（微电子学与固体电子学专业论文）cablecard中oob+mode（a）传输系统的硬件设计及验证.pdf

摘要 摘要 随着通信和信息技术的飞速发展，数字电视因为其带来的产业变革和巨大市 场，成为了全球嘱量的焦点。它包括了三大关键技术即机顶盒、中间件以及条件 接收系统( c a s ) 。其中通过c a s 能实现对用户服务的授权控制。为了将因c a 的 不同丽带来的差异性从机顶盒中剥离出来，提出了“机卡分离 技术，实现了机 顼盒和条件接收系统的分离。针对该技术，北美采用了o p e n c a b l e 技术体系的 c a b l e c a r d 方案，与欧洲公布的d v b - c i 标准相比，c a b l e c a r d 中提供了一条头 端与数字终端之闻进行通信的连续带终逶道o o b ，主要用于传输控制信息。透过 o o b 可以实现运营商与用户之间的交互通信，达到头端和主机的相互认证，授权， 密钥数据处理等，实现对节善码流操作的控制。 本课题研究的是o o b 两种传输模式中的m o d e ( a ) ，它包含了物理层和数据 链路层及其m a c 子层。其硬件实现部分包括了寻帧同步，串并、并串转换，解交 织，r s 编解码，随机化和解随机化，差分编码和加关键字，c r c 编码和校验等模 块。 关键字：数字电视条件接收c a b l e c a r do o bm o d e ( a ) a b s t r a c t a b s t r a c t i h w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , d i 百t a lt vh a sb e c o m et h ef o c u so ft h ew h o l ew o r l d , a st h ei n d u s t r yi n n o v a t i o na n d h u g em a r k e tb r o u g h tb yi t i t c o n t a i n st h r e ek e yt e c h n o l o g i e sc a l l e ds e t - t o pb o x ， m i d d l e w a r ea n dc o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m ( c a s ) w ec a l li m p l e m e n tt h e a u t h o r i z a t i o nc o n t r o lo fs o lv ef o rt h ec o n s u m e r s i no r d e rt op e e lo f ft h ed i f f e r e n c e s f r o mt h es e t - t o pb o x ，w h i c ha r eb r o u g h tb yt h ed i f f e r e n c e so fc a s ，at e c h n o l o g yc a l l e d “c a r d h o s ts e p a r a t i o n ”i sd e v e l o p e d ，a n di tr e a l i z e dt h es e p a r a t i o no fs e t - t o pb o xa n d c a s a i m i n ga tt h i st e c h n o l o g y , t h ea m e r i c aa d o p t e dt h ep r o j e c tc a l l e d “c a b l c c a r d ” c o m p a r e d w i t ht h e e u r o p e a ns t a n d a r d “d v b - c i ”，t h e c a b l e c a r ds u p p l i e sa c o n t i n u o u so u to fb a n dc h a n n e lc a l l e d “0 0 b ”f o rt h ec o m m u n i c a t i o no ft h eh e a da n d d i g j t a lt e r m i n a l s ，w h i c hi sm a i n l yu s e df o rt r a n s p o r to fc o n t r o lm e s s a g e s b yt h i sw a y , t h ec o n s u m e r sc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h eh e a d , a n di tr e a l i z e st h ea u t h o r i z a t i o n ，k e y d a t ap r o c e s s i n g ，a n dt h ea u t h e n t i c a t i o nb e t w e e nt h eh e a da n dt h eh o s t s ，c o n t r o l st h e p r o g r a ms t r e a m s t h i sp a p e rr e s e a r c h e so n eo ft h et w ot r a n s p o r tm o d e sc a l l e d m o d e ( a ) , i tc o n t a i n s t h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h ed a t al i n kl a y e ra l o n g 谢li t sm a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) s u bl a y e r i t sh a r d w a r er e a l i z a t i o nc o n t a i n sf la m es y n c h r o n i z a t i o n ，s e r i a lt op a r a l l e l ， p a r a l l e lt os e r i a l ，d e i n t e r l e a v e r ，r se n c o d c ra n dd e c o d e r , r a n d o m e ra n dd e - r a n d o m e r , d i f f e r e n t i a l l y - e n e o d e r , c r ce n c o d e ra n dc h e c k o u t k e y w o r d s ：d i g i t a lt vc o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m c a b l e c a r do o b m o d e ( a ) 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：彬专激日期型：形攀 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：差童幺 导师签名：孑孵 日期丝竺垄 日期趁：型丝 第一章前言 第一章前言 1 1 课题背景 本课题来源于深圳国微技术有限公司( 以下简称国微) 开发符合美国 数字宽频传输系统机卡分离标准( c a b l e c a r d ，也称p o d ) 的数字电视有线 接收终端的条件接收模块( c a m ) 项目。与欧洲的d v b 标准相比，c a b l e c a r d 中提供了一条头端与数字终端之间连续带外通信通道o o b ，主要用于传输 控制信息。本文研究的是o o b 两种传输模式中的一种( m o d ea ) ，是c a b l e c a r d 芯片研发中的最重要的组成部分之一。 1 2 课题在国内外的研究情况 随着数字视频广播技术的发展，美国已经宣布在2 0 0 6 年淘汰模拟电视， 欧洲也表示要在2 0 1 0 年实现数字电视的全面普及，而我国也计划2 0 1 0 年全 面实现数字化广播，2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出。用户群、市场、现 有技术、资金投入等各方面因素也决定了我国视频广播的数字化将从有线 数字视频广播开始。目前，我国数字电视业务正在各大城市有条不紊地进行 着。 数字电视包括三大关键技术即机项盒、中间件以及条件接收系统( c o n d i t i o n a l a c c e s ss y s t e m ，c a s ) 。其中通过c a s 能实现对用户服务的授权控制，是数字电视 加密控制的核心技术保证。对于c a s 的实现，国际上有两种技术标准：欧洲d v b 定义的同密( s i m u l e r y p t ) 、多密( m u l t i c r y p t ) 技术和北美o p e n c a b l e 定义的 c a b l e c a g d ( 也称p o d ) 技术。 为了使机项盒脱离条件接收系统供应商的束缚，把因c a 的不同而带来的差异 性从机项盒中剥离出来，实现机项盒和条件接收系统的分离，已成为一种必然。 我国也于2 0 0 3 年由信息产业部提出了“机卡分离 技术设想，并在2 0 0 6 年将 由国微和大唐微电子主导制订的p c m c i a 接口方案定为行业标准。实现“机卡分 离”后，可以使机项盒成为一种通用消费电子产品，批量大规模生产，自由销售， 2 c 西l j 6 匮d 中o o bm o d e ( a ) 传输系统的硬件设计及验证 使数字电视产业形成规模效益。 北美o p e n c a b l e 技术体系下的c a b l e c a r d 模块实现了“机卡分离”的思想，与 欧洲的d v b 标准相比，其安全模块包含了与保密有关的全部功能，即认谖电路及 密钥数据、解扰电路和有线传输数据业务接口觏范的m a c 层电路等，其控制信息 通过o o b 通道进行传输。 1 3 课题研究的困的与现实意义 作为符合美国等媒体内容大国条件接收标准的c a m 卡芯片研发的一部分，本 课题的研究通过带外传输通道o o b 的模式a ，完成头端和终端即运营商与用户之 闻的交互通信，达到头端和主机的相互认 芷，授权，密钥数据处理等，实现对节 目码流进行操作的控制。它包括了物理层和m a c 层处理的部分，通过中间件的标 准化工作，做到可以覆盖多样的交互业务需要，灵活，独立，安全性高。 通过对此通道系统的设计和开发，可以掌握广播系统中交互通信的实现，a s i c 前端设计的流程，更为熟练应用v e r i l o gh d l 语言，对相关通信芯片的系统设计有 更好的把握，也对c a m 卡芯片研究设计工作的进一步开展具有重要的作用。 该课题与本人研究生期间所学课程密切相关，通过该课题的研究和实现，可 以巩固专监知识，实际锻炼综合能力，可以拓展思维，整体把握。嗣时，该课题 本身也具有很好的研究和开发的价值。相信，通过对该系统的设计，实现，仿真， 验证可以进一步提高个人的研发能力。 我国作为世界第一电视大国，数字电视具有广阔国内和国际市场空闻。有线 数字视频广播曜络可以为有线逛视用户提供上酉套的数字电视节目和薪型的宽带 多媒体业务，它还将推动以数字技术为核心的信息家电的发展，是我国= 十一世 纪开端的个新的经济增长点。 条件接收是数字电视网络的技术基础，是涉及匿家信息安全的核心设备，研 制并实现具有翻主知识产权的c a 系统及其相关技术，是我国民族数字电视产业发 展的重要部分，无疑具有多方面的重大意义。 1 4 本文的主要工作 本课题作为符合北美标准的c a b l e c a r d 芯片研发项目的最重要的组成部分， 主要着重予对o o b 通道m o d e ( a ) 系统的研究，包括相关协议的研读、架构的建立， 模块的规划、接口的协定、算法的优化、各子模块代码的编写、仿真和测试、串 接联调等工作，最终完成初步的硬件实现。 第一章前言 1 5 本文的编写架构 第一章是绪论部分。主要介绍了本论文的课题来源背景，国内外同类课题的 研究现状以及研究本课题的目的和现实意义，完成本论文的主要工作。 第二章主要是对数字电视及其有条件接收系统，机卡分离技术进行介绍。 第三章是对c a b l e c a r do o bm o d e ( a ) 中涉及的数据基本格式包括m p e g 2 和a t m 包作简要的介绍。 第四章是对o o bm o d e ( a ) 通道的系统进行概述，并介绍了c a b l e c a r d 及其 o o b 接口。 第五章对各子模块包括寻帧同步、串并和并串转换、解交织、r s 编码和解码、 随机和解随机、差分编码和加关键字、c r c 编码和校验等模块的硬件实现的原理、 设计算法、仿真验证及串接联调的结果进行了详细的讲述。 第五章是结束语和对未来工作的展望。 第二章有条件接收和“机卡分离” 第二章有条件接收和“机卡分离 2 1 数字电视简介 而今，全球通信与信息技术正在飞速发展，也引发电视广播领域的技术变革， 数字化既是一种潮流，也是电视技术发展的必然方向，而数字电视则是这种潮流 的必然产物。 数字技术指的是对传统的模拟信号进行量化和编码，转换成二进制的数字信 号，并在此基础上，对数据进行传输、存储和记录等各种处理。 数字电视是指音频、视频信号从编辑、制作到信号的传输、发射直至接处理、 显示，整个系统均采取数字技术的电视系统。实现了电视节目摄、录、播、发、 输、收整个系统的数字化，是对现有电视广播系统的整体变革，被称为是继黑白 电视、彩色电视之后的第三代电视技术。 2 1 1 数字电视的特点 数字电视是相对模拟而言的，与数字化电视是不同的。数字化电视是在现有 模拟电视机体制下，充分利用图像处理和微电子技术成果，对模拟的彩色电视信 号图像进行数字化的处理，以求获得更好的图像重现效果。从本质上讲，数字化 电视仍属于模拟电视的范畴。 与原有的模拟电视技术相比，数字电视主要有如下特点： ( 1 ) 图像、伴音质量好：数字信号可经过多次中继传输，抗干扰能力强， 不会产生信号畸变和杂波的累积，使传输质量得到明显提高，从而保证高质量的 图像和声音。 ( 2 ) 节目容量大：采用压缩编码技术，压缩编码后的数字电视信号占用频 带较窄，使电视节目套数大量增加。 ( 3 ) 可实现交互性：将原来的一点对多点的“广播一形式扩展为点对点交 互系统，用户如需要，可以主动查找自己所需要的节目，且在节目播放过程中也 可以对节目进行回放、暂停、快进等控制，即实现v o d ( 观众点播) ，可进行交 易、证券服务、远程教育，获取旅游天气、民航信息、饮食娱乐等各方面信息。 ( 4 ) 支持网络化：拓展后可应用于i n t e r n e t 和电信网络环境，便于图像和声 音的传输，实现电视节目资源的最大共享。 6 c a b l e c a r d 孛o o bm o d e ( a ) 传输系统懿硬件设计及验证 2 1 2 数字电视的分类 根据划分标准的不同，数字电视有多种不同类别： ( 1 ) 按传输方式：可以分为有线数字电视( 有线传输) 、地面数字电视( 地 面茏线传输) 、卫星数字电视( 卫星传输) 三种。它们信源编码方式相同，但由 于传输途径不同，它们的信道编码也分别采用了不同的调制方式。各种传输方式 都有不同的多个标准。本课题所研究的即属其中的有线数字电视范畴。 ( 2 ) 按清晰度：可以分为低清晰度数字电视( 图像水平清晰度 2 5 0 线) 、 标准清晰度数字电视( 5 0 0 线，称s d ) 、高清晰度数字电视( 800 线， 称h d t v ) 。 ( 3 ) 按产品类型：可以分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、数字电视一 体机。 ( 4 ) 按屏幕幅型：可以分为4 ：3 幅型比和1 6 ：9 幅型比两种类型； 2 1 3 行业的发展状况 目前，数字电视d t v 已成为下一代电视的主流，也是世界电子广播事业的核 心内容，由于它所带来的产业变革和巨大的市场，使它成为全球瞩目的焦点。作 为高端技术发展领先靛美国，已完成三大标准制定工作，并予1 9 9 6 年开始数字电 视的试播，0 2 年正式广播，0 6 年宣布淘汰模拟电视，由政府强行推广数字电视， 完成转换过程。欧洲也表示要在2 0 1 0 年实现数字电视的全面普及。在距洲，韩、 日两国也相续制定了相关的标准，开始数字电视的正式广播。 作为世界第一电视大国，中国的数字电视产业具有着广阔的囡内和国际市场 空间。但与其它发达国家相比，起步相对较晚。从实际情况来看，市场、用户群、 现有技术、资金投入等各方面因素都决定了中国视频广播的数字化将从有线数字 视频广播开始。 尽前，我国计划于2 0 1 0 年全面实现数字化广播，并于2 0 1 5 年麓，停止模拟广 播电视的播出，各大城市数字电视业务转换工作也正在有条不紊地进行着，各标 准的制定和规范也正在统一、完善过程中。 数字电视技术可以为用户提供上百套的数字毫视节星，并扩展了电视广播的 功能和用途，为“三网合一坩提供了技术上的可能性，它将推动以数字技术为核 心的信息家电的发展，是我国二十一世纪开端的一个新的经济增长点。 第二章有条件接收和“机卡分离 2 2 有条件接收( c a ) 系统 7 数字电视包括了三大关键技术，即机顶盒、中间件以及条件接收系统 ( c o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m ，c a s ) 。其中c a s ，是指对数字电视节西和数据进行 加密，使之只允许拥有授权的用户合法使用这些信息，而并未被授的用户无法获 取，从两实现数字电视的付费管理。 条件接收是一种技术手段，主要对信息实施加扰，对用户电视的加密，结合 用户管理系统，对用户进行授权控制，授权管理达到服务收费等目的。它确保了 有线电视增值业务的正常收益，如实现电视购物、点播、i n t c m c t 接入等等。所以 采用有条件接收的经营方式是有线数字电视蓬勃发展的必由之路，只有实施健全 的宥线数字广播电视付费机制，才能键进电视产业健康地向更高层次发展。 有线数字电视条件接收系统比较复杂，一般由前端加扰和接收控制两个部分 组成，其中每一部分都是一个特殊的信息处理过程，蔼显采用了三重密钥传输机 制，其结构组成及工作原理如图1 i t l j 所示。 剿- h 删- h - 翻h 执| _ 。雌1k 哇l i 产。l = 一： 骂 裳 射 规 挞雠 餐纛 - - - - _ 声膏 - - _ 敛据 解密嚣 一l 艉密嚣8 安蹙处理器 授权if 智能卡 图2 1 有条件接收系统结构 前端： i ) 由控制字发生器产生控制字c w ( c o n t r o l w o r d s ) ，并提供给加扰器，对来自 复用器的m p e g 2 传送流进行加扰，输出扰乱后的m p e g 2 传送比特流。 2 ) c w 阍时给传送给加密器众，它根据用户授权系统提供的业务密钥s k ( s e r v i c e k e y ) 对c w 进行加密，输出的加密以后的控制字，被称为授权控制信息e c m ( e n t i t l e c o n t r o lm e s s a g e ) 。 3 ) 业务密钥s k 同时也传送给加密器b ，加密器b 自己能够产生密钥即用户个 人分配密钥p d k ( p e r s o n a ld i s t r i b u t ek e y ) ，它用p d k 对授权控制系统送来的业务 密钥s 隧行加密，输出结果称为授权管理信息e m m ( e n t i t l e m a n a g e m e s s a g e ) 。 8 c a b l e c a r d 孛o o bm o d e ( a ) 转输系统酶硬髂设计及验证 e c m 和e m m 均被送至复用器，与图像、声音和数据信号比特流一起复用成 m p e g 一2 经调制，发射。 在发送端还有用户管理系统s m s ( s u b s c r i b e rm a n a g e m e n ts y s t e m ) 和用户授权 系统s a s s u b s c r i b e r a u t h o r i z a t i o ns y s t e m ) ，用户管理系统是根据用户订购节霉和 收看节目的情况，方面向授权控制系统发出指令，决定哪些用户可以被授权看 哪些节目或接收哪些服务，另一方面它还可以向用户发送账单，用户授权控制系 统则是根据用户授权管理系统的指令，产生业务密钥。 终端： 终端的操作是前端的反过程，解调后的加扰比特流通过解扰器送至解复用器， 解复用器分流出e c m 和e m m 信号，再将之分别送至插有智能卡( s m a r tc a r d ) 的解 密器a 与解密器b ，它稠与安全处理器共同工作，从丽恢复出控制字c w ，并将它 送至解扰器。解扰器就能正常解扰，将加扰比特流恢复成正常比特流，并由解复 用器将图像、声音、数据流解出。 条件接收是数字电视网络的技术基础，是涉及国家信息安全的核心设备，研 制并实现具有自主知识产权的c a 系统及其相关技术，是我国民族数字电视产业发 展的重要部分，无疑具有多方面的重大意义。 2 3 机卡分离技术 目前，国内外有着众多的c a 厂商，不同的厂商提供不同的c a 系统。如果将 解扰、解密系统集成在接收机里，不同的c a 系统就要使用不同的接收机，也就是 说要针对不同地区所选用的c a 系统，生产不同的机项盒。这样，枫顶盒厂商便无 法统一批量生产，而且每引入一种c a 系统置于机顶盒中，都需要交纳昂贵的使用 费。同时消费者若要收看不同运营商提供的节目，就需要不同的机顶盒或接收一 体机。 这种模式无疑是不合理的，带来了种种浪费和弊端，阻碍了数字电视产业的 发展，为了解决这个问题，便出现了机卡分离技术。 机卡分离技术就是定义好标准接口后，将接收机中的通用部分做成机打( 包 括毽机顶盒”、艟体机等 ，将焉把各地广电运营商的条件接收部分独立出来，做 成n 卡”。这样机，就可以为各个运营商通用，批量生产，减低成本。用户若要搬迂 或观看不同运营商提供的节目，只需更换价格相对不高的n 卡”。 骶机卡分离”也应为可以解决我国数字电视机顶盒价格偏高、打破地方垄断和 制造商的规模诧经营，两受到政府的大力支持和提倡。我国也于2 0 0 3 年由信息产 业都提出了n 机卡分离，技术设想，并在2 0 0 6 年将由国微和大唐微电子主导制订的 p c m c i a 接口方案定为行业标准。 第二章有条件接收和“机卡分离” 9 针对机卡分离，欧洲的d ( 数字电视广播联盟) 于1 9 9 6 年发布并采用d v b c i 技术方案。而美国的a t s c ( 先进电视系统委员会) 则主要采用c a b l c c a r d ( 也称 p o d ) 方案。该标准于2 0 0 0 年由o p e n c a b l e 公布草案，2 0 0 2 年由美国s c t e 正式颁布， 2 0 0 3 年由美国f c c a t s c 定为强制标准，其物理层基于p c m c i a 接口协议。 c a b l e c a r d 模块装入与保密有关的全部功能，包括认证电路及密钥数据、解 扰电路和有线传输数据业务接口规范d o c s i s ( d a t ao v e rc a b l es e r v i c ei n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n ) 的m a c 层电路等，完全符合n 机卡分离”思想，同时也易于处理破解 ( c r a c k i n g ) ，即便密钥数据泄漏也无需改动机项盒，只需更换卡就可以了。 与欧洲的d v b c i 标准相比，c a b l e c a r d 中提供了一条头端与数字终端之间连续 带外通信通道o o b ，主要用于传输控制信息。c a b l e c a r d 首先利用o o b 信道与前端 通信并进行认证处理，并由卡对接收到的比特流进行解扰处理，解扰后的比特流 再返还机顶盒。 本课题研究的就是该标准下的o o b 通道m o d e ( a ) 系统。 第三章o o bm o d e ( a ) 数据传输格式简介 第三章o o bm o d e ( a ) 数据传输格式简介 在介绍o o bm o d e ( a ) 系统的具体内容之前，我们需要了解在本系统中数据传 输的基本格式。与o o bm o d e ( b ) 传输系统采用统一的基于a t m 构成的帧格式不 同的，在m o d e ( a ) 中，上行和下行所采用的数据格式标准不同，其中下行采用基 于m p e g 妊标准的基本格式，丽上行采用的是基于a 1 训信息包的基本格式。由于 这两种数据包格式标准菲常复杂，所以本文只描述与课题密切相关的部分内容， 在本章后序中，将进行简单的介绍。 3 1 下行数据标准( m p e g i i ) 3 1 1m p e g 标准简述 1 9 8 8 年，由i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 国际标准化组 织和i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 囡际电工委员会联合成立丁 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r tc , r o u p ) l ! p 运动图像专家组。它主要负责视频数据和声 音数据的编码、解码和它们的同步等标准的开发。而由这个专家组开发的标准称 为凇e g 标准。， 到目前为止，已经公布的m p e g 标准有m p e g 1 2 4 7 2 1 b ，其中的m p e g 1 、 m p e g 2 和m p e g - 4 标准已经得到广泛应用。 m p e g 1 标准( i s o i e c l l l 7 2 ) 制定于1 9 9 2 年，是针对1 5 m b p s 以下数据传 输率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码设计的国际标准，主要用于在c d r o m 存储彩色的阍步运动褫频图像，它针对s i f ( 标准交换格式) 标准分辨率的 图像进行压缩，每秒可播放3 0 帧画面，具备c d ( 指激光唱盘) 音质。同时，它还 被用于数字电话网络上的褫频传输，懿非对称数字耀户线路( a d s l ) 、视频点播 ( v o d ) 、教育网络等。 m p e g - - 4 标准于1 9 9 8 年圭王胄公布，预计投入使用的国际标准m p e g - - 4 针 对一定比特率下的视频、音频编码，并引入了a v 对象( a u d i o v i s u a lo b j e c t s ) ， 使得更多的交互操作成为可能，从丽大大增强了多媒体系统的交互性和灵活性。 未来，它将有望在数字电视、实时多媒体监控、移动多媒体通信、i n t e m e t 上的视 频与可视游戏、d v d 上的交互多媒体应用等方面大显身手。 m p e g 2 标准l s 嗍e c l 3 8 1 8 ) 制定于王9 9 辱年，是一个直接与( 高清晰) 数字 1 2 c a b l 虹国中o o bm o d e ( a ) 传输系统的硬件设计及验证 电视广播( d t v h d t v ) 有关的高质量图像和声音编码标准，同时也用于d v d 。 m p e g 2 可以说是对m p e g 1 的扩充，它们的基本编码算法都相同，只是画面的 分辨率更高一些( 从3 5 2 2 8 8 提升到1 9 2 0 x1 1 5 2 ) 。 但是m p e g 。2 也增加了许多m p e g 1 所没有的功能。例如，增加了隔行扫描 电视的编码、提供了位速率的可伸缩功能、新增了a a c 音频编码、支持环绕立体 声等等。它要达到的最基本目标是：速率为4 9m b i t s ( 最高达1 5m b i t s ) 的电 视编码。 在o o bm o d e ( a ) 传输系统中，其下行数据包的基本格式就是基于m p e g 一2 标 准的数据流，其中与系统理解规划密切相关的是m p e g 2 的系统层标准，我们将 针对它进行简要的介绍。 3 1 2m p e g 2 系统层标准 m p e g 2 的系统模型如图3 。l 【2 】所示，其主要旦的是将电视的视频、声音以及 其它数据，组合成一个或者多个适合于存储或者传输的基本数据流。 i i图栅l，t j - ， 电视图象 数据镝入 声罾数握 输入 瑚鹰c1 3 8 1 8 - - $ ； ：卜一i s 0 e c1 3 8 1 8 - i 。啼 图3 。1m p e g - 2 的系统模型图 在m p e g - 2 标准系统编码中，数据流有两种形式适应不同的应用。一种是程 序数据流即p s ( p r o g r a ms t r e a m ) ，另一种则称为传输数据流t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 。 程序数据流是组合一个或者多个规格化的包化基本数据流p e s ( p a e k e t i e a e l e m e n t a r ys t r e a m s ) 嚣生成的一种数据流，用在出现错误相对比较少的环境孛，适 合于使用软件处理的应用；传输数据流也是组合一个或者多个p e s 面生成的一种 数据流，它用在出现错误相对较多的环境中，例如在有损失或者有噪声的传输系 统中。 在m p e g 2 系统标准中，数据流的编码有着充分的编码语句和语法，按照此 标准，可以保证同步译码和音频、视频信息的正确显示，同时确保译码缓冲区不 会出现上溢或下溢的现象。根据译码和显示时的音视频数据，以及数据本身的传 第三章o o bm o d e ( a ) 数据传输格式简介 送情况，数据流在编码时使用不同的时间标签。 一、传输数据流的组成 在o o bm o d e ( a ) 传输系统的下行数据通道中，主要涉及的码流形式是传输数 据流t s 。 程序是一些有着相同时间基点的原始流的集合，在传输流t s 的编码层允许将 一道或者多道程序复合成单一流。也就是说传输流t s 是包含一个或多个具有独立 时间基点的多道程序所复合成一个单一的数据流。其中属于同一道程序的数据流 的p e s 分组具有着相同的时间基点，并带有足够的信息，允许同一道程序的所有 原始流同步显示。 传输流分组一般包括p e s 分组，p s l 分组，以及空分组。由于这几个分组的结 构都比较复杂，这里只简要介绍与课题相关的部分，具体请参考m p e g 2 系统标 准。 1 ) p e s 分组： p e s 分组( p a e k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ) 即包化基本数据流，它传输的数据流 一般是节目中的音频、视频，有时还包含一些系统信息。原始流数据加载在p e s 分组中，p e s 分组有规定的p e s 分组头部和其后的分组数据构成。p e s 分组插在 传输流分组之中，每个p e s 分组头部的第一个字节就是传输流分组负载的第一个 字节。 p e s 分组是以一个3 2 位的开始码字开始的，通过该开始码字可以识别这个 p e s 分组属于哪个流。此外p e s 分组的头部中还可能含有解码以及时间显示标签， 以及其它可能的可选字段。p e s 分组头部之后所接的负载是来自原始流的长度可 变的连续字符串。 2 ) p s l 分组： p s l 分组( p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n ) ，即程序特殊信息流，它主要包括所有 使解码器能进行程序的多路解调的规格化数据和私用数据。程序由一些原始流组 成，每个都有一个p 1 d 进行标识。p e s 信息及其部分内容都可能被加扰，使其有 条件访问，但p s l 分组( 除了部分私用数据) 不可以被加扰。 p s l 分组被分为4 类，即程序关联表( p a t ) 、程序映射表( p m t ) 、条件访问 表( c a t ) 、网络信息表( 私用数据) 。4 种信息在数字电视传输系统中都具有着非 常重要的作用，简要描述如表3 1 ： 表3 1p s i 信息类型描述 p s i 信息 p d 描述 程序关联表( p a t ) 0 x 0 0 关联节目号和程序映射表的p i d 1 4 c a b l c c a r d 中o o bm o d e ( a ) 传输系统的硬件设计及验证 程序映射表( p m t )赋值的说明一个节目中包含部分的p i d 条件访问表( c a t ) o x 0 1 每个e m m 流与每个独立p i d 的联系 网络信息表( 私用数据)赋值的物理网络参数 这些p s i 信息包含了多路解调和显示节目所需的必要和足够的信息。 3 ) 空分组： 传输流分组有可能是空分组，其主要作用是用于填充传送流，可能在接收端 多路复用时滤去。空分组的p i d 为o x l f f f 。 二、传输流分组层语法结构 传输流的数据包长度是1 8 8 个字节，其头部字段的规定如下表所示，头部字 段过后是有效数据或也可能调整字段，这在头部的a d a p t a t i o n f i e l d _ c o n t o r l 字段有 标识。 表3 2 传输流分组语法结构【3 】 s y n _ b y t e ：l 习步字节，值为“0 x 4 7 ( 0 1 0 0 0 1 1 1 ) ，固定字段，用于表示传输流 数据包的开始，可以实现同步检测。 t r a n s p o r t _ e r r o r _ i n d i c a t o r ：传输错误指示位，用标识相关的传输分组中是否出现 不可纠正的错误位。 p 鑫y l o a d _ u n i t _ s t a r t _ m d i c a t o r ：开始指示位，在p e s 分组中，表示负载是否以p e s 分组的第一个字节开始；在p s l 分组中，表示在负载中是否含有p s i 部分的第一个 第三章o o bm o d e ( a ) 数据传输格式简介 字节。 t r a n s p o r tp r i o r i t y ：传输优先指示位，该位为l 磁为0 的数据包有更高的传输级 别。可用于确定传输分组的优先级。 p i d ：1 3 比特，用于标识有效受载中数据的类型。 t r a n s p o r t _ s c r a m b l i n g _ c o n t r o l ：传输加扰控制位，用于表示数据是否经过了加扰。 “0 0 表示数据包未加密，“o l 、1 0 、l l 一为用户囊定义。 a d a p t i o n _ f i e l d _ c o n t r o l ：调整字段指示位，用于表示本传送分组中是否含有有 调整字段和或有效负载。调整字段控制值如表3 3 所示： 表3 3 调整字段含义 数值含义 0 0 保留 0 1 仅含有有效负载 1 0 仅含有调整字段 1 1 既有调整字段也有有效负载 c o n t i n u i t y _ c o u n t c r ：连续计数器，随着每个具有相同p 国的传送分组丽增加， 当它达到最大值后又回复到o 。用于标识同p d 不同数据包的顺序，以便在接收 端恢复数据。 d a t a _ b y t e ：数据字节，即负载，可能来i 自p e s 分组，p s i 部分以及不在这些结 构中的私有数据的连续字节。 3 2 上行数据标准( a t m ) 对大多数应用软件，从客户端到有线电视头端的网路传输数据必须以脉冲产 生并传输，小的a t m 协议单位结构同这一需求非常匹配。 因此在本课题中所研究的o o bm o d e ( a ) 系统的回传通道中，从用户数字终端 发往头端的上行数据流是基以解m 信息包的格式进行发送的。 3 2 1 上行数据包基本格式 r f 回传通道中的信息包格式如表3 4 1 4 中所示， 每个a t m 数据包都连接着一个2 8 位的唯一字，i # - 字节的信息包净剃计数器， 和8 个r s 奇偶校验字节。 这个2 8 位熬唯一字是1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 一1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 ，可以写成 ( i ，q ) 两路。这样，当上行数据包通过回传通道到达接收端，唯一字可以让激 1 6 c a b l e c a r d 孛o o bm o d e ( a ) 传输系统的硬件设计及验证 活的的脉冲解调器识别出这个信息包的开始。 表3 4 上行数据包格式 p a r a m e t e r s p e c i f i c a t i o n u n i q u ew o r d2 8 b m ( 1 1 0 0l l o o1 1 0 01 1 0 0 1 1 0 01 1 0 0o o o o ) p a c k e ts e q u e a c e1b y t e a t m d a t a 5 3 b y 蕾鸭 r - $ 脚s b y t e s 在上行数据包的最后是，8 个字节豹前尚绸错编码字段，用于进行检测和纠正 错误。 上行数据包的其他部分是信息包序列计数器和a t m 数据包，我们可统称之为 a t m 信息包。a t m 信息包的长度及格式如表3 5 所示： 表3 5a t n 傣惠包格式 l 黼嘲l 粤l 磐l 酬f 卅la c kl 嗍 嚣掣ln 霉u m 删b e rl 潞l 汛l 删( 2 4 t i n ) i 汹i 嚣晶lc 穆o u 嘲n t e r ( a t e ) 1 1 嘲| 霉删| s 嘲|lr l 城) l 穆嘲 信息包序列字节由消息号( 3 位) 和一个序列号( 5 位) 组成。消息号用于使 上行数据单元同一个协议数据单元( p p u ) 联系起来。每次一个新的p d u 第一个 单元被传送出去，消息号都会自动增加。序列号的位宽为5 位，被用于标示在同一 个一个p d u 内，各数据单元的顺序。每个新的消息号开始时，序列号都从0 开始， 并且被头端回路解调器用于为r f 模式“报告反馈”检测丢失的单元。 3 2 2a t m 信息包格式 a t m 信息包的具体的格式、各字段及所代表的意义如表3 6 所示： m e s s a g en u m b e r 消息号 消息号或者分割的p d u 号字段被用来将数据包和一个特定的p d u 相联系。每 次一个新的p d u 的第一个包被发送时，m e s s a g en u m b e r 就会自动增加。 s e q u e n c en u m b e r 顺序号 顺序号被用来定义在一个p d u 内部的数据包的次序。对于每个新的消息号， 顺序号就从0 开始。顺序号在收到头端的确认消息后才会增加，因此不会在一个数 据包重发时增加。 m a cc o n t r o lf i e l dm a c 控制字段 这个字段定义了m a c 数据包的种类。表3 7 给出了m a c 控制字段的值。 u p ma d d r e s s 上行数据流m a c 地址 第三章o o bm o d e ( a ) 数据传输格式简介 u p ma d d r e s s 在网络相关控制中，主要用来将收到的数据包与一个相配 的解码器对应起来。 表3 6a im 信息包具体格式 u p s 蛳酝k t o b i t s b y t e sb 矗圣h 融蝻，d e 州o n r 艄羽研d ll7 m e s 勰g en m b e r f & j ，b 懋e m e 盛囊s 缸e a c hn 槲玛) 毯 s e q u 髓c e n m b e r s 4 o r i c e - e m i t sf o re a c hn e wm a cp a e 虹t t r a n s m i t t e d 器蜘柳s t a r t s 戤0f o re a c h 孵 s e g m e m e d 辩n 盥妇 m a c _ c o n t r d _ f i e l d 4 4 3 1 2 8 u r , e d t o 谲咀峨t h e 瑚t 哦o f t h e m a c p a c k e t u f i 蛭a d d r e s s 2 4 2 7 4 j 均，髓啷瞄m a ca d & e s s j a 题f i f t e sd e e 波- 协姐瞰班t t l l 增p 磊c 鼬 p 删：i 泳 3 3 1 ，1 蛾藩l a 甜m a c p a c k e t m a p d u o ：o l h 卺r 耐能 a