（通信与信息系统专业论文）mpeg2+ts码流检测仪的设计与研究.pdf

中文摘要 中文摘要 世界广播电视已进入数字化时代，作为2 1 世纪最具发展前景的新兴产业，数 字电视广播的推广普及无疑是消费升级中最受瞩目的一环。众所周知，数字电视 信号的播出和传输质量远比模拟电视要好。但是，模拟电视系统的测试和监测设 备配套完善，而数字电视系统的监测系统相对较复杂，因此，模拟电视系统升级 到数字电视系统的过程中，数字电视监测系统的研究及其相关产品开发将是一项 重要课题。对于数字电视信号的传输，数字电视广播标准制定出基于多种媒质传 输的传输系统，如卫星传输系统( d v b s ) ，电缆电视传输系统( d v b c ) ，地面广播 ( d v b n ，不同的传输系统制定不同的信道编码和调制解调的方法，但是对于所 有传输系统的信源编码则一律采用m p e g - 2 这一标准。m p e g - 2 目前作为数字电 视广播传输规定的压缩标准，已被广泛使用，数字电视广播传输质量与m p e g - 2 t s 码流的健康状况休戚相关，m p e g - 2 t s 码流“健康”检测仪就是对m p e g - 2 t s 码流的“健康”状况进行连续实时或者定期的检查，故m p e g 2t s 码流“健康” 检测仪的研究和设计对数字电视广播系统的维护和监测具有现实意义。 在深入研究i s o i e c1 3 8 1 8 1 规定的m p e g - 2t s 码流系统层结构的基础上， 参考e t s it r1 0 12 9 0 的规定，我们设计出一套针对m p e g - 2t s 码流进行实时健 康”检测的检测仪。为了达到实时的目的，本检测仪采用基于f p g a 的数字逻辑 硬件电路来实现。 本文将对m p e g 2t s 码流“健康”检测仪的理论研究和数字电路设计作出 如下介绍：本课题研究的时代背景及研究现状和意义；m p e g - 2t s 码流的数据结 构，在i s o f l e c1 3 8 1 8 1 中的定义和描述，其系统层的数据结构及解码机理； m p e g - 2t s 码流在网络中故障检测的原理和方法，e t s it r1 0 12 9 0 规定检测参 数分类；m p e g 2t s 码流“健康”检测仪实现的总体方案，基于f p g a 的数字逻 辑电路实现方案总体模块划分，模块划分的依据，模块实现功能；总体方案的具 体实现，几个重要参数如p c r 间隔及精度检测，快速c r c 检测等的实现：设计 实现的验证方法，典型参数检测实现的验证模型及验证结果。 关键词：“健康检测”，m p e g 2t s ，p c r ，快速c r c 校验 a b s t r a c t a b s t r a c t t vb r o a d c a s ti n d u s t r yh a sb e e na p p r o a c h i n gi n t od i g i t a le r aa l lo v e rt h ew o r l d a s o n eo ft h em o s tp r o m i s i n gy o u n gi n d u s t r y , p r o p a g a t i o na n dp o p u l a r i t yo fd i g i u dt v b r o a d c a s tw o u l db e c o m ea t t r a c t i v es p o ti nu p d a t i n gc o n s u m i n gp r o d u c t s a sw ek n o w , i nt vi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nd i g i t a ls i g n a lc a i lp e r f o r mb e t t e rt h a nt h a to fa n a l o g s i g n a l ，s om a i n t e n a n c eo fd i g i t a lt vs y s t e mw o u l db em o r ec o m p l e x ，m e a n w h i l e ， c o m p a r e dt ow e l l m a t c h e da n ds o p h i s t i c a t e dm o m t o f i n ge q u i p m e n t sf o ra n a l o gt v s y s t e r n , t h e r ea r e r a r es u c hd e v i c e si nd i g i t a ls y s t e m s t a n d a r d so fd i g i t a lt vb r o a d c a s t h a ss p e c i f i e d 扛a n s m i t t i n gs y s t e m sw h i c ha r eb a s e do nv a r i o u sm e d i u ms u c ha s s a t e l l i t e - o r i e n t e d t r a n s m i t t i n gs y s t e m ( d v b s ) ， c a b l e - o r i e n t e d t r a n s m i t t i n g s y s t e m ( d v b - c ) ，t e r r e s t r i a l - o r i e n t e dt r a n s m i t t i n gs y s t e m ( d v b - t ) d i f f e r e n ts y s t e m a d o p t sd i f f e r e n tm e t h o d so fc h a n n e lc o d e c ，m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，b u tf o r s i g r l a l s o u r c eb l o c kc o d e c ，o n l ym p e g - 2s t a n d a r dh a sb e e na p p l i e df o ra l lt h e s y s t e m s a s ac o m p r e s s i o ns t a n d a r d b e i n gs p e c i f i e d i n d i g i _ c a l t vb r o a d c a s t t r a n s m i s s i o n ，m p e g - 2h a sb e e nw i d e l yi n v o l v e do nc o m p r e s s i o no c c a s i o n t h u s ，t h e r e i sac l o s el i n kb e t w e e nq u a l i t yo fd i g i t a lt vb r o a d c a s ta n d h e a l t hs t a t u s ”o fm p e g 一2 s t r e a m m p e g - 2t s “h e a l t h c h e c ka n a l y z e ri sj u s tad e v i c ef o rc h e c k i n gt ss t r e a m c o n t i n u o u s l yo ri nac e r t a i np e r i o d t h e h e a l t h c h e c kc a ni m p r o v es y s t e mq u a l i t yb y p r o v i d i n gt i m e l yr e f e r e n c ef o rm a i n t e n a n c e b a s e do nd e e pr e s e a r c ho fs t r u c t u r eo fm p e g - 2t ss t r e a mw h i c hi ss p e c i f i e db y i s o f i e c1 3 8 1 8 1 ，a n da l s oa c c o r d i n gt oe t s it r1 0 12 9 0 ，w ed e s i g n e dar e a l - t i m e h e a l t h c h e e ka n a l y z e rf o rt ss t r e a m f p g a - o r i e n t e dd i g i u al o g i ch a r d w a r ec k c u i t w a su s e dt oi m p l e m e n tt ss t r e a ma n a l y z i n gi no r d e rt og e tr e a l - t i m er e q u i r e m e n t i nt h i st h e s i s ，w ew o u i dp r e s e n tt h e o r yr e s e a r c ha n di t si m p l e m e n t a t i o na b o u t m p e g 2t ss t r e a m h e a l t h c h e c ka n a l y z e r ab r i e f n a r r a t i o na b o u tt h eb a c k g r o u n do f o u rr e s e a r c ha n di t sm e a nw o u l db ep u ti nt h eb e g i n n i n g a n dt h e nw ew o u l da n a l y z e s t r u c t u r eo f t ss t r e a ma n di t sd e f i n i t i o ni ni s o i e c1 3 8 1 8 - 1 ，d a t as t r u c t u r eo f s y s t e m l a y e ra n dm e c h a n i s mo fd e c o d ew o u l db es t r e s s e di n t h i ss e c t i o n ，l a t e r , w ew o u l d i n t r o d u c ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fm a l - f u n c t i o nc h e c ki nm p e g - 2t sn e t w o r k ， p a r a m e t e r sb e i n gp r e s e n t e db ye t s it r1 0 12 9 0w o u l db ee m p h a s i z e di nt h i sp a r t i i a b s t r a c t t h e nw ew o u l ds t a r tt og i v et h et o ps c h e d u l eo fi t si m p l e m e n t a t i o n ，i nt h ed e s i g n , t h e w h o l es y s t e mw a sd i v i d e di n t os e v e r ns u b - b l o c k s ，r e a s o nf o rb l o c k sd i v i s i o na n d f u n c t i o no fe a c hb l o c kw o u l db ed e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot o pt ob o t t o mp r i n c i p l e ， a f t e rd e s i g no f b l o c kd i v i s i o n w eb e g a nt og i v es p e c i f i cd e s c r i p t i o no fe a c hs u b - b l o c k f u r t h e r m o r e ，s o m er e l a t i v ei m p o r t a n tp a r a m e t e rs u c ha sp c rp r e c i s i o n ，f a s tc r c c h e c kw o u l db ea n a l y z e dm o r e a f t e rc i r c u i td e s i g ni m r o d u c t i o n , w ew o u l dp r e s e n t h o wt ov e r i f yo u rd e s i g n ，t y p i c a lp a r a m e t e rv e r i f i c a t i o nw o u l db ei n t r o d u c e da sa n e x a m p l et or e f l e c t0 1 1 1 v e r i f i c a t i o nm e t h o d s a tl a s t , as u m m a r y o f t h i sd e s i g nw o u l db e a n e n d k e y w o r d s ：h e a l t hc h e c k , m p e g - 2t s ，p c r ，f a s tc r c c h e c k i l l 主要符号表 a t s c a s i c r c c a t d v b e s e t s i e t s c f c c f p g a h d t v i s d b i s o m c j t c m p e g n t s c n i t p a t p 峦 p c r p e s p m t p s p s i s p i t s 主要符号表 a d v a n c e dt c l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e a d v a n c e ds w i t c h i n gi n t e r c o n n e c t c y c l er e d u d e n c yc h e c k c o n d i t i o n a la c c e s sn b i e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t e l e m e n t a r ys t r e a m e u r o p e a nt e l e c o ms t a n d a r di n s t i t u t e e u r o p e a nt e l c c o m s t a n d a r dc o m m i t t e e f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y h i 曲d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i # t a lb r o a d c a s t i n g i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g n i z a t i o n i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i t t e e j o i n tt e c h n i q u ec o m m i t t e e m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e n e t w o r ki n f o r m a t i o nt ，出l e p r o g r a ma c c e s st a b l e p a c k a g e i d e n t i f i e r p r o g r a mc l o c k r e f e r e n c e p a e k e f i z e de l e m e n t a r ys t r e a m p r o g r a mm a p t a b l e p r o g r a ms t r e a m p r o g r a ms e r v i c ei n f o r m a t i o n s y n c h r o n o u sp e r i p h e r a li n t e r f a c e t r a n s p o r ts t r e a m 高级电视系统委员会 先进交换互连 循环冗余校验 条件关联表 数字视频广播 基本数据码流 欧洲电讯标准委员会 欧洲电讯标准委员会 联合通信委员会 现场可编程阵列 高清晰电视 综合业务数字广播 国际标准组织 国际电气委员会 联合技术委员会 移动图像专家组 国家电视系统委员会 网络信息表 节目关联表 包识别 节目参考时钟 e s 包 节目映射表 节目流 节目业务信息 同步外设接口 传输流 主要符号表 u h f v h f u l t r ah i g hf r e q u e n c y v e r yh i g hf r e q u e n c y 甚高频 特高频 独仓q 性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：瑚挚 日期：2 卯锌言月，；日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：鳓 日期：血巧年；月3 日 第一章引言 第一章引言 1 1数字电视广播网络的发展概况 进入2 0 世纪9 0 年代之后，随着计算机技术、数字处理技术及图像压缩技术等高 科技技术的迅猛发展，广播电视走入了数字电视发展的新时期。数字视频广播实 现了数字电视信号的直接发射和接收，完成了整个电视系统的数字化，意味着电 视节目的拍摄、记录、后期加工、编辑制作、存储、交换、分配发送以及接收等 环节，都是在全数字环境下进行的u j 。 1 9 8 8 年9 月，美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ) 提出 了新一代数字电视必须与现有n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 接收机 相兼容，考虑使用地面的1 5 1 - i f ( u i 仕ah i g hf r e q u e n c y ) 和v h f ( v e r yh i 曲f r e q u e n c y ) 来传送h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ，即通过已有的6 m h z 地面频道来广播 h d t v 。1 9 9 0 年3 月，f c c 取消了h d t v 与n t s c 接收机兼容的要求，但坚持必须在 6 m h z 频道播出。由于取消了接收机兼容的限制，因此可以充分利用数字视频压缩 编码、数字音频压缩编码、数字多路复用和数字调制等先进技术弘1 。1 9 9 6 年1 2 月， f c c 通过了美国数字电视地面传输标准，称之为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 ) 。a t s c 包括1 8 种视频规格，不仅有h d t v ，还包括s d t v ，对其他媒体， 如有线、卫星和计算机等应用都有相互可操作性。目前，美国的地面数字电视的 覆盖率已达9 4 ，有线数字电视用户数达1 6 7 0 万。 1 9 9 3 年，欧洲各国的许多广播电视组织和厂家共同确立d v b ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t ) ，即数字视频广播。1 9 9 4 年e t s c ( e u r o p e a nt e l e c o ms t a n d a r dc o m m i t t e e ) 通过了d v b s ( d v b s a t e l l i t e ) 标准，同年同月还通过了d v b c ( d v b c a b l e ) 标 准，1 9 9 6 年5 月又通过了d v b t ( d v b t e r r e s t r i a l ) 标准，它们分别适用于在三种 不同的传输媒体中实施数字视频广播。 日本于1 9 9 9 年提出的地面数字广播标准为i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i “ b r o a d c a s t i i l 曲t ，又称为地面综合业务数字广播标准。日本于2 0 0 1 年开播6 套卫 星数字高清晰度电视，计划2 0 0 6 年实现数字电视全国覆盖，全部采用数字高清晰 度电视。 在我国，数字电视技术己在数字演播室、非线性编辑系统、数字后期制作系 统、数字转播车以及全自动播出系统等方面得到广泛应用。我国数字电视广播的 电子科技大学硕士学位论文 进程首先从卫星和有线电视切入。 综上可以得出结论：数字电视广播有三个标准。欧洲采用的是d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准，美国采用的是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 ) 标准，日本采用的是i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a l b r o a d c a s t i n g ) 标准：欧洲早在1 9 9 1 年就开始商议并制定数字电视广播的标准，吸引了许多厂商 和国家加入d v b 组织，共同开发、研究d v b 系列标准。因此，这三个标准中 d v b 标准出现较早，发展最快，普及范围最广，目前被欧洲各国、中国等许多国 家采用，a t s c 标准被美国、加拿大、韩国和阿根廷采纳，日本很早就开始了模 拟高清晰度电视的研究，但忽视了数字电视广播发展的趋势，走了很长一段弯路， 它制定的i s d b 标准产生最晚，目前使用范围仅限于日本国内。一个典型的数字 广播网络系统州如图卜1 所示。 图1 - 1 数字广播嚼络结构示意图 1 2 课题选题依据及研究 1 2 1 数字广播系统与m p e g 2t s 码流检测研究现状 数字电视系统是一个完整的数字广播系统，它包括数字化的节目制作和编辑， 数字信号的调制发送、传输和解调接收，同时用户最终接收设备需要真正意义的 数字电视。现在国内市场出现一些所谓的数字电视，但实际上它们只是集成了数 字信号处理芯片，图像显示质量和声音效果有所改善的数字化电视，其本质还是 模拟电视f 2 】。一个完整的数字电视广播系统框如图1 - 2 所示。 模拟电视1 2 1 。一个完整的数字电视广播系统框如图1 2 所示。 第一章引言 根据图卜l ，我们可以得知数字电视广播方式主要有地面数字电视广播、卫 星数字电视广播和有线数字电视广播。根据图1 2 ，我们可以看出不同的广播方 式决定不同的调制方式和带宽使用率，地面广播一般采用v s b ( 残余边带) 或 c o f d m ( 编码正交频分复用) 调制技术，在一个模拟电视带宽中可传送4 套数 字电视节目，卫星广播采用q p s k ( 四相相对差分移相键控) 调制技术，一个模 拟电视带宽传送1 2 套数字电视节目，有线数字电视广播通过h f c 或同轴有线 电视网进行数字电视广播，采用q a m ( 正交幅度( 相位) ) 调制技术，在一个模 拟电视带宽中可传送8 1 0 套数字电视节目。在数字信号传输前，一般要经过信道 编码过程，信道编码可以提高信号抗误码的能力。在进行信道编码前，由于经过 采样、量化的信号速率很高，必须要压缩编码后才能传输。每个采样可以采用8 b i t ( 传输标准) 或1 0 b i t ( 演播室标准) 量化，以4 ：2 ：2 格式为例，采用8 b i t 量化时， 一路未经任何压缩编码的数字电视信号速率为2 1 6 m b p s ，采用l o b i t 量化时，速 率为2 7 0 m b p s 。通常采用m p e g 2 对视频和音频进行压缩，经过压缩后的数字电 视信号速率一般为2 m 1 5 m b p s ，经过系统复用后可以传输。故在进行信道编码前， 需要对原始数据信号进行信源编码，目前，美国的a t s c 、欧洲的d v b 及日本的 i s d b 都将m p e ( 3 2 作为信源编码标准。我国制定的数字卫星电视和数字有线电 视的标准中，信源编码也将采用m p e g - 2 标准。 数字演播室 l 数字摄像i幽视频i据溢i 釜磊l i 数字录像i一l 磊磊一 系 信道： 数字调 i 数字特技i意塑佩 统 信 制 卫星、 数字 -道 q p s k-有线 | 数字音频i 据浇i 杀磊l k复 编 -q a m 电视、 -接收 编码 码 c o f d 地面 机 m 广播 i ”等”1 辅助数据+ 用 l 动画制作l 条件接收+ 图1 - 2 数字电视广播系统框图 由上所述，不难看出数字电视广播网络正处于飞速发展阶段，网络所承载的 业务量将不断的膨胀，因此，网络的稳定性和安全性变得尤为重要，由图1 - 2 来 分析对广播网络的各个环节进行检测，对于信道编码和各种调制信号，我们可以 借助于示波器，逻辑分析仪等设备对其进行检测，而这种检测手段只能对调制信 - 3 电子科技大学硕士学位论文 号的状况进行判断，无法对其内部码流状况进行分析，同时这些设备只能应用在 图1 - 2 所示的信道编码及调制进行局部性地检测。为了对整个网络能进行综合性 地检测，我们设计出对m p e g 一2t s 码流“健康”状况进行检测的检测仪。这样 就可以将码流检测仪和一些相应的配套设备如解码器，解调制器等联合起来使用， 对图1 - 2 所示的网络的任何部分进行多点检测。如果将多点的检测状况连接起来， 就可以对整个网络的状况作到有效的监控，一旦某一节点出现问题，就能快速准 确的作出判断，让维护人员能够及时进行维修，恢复网络的正常。 1 2 _ 2 可编程片上系统的发展 当前的半导体工艺水平已经达到了深亚微米，正向1 0 0 n m 以下发展，未来集 成电路的发展趋势，是把整个系统集成到一个芯片上去，这种芯片称为片上系统， 即s o c ( s y s t e mo nac h i p 】p 】。片上系统比起当今超大规模集成电路( v l s i ) 来说， 无论是集成规模还是运行频率都有长足的发展。而采用具有系统级性能的现场可 编程阵歹i j ( f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 实现可编程片上系统( s y s t e mo n a p r o g r a m m a b l el o g i ec h i p ) 也成为今后的一个发展方向。 可编程片上系统器件不仅使设计的电子产品达到小型化、集成化和高可靠性， 而且器件具有用户可编程特性，缩短了设计周期，减小了设计费用，降低了设计 风险。采用系统内可编程的技术，使得系统内硬件的功能可以象软件一样编程来 配置，从而可以实时的进行灵活而方便的更改和开发，甚至可以实现运行过程中 ( r u n t i m e 或f i y o n ) 不停机地再配置，提高系统的效率。 1 2 3 本课题研究工作 本课题研究工作主要基于两个方面，一方面研究所要检测的m p e g 一2t s 码 流相关理论，如m p e g 2t s 码流的数据结构，m p e g 一2t s 码流的检测规范等， 另一方面研究用于实现本检测仪的核心器件，即可编程现场门阵列( f p g a ) 。具体 论述将在1 4 节论文结构中给出。 1 3 本文的创新点与结构 国外码流检测仪的研究工作开展比较早，m e p g 2 标准制定同时，就有码流 检测问世。h p 、w w g 、r s 、t e k t r o n i x 和a d h e r e n t 等公司都推出了各自的码流检 4 第一章引言 测仪，这几家公司的产品各有特点，性能比较稳定，但产品均价比较昂贵，且是 英文界面，不易操作使用。国内码流检测仪研究工作起步晚于国外，一些科研院 所及大专院校目前正在开展相关方面的研究工作，尚未有报道基于f p g a 芯片实 现码流检测的产品问世。 因此，本文创薪点主要在于提出一种对码流检测实现的新的手法，即采用可 编程片上系统器件来实现对码流的检测。而采用这种新的手法实现的最大特点就 是可以对m p e g - 2t s 码流在服务状态下进行实时检测。服务状态下进行检测的 优点就是不影响网络的运营状况，而实时检测则可以提供及时的网络“健康”状 况的数据，给维护人员提供参考。 另外，在实现设计的过程中，本文提出了一种快速c r c 检验的算法，提高电 路工作速度。 本文主要围绕m p e g - 2t s 码流“健康”检测仪的开发进行论述，其结构如 下： 第一章引言，主要介绍本课题研究的时代背最及研究现状和意义。 第二章m p e g 2t s 码流的数据结构分析，介绍i s o i e c1 3 8 1 8 - 1 对m p e g 一2 t s 码流的定义和描述，着重分析t s 码流系统层的数据结构。 第三章m p e g - 2t s 码流在网络中的故障检测分析，介绍i s o i e c1 3 8 1 8 - 4 对 t s 码流检测的定义和描述，着重分析e t s it r1 0 12 9 0 规定检测参数分类，并对 每个检测参数做详细说明。 第四章m p e g - 2t s 码流“健康”检测仪实现的总体方案，该章将对基于f p g a 的硬件电路实现方案总体模块划分作出说明，给出模块划分的依据，具体模块实 现功能以及实现的优化手段。 第五章m p e g - 2t s 码流“健康”检测仪的具体实现，该章将对每个参数检 测的具体实现做详细介绍，着重介绍几个重要参数检测，如p c r 间隔及精度检测， c r c 检测等具体实现的数字电路设计。 第六章m p e g 2t s 码流“健康”检测仪的设计实现的验证，该章将对参数 检测实现的验证模型和手法及验证结果作出具体描述，从而证明m p e g - 2t s 码 流“健康”检测仪的设计的合理性和可行性。 第七章全文总结，该章将不但对本论文的论述作总结，还将对m p e g - 2t s 码流“健康”检测仪开发过程中遇到的问题进行讨论，为本课题的后续研究打下 基础。 另外，这里需要指出的是，本课题实现的核心为f p g a 内部的数字逻辑电路， 5 电子科技大学硕士学位论文 大量篇幅用于介绍f p g a 内部数字逻辑电路设计，因此对外围硬件电路的介绍较 少，主要通过附录l 将p c b 图演示出来；电路设计是通过v e r i l o g 语言以r t l 方 式描述来实现的，由于本课题实现电路比较复杂，代码量达万行以上，论文篇幅 有限，不能将电路设计的所有细节介绍，因此在附录2 附上第一优先级参数检测 顶层模块电路以及该检测模块核心部分一状态机的r t l 描述，以此触类旁通。附 录3 给出检测结果。 6 第二章i d p e g 一2t s 码流的数据结构分析 第二章m p e g 一2t s 码流的数据结构分析 要对m p e g 一2t s 码流进行检测，首先就要对m p e g 2t s 的编码语法规则有 深入了解，由于本课题设计的检测仪主要针对系统层参数进行检测，因此，本章 将对m p e g 。2t s 的系统层结构作全面详细的介绍。 2 1m p e g 。2 系统以及t s 码流的基本概念 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 是运动图像专家组的简称，其实质上的名 称为国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 联合技术委员会( j t c ) 的第2 9 分 委员会的第1l i 作组，f l o l s o i e cj t c l s c 2 9 ，w g l l ，成立于1 9 8 8 年。其任务是制 定世界通用的视音频压缩编码标准一j 。因为，广播电视数字化所产生的海量数据对 存储容量、传输带宽、处理能力及频谱资源利用率提出了不切合实际的要求，使 数字化难以实现。为此，该专家组基于帧内图像相邻像素间及相邻行间的空间相 关性和相邻帧间运动图像的时间相关性，采用压缩编码技术，将那些对人眼视觉 图像和入耳听觉声音不太重要的东西及冗余成分抛弃，从而缩减了存储、传输和 处理的数据量，提高了频谱资源利用率，使数字化变为现实p j 。其中，m p e g 一2 是 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及数 据流的传输协议，制定了m p e g 。2 解码器之间的共同标准。 m p e g 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 一2 的标准e h 8 个文件组成，m p e g 一2 系统是其关键部 分【引。在详细规定视音频编码算法的基础上，为传输和交换编码数据流创造统一条 件。以利于接收端重建作指导，按照既定的参数给数据流以一定程度的“包装”。因 此，m p e g 2 系统应完成的任务【1 】有： 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。 按照m p e g 2 系统应完成的任务，i s o i e c f l ；t 定出相应的数据处理结构，如图 2 1 所示，根据该图我们对其作如下简要分析：按照i s o i e c1 3 8 1 8 2 和i s o i e c 1 3 8 1 8 3 标准规定，对视频和音频信号进行压缩编码后的码流称为基本数据码流e s ( e l e m e n t a r ys t r e a m ) 。在视频e s 中还要加入一个时间基准，即加入从视频信号中取 7 电子科技大学硕士学位论文 出的2 7 m h z 时钟，为了使接收端能从总的码流分离出视、音频数据，经编码器来 的e s 流不能直接进入复用器，而需经过打包器。然后，再分别通过各自的数据包 形成器，将相应的e s 打包成打包基本数据流包( p e s ) ，即将连续传输的数据按一定 的长度分段，并由p e s 包构成p e s 流，从而构成具有特定结构和长度的一个个单元， 再送到复用器中复用传送。最后，节目复用器和传输复用器分别将视频p e s 和音频 p e s 组合成相应的节目流( p s ) 包和传输流( t s ) 包，并由p s 包构成p s 码流和由t s 包 构成t s 码流。 图2 - 1 在m p e g - 2 系统结构示意图 因此，在m p e g - 2 标准中，可以有两种不同类型的码流输出到信道中，一种 为节目码流p s ( p r o g r a ms t r e a m ) ，一种为传输码流t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 。p s 码流和 t s 码流有不同的抗误码能力，应用场合也不同。在p s 码流中，包的长度相对比较 长而且不固定，一旦失去同步易造成严重的信息丢失。因此它适用于误码小、信 道较好环境，如演播室、家庭环境和存储媒质中。而t s 码流的结构侧重于传输方 面的状态，例如加入了同步、有无差错和有无加扰等标志。由于t s 包的长度是固 定，解码器容易定位找出同步信息，失去同步后也不难恢复同步，因此它适用于 性能差一些的信道环境中，如广播传输信道。故对于数字电视广播网络码流的检 n t l p 对m p e g 2t s 码流的检测。 2 2m p e g 2t s 码流的双层复用和包结构 通常一个节目t s 码流由视频p e s ， 一个电视频道内传输多套数字电视节目， 的系统【1 1 框图如图2 - 2 所示。 音频p e s 以及辅助数据复用构成，如果 则称为多路节目的双层复用。双层复用 由图2 2 可知，第一层复用称为节目复, e l i ( p r o g r a mm u l t i p l e x ) ；第二层复用称 - 8 一 第二章m p f 6 - 2t s 码流的数据结构分析 为传输复用( t r a n s p o r tm u l t i p l e x ) 。其中，节目复用有共同的时间基准，传输复用 时彼此可以有独立的时间基准。多节目的双层复用器中，首先通过多个节目复用 器将每套节目复用成t s 码流，然后通过系统传输复用器将逐个t s 码流进一步复 用成一路总的t s 码流，然后再去信道编码。每套节目的t s 码流中，可包含其独 有的包识别符( p d 】，以供接受者用来选看所需的节目。在多路节目复用中，还可 根据各套节目的内容分配它们以不同的t s 包数目，实现码率动态复用，达到各 套节目都有尽可能好的图像质量。 图2 - 2 多路节目的双层复用系统框图 t s 码流是按包为单位传送的，每个t s 包长1 8 8 字节，分为包头和净荷。其 中，t s 包的净荷部分放置的是p e s 包，t s 包的包头提供关于传输方面的信息。 包头的长度不固定，如果包头过长会导致传输效率下降。 t s 包结构是根据i s o f l e c1 3 8 1 8 1 对t s 码流的语法规定而来的，其具体语言 描述【4 l 如表2 1 所示。在表2 - 1 当中，各个字段语义定义【5 】如下： s y n e 值为 的固定8 位字段，即包同步头，其值与b y t e 0 1 0 00 1 1 1 ( 0 x 4 7 ) p i d 那样的按规律产生的字段的值选择应避免竞争的发生。 t r a n s p o r t 比特标志位。当鼍为1 时表明在相关的传送包_ e r r o ri n d i c a t o r1 中至少有一个不可纠正的错误位。此标志应由传送层之外的实体置l 。当被置 1 后，在错误被纠正之前不能复位为0 。 p a y l o a du n i ts t a r ti n d i c a t o r1 比特标志位，用来指示传送流包带有p e s 包或 p s i 数据时的情况。空包的p a y l o a du n i ts t a r ti n d i c a t o r 应置0 a t r a n s p o r t 耐o r 埘l 位指示器。当被置为1 时，表明相关的包比其它具有 相同但此pid位没有被置1 的包具有更高优先级。传送机制可根据此位确定 在一个原始流中数据的优先级。根据不同的应用，此优先级字段的编码可以不考 - 9 电子科技大学硕士学位论文 虑p i e ) ，或者仅在一个p i d 内编码。此字段可能被通道特殊编码器或解码器修改。 表2 - 1i s o i e c1 3 8 1 8 对m p e g - 2t s 码流包结构所作语法描述 语法位数 缩写 t r a n s p o r t _ p a c k e t ( ) s y n e _ _ b y t e 8b s l b f t r a n s p o r t _ e r r o r _ i n d i c a t o r lb s l b f p a y l o a dw t i ts t a r ti n d i c a t o r 1b s l b f t r a n s p o r tp r i o r i t y 1 b s l b f p d1 3u i m s b f t r a n s p o r ts c r a m b l i n g _ c o n t r o l 2b s l b f a d a p t a t i o nf i e l dc o n t r o l 2b s l b f c o n t i n u i t y _ c o u n t e r 4u i m s b f i f ( a d a p t a t i o nf i e l d _ c o n t r 0 1 一1 0 | | a d a p t a t i o nf i e l dc o n t r o l 一1 1 ) a d a p t a t i o n - 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