（信号与信息处理专业论文）基于usb20的便携式数字电视码流传输设备研制.pdf

摘要 数字电视的快速发展既得益于技术的进步；也提出了更多的技术问题。在开 发数字电视产品、监测和维修数字电视设备时，均需提供数字电视传送流发送或 截取设备，而在某些现场测试环境下，便携式设备更便于应用。 u s b2 0 技术以其简便、低成本和低功耗等优点，得到了广泛的应用。其高 速模式下4 8 0 m b p s 的传输速度，也完全适应视音频设备的要求。 本文在课题组原有工作基础上，开发了一款基于u s b2 0 的便携式数字电视 码流传输设备，设计并实现了通过a s i 接口发送截取和d v b c 射频接口截取数 字电视传送流的功能。 论文首先研究了u s b2 0 接口规范、a s i 传输接口技术和d v b c 射频接口 技术。为实现几种接口间信号的发送截取和转换，设计了系统结构，划分了功 能模块。在充分考虑便携式的前提下，软硬件相结合实现了各模块，研制成以 f x 2 l p 为核心的系统样机。 结合硬件设计和制作，编制相应软件是研发工作的重点。主要软件模块包括 f x 2 l p 的固件程序、u s b 驱动程序和主机应用程序。论文对设备固件下载、枚 举、传输和控制等相应功能的软件实现进行了较为全面的介绍。此外，文中也阐 述了用硬件描述语言编程实现的c p l d 控制功能。 因系统基于软硬件协调工作，故开发过程也是一个调试、修改和认知的过程， 有序的实验有助于提高开发效率。为此本文按不同工作模式，搭建了多种实验平 台，依数据流的方向，对各模块进行认真测试。 设备通过系统联调，已实现三种传输功能，速度达到数字电视的需要，工作 稳定，较好地完成了研发工作。 关键词：数字电视传送流u s b2 0f x 2 l p 固件程序驱动程序 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o nn o to n l yc o m e sw i t ht h er a p i dp r o g r e s s n l a d eb yt e c h n o l o g y , b u ta l s ob r i n g sf o r w a r ds o m et e c h n i c a lp r o b l e m s w h e n e x p l o i t i n gd i g i t a lt vp r o d u c t s ，s u p e r v i s i n go rr e p a i r i n gt h ed i g i t a lt vs y s t e m ，a d e v i c et h a tc a l lt r a n s m i to rc a p t u r ed i g i t a lt vt r a n s p o r ts t r e a m ( t s ) w i l lb eu s e f u l e s p e c i a l l yi ns o m ef i e l d w o r k , ap o r t a b l ed e v i c ew i l lb ea b e t t e rc h o i c e u s b2 0t e c h n o l o g yh a sg o taw i d e l yu s eb e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n c e ，l o w c o s t a n dl o w - p o w e r n e4 8 0 m b p ss i g n a l i n gr a t ea th i g h - s p e e dm o d ec a nf u l f i l lm o s t v i d e oa n da u d i oa p p l i c a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e s i g n e dap o r t a b l ed e v i c et h a tc a l lt r a n s p o r tt s ，i n c l u d i n g t r a n s m i t t i n gt st h r o u g ha s io u t p u ti n t e r f a c e ，c a p t u r i n gt st h r o u g ha s ii n p u t i n t e r f a c ea n dc a p t u r i n gt st h r o u g hd v b cr fi n t e r f a c e t h ee s s e n t i a lw o r ko ft h ed e s i g nw a st h ee x c h a n g eo fu s b2 0 a s ia n dd v b c r fi n t e r f a c e ，s o 也e yw e r ei l l u m i n a t e da tt h eb e g i n n i n g t h e nd e s i g n e dt h es y s t e mo f t h ed e v i c ea n dd e v e l o p e dt h eh a r d w a r eu n d e raf u l l yt h o u g h to f p o r t a b l eu s e s o f t w a r ed e s i g n i n gw a st h ee m p h a s i so ft h ew h o l ew o r k t h ed e v e l o p i n gp r o c e s s o ft h ef x 2 l pf i r m w a r e ，t h eu s bd r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o nw e r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d i nt h i sp a p e r , a n da l s of o r t h ec p l dd e s i g n e db yt h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 1 1 1 et e s t i n gp r o c e s sw e n tw i t ht h ed e v e l o p i n gp r o c e s sa n dab e t t e rt e s t i n gp r o c e s s w o u l dd oab e t t e rj o b a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf u n c t i o n s ，v a r yt e s t i n ge n v i r o n m e n t s w e r ef o u n df o ras t r i c tt e s t f i n a l l y , t h ed e v i c ea c h i e v e dt h et r a n s p o r tf u n c t i o n sa n dr e a l i z e dt h ed e s i g n i n g w o r k k e y w o r d s ：t r a n s p o r ts t r e a m ( t s ) u s b2 0 f x 2 l pf i r m w a r ed r i v e r 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁鲞本堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名： 马亳硝 签字同期： a p 。7 年月j 上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权 兑明) 学位论文作者签名：马掰 签字r 期：j 口- 7 年石月恤同 导师虢多 彳缮 签字f 1 期： ，7 年月夕日 |， 第一章前言 1 1 课题背景 1 1 1 数字电视的发展 第一章前言 从上世纪九十年代开始，数字电视( d t v ) 以其清晰的图像效果、良好的声音 质量、高效的频道利用率、海量化的信息、宽阔的业务范围和人性化的服务，显 示出了模拟电视无法比拟的优越性。随着各国政府的大力推广，数字电视在世界 范围内掀起了一场信息产业的革命，在短短十几年间得到了广泛的应用。特别是 在高清晰度电视( h d t 研制成功以后，画面、声音的质量更高，配以高清晰显 示器，收看电视节目更加有临场感，得到了市场的认可和消费者的欢迎【1 】。 美国是数字电视发展最快的国家，从上世纪八十年代开始起步，历经二十年 完成了市场推广，从本世纪开始进入数字电视的普及阶段，进展迅速。2 0 0 7 年7 月1 日后，美国市场所有1 3 英寸以上的电视机必须内置d t v 解码器，预计2 0 0 9 年2 月1 7 日停止播出模拟电视信号 2 1 。 欧洲发展数字电视也开始得较早。1 9 9 7 - 1 9 9 8 年间，由欧洲电信标准学会 ( e s t i ) 先后制定了地面( d v b t ) 、有线( d v b c ) 和卫星( d v b s ) 数字电 视广播标准，并逐步普及。近年来随着通信技术的发展，e s t i 又提出了手持数 字视频广播( d v b h ) ，以及第二代卫星数字视频广播标准d v b s 2 等。欧洲各 国计划将在2 0 1 0 年关闭模拟电视。 日本则根据其国情制定了综合业务数字广播( i s d b ) 标准，除提供传统的数 字电视广播外，还能提供诸如互联网浏览等交互业务。 我国数字电视的发展也十分迅速，不同信道的传输标准都已确立。其中，卫 星传输采用d v b s 标准，有线传输采用d v b c 标准，地面数字电视标准于2 0 0 6 年8 颁布，采用我国自主研发的传输标准数字电视地面广播传输系统帧结构、 信道编码和调制( g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) ) ) ，并将在2 0 0 7 年8 月1 日开始实施【3 1 。标准 的确立加快了系统更新换代，促进了发展进程，预计模拟电视信号的卫星传送将 在2 0 0 7 年停止，有线数字电视已有逾千万用户的市场，“村村通”工程正大力度 实施，地面数字电视广播业已起步。与此同时，我国政府已经明确表示在“十 一五 期间将全面推进广播电视的数字化，加快广播电视的升级换代【4 】。 第一章前言 1 1 2u s b 技术的发展 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义为“通用串行总线”，是 一种用来连接外围设备与个人计算机( p c ) 的技术规范。1 9 9 4 年，c o m p a q ， h e w l e t t - p a c k a r d ，i n t e l ，l u c e n t ，m i c r o s o r ，n e c 以及p h i l i p s 七家世界著名的计 算机和通信公司成立了u s b 论坛，并于1 9 9 6 年1 月发表了u s b 的第一个版本 u s b1 0 t s j 。但由于u s b1 0 本身尚不完善，w i n d o w s9 5 等操作系统对其兼容性 也不好，限制了它的应用。1 9 9 8 年，w i n d o w s9 8 与u s b1 1 相继发布，其本身 性能的改善以及新操作系统的良好支持使得u s b 外围设备大量出现，u s b 接口 逐步成为了最受欢迎的接口。2 0 0 0 年4 月u s b2 0 发布，不仅实现了版本的一 次跃进，还加入了高速传输模式，满足了越来越多消费电子产品对接口的需求。 从此以后，u s b 技术标准得到了前所未有的应用，成为了连接p c 的首选接口方 式。现在，支持点对点通信的u s bo t g 和支持无线传输的u s bw i r e l e s s 也在逐 步推广中，以满足各方面的需求 6 1 。 u s b 技术得到大规模应用主要是因为有下列优点： l 、使用简单便捷 所有的u s b 外设利用通用的连接器都可以简单方便地连入p c 中，安装过程 高度自动化，既不必打开机箱插入插卡，也不必考虑资源分配，更不用关掉计算 机电源，即可实现热插拔。 2 、传输速度快 u s b 2 0 在高速( h i g hs p e e d ) 传输模式下，速度可以达到4 8 0 m b p s ，更好地 满足了需要大量数据交换外设的要求。 3 、低产本和低功耗 u s b 接口的组件和电缆简单且成本低廉，接口本身还能向外设提供+ 5 v 的电 源，从而节省了外接电源。同时，u s b 外设处于未使用状态时，节电线路和程 序代码会在保持响应能力的前提下，自动降低耗电量。 4 、支持多设备连接 u s b 物理拓扑利用星状排列的形式对端口加以扩展，避免了p c 机上插槽数 量对扩充外设的限制，理论上最多可以连接1 2 7 个设备。 现在，p c 外设都在向小型化、便携化、低功耗等方向发展，u s b 技术是一 种开发此类产品的良好选择。 2 第一章前言 1 1 3 课题的提出 目前按不同标准构筑的数字电视系统中，视频编码和数据流复用都基于 m p e g 2 标准。m p e g 2 标准是国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 设立的运动图像专家组( m p e g ) 制定的活动图像及其伴音通用编码标准【| 7 1 。在 研究数字电视制式、开发数字电视前端及终端产品、监测数字电视系统运行、维 修数字电视设备时，均需提供数字电视传送流( t s ) 的传输设备，而在某些现 场测试的环境下，便携化的应用更符合工程人员的需求。另一方面，u s b2 0 的 技术特点完全能够满足此类设备对速度、功耗和体积等的要求，是一种良好的实 现方式。根据这些原因提出本课题，开发一款基于u s b2 0 的便携式传输设备， 既可作为数据源平台把存储在p c 中的t s 流文件发送出去，又可截取广播网中 或电缆中传输的t s 流，并保存到p c 中来分析、重放和备用。 1 1 4 国内外的发展情况 国内外厂商已经推出一些t s 流传输设备。其中，一类是基于p c i o b 设部件 互连标准接口) 的码流发送截取p c 插卡，输入、输出口为s p i ( 同步并行接口) 或a s i ( 异步串行接口) 。这种解决方案稳定性好却不易携带，更多的是在机房 内或离线情况下应用。另外一类则采用u s b2 0 技术，与本方案类似。例如，荷 兰d e k t e c 公司推出的一系列u s b 适配器，可以通过a s i 接口发送或截取t s ： 北京蓝拓扑、森和世纪等公司也有相似的产品。但是，这些产品要么成本过高， 要么功能单一，或者体积过大不够便携。本课题组在码流编解码、输出、截取、 编辑和分析等方面都有较好基础，并仍在继续深入开展研究工作。本课题旨在搭 建硬件平台，编制相应软件，将这些成果集成，发展出有特色的系列成果，满足 不同应用。 1 2 主要研究内容和论文组成 本论文研制了一款基于u s b2 0 的便携式数字电视t s 传输设备，重点研究 了u s b 总线技术、a s i 接口技术以及d v b c 射频输入接口技术，解决了u s b2 0 接口与其它接口相互转换的问题，在充分考虑小型化、低功率以达到便携式应用 的前提下，设计完成了设备的硬件部分和软件部分，并最终通过系统联调，实现 了全部的功能。主要完成的工作包括，系统的设计与硬件电路的实现，u s b2 0 接口芯片固件程序的编写，c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 对外围电路的控制， 驱动和应用软件的编写等。 第一章前言 论文中，对d t v 领域应用较广的几种主要接口给予了阐述，介绍了系统设 计和选择工作模式的考虑，对选用芯片及设计的功能电路做了分析，对驱动程序 和应用软件的编写也有较为详细的说明。本文还总结了研发中遇到的问题及采用 的解决方法，也阐述了所做验证实验的方法和取得的结果。本文作为这些软硬件 研发工作的总结，对进一步开拓u s b2 0 协议在d t v 领域的应用，具有一定的 借鉴意义。 各章安排如下： 第一章结合课题背景和当前国内外现状，阐述了本论文的课题提出和主要研 究内容。 第二章对论文中涉及到的接口技术做了介绍，特别是u s b2 0 接口技术是本 论文的重点。 第三章主要介绍设备的系统结构和工作模式，并对每一个模块的硬件实现进 行了详细的说明。 第四章主要介绍设备软件系统的设计与实现，包括固件程序、设备驱动程序 和应用程序的设计过程和部分代码说明。 第五章根据设备的不同工作模式，分别介绍了各功能块的调试、系统联调和 测试工作及结果。 第六章全面总结了软硬件研发工作，对今后工作提出了建议。 4 第二章u s b2 0 及其它接口技术 第二章u s b2 0 及其它接口技术 本文所研制设备的重要功能是实现数字电视信号多种接口问的转换，其中包 括计算机通用串行总线u s b2 0 接口，用于基带t s 流传输的a s i 输入输出接口 和符合d v b c 标准的射频( r f ) 信号输入接口。本章结合系统的需求，讲述这 几种接口的技术特点及其相关协议。 2 1u s b2 0 技术 2 1 iu s b 系统描述 u s b 系统一般定义为3 个组成部分：u s b 互连、u s b 设备和u s b 主机。 u s b 设备与u s b 主机通过u s b 电缆连接，其物理拓扑是具有层次性的星状 排列结构，如图2 1 所示。在每一个星状排列的中心是一个集线器，星的端部则 是一个连接的设备。此设备可能是一个外围设备，或是另一个集线器。若干个集 线器串联起来，就构成了自上而下的层级。 图2 1u s b 的拓扑结构 7 第二章u s b2 0 及其它接口技术 在任何一个u s b 系统中，只有一个主机。u s b 与主机系统的接口称作主机 控制器，是一个硬件、固件和软件的综合实现。根集线器则由主机系统整合，用 以提供更多的连接点。 u s b 设备可以分为网络集线器和功能器件两类。为满足u s b 设备正常工作 的需要，其u s b 标准接口应当符合u s b 协议，可响应标准u s b 操作并携带标 准的描述信息【8 】。 2 1 2u s b2 0 的速度 在u s b1 1 规范下，u s b 适用于一些低、中速设备，总线支持两种速度：一 种是全速( f u l l s p e e d ) 模式下的1 2 m b p s ；另一种是低速( l o w s p e e d ) 模式下 的1 5 m b p s 。这里所说的1 2 m b p s 和1 5 m b p s 是指总线在传输数据时采用的时钟 频率，并不是有效的数据传输速率。实际上，1 5 m b p s 的低速设备，有效传输速 率要比理论极限低很多。u s b2 0 在协议上兼容u s b1 1 ，并增加了对高速 ( h i g h s p e e d ) 模式的支持，理论速率为4 8 0 m b p s 。 在u s b2 0 规范下，三种传输速率和应用范围如下： 低速( 1 5 m b p s ) ：应用于鼠标、键盘、游戏手柄等外围设备； 全速( 1 2 m b p s ) ：应用于扬声器、扫描仪、麦克风等； 高速( 4 8 0 m b p s ) ：应用于硬盘驱动器、光盘驱动器、数码相机、宽带设 各等。 2 1 3u s b2 0 数据流 l 、端点和管道 u s b 系统中，主机是唯一的主控者，设备则等待主机的请求而加以响应。所 有的传输都是传送到设备端点( d e v i c ee n d p o i n t ) ，或是从设备端点发出。端点 通常是一个数据存储器区块，或是控制器芯片中的寄存器。端点所存储的数据可 能是收到的数据，也可能是等待发送的数据。每个端点所需的唯一地址由端点编 号和方向组成，编号范围可以是0 - - 1 5 ，方向则基于主机命名：i n 表示朝向主机， o u t 表示远离主机。端点0 ( e n d p o i n to ) 是一个特殊的端点，它被配置为控制 端点，支持双向传输数据。 在一个传输发生之前，主机与设备之间必须先建立一个管道( p i p e ) ，它并不 是一个实际的对象，而只是设备的端点与主机控制器软件间的关联。主机在系统 刚刚启动或设备刚刚连接后，在设备请求配置信息时建立管道。配置信息包含针 对设备想要使用的每个端点的描述符，包括地址、传输类型、数据包最大长度以 6 第二章u s b2 0 及其它接口技术 及所希望的传输间隔。主机只在确定总线拥有足够的空闲带宽以满足请求时，才 会接受并配置。每个设备都拥有一个使用端点0 的默认控制管道，以实现随时随 地的控制。当设备从总线上移除后，主机就撤销这个不再使用的管道。 2 、传输数据格式 u s b 数据交换中，包含了特殊程序代码所定义的数据包，称为p i d ( 包标识 符) ，即用p i d 来表示何种信息包正在传送信息。表2 1 列出了所有p i d 类型及 对应名称。 表2 1u s b 包标识符 p i d 类型p i d 名称 令牌 数据 握手 特殊 i n ，o u t ，s o f ，s e t u p d a i ：a o ，d a i a 1 ，d 月，2 ，朋h z 蕾 a c k ，n a k ，s i = a l l ，l 百r p r e ，e r r ，s p l l t ，p i n g 表中斜体所示为u s b2 0 相关包标识符 对于令牌信息包来说，除p i d 以外，还必须包含接收设备( a d d r ) 及其端 点( e n d p ) 的信息。图2 2 所示为u s b 传输过程示意图。信息包为o u t 令 牌，用来指示o u tp i d 。o u t 令牌表示数据从主机传送到总线。信息包包含 了数据，用来指示d a t a lp i d 。信息包为握手包，设备送出a c kp i d 给主机， 以表示正确无误地接收到主机所传送的数据。第二个数据交换是由另一个o u t 令牌开始的，而后再跟随更多的数据。最后再一次以握手包结束传输。 图2 2u s b 传输 当工作在全速模式时，不管设备是否准备好接收，每一个o u t 传输都会发 送o u t 数据。在工作在高速方式时，通过采用新的p i n gp i d 来补偿u s b 带宽 的微小闲置。主机先向o u t 端点发送p i n g 令牌，询问设备是否有空间接收o u t 数据，只有当p i n g 令牌得到了a c k 的回答，主机才会发送o u t 令牌和数据。 7 第二章u s b2 0 及其它接口技术 在主机和设备两端，都会维护一个数据交替位( d a t at o g g l eb i t ) ，用于在每 个包传输时加以交替校验。数据交替位包含在输入与输出事务数据信息包的p i d 字段中，其4 比特字段的最高位表示数据交替状态。当传输数据时，主机和外围 设备交替发送d a t a 0p i d 和d a t a lp i d ，通过内部t o g g l e 位的状态与d a t ap i d 相比较的方式，同步发送端与接收端，从而保证没有数据遗失。 3 、u s b2 0 帧与微帧 对于所有u s b 设备，u s b 主机通过每l m s 传输一个s o f ( 帧起始) 包作为 时间基准。s o f 包包含对每一帧进行累加计数的l l 位计数值。在高速模式下， 每l m s 又被分为8 个1 2 5 p s “微帧( m i c r o f r a m e ) ，这8 个微帧的帧编号是一致 的，但是多了一个o 7 之间的微帧编号。 2 1 4u s b2 0 传输类型 u s b 定义了4 种传输类型，它们符合总线上不同数据类型的需求。 1 、批量传输( b u mt r a n s f e r ) 批量传输是一种突发性的传输模式。在全速方式下以8 、1 6 、3 2 、6 4 字节信 息包传输；高速模式下以5 1 2 字节信息包传输。由于其具有错误数据自动重传机 制，批量传输能够确保传输的正确性。在一个闲置的总线上，批量传输是最快的 传输类型。本课题选用的正是这种传输方式。批量传输示意图如图2 3 所示。 图2 3 两种批量传输形式：i n ( 左) 和o u t ( 右) 2 、中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 图2 4 中断传输 中断传输类似于批量传输，一般使用于必须在指定时间内传输完的数据。中 断传输的信息包大小在全速方式时为1 6 4 字节，而高速方式时可达到1 0 2 4 字 第二章u s b2 0 及其它接口技术 节。中断端点必须设置轮询间隔，以保证主机做有规则的询问。因此中断传输仍 然是一种p c 轮询的传输方式，只是由于可以保证主机以最小的耽搁发送或传输 数据，看起来有点像“中断”。中断传输示意图如图2 4 所示。 3 、同步传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 同步传输适用于必须以固定速率传输、可以容忍偶尔错误的数据流中。一个 同步信息包，在全速方式时可达到1 0 2 3 字节，而在高速方式时可达到1 0 2 4 字节。 对于同步传输，传输的时间是最重要的请求信息。在每一个u s b 帧中，会声明 某些带宽给同步传输使用。为了减轻带宽分配的负担，同步传输没有设置任何的 握手包，也不会在发生错误时重传。本课题正是因为这个原因而没有采用同步传 输的方式。同步传输示意图如图2 5 所示。 图2 5 同步传输 4 、控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 图2 6 控制传输 s e t u p s t a g e 刀洱7 z s t a g e ( o p t i o n a l ) s t a t u s s t a g e 控制传输用于配置设备和向设备发送命令。u s b 传输体系把控制传输的优先 9 第二章u s b2 0 及其它接口技术 级设为最高，使用了多重错误校验机制来保证传输的准确性、实时性。主机在每 一帧中都为控制传输留有一定的带宽。控制传输示意图如图2 6 所示。 2 2a s i 接口技术 2 2 1a s i 传输系统 a s i 是a s y n c h r o n o u ss c r i a li n t e r f a c e ( 异步串行接口) 的缩写，是数字电视系 统传送基带t s 流最常用的接口规范。它只需要一根同轴电缆线即可传输，具有 连线简单，传输距离远的优点。 a s i 传输流支持不同的数据速率，可以发送和接收不同码率的数字电视码流， 但传输必须速率恒定，为2 7 0 m b p s 。a s i 传输系统为分层结构，第2 层使用m p e g 2 标准系统层部分( i s o i e c1 3 8 1 8 1 ) ，第0 层和第1 层是基于i s 伽e cc d1 4 1 6 5 1 的f c ( f i b r ec h a n n e l ，纤维信道) 。f c 支持多种物理传输媒介，本设备选用同 轴电缆传输。图2 7 是基于同轴电缆的a s i 传输系统框图。 茎2 l茎l茎l 刨夏豇匾卜匿副寻 的匿噩m 匿h 銎傩一筲h 鬻h 鬻h 揣h 鬻h 一卜 2 2 2a s i 传输流程 对于发送端，进行并串转换之前，首先需要将包同步的t s 流8 b i t 码字转换 成1 0 b i t 码字。当要求输入一个新字节，而数据源还没有准备好时，应插入一个 k 2 8 5 的同步字，以达到a s i 的固定2 7 0 m b p s 传输速率。所形成的串行比特流将 通过缓冲驱动电路和耦合网络，发送到同轴电缆连接器上。 在接收端，首先要经过连接器和耦合网络，耦合到恢复时钟和数据的电路上， 然后进行串并转换。为了恢复字节同步，a s i 解码器必须先搜寻到k 2 8 5 同步字， 一旦搜索到该同步字，即为随后接收的数据标定了边界，从而建立了解码器输出 字节的正确字节排列。最后进行1 0 8 b i t 交换，恢复出包同步的t s 码流数据。由 1 0 第二章u s b2 0 及其它接口技术 于k 2 8 5 同步字并不是有效数据，解码时必须删除。 2 3 射频输入接口 为在信道上传送数字电视码流，必须先经过调制，才能用射频信号进行广播。 数字电视广播一般有三种系统：卫星、有线和地面。不同系统信道的特点不同， 采用的传输标准和调制方式也是不同的。本设备支持有线数字电视的接入方式， 射频输入接口符合d v b c 标准。 d v b c 是我国有线数字电视广播所采用的标准，规定了从基带数字电视信号 到有线数字电视信道( c a l v ) 之问的适配方法。有线电视广播采用同轴电缆或 光缆传输信号，因此传输环境相对比较可靠。d v b c 系统在前端和终端的综合 解码器( i r d ) 中，分别采用r s 码( 里德索罗门码) 编解码进行前向纠错，并 采用交织去交织来抗突发误码，调制方式采用多电平正交幅度调制( q a m ) f 9 】。 一个典型的d v b c 接收前端，即射频输入接口，应该包括一个调谐器( t u n e r ) 和一个信道解调器。 ( 1 ) 调谐器 调谐器的功能是将接收到的射频信号下变频为中频信号，然后发送给信道解 调器。通常情况下，直接输出的中频信号幅度较小且不稳定，须根据信道解码器 反馈回来的a g c 信号调节输出的中频信号幅度，再经过一个中频放大器，才可 以输出。 ( 2 ) 信道解调器 q a m 解调器收到中频信号后，对其进行模数转换，然后逐级进行解调，包 括信号的定时恢复、载波恢复、数据成型、自适应均衡以及解码、解交织、r s 解码、去随机化，最后输出符合m p e g 2 标准的并行t s 流。 第三章系统设计及其硬件实现 第三章系统设计及其硬件实现 本章首先对设备的系统设计做整体性说明，包括系统结构设计和功能模块的 划分。然后详细阐述设备在三种工作模式下，系统的工作流程。最后具体分析各 模块的硬件实现及其特点。 3 1 设备的系统设计及工作模式 本设备的任务是将存储在p c 中的t s 流文件通过u s b2 0 接口送到a s i 接 口输出，实现发送功能；或者把a s i 的基带信号或者符合d v b c 标准的射频信 号截取下来，通过u s b2 0 接口保存到p c 中，实现截取功能。设备的系统框图 如图3 1 所示。 3 1 1 系统设计 图3 1 系统框图 系统的主要模块包括：u s b 控制器( 内含主控单元m c u ) 、c p l d 、f i f o ( f i r s t i nf i r s to u t ，先入先出存储器) 、时钟发生模块、a s i 接口、d v b c 射频输入模 块和电源模块。 u s b 控制器采用c y p r e s s 公司e z u s bf x 2 l p 系列芯片中的c y 7 c 6 8 0 1 4 a 。 1 2 第三章系统设计及其硬件实现 e z u s bf x 2 l p ( 以下简称f x 2 l p 并不再与c y 7 c 6 8 0 1 4 a 区分) 系列芯片通过 了u s b2 0 高速模式的认证，单片集成了u s b2 0 接口的物理层协议处理器 ( p h y ) 和一个增强型的8 0 5 1 单片机内核( m c u ) ，外部扩展了两个串行接1 2 1 ， 1 2 c 主控接口和通用可编程接口( g p i f ) 控制器，功能强大，是开发u s b2 0 设 备的理想主控芯片【1 0 1 。 系统基于f x 2 l p 工作，其内部集成的m c u 作为系统的主控处理器，产生控 制信号或接收外围电路信号并做出响应。此外，它还负责把来自主机u s b 总线 的数据解包发送出去或把截取进来的数据打包送回u s b 总线。当然，这些数据 包都符合u s b2 0 协议规范。外围电路的控制和协调由c p l d 来完成，包括所有 控制信号和数据信号的中转，这种解决方案便于设备不同工作模式之间的切换。 u s b2 0 高速模式下的传输速度一般要大于t s 流的传输速率( 本设备把传输 的性能指标定在1 m b p s 1 0 0 m b p s 之间) ，因此需要一个f i f o 来缓冲数据；a s i 接口输出t s 的速率必须与码流本身的码率差别须极小，这里用一个时钟发生模 块来产生时钟控制信号；同时，a s i 输入、输出接口以及射频输入接口都需要一 个接口转换模块来处理通信协议。 为了实现便携式的应用，电源采用u s b 总线供电的方式，并通过一个高效 率的电压转换芯片来满足设备上所有器件的供电要求。 3 1 2 系统工作模式 系统共有三种工作模式： 1 、a s i 接口发送模式 此工作模式的功能是把存储在p c 硬盘中的t s 流文件经本设备，由a s i 接 口发送出去，为需要a s i 基带信号的设备提供数据源。工作流程如下： 首先，用u s b 电缆将设备连接到p c 上，p c 通过监视两条信号线( d + 和 d ) 上的电压变化发现设备，确认其工作于低速、中速还是高速传输模式，进而 建立连接。然后，p c 发送查询数据包，获取设备厂商、产品识别号( v i d 、p i d ) 及其它描述信息并记录。最后根据这些记录加载设备驱动程序，完成新设备的枚 举，交应用程序使用。 传输t s 流前，首先应建立应用程序与设备间的连接( 传输的管道) ，然后用 u s b2 0 控制传输方式发送命令字到设备，包括码率设定命令字和开启传输命令 字。码率设定命令字发送成功后，f x 2 l p 控制时钟发生模块以正确频率供出时 钟。开启传输命令字发送成功后，即可打开t s 流文件发送数据。本系统选用 u s b2 0 批量传输方式发送数据。 f x 2 l p 收到数据后，根据u s b2 0 协议拆包数据再经c p l d 中转，送到f i f o 。 第三章系统设计及其硬件实现 f i f o 以时钟发生模块提供的时钟信号为读取时钟信号，将数据送a s i 输出接口 芯片。由于u s b 总线发送数据的速率要高于读取时钟信号的频率，m c u 需控制 数据读写时序，以防数据“溢出”。为此，需采用间断写入、连续读取方式。此 时监控f i f o “上半个存储空间缓存的数据量，用半满标志位( h a l f - f u l lf l a g ) 作f x 2 l p 的反馈信号。第一次写入数据时，写满f i f o 的全部空间( 4 m b i t ) 后 停止，同时开始读取数据，并且从此后不停地读。h a l f - f u l l 消失时，表明已经读 出f i f o 的半容量，反馈到f x 2 l p 后启动第二次写入。第二次写入2 m b i t 后停 止，然后再等待h a l f - f u l l 的消失并启动第三次写入。此后读写的时序与第二次 一样，循环进行，直到p c 控制停止发送码流。 最后，数据发送到a s i 输出接口芯片，被转换成符合a s i 协议规范的码流， 具体过程如2 2 节所述，完成整个发送传输流程。 2 、a s i 接口截取模式 此工作模式的功能是从正在传输a s i 数据流的同轴电缆中截取t s 流，保存 到p c 的硬盘中，以备分析、播放或保存。工作流程如下： 首先，仍然是连接p c 与设备，主机识别新设备并加载驱动程序，完成枚举 过程。然后建立应用程序和设备之间的传输管道，准备传输。由于是截取电缆中 已存在的数据流，所以不再需要设定时钟生成模块，只需发送开启截取命令字， 就可以保存t s 流。 开始截取码流后，f x 2 l p 控制a s i 输入接口芯片截取电缆中的码流，按照 2 2 节所述的解码过程解出t s 流，并在f x 2 l p 的控制下写入f i f o 。 由于这种情况下f i f o 的读取比写入快，所以仍然需要m c u 控制读写时序 以防止“溢出”。这时采用连续写入、间断读取的方案，监视f i f o 的“下半个” 存储空间，仍使用h a l f - f u l l 反馈信号。当数据写满f i f o 的一半容量时，h a l f - f u u 标志产生，m c u 接收到反馈后马上开始读取数据，计数到读空f i f o 为止。注 意由于写入操作不停止，f i f o 并不是真正意义上的“空，但这并不影响正常工 作。f x 2 l p 读取到数据后会马上发送到u s b 总线上，最后应用程序在驱动程序 的配合下拆包数据，以文件的形式保存下来。 值得注意的是，整个截取过程虽然是从设备端到p c 端，但每一个环节都是 在应用程序的控制下进行的。其根本原因是u s b 协议规定，主机是u s b 系统中 唯一的主控者。 3 、射频输入接口截取模式 此工作模式的功能是截取有线广播电视网中的t s 流，并保存到p c 的硬盘 中以备后用。其工作流程与a s i 接口截取模式不同处在于，射频接口模块截取数 据的流程如2 3 所述，比较复杂，需要有很多寄存器通过1 2 c 总线来控制设定， 1 4 第三章系统设计及其硬件实现 包括载频频率、符号率参数等。其它工作流程则基本一致，这里不再赘述。 3 2 各模块硬件实现 3 2 1 主控m c u ( f x 2 l p ) 如前所述，本设备选择e z u s bf x 2 l p 系列芯片中的c y 7 c 6 8 0 1 4 a 作为核 心芯片。对比其它公司只包含u s b 物理接口的总线收发器，如n x p 公司的 i s p l 5 8 1 系列等，f x 2 l p 集成了一个u s b2 0 物理接口和一个m c u ，是一个整 体的解决方案。这样既可占用更少的电路板空间，开发的难度也有所降低。此外， 对比其前一代产品e z - u s bf x 2 ，f x 2 l p 带有更大的片内存储器，能够进行更为 复杂的操作。同时，其功耗也更加低( c y 7 c 6 8 0 1 4 a 还是此系列芯片中超低功耗 的型号) 。这些优点都使得f x 2 l p 成为开发便携式设备的首选方案【1 0 】【1 1 】f 1 2 1 。 l 、f x 2 l p 的总体架构 芯片的内部结构如图3 2 所示。 图3 2 f x 2 l p 内部结构 前端的u s b 收发器、智能串行接口引擎( s i e ) 和p l l 共同构成了一个u s b 2 0 物理层协议处理器( p h y ) ，可完成大部分u s b2 0 协议处理工作，包括打包 和拆包数据，返回握手信号，甚至独立地进行设备枚举，这大大减轻了开发难度， 使用户可以把更多的精力放在传输本身上而不是复杂的u s b 协议方面。 增强型的8 0 5 1 内核既与标准的8 0 5 1 兼容，又有诸多的改进：在最高工作频 率4 8 m h z 下，一个指令周期只需4 个时钟周期，比标准8 0 5 1 平均提高2 5 倍； 第三章系统设计及其硬件实现 有两个通用异步收发器( u 灿盯) 和三个定时计数器；扩展了更多的中断和i o 口，可以更好地做好控制管理工作。 芯片内部还带有1 6 k b 的片上r a m 和4 k b 的f i f o 。通用可编程接1 2 1 ( g p i f ) 则用来管理高速数据传输的时序，配合f i f o 可实现与外围接口的无缝连接。主 控1 2 c 接口可控制管理外围1 2 c 接口器件，本设备中主要控制e e p r o m 和射频 输入接口模块。 2 、f x 2 l p 的重枚举 u s b 设备插入到主机时，主机会进行一个连接过程，自动探测出设备，这个 过程叫做枚举。而f x 2 l p 支持一种叫做“重枚举”的专利技术，为设备提供了 一个“软”解决方案，最终实现设备的无限次配置与升级。 当设备连接到主机时，f x 2 l p 根据不同的情况( 将在4 1 节中详细分析) 提 供给主机一个设备描述符，主机枚举成功并加载相应的设备驱动。然后主机在驱 动的配合下，把固件程序通过u s b 口下载到f x 2 l p 的片内r a m 中，由m c u 运行。这时，芯片内部会模拟一次断开与连接，使得主机认为有另外一个新的设 备连接，再进行一次枚举，并最终完成新设备的连接。重枚举的整个过程都是自 动的，而且对用户是透明的。事实上，前文所述设备的工作模式中，主机对设备 的枚举就包括了两次枚举，但在用户看来，只连接了一次设备就可以使用了。 3 、f x 2 l p 的端点缓存 如2 1 节所述，u s b 协议把端点作为数据的接收器和发送器。f x 2 l p 定义了 7 个端点，在高速模式下，端点缓存结构如图3 3 所示。 图3 3 f x 2 l p 端点缓存 1 6 第三章系统设计及其硬件实现 e p o i n & o u t 、e p l i n 、e p l o u t 是6 4 b y m 的端点缓存。e p 0 是默认的控制 传输端点，既是矾端点也是o u t 端点。e p i i n 和e p l o u t 则支持批量、中断 和同步传输方式。这三个端点必须在m c u 的控制下才能完成传输工作。 e p 2 、e p 4 、e p 6 和e p 8 是大容量高带宽的数据传输端点，