1 dvb-t 接收方案的系统架构接收方案的系统架构 . 7 2.1.1 dvb-t 传输系统接收机的功能结构 . 7 2.1.2 dvb-t 接收机系统实现方案概述 . 8 2.2 dvb-t 接收机方案硬件平台构建接收机方案硬件平台构建 . 9 2.2.1 接收机硬件选型与分析 . 9 2.2.2 dvb-t 系统传输信道特征 . 10 2.2.3 dvb-t 系统调制 cofdm . 11 2.3 接收机系统的硬件设计接收机系统的硬件设计 . 13 2.3.1 de2 板载资源介绍 . 13 2.3.2 高频头扩展板设计 . 14 2.4 本章小结本章小结 . 16 3 dvb-t 接收系统前端码流提取模块设计接收系统前端码流提取模块设计 . 17 3.1 dnos504zm021a 的控制原理及结构的控制原理及结构 . 17 3.1.1 高频头 dnos504zm021a 的内部构成 . 18 3.1.2 mt352 工作原理及特点 . 19 3.2 码流提取功能模块设计的实现码流提取功能模块设计的实现 . 20 3.2.1 i2c 硬件驱动程序实现 . 20 3.2.2 i2c 自定义接口模块的封装 . 22 3.2.3 调谐器的配置 . 23 3.2.4 ofdm 解调解码芯片 mt352 的控制 . 26 3.3 本章小结本章小结 . 31 4 ts 码流硬件解复用模块设计码流硬件解复用模块设计 . 33 4.1 mpeg-2 ts 码流解复用原理码流解复用原理 . 33 重庆大学硕士学位论文 vi 4.1.1 mpeg-2 标准概述 . 33 4.1.2 传输流（ts）包的语法结构 . 34 4.1.3 硬件解复用实现的功能分析 . 36 4.2 解复用模块的硬件模块实现解复用模块的硬件模块实现 . 37 4.2.1 mpeg-2 ts 流解复用整体方案介绍 . 37 4.2.2 ts 包头同步检测模块 . 39 4.2.3 sdram 控制模块 . 40 4.2.4 pid 过滤模块 . 40 4.2.5 段过滤模块 . 41 4.2.6 psi 信息解复用模块 . 42 4.2.7 pcr 时钟恢复模块 . 44 4.3 本章小结本章小结 . 45 5 基于基于 dm9000a 的网络接口设计的网络接口设计 . 47 5.1 dm9000a 功能描述功能描述 . 47 5.2 dm9000a 关键控制寄存器介绍关键控制寄存器介绍 . 49 5.3 dm9000a 的的 nios 软件控制软件控制 . 50 5.3.1 dm9000a 数据包封装收发流程 . 51 5.3.2 dm9000a 的初始化设置 . 51 5.3.3 数据包的发送 . 53 5.3.4 数据包的接收 . 54 5.4 本章小结本章小结 . 56 6 系统系统验证及验证及性能分析性能分析 . 57 6.1 接收机系统的验证方案接收机系统的验证方案 . 57 6.2 功能分析功能分析 . 58 6.3 ts 包数据的分析包数据的分析 . 59 6.4 本章小结本章小结 . 60 7 总结与展望总结与展望 . 61 致致 谢谢 . 63 参考文献参考文献 . 65 附附 录录 . 67 a. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 . 67 b. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录作者在攻读学位期间取得的科研成果目录 . 67 1 绪 论 1 1 绪 论 近年来，计算机和多媒体通信相关技术的迅猛发展给信息领域带来了一场深 刻的变革。随着信息化生活方式的逐步深入，广播电视作为面向社会的公共服务， 正经历着由模拟电视向数字电视跨越式的发展阶段。数字电视的推广，不仅给人 民大众提供了众多精彩的节目源，满足了人们收看丰富多彩电视节目的需求，而 且逐步影响着人们的 “电视理念” ， 使得人们真正的将 “看电视” 转变为 “用电视” ， 把普通电视机变为家庭的多媒体信息终端，从而为日常生活和工作提供便利。 与传统的模拟电视不同，数字电视以一种新型的传播方式服务于千家万户1： 它采用数字化的压缩编码技术对节目源信息进行处理，使得信号传输所需带宽变 窄，从而在同等带宽下的电视节目传输，较之模拟电视时代提升了 68 倍，大大 提升了节目的容量；由于数字化技术能很好的防御信道传输过程中的噪声干扰， 所以数字广播电视的图像传输质量较好，画面清晰度很高；同时，利用数字技术 易于加密的特点，数字电视有效提高了节目信息传输过程的安全性，为付费节目 的运营提供必要条件。数字广播电视极大的丰富了频道资源，促进了传统电视业 务和新兴业务（如宽带 internet 网络）的融合，已逐步成为现代城市服务业的重要 支撑平台，为广播电视的持续蓬勃发展提供了新的契机。 科技的发展和用户对高质量生活的不断追求正加速推动模拟电视数字化的进 程，模拟电视向数字电视转变已是大势所趋。数字电视代表着现代电视技术的发 展潮流，已经成为现代电视系统的主流。 1.1 数字电视系统主流标准概述 数字电视是一个庞大的系统，它主要由前端、传输与分配网络以及终端组成。 其中，数字电视的前端主要完成电视节目信号的采集、节目编辑和信号处理，传 输与分配网络则主要包括卫星广播、有线宽带网、地面无线传输等传播媒介，利 用这些传播网络可以完成数字电视信号的单向或双向传输。数字电视终端可采用 接收器加显示器的方式，或者使用计算机接收卡等，这样既可以让用户收看到数 字电视节目，又可以建立人机的交互平台，从而完善信息终端的数据来源。 下图 1.1 体现了数字电视广播和接收系统构成的关键技术。无论是 sdtv，还 是 hdtv，由于未压缩的数字电视信号均具有较高的数据速率，不能在一个 6mhz 或 8mhz 电视频道射频带宽内传输，因而系统发送端需对原始图像或声音信息进 行编码，并按照一定格式将音视频等码流复合成单路串行的传输流，进而完成信 道编码与调制，将数字信号转换成适合信道特性的调制信号。用户则在接收端对 重庆大学硕士学位论文 2 接收到的射频信号进行信道解码、解调，然后进行传输流解复用，分析其中的有 效节目数据包信息，最终通过音视频解码等过程还原并输出图像和声音。 视视 频频 编编 码码 器器 音音 频频 编编 码码 器器 辅助信息辅助信息 视频信号视频信号 音频信号音频信号 传输媒介传输媒介 （含卫星广含卫星广 播播、有线宽有线宽 带网带网、地面地面 无线传输无线传输 等等） 音视频解码器音视频解码器 数据分析设数据分析设 备备（如码流如码流 分析仪分析仪） 显示接收设显示接收设 备备（如电视如电视 接收机接收机） 调调 制制 器器 复复 用用 器器 解解 调调 器器 解解 复复 用用 器器 数据数据 数据数据 发送端发送端接收端接收端 图 1.1 数字电视系统结构图 fig.1.1 structure of digital tv system 目前，日本、美国和欧洲各自形成了三种不同的数字电视标准2，它们也是国 际上的三大主流标准：日本的 isdb(intergrated services digital broadcasting，综合 业务数字广播)；美国的 atsc(advanced television system committee，高级电视制 式委员会)和欧洲的 dvb(digital video broadcasting，数字视频广播)。3 种数字电 视标准在信源编码的处理上具有一致性，而在信道编码上采用了不同的方案。 日本的 isdb 标准制定的初衷在于开发适用日本本国标准的数字电视系统， 目的是让图像、声音、文字等其它数据能够集中到一个通道广播，它采用了一种 类似于欧洲 dvb-t 多载波调制技术的方案，在 cofdm（编码正交频分复用）技 术的基础上，加以改进形成了 bst-ofdm（频带分段传输正交频分复用）调制模 式。这种频带分段的多载波调制方式，可以针对具体频段设定具体的纠错和调制 方式，增加了系统处理业务的灵活度和抗脉冲干扰能力。 美国的 atsc 标准始于军方对 hdtv 的研究工作之上，1996 年被美国联邦 通信委员会批准为国家下一代的广播电视标准。它将 8-vsb（8 电平残留边带）调 制方式应用于地面广播，也适合有线电视系统高数据率的 16-vsb 模式，从而在 6mhz 的有线通道中实现双倍与地面数字广播频道的传输速率。 欧洲的 dvb 标准旨在形成通用的数字电视标准和系统，它采用统一的业务 信息，面向不同的通道，采用不同的信道编码和调制模式。依照传输媒质的不同， dvb 数字广播传输可分为卫星、有线和地面三大系统。卫星数字广播标准，简称 1 绪 论 3 dvb-s，采用四相相移键控（qpsk）调制方式，工作频率为 11-12ghz，调制的 效率较高。2004 年 6 月，欧洲 dvb 组织发布了 dvb-s2 标准，不仅使得信道容量 较 dvb-s 提高了近 50%，同时进一步的提高了电视信号抵御突发性干扰的能力。 有线数字电视广播标准，简称为 dvb-c，采用了多电平正交幅度调制（qam） ， 它充分利用了有线电视网络较好的传输环境，在 8mhz 的带宽中传输更高速率的 数字信息流量。地面数字电视广播标准，简称 dvb-t，它充分考虑了地面物体对 信号传输的影响以及各种噪声的多效应干扰，采用编码正交频分复用（cofdm） 调制方式，能够较好的支持固定和移动接收，抗回波反射能力较强。目前 dvb-t 标准已被欧洲及亚洲部分国家采用，但其并非没有技术缺陷，后续的扩展标准研 究仍在继续， 如欧洲 dvb 组织为拓展便携终端的数字多媒体业务而制定的 dvb-h 标准，具有移动接收性能优越和抗干扰能力更强、功耗更低等优点。因此，课题 对 dvb-t 标准下的地面数字电视系统进行研究具有十分重要的意义和应用价值。 1.2 数字电视地面广播系统的发展现状 地面数字电视广播系统较之卫星和有线数字电视广播系统，具有更强的恢复 广播覆盖能力，这种优势在遇到自然灾害和战争等情况时更为重要。经过几十年 的发展， 目前国际上比较成熟的地面数字电视广播传输标准有三个3： 美国的 atsc 标准、欧洲的 dvb-t 标准和日本的 isdb-t 标准。 atsc 标准的调制方案是 8 电平残留边带调制（8-vsb） ，这是一种具有导频 信号的单载波调制模式，用于多频网的实现。采用 atsc 标准的地面数字电视系 统对多径回波和噪声等不利因素有着更强的抗干扰能力，而且其频谱的利用率较 高，6mhz 的频带宽度下数据吞吐量能够达到 19.39mbit/s。然而，也正由于此，使 得设计数据帧的结构块较大，导致通道估计与均衡滞后于通道参数的变化，不能 支持移动接收。 dvb-t 系统4的设计目标是室内和室外的固定接收，因而它在移动接收上的 效果并不好。设计之初，dvb-t 是为 8mhz 频道开发的，但是只要改变相应的数 据容量，便可应用于 6mhz、7mhz 等其它频道。在 8mhz 的频道下，他的有效净 比特码率为 4.9831.67mbit/s。系统采用的 cofdm（编码正交频分复用）多载波 调制技术，包含了 2k 和 8k 的载波模式，系统在灵活适应各种通道传输环境下， 能有效抵御延时信号的干扰，克服长延时的静态和动态多径失真。 isdb-t 系统是三者中传输码流复用结构最复杂的，它在欧洲 dvb-t 系统 cofdm 调制之前，将 6mhz 的通道带宽分为 13 频段，针对不同的段采用不同的 载波调制方案和编码方式，从而满足各段不同的业务需求。这种频带分段传输的 正交频分复用技术使得地面接收系统在只有一个正交频分复用频段情况下，可以 重庆大学硕士学位论文 4 接收到通道传输过来的部分节目信息。一般而言，6mhz 通道的有用带宽为 5.571mhz，通道中每一段的净比特率在 280.851787.28kbit/s，总的有效传输速率 在 3.65123.23mbit/s 之间。 三种主流数字电视地面广播系统的其它特性参数比较大体如下表 1.1 所示： 表 1.1 atsc、dvb-t、isdb-t 系统重要参数对比 table1.1 the important parameters comparison of atsc, dvb-t, isdb-t system 系统标准 特性参数 atsc dvb-t isdb-t 编码方式 mpeg-2 mpeg-2 mpeg-2 调制方式 8-vsb cofdm (qpsk、qam) cofdm (dqpsk、qpsk、qam) 有效传输速率 19.39mbit/s 4.98mbit/s(qpsk) 31.67mbit/s(64qam) 3.651(dqpsk) 23.23(64qam) 单频网兼容性 不能 能 能 移动接收能力 可以 可以（较差） 不能 系统难度 相对较易 复杂 复杂 我国的国情与其它国家不同，广播电视行业涉及到国家的社会制度、政治因 素以及经济及其它相关产业的发展，所以我国在关注国际上数字电视地面广播标 准发展动向的同时，也结合本国实际情况不断加快制定和推广的进程5。2002 年 时，由清华大学召集国内 6 家研究机构成立了数字电视标准开发小组，研究统一 的数字电视地面广播标准方案，2003 年中上旬，即完成了对清华大学 dmb-t 多 载波调制和上海交通大学 adtb-t 单载波调制两种技术方案的性能测试。 2004 年， 国家高新技术产业发展计划将数字电视地面传输系统标准列为优先发展项目并正 式启动。此后几年，根据项目实施内容，国家完成了对相关技术方案的性能评估 和改进优化，2006 年 8 月，国家标准化管理委员会发布了我国的数字电视地面广 播传输系统标准数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制 ，对系统 的关键技术进行了定义和规范，并于 2007 年起正式实施。2008 年，广电相关部门 颁布了地面数字电视广播传输系统的发射机、单频网适配器和激励器的技术要求 和测量方法，规范了行业产品的技术标准。同年 1 月，中国数字电视地面传输国 标制式产权联盟成立，它着眼于我国地面国标的专利保护，从而积极推动了我国 地面高清数字电视产业的快速发展。 1 绪 论 5 1.3 课题研究内容及意义 我国作为电视行业的生产和消费大国，对广播电视行业的发展一直较为重视。 由于卫星和有线数字电视广播系统的技术比较成熟，国际上也有认可的信号处理 和优化方法，因而各国采用的方案基本相同。我国目前在卫星数字电视广播系统 上采用 dvb-s 标准，有线数字电视广播系统则采用 dvb-c 标准，地面数字电视 广播系统由于其复杂的信道传输特性，使得各国对该标准的考虑各有侧重和要求， 从而采用了不同的方案。我国的各个地域地理环境区分较大，有线数字电视网络 难以覆盖至偏远地区和许多城郊农村，卫星广播电视网络的管制政策又比较严格， 在这种国情背景下，拥有自主知识产权的我国数字电视广播传输系统标准的出台， 具有十分重大的意义。广电运营部门以较低的成本把广电节目传播至偏远农村目 的地，将有效解决农村以及城郊居民“看电视难”的问题。 我国的地面数字电视广播传输标准6与欧洲 dvb-t 标准相比有许多共同之 处，某种程度上讲，我国的 dmb-t 标准是在 dvb-t 标准基础上，增加了支持移 动接收的 4k-ofdm 模式以及与电信接口兼容的互动服务等业务参数要求，从而 使得国标具有比现今国外标准更好的性能。在关键技术上，它采用了特殊设计的 pn 序列帧头，在快速实现同步和通道估计的同时，提高了频谱利用率；信道的前 向纠错编码由外码 bch 码和内码 ldpc（低密度校验纠错）码级联实现，更利于 固定和移动接收；系统信息采用 walsh 正交联合扩频序列的方法进行传输，有效 提升了系统在多径时变通道下的抗衰落性能。对地面数字电视国标的深刻认识是 建立在对 dvb-t 系统的掌握之上的，因而，课题对 dvb-t 接收系统的相关技术 进行研究，有助于深入理解地面数字电视广播接收系统的结构，研究开发地面数 字电视广播系统信息传输的新途径，也为介入我国地面数字电视广播传输标准的 系统应用开发作铺垫。 本文首先在深入掌握地面数字电视传输系统的基本原理基础上，构建出基于 网络传输的 dvb-t 数字电视接收系统的硬件实现平台；通过对硬件平台核心处理 芯片的控制分析，解调出系统传输 ts 码流；然后，对 dvb 系统标准和 mpeg-2 视频编码标准的语法进行分析，对音视频和 mpeg 系统层信息进行解复用处理； 最后，通过 fpga 对以太网电路的软件控制设计，实现解复用数据向上位机的传 输。 1.4 论文结构安排 根据文章的主要内容，论文在章节上的安排主要有： 第一章是绪论，主要介绍数字电视系统目前的主流标准，并对地面数字电视 广播系统的发展现状作出分析。同时，给出课题研究的主要意义和内容，并依此 重庆大学硕士学位论文 6 进行章节上的安排。 第二章提出了 dvb-t 接收系统的总体方案。主要介绍了 dvb-t 接收机的系 统架构，并对其中关键的 cofdm 技术进行原理分析，围绕遵循 cofdm 调制技 术的信道解调解码芯片构建系统整体硬件平台。 第三章是 dvb-t 接收系统前端 ts 码流提取的软件设计。本章分析了接收高 频头内部关键的频率锁定芯片和信道解调解码芯片的内部信号流程，根据其内部 寄存器的配置方法，完成对芯片的控制，从而提取 ts 流信息。 第四章是硬件解复用模块的设计。本章主要介绍了 mpeg-2 解复用原理和数 据包的格式，对硬件解复用部分内部各个模块进行 vhdl 硬件设计，并给出仿真 结果。 第五章是 nios 上层网络传输部分的软件设计。通过分析 sopc 中 dm9000a 的 ip 核控制方法及其内部寄存器的配置流程，实现解复用信息的网络传输功能。 第六章是系统的性能分析，着重就本文完成的设计进行验证，并从功能分析 和实验结果分析的角度上，说明接收机系统实现了目标设计的基本要求。 第七章是总结与展望，主要是对本文所完成的工作进行总结，并对今后的研 究方向进行了展望。 2 dvb-t 接收机系统总体方案 7 2 dvb-t 接收机系统总体方案 2.1 dvb-t 接收方案的系统架构 dvb-t 接收机所要达到的功能要求主要是： 能够接收到 dvb-t 地面数字电视 信号并进行 ts 码流的提取，能够对码流信息进行解复用，还原出传输信号系统层 的基本信息，并通过网络传输到上位机作进一步的处理。根据系统的功能要求， 课题将对接收机系统功能结构的信号流程进行说明，从而得到 dvb-t 传输系统接 收机的设计总体方案。 2.1.1 dvb-t 传输系统接收机的功能结构 对于 dvb-t 系统的接收机设计7而言，由于信号在传输过程遭受了诸多因素 的干扰，因而系统设计并非简单的对发射端进行功能还原，还需结合通道估计和 同步等相关技术对接收的信号进行校正，保证接收到的数据接近原始值，使得整 个接收机的性能趋于理想。图 2.1 表明了 dvb-t 传输系统后端信号接收工作的处 理流程： 外外 码码 解解 码码 信信 源源 解解 码码 解解 扰扰 解解 外外 交交 织织 内内 码码 解解 码码 解解 内内 交交 织织 解解 映映 射射 模拟前端模拟前端 a/d转换转换 生成生成iq复数复数 信号信号 fft 2k和和8k 帧同步和定时同步帧同步和定时同步 频率同步频率同步 参考符号提取参考符号提取 信道估计信道估计 天线接收天线接收 （rf信号信号） 信道解码部分信道解码部分 音