（计算机软件与理论专业论文）数字电视视频信号处理器ip核研究.pdf

摘要 数字电视系统包括节目制作、信号发射、信号传输和用户接收4 个环节，目前在 我国前3 个环节都己实现了数字化，只有用户接收这一环节尚未实现。模拟电视机最 终将被数字电视机所取代是大势所趋。现行的通过机顶盒接收数字电视的模式，只 是为实现从模拟电视向数字电视过渡的产物，机顶盒的使用既增加了成本，又降低 了效率，还使得数字信号产生了一定的损失，随着数字电视的不断发展，这种模式 必将被能够直接接收数字电视信号的数字电视接收器所取代。 近十年来s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 集成复杂度增长快速，基于可重用 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 的设计正被大家逐渐采用。i p 技术已成为s o c 设计的主流方法。 本课题是国家高技术研究发展计划项目( 8 6 3 计划) “家庭网络核心s o c 平台 和整体解决方案”( 项目编号2 0 0 3 a a i z i l l 0 ) 的一个子课题。本课题首先研究了 我国现行的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 ，数字电视广播) 系统的模块划分和处 理流程，提出了一套基于s o c 的数字电视接收器( d 洒t a l t e l e v i s i o n r e c e i v e r ) 解决 方案；又对现行的基于i p 技术的s o c 的设计方法、流程和环境进行了研究和探讨； 然后采用软硬件协同设计的思想，在嵌入式系统中设计实现了基于f p g a 的数字电 视视频信号处理器i p 核，完成了r t l 代码的编写、功能验证、波形仿真、设计综 合，并最终在本课题开发板上完成结果调试，实现了没计功能和需求的一致；最后 根据“家庭网络核心s o c 平台和整体解决方案”的要求指标，结合数字电视视频信 号处理器i p 核的实际开发，对实验结果进行了分析。 论文结尾部分对本课题的工作进行了总结，分析了研究中存在的问题，并对今 后研究工作进行了展望。 关键字：d v b - c 数字电视视频信号片上系统知识产权核 a b s t r a c t d i g i t a lt vs y s t e mi n c l u d e sf o u rs t e p sw h i c ha r ep r o g r a mf a c t u r i n g ，s i g n a ls e n d i n g ， s i g n a lt r a n s m i t t i n g ，a n dp r o g r a mr e c e i v i n g n o wi nc h i n at h ef i r s tt h r e es t p e sh a v eb e e n r e a l i z e dd i g i t a l l y ，b u tu s e rr e c e i v i n g ，w h i c hi st h ef o u r t hs t e p ，h a sn o t a n a l o gt vw i l lb e s u b s t i t u t e db yd i g i t a lt v ，t h a t sa ni n e v i t a b l ed i r e c t i o n n o wd i g i t a lt vh a st or e c e i v e d i g i t a lp r o g r a mt h r o u 曲t h es e tt o pb o x ，b u tt h i sr e c e i v em o d ei sj u s tt h ei n t e r g r a d a t i o n b e t w e e na n a l o gt va n dd i g i t a lt v o nt h eo n eh a n d ，t h eu s i n go fs e tt o pb o xi n c r e a s e s t h ec o s t ，o nt h eo t h e rh a n d ，i td e c r e a s e st h ee f f i c i e n c y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a l t vt e c h n o l o g y ，t h i sm o d ew i l lb ec e r t a i n l ys u b s t i t u t e db yt h ei n t e g r a t i v ed i g i t a lt v w h i c hc a nr e c e i v ed i g i t a lp r o g r a md i r e c t l y t h ei n t e g r a t i o nc o m p l e x i t yo fs o c ( s y s t e mo nc h i p ) h a sb e e ng r o w i n gr a p i d l ys i n c e t e ny e a r sa g o ，a n dt h ed e s i g nm e t h o d o l o g yb a s e do nr e u s a b l ei p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) h a sb e e na c c e p t e d i pr e u s et e c h n o l o g yh a sb e e nt h em a i n s t r e a mo fs o c d e s i g n t h i sp r o j e c ti sas u b p r o j e c to ft h ep r o j e c t t h es o cp l a t f o r mo fh o m en e t w o r k i n g c e n t e r ，w h i c hi ss p o n s o r e db yt h e n a t i o n a l8 6 3p l a n ( n o 2 0 0 3 a a l z l l l 0 ) i nt h i s p r o j e c t ，f i r s t ，t h ec o m p a r t m e n t o fm o d u l ea n dp r o c e s sf l o wo fd v b s y s t e mu s e di nc h i n a i ss t u d i e d ，a n da nd i g i t a lt vr e c e i v e rp r o j e c tb a s e do ns o ci sp u tf o w a r d s e c o n d ，t h e d e s i g nm e t h o d o l o g y ，d e s i g nf l o wa n dd e s i g ne n v i r o n m e n to fs o cb a s e do ni pr e u s e t e c h n o l o g ya r es t u d i e d t h i r d ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ed i g i t a lt v v i d e os i g n a l p r o c e s s o ri pc o r eb a s e do ne m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mi sc o m p l e t e d ，a c c o r d i n gt ot h e c o d e s i g n i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h er e a l i z a t i o ni n c l u d e st h ec o m p i l l i n go fr t l c o d e ，t h es y n t h e s i so fd e s i g n ，t h ev e r i f i c a t i o no ff u n c t i o n ，a n dt h es i m u l a t i o no fw a v e f o r m o nt h ep r o j e c tp l a t f o r m f o u r t h ，a c c o r d i n gt ot h ea c t i v es t a n d a r da n dp r a c t i c a ld e m a n do f i pd e s i g n ，t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ti sp u tf o w a r d a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，a l lt h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp r o j e c ti ss u m m a r i a z e d ，s o m eo f t h ep r o b l e m su n s o l v e da r ea n a l y z e d ；a n dt h ef u r t h e rs t u d yp r o s p e c ti sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：d v b - cd i g i t a lt v v i d e os i g n a ls o ci p c o r e 第一章引言 第一章引言 集成电路制造工艺进入深亚微米时代后，单个：占片可以包含足够多的晶体来容 纳系统级的设计，片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 成为了现实i l j 。电子设备市场的 高速发展要求产品对市场具有快速的反应能力，由于设计能力的提高落后于工艺技 术的进步，缩短设计周期成为设计者关注的主要问题。i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的 功能组成的设计方法通过提高设计的重用层次，有效地支持了当前的设计需要，从 而成为s o c 设计的主流方法j 。 1 1 选题背景与研究意义 本课题是“家庭网络核心s o c 平台及其整体解决方案”( 国家8 6 3 课题，项目 编号2 0 0 3 a a i z l l l 0 ) 的予课题。主要对有线数字电视d v b c 传输系统、i p 核的 设计流程及开发规范进行了研究，并提出了一种基于a m b as o c 总线的数字电视 视频信号处理器i p 核的设计和实现方案。 1 1 1 家庭网络( h o m en e t w o r k i n g ) 家庭网络( h o m en e t w o r k i n g ) 是信息社会的基本单元。家庭网络技术是处理、 管理、传输以及存储信息实现家庭中多种计算、控制、监控和通信设备连接与集成 的要素集合。家庭网络技术由宽带访问网络、家庭网关设备、室内网络拓扑结构及 设备访问技术组成，最主要的功能是实现家庭内部和外部信息的交换。 1 1 2 数字电视( d i g i t a lt v ) 数字电视( d i g i t a lt v ) 是在电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路 实现数字化的电视广播系统，以达到高质量传送电视信号为目的，从而为用户带来 集高品质图像质量特色化服务内容于一一身的数字电视频道服务。不仅如此，数字电 视还具有丰富的信息业务广播功能，具有可交互性等。数字电视是未来家庭的数 字多媒体处理和显示终端，按照图像清晰度分类，数字电视包括数字高清晰度 电视( h d q v ) 、数字标准清晰度电视( s d t v ) 和数字普通清晰度电视( l d t v ) 三种。同模 拟电视比较，数字电视至少具有如下优点： ( 1 ) 信号的抗干扰能力增强，大大改善了用户接收的图像质量。 ( 2 ) 经压缩后的数字信号所需的带宽变小，频谱资源利用率提高。 ( 3 ) 数字信号所需的平均发射功率比模拟信号大约小一个数量级。 青岛大学硕士学位论文 1 1 3 数字电视接收器( d i g i t a lt vr e c e i v e r ) 数字电视接收器( d i g i t a l t v r e c e i v e r ) 是指能接收、解涧由高清晰度电视 信号调制的射频信号，解码、显示数字电视视频信号，并能解码、输出数 字电视声音信号的设备。相对于传统的机顶盒接收模式，它不仅能大大简化解码 程序，节省大量空间，还能减少处理模块，降低生产成本。 1 2 数字电视的发展情况研究 数字电视作为继黑白和彩色电视之后的第三代电视已经成为世界经济新的增长 点，许多发达国家纷纷进行研究并从本身利益出发提出了自己的标准体系，各个标 准纷争的焦点主要集中在传输系统上。我国现正奋力赶进，力争在数字电视行业中 占有一席之地。 1 2 1 日本数字电视广播的发展情况及趋势 日本是数字电视研究与开发起步最早的国家。早在1 9 8 5 年日本就建立了1 1 2 5 线、 每秒6 0 帧的m u s e s l 式。1 9 8 8 年率先在汉城奥运会进行大屏幕j 1 d t v 试播。1 9 8 9 年，n t l k 开始进行面向l l d l l v 的广播演示，到1 9 9 】年底，这种广播每天已定时播放8 4 , 时。s o n y 公司也于1 9 9 0 年底发行了第一盘h d t v 录像带。日本的m u s e $ , j 式打破了现有电视机的 生产模式，h d t v 广播与现有电视广播并行存在。 1 9 9 6 年6 月日本p e r f e c tt v 用c s 卫星开始卫星数字电视广播。2 0 0 0 年1 2 月，开始 用r s 卫星进行广播，共有7 套h d t v 节目，3 套标准清晰度电视( s d t v ) 节目和7 套数据广 播。计戈f 2 0 0 2 年4 月另一颗c s 卫星投入运营。1 9 9 8 年底c s 卫星用户为1 0 0 万：到1 9 9 9 年8 月达到16 0 万数字电视用户( 约占电视家庭的4 ) ，其中s k yp e r f e c tt v 用户为】3 0 万，d i r e c tt v 用户为3 0 6 万。至f 2 0 0 1 年1 2 月，s k yp e r f e c tt v 用户达至f j 2 9 5 万，b s d i gj t a l 用j o 达到1 0 0 万。根据b p a 在2 0 0 1 年6 月2 0 日的估计，n 2 0 0 3 年8 月2 7 日，卫星 d r r v 直接收看用户总数将达至f j 7 1 7 万，通过有线网观看的用户数为2 4 6 万，n 2 0 0 3 年1 2 月1 日用户总数已超过10 0 0 万。 日本的有线d t v 始于1 9 9 8 年7 月，至u 2 0 0 1 年3 月己拥有1 0 4 8 万用户，7 0 的c s 卫星 用户是通过有线收看卫星电视的。日本计封j n e 0 0 5 年有线电视全部采用光纤，n 2 0 1 0 年完成所有有线网的数字化改造。 日本的地面d t v 广播计划于2 0 0 3 在东京、大阪和横滨丌始，mp 1 1 计划最晚在2 0 0 6 年前完成全国覆盖，主要是h d t v 节目，计戈, j n 2 0 1 1 年关闭模拟电视。 2 第一章引言 1 2 2 欧洲数字电视广播的发展情况及趋势 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播( d v b ) 项目，并成立了d v b 联盟。 d v b 联盟是一个由3 0 多个国家的2 3 0 多个成员组成的国际机构。该机构的首要目标是 在全球范围内发展和推广共同的数字电视广播标准。d v b 联盟共同制定了数字电视的 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 标准。这是一套有关电视广播系统大家庭诸多要素 的统一标准，其中最引人瞩目的是d v b 数字卫星和有线电视传输系统的标准。这些标 准已作为世界统一的标准被包括中国在内的大多数国家接受。d v b 标准规定数字电视 系统使用统一的m p e g 一2 压缩方法和m p e g 一2 传输流及复用方法。 从1 9 9 6 年开始，欧洲数字电视市场无论从订户数量还是产值上都有相当高的增 长率。1 9 9 7 年底数字电视用户数只有2 0 0 万，只有4 4 的拥有电视的家庭能收看数字 电视。到1 9 9 9 年中，欧洲数字电视有了快速发展，其中英国和瑞典既有卫星和有线 数字电视、又有地面数字电视。在卫星数字电视方面，卫星电视广播的数字化己接 近1 0 0 ，几乎所有的欧洲卫星电视频道都是按d v b s 标准广播。有线数字化自1 9 9 7 年末以来取得重大进展，到1 9 9 9 年6 月近5 0 0 0 万有线终端升级为数字传输。 根据n t l 的估计，到2 0 0 4 年，英国卫星d t v 用户为7 0 0 万，有线d t v 用户为1 2 0 0 万， 地面d t v 用户为3 0 0 万。根据d t g 的估计，到2 0 0 2 年英国卫星d t v 用户为5 9 0 万，有线d t v 用户为1 7 0 万，地面d t v 用户为1 3 0 万。最近英国提出全面普及数字电视的时间表，最 早可能从2 0 0 6 年开始，计划在2 0 1 0 年停止模拟地面电视广播，这将取决于：首先数字 电视信号必须能够覆盖全国9 9 4 的人口，其次9 5 的家庭拥有数字电视机或机顶盒 等数字电视接收装置。 1 2 3 美国数字电视广播的发展情况及趋势 与欧洲和日本相比，美国对h d t v ( 高清晰度数字电视) 的研究起步较晚，但是由 于它在发展数字电视机方面占有优势，特别是1 9 9 3 年成立的数字l i d t v 大联盟( g a ) ， 使得它现在在h d t v 的发展中具有举足轻重的作用。1 9 9 4 年2 月，g a 推出了数字h d t v 大联衄制式，它不但吸取了本国各主要数字h d t v 制式的优点，而且从日本和欧洲的 研究中得到许多启示，因此标准高，方法灵活。1 9 9 6 年1 2 月，美国正式批准了由a t s c 委员会制定的主要用于地面广播数字电视的标准，称之为d t v 。1 9 9 7 年4 月，又颁布 实施了数字电视地面广播的时间表及电视频道分配方案。 1 9 9 4 年6 月底，d i r e c t f v 年h u s s b 两个卫星业务的开播，目前主要是d i r e c tt v 和 e c h os t a r 在播出。d i r e c tt v 主要是l l b o 和d r e a mw o r k sa n ds p o r t s ：e c h o s t a r 主要 是p p v 和d i s c o v e r y 的高清晰度数字电视。在市场稳定后的1 9 9 9 年6 月，有9 6 0 万家庭 收订卫星d t v 广播：到2 0 0 1 年1 2 月，d i f e e tt v 用户达到1 0 7 0 万，e c h os t a r 用户达6 0 7 1 青岛大学硕士学位论文 万，总计1 6 7 7 万( 占1 7 左右的家庭) 。 至u 2 0 0 1 年9 月数字有线电视用户达至u 1 3 7 0 万。与此相关，美国的宽带接入互联网 业务开展得很快，2 0 0 2 年1 月通过了c a b l em o d e md o c s i s2 o 标准。北美c a b l em o d e m 数量到2 0 0 1 年底达8 2 0 万个，估计n 2 0 0 5 年可达到1 7 6 0 万个。根据全国广播机构协会 ( n a b ) 的统计，到2 0 0 2 年2 月6 日，在美国8 4 个地面电视广播城市和地区，已有2 4 4 个 数字电视台正式播出，d t v 覆盖率已达7 5 。 按照时间表，在1 9 9 9 年5 月1 日以前，美国1 0 个最大城市，包括纽约、华盛顿、 芝加哥等的4 0 多家电视台将播放数字电视节目，覆盖面占美国电视观众的比例为 3 0 。在1 9 9 9 年的1 1 月1 日前，开播d t v 节目的电视台数量将达1 6 0 家，城市的数量将 达3 0 个，覆盖面占美国电视观众的比例为5 3 。到2 0 0 2 年，全美1 6 0 多家电视台全部 开播d t v 节目。在这期间，美国数字电视广播和模拟电视广播同时播放，直到2 0 0 6 年全美将停止模拟电视的广播。 1 2 4 中国数字电视广播的发展情况及趋势 中国在数字电视领域一丌始便与科技先进的发达国家保持同步。1 9 9 5 年中央电 视台开始利用数字电视系统播出加密频道，利用卫星向有线电视台传送4 套加密电视 节目。1 9 9 6 年开始通过卫星传输数字电视信号。卫星既能发送模拟信号也能发送数 字信号。目前，几乎所有省市的电视台都上了卫星，发送的都是数字信号。 1 9 9 8 年9 月，我国研制成功第一套数字高清晰度电视系统，成为继美国、欧洲和 日本之后世界上第四个拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统的国家。在9 月8 日 至1 2 日的5 天时间里，中央电视塔利用这套系统试发射了数字电视节目。 1 9 9 9 年国庆5 0 周年庆典上，我国在北京试播了高清晰度数字电视。这次试播所 使用的制式为d v b t 和a t s c 两种，并通过试播实地考察测量它们的性能指标，为最后 确定我国数字电视h d t v 制式提供第一手资料。 从数字电视的发展趋势来看，我国数字电视发展大致可分为三个阶段。 第一阶段，2 0 0 3 年以前： 这一阶段数字电视的有线广播国家标准尚未完成，数字电视的产业链还无法形 成，不可能进行大规模的数字电视产业化。 在这阶段，市场的热点在于电视台的设备更新与升级，这是数字电视产业化 的先行者。在s d t v ( 标准清晰度数字电视) 制作播出i 殳备大规模进入电视台的同时， h d t v ( 高清晰度数字电视) 制作播出设备也开始进入大型电视台。各地有线数字电视 第一章引言 广播处于试验阶段，同时许多企业试图进入有线电视运营业，力求抢占市场先机， 争取有线电视用户资源。科研机构和一些企业研制有自主知识产权的符合数字电视 标准要求的关键技术和关键元器件，这些核心技术将在未来拥有巨大的市场潜力。 第二阶段，2 0 0 3 2 0 0 5 年： 我国主要城市的有线数字电视产业化开始启动。主要城市中s d t v 开始大规模的 进入家庭，普通模拟电视也可以通过加装机顶盒来实现数字电视的功能。在一些发 达地区，人们开始逐渐接触h d t v 。由于电视台设备更新速度很快，这一阶段电视台 设备更新升级的需求依然很大，并且h d t v 的制作播出设备所占的比例逐渐增加。 有线数字电视在我国的大中城市开始商业化播出，一些发达地区开始播出h d t v 节目。数字电视完整的产业链逐渐形成，数字电视对节目的内容、信息服务等的需 求使增值业务有了很大的发展，在经过初期的资金推动和政府支持后，内容提供商、 服务提供商和网络运营商将在数字电视产业中发挥越来越重要的作用。s d t v 平u h d t v 开始逐渐进入家庭，拥有数字电视产业核心技术的企业开始显现其竞争优势。 ；酋蒋三阶段，2 0 0 5 2 0 0 8 年： 一 我国主要城市将逐步普及数字高清晰度电视的商业播出。城市中h d t v 成为电视 机产品消费的主流。这一阶段，在数字电视播出前端，h d t v 制作播出设备所占的比 重进一步增加，在一些主要城市，将成为设备更新的主流，这些地区h d t v 开始普遍 进入家庭。人们对电视的要求进一步提高，拥有数字电视产业核心技术的企业优势 突显，机遇掌握在那些拥有核心技术并不断创新的企业手中。 数字电视给广播电视带来了新的活力，在市场经济中又给广播电视开展增值业 务提供了较好的手段。数字电视不仅拉动制造业，促进信息化发展，而且为广播电 视的持续发展提供了极大的空间。 总之，数字电视在世界各国都在迅速发展，与之相关的技术研究正在紧锣密鼓 的进行。我们的课题研究正是为了适应这一需要，为数字电视在我国的普及和进一 步发展做出一些探索和研究。 1 3d v b 的主要目标及标准 d v b 计划主要的标准有三个：d v b s ，d v b c 和d v b t ，分别用于卫星、电缆电视和 地面广播，已得至u e t s ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，欧洲通讯标准) 的 批准。i ) v b s 的标准是e 1 $ 3 0 0 4 2 1 ，d v b c 的标准是e t s 3 0 0 4 2 9 ，d v b - t 的标准是 e t s 3 0 0 。“d v b s 已被i t u ( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ，国际电信联盟) 青岛大学硕士学位论文 推荐。d v b 计划的主要目标是要找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术和系 统对它的要求是： 1 系统应能灵活传送m p e g 一2 视频，音频和其他数据信号。 2 系统使用统一的m p e g 一2 传送比特流复用。 3 系统使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 4 系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。 5 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 6 选择适于不同传输媒体的调制方法和通道编码方法以及任何必须的附加纠错方 法。 7 鼓励欧洲以外地区使用d v b 标准，推动建立世界范围的数字视频广播标准。这一 目标得到了l 丁u 卫星广播的支持。 8 支持数字系统中的图文电视系统。 1 4d v b c 系统功能模块介绍 d v b c 传输系统用于通过有线电视( c a t v ) 系统传送多路数字电视节同，它可与 卫星电视系统相适配d v b c 传输系统基于前向纠错编码( f e c ) 技术矛d q a m 调制技术， 可保证传输业务的可靠性。随着技术的进步，d v b c 系统可进一步发展。d v b c 系统 设计的性能指标可保证在传输信道的误码率为1 的情况i = ，将误码率降低到 1 0 1 0 一1 0 1 1 的水平，即达到“准无失真”的水平。d v b c 传输系统的具有如下几点 主要特点：可与多种节日源相适配。d v b c 传输系统所传送的节目既可来源于从卫星 系统接收下来的节目，又可来源于本地电视节目，以及其它外来节目信号。既可用 于标准数字电视又可用于1 l d ，j v 。因为无论标准数字电视还是h d t v 经压缩编码和复用 后，都变成了二元比特流，只是比特率有所不同，对传输系统是没有区别的。凡符 合m p e g 一编码和复用标准的数字电视业务都可进入d v b c 传输系统，因为传输系统的 信道帧格式是与m p e g 一2 的t s 包格式相匹配的。允许用户传送不同电视业务结构的节 目，其中可包括多路不同的声音和数据业务，所有业务码流通过时分复用最终都在 一路数字载波上传输。 1 4 1d v bc 系统发送端 d v b c 系统的发送端，至少望具有以下模块： 第一章引言 1 基带物理接口与同步( b a s e b a n di n t e r f a c i n ga n ds y n c ) 泼单元将数据结构与信号源格式匹配。帧结构应与包括同步字节的m p e g 一2 传送 层一致。 2 s y n c l 变换和随机化( s y n c li n v e r s i o na n dr a n d o m i z a t i o n ) 该单元将依据m p e g 一2 帧结构转换s y n c l 字节，为了频谱成型，应对数据流进行随 机化。 3 r s 编码( r e e d s o l o m o nc o d e r ) 采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码，同步头参加编码，通过引入冗余信息，增大了码字间的 汉明距离，使之达至j j l 7 ，这样一个码字可以纠正8 个错误。r s 编码的采用使系统具有 一定的抗随机噪声的能力。 4 卷积交织 采用深度为1 = 1 2 的卷积交织，重新安排了数据之间的相对位置，使数据之间的 约束长度加长，通过解交织能使因突发噪声引起的错误分散开来。 5 字节到符号转换( b y t et om - t u p l ec o n v e r s i o n ) j 。完成字节至o q a m 符号的转换。 6 差分编码( 叫f e r e n t i a le n c o d i n g ) 为获旋转不变星座图，浚单元应对每符号两个最高有效位( m s b s ) 进行差分编码。 7 基带成型( b a s e b a n ds h a p i n g ) 该单元将经差分编码的mb l 特符号到i 和q 信号的映射，在q a m 调制前，对i 和q 信 号进行余弦滚降平方根滤波。 8 q a m 调制和物理接口( q a mm o d u l a t i o na n dp h y s i c a li n t e r f a c e ) 该单元完成q a m 调制。之后，它将q a m 己调信号连接到有线电视射频( r f ) 信道。 1 4 2d v b c 系统接收端 在用户接收端，系统执行相反的处理过程，即信道解码模块和信源解码模块。 射频信号经过调谐、q a m 解调、匹配滤波、差分解码、符号字节变换、r s 解码、去 随机化等信道解码过程恢复m p e g 2 传输流t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) ，再通过解复用、视 频解码和音频解码等信源解码过程生成数字视频、音频信号，最终经过d a ( 数模) 青岛大学硕士学位论文 转换将生成的模拟视频、音频信号送往数字电视进行处理。数字电视将通过机顶盒 接收到的模拟视频、音频信号首先进行a d ( 模数) 转换，再将生成的数字视频、音 频信号分别送往视频处理芯片和音频处理芯片进行处理播放。具体过程如图1 1 所 刁弋： i 一i 一一一1 d v b - c 机预盒 数字电视 图1 1 d v b 标准数字电视现行接收模式 如图1 1 所示，在机顶盒内部，数字电视信号经过解码后生成数字音频、视频 信号，经过相应的d a 转换后发往数字电视。而在数字电视内部，接收到的模拟信 号输入要首先经过a d 转换转化为相应格式的数字信号，才能被数字音频、视频处 理芯片进行处理。由于数字信号和模拟信号之间的转换是有损转换，会无可避免地 使信号产生损失，从而降低数字电视的显示效果；另一方面，芯片的增加也促使了 效率的降低和成本的增加。 1 5 研究内容 本课题的主要工作是设计并实现数字电视视频信号处理器i p 核，主要研究内 容和解决的问题如下： 1 、数字电视传输系统的功能模块和处理过程 着重分析了d v b c 系统的信号处理流程和结构特点。并根据我国现有的数字电 视传输系统特点，提出了一套数字电视接收器解决方案。 2 、基于i p 核技术的s o c 的设计方法、流程和环境 着重分析i p 核的形式和特点、设计流程、所涉及的设计方法以及封装标准。由 r 第一章引言 于i p 核的没计是为了设计的重用，因此它的设计方法、设计环境以及设计流程都 应当围绕可重用这一特点。 3 、数字电视视频信号处理器i p 核的设计和实现 以数字电视视频信号处理器i p 核为实例，在嵌入式系统中进行了基于a m b a 总线结果的i p 核的设计与实现。完成了i p 模块从前端到后端的全部设计过程，并 实现了设训功能和需求的一致，体现了i p 核的实现过程中软硬件协同设计的思想。 设计完成了r t l 代码的编写、设计综合、功能验证、波形仿真，以及最终在实验 开发平台上的结果调试。 4 、可重构技术的实现 可重构硬件的具体实施，是以f p g a 器件为基础。本课题中所实现的数字电视 视频信号处理器l p 核是基于f p g a 技术的，这样可以达到在不改变外围电路的情 况下，设计不同片内逻辑就能实现不同的电路功能。该i p 核便于修改易于实现， 可作为一个功能模块嵌入到s o c 中，具有可移植性。 5 、高层次设计方法的研究 对于目前i c 设计中的流行的高层次设计方法，即硬件描述语言及其设计方法 特别是i p 设计方法进行了研究和探讨，采用自顶向下( t o p d o w n ) 的i p 设计方法 完成了i p 核的设计与实现。 。 6 、嵌入式操作系统的研究 本课题所实现的i p 核可作为一个功能模块被嵌入式操作系统调用，所以开发 i p 核的过程中，对嵌入式o s 的性能、特点等内容也进行了研究。 1 6 论文结构 本论文首先从整体上叙述了相关部分工作的要点；然后对s o c 技术中的i p 复 用技术进行了系统研究，并以数字电视视频信号处理器i p 核设计为实例详细介绍 了设计方法及实现方案：虽后给出运行于8 6 3 课题平台上的实验结果。 沦文具体安排如下： 第一章，课题的研究背景及意义。首先介绍了“8 6 3 ”课题中的相关概念和整 体解决方案，然后对数字电视的发展情况进行了一定的研究，并对d v b c 系统的 工作模式、技术组成等内容进行了详细介绍。最后对本课题的主要研究内容做出概 述。 9 青岛大学硕士学位论文 第二章，s o c 设计中的i p 核技术研究。介绍了i p 核技术的基本概念和研究动 态，以方法学的角度，从l p 开发和集成两个方面入手，重点阐述了i p 的基本特征， i p 的设计流程及设计中的关键技术，l p 集成的关键技术等，并探讨了国内外i p 技 术发展的一些思路。 第三章，数字视频的颜色空间转换。对于数字视频中涉及的颜色空间进行了详 细介绍，介绍了视频信号颜色空间转换的工作原理，并对关键的颜色空间转换的算 法进行了初步研究。 第四章，数字电视视频信号处理器i p 核的设计与实现。本章从i p 核模块划分 开始到最终实现，详细介绍了i p 核的设计流程，并给出了实现方案，重点突出了 i p 核技术的软硬件协同设计的思想。针对数字电视视频信号处理器i p 核在8 6 3 课 题“家庭网络核心s o c 平台及其整体解决方案”中的应用，给出了实验结果并对结 果进行了分析。 第五章，研究总结与评价。对本课题的工作进行了总结，分析了研究中存在的 问题，最后对今后研究工作进行了展望。 第二章s o c 设计中的i p 核技术研究 第二章s o c 设计中的l p 核技术研究 系统芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 已经成为i c 业界的焦点。随着芯片性能越来 越强，规模越来越大，开发周期也变得越来越长，设计质量越来越难于控制，芯片 设计成本越来越趋于高昂。i p 复用技术能够有效地解决上述问题，因此成为s o c 设 计的主流方法。 2 1s o c 相关概念 近十年来片上系统( s o c ) 集成复杂度增长快速，基于可重用知识产权( i p ) 的设计 正被大家逐渐采用。同时关于嵌入式系统和嵌入式技术的学术会议会议、学术论坛 和半导体厂商的展销活动也在逐年增多。微软、i n t e l 、t i 、i b m 、s u n 等信息产业 的知名厂商都针对新兴的嵌入式系统市场投入巨资进行研究与开发，推动着嵌入式 应用水平的不断提高和应用范围的不断拓展。 2 1 1 嵌入式系统平台 嵌入式系统平台包含软件与硬件系统，其目的是最大限度地进行资源的复用。 由于资源的不同，嵌入式系统平台的组成与结构、复杂程度等亦不相同。最简单的 嵌入式系统平台包括c p u 、内存及串口，如单片机开发装置。最理想的嵌入式系统 平台其软件以外的硬件系统都是以i p 的形式存在，电子产品( 目标嵌入式系统) 的 设计过程就是l p 的开发与组合、测试与验证、流片及大规模生产。 国内外现行的嵌入式系统平台大都介于最简单与最理想的平台之间。 国外在嵌入式系统平台技术的竞争中，t i 公司的o m a p 、飞利浦公司的n e x p e r i a 及x i l i n x 公司的v e r t e x 己显现了其优势。其中n e x p e r i a 面向消费类电子与移动通讯， o m a p 主要面向无线通讯。国外的嵌入式系统平台的共同问题是价格昂贵，且核心 技术和若干标准都受限于国外的开发商。 国内嵌入式系统平台以单片机居多，大部分是支持某一个c p u 的开发装置，功 能单一，通用性不强，缺乏相关的核心技术，如通用性较好的i p 。国内大多数嵌入 式系统平台c p u 是固定的，以销售厂家的j 墨片为主要目的，并不能够满足产品开发 商的快速上市、低成本及高可靠性的需求。 2 1 2s o c ( s y s t e mo nc h i p ) s o c ( s y s t e mo i lc h i p ，系统级芯片) ，也称为片上系统，可定义为具备完整 系统构架与功能的芯片，其架构包含可执行控制、运算或信号处理功能的处理器、 1 l 青岛大学硕士学位论文 内存、周边电路及系统i p 特定逻辑电路。 s o c 使用i p 的目的是增加复用，但模块的复用并不能满足市场的压力，越来越 多的设计者转向使用基于平台的s o c 设计方法。可重构技术将主要应用于实现设计 更改、缩短开发时问以及在产品付运时实现定制等。s o c 开发平台分为很少进行变 动的最小基本平台部分和为了完成系列产品而增加模块的变动部分。模块之间使用 总线进行互连，总线根据功能的不同又可以分为多种总线。 s o c 开发平台又分为软件及硬件部分。软件部分又可以分为实时操作系统及应 用软件，每种硬件的再配置都会影响到软件。在软件与硬件分别设计时，一致性问 题是一个难度较大的问题。s o c 开发平台用于s o c 产品的极快速设计与集成，应用 领域根据市场目标来选择，重点是可在目标时间内进行大量复用。 s o c 具有降低耗电量、减少体积、增加系统可靠性、提高速度、节省成本等优 点。利用s o c 实现的家庭网络平台分为硬件及软件两大部分，硬件部分包括嵌入式 微处理器，数据存储器、多种网络接口( 无线、有线、电源线等) 、非挥发存储器、 数模、模数转换接口及其它类型的外设接口和驱动器；软件部分分为嵌入式操作系 统、通讯协议和浏览器。 s o c 主要有三个关键的支持技术：1 ) 软、硬件的协同设计技术。面向不同系统 的软件和硬件的功能划分理论( f u n c t i o n a lp a r t i t i o nt h e o r y ) 。硬件和软件更加紧密 结合不仅是s o c 的重要特点，也是2 1 世纪i t 业发展的一大趋势。2 ) i p 模块库问 题。通过i p 模块的重用可以很大地降低芯片的开发周期和成本。3 ) 模块界面间的 综合分析技术。这主要包括i p 模块间的胶联逻辑技术( g l u el o g i ct e c h n o l o g i e s ， g l t ) 和模块综合分析及其实现技术等。 可重构的实现方法多种多样，采用s o c 可重构的方法是指，利用先进的处理器 和可编程芯片内核把尽量多的功能转移到软件中，然后只在最能发挥可重构性优点 的局部模块采用可重构配置。这种方法可使s o c 设计工程师把可配置逻辑结构简单 地当成所用工具包中的又一个硬i p 模块来使用。由此可见，采用s o c 可重构的方法 是改变部分硬件的功能。可重构技术的实现必须使用软件的再配置功能配合工作。 2 1 3i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 【1 】【2 僦是常说的知识产权，由美国d a t a q u e s t 咨询公司 最早提出。半导体产业的i p 定义为用于a s i c 、a s s p 、p l d 等当中，并且是预先设 计好的电路功能模块。芯片业中的i p ，也称之为s i p ，即知识产权模块，它是构成 s o c 设计的基础，也是设计业进行设计重用和资源共享的有效手段。 第二章s o c 设计中的i p 核技术研究 i p 的作用是把一组拥有知识产权的电路设计集合在一起，构成： ! ! j = 片的基本单位， 以供芯片设计时重用。i p 模块已成为复杂芯片系统的基础，它由相应专家完成，通 过授权技术转移被利用到芯片系统中。 i p 内核模块有行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l , ) 3 级不同 程度的设计，对应有主要描述功能行为的“软i p 内核( s o f ti pc o r e ) ”、完成结构描 述的“固i p 内核f f j r mi pc o r e ) ”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬i p 内核( h a r d i pc o r e ) ”3 个层次。这相当于集成电路( 器件或部件) 的毛坯、半成品和成品的设 计技术。 软i p 内核通常是用某种h d l 文本提交用户，它已经过行为级设计优化和功能 验证，但其中不含有任何具体的物理信息，具有最大的灵活性，实现可再配置。硬 i p 内核是基于某种半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并已 经过工艺验证，具有可保证的性能。随着设计深度的提高，后续工序所需要做的事 情就越少，但重用的灵活性也就越低。固i p 内核的设计深度则是介于软i p 内核和 硬i p 内核之间，除了完成硬i p 内核所有的设计外，还完成了门电路级综合和时序 仿