（计算机系统结构专业论文）atsc高清数字电视嵌入式软件的设计与实现.pdf

i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 数字电视是指电视节目的采集、制作、编辑、播出、传输、接收的全过程都采 用数字技术的新一代电视。数字电视具有频谱利用率高、信号质量好、抗干扰能力 强等优点，因而它取代目前的模拟电视将是必然的趋势。 从 atsc 高清数字电视的体系结构出发，深入研究了 atsc 制式数字电视系统 的各个组成部分以及后端解决方案的常用软、硬件框架，重点分析了后端接收部分 技术。在 ti 公司 atsc 制式高清数字电视接收机解决方案的基础上，设计了一种应 用于 atsc 制式高清数字电视接收机的嵌入式软件框架。 模拟、数字双模结合是目前数字电视普遍采用的方案，在深入分析两个部分原 理的基础上，设计了使用 i2c（inter integrated circuit )总线实现双系统通信的方法， 定义了双系统通信的基本协议。 atsc 数字部分首先研究了程序和系统特殊信息协议 解析模块的设计与实现，详细分析了程序与特殊信息协议中的各种表的结构和特性， 设计了解析各种表的软件模块；接着分析了 atsc 的父母管理系统的实现原理，设 计了实现父母管理功能的软件模块；最后深入分析了 atsc 隐藏字幕系统的原理和 实现步骤，为隐藏字幕系统设计了软件解析模块。 测试结果表明，设计的 atsc 制数字高清电视接收机能成功地实现数字电视的 各项功能，软件具有很好的健壮性，很好地完成了预期的目标。 关键词：关键词：数字电视，节目与系统信息协议，父母管理，隐藏字幕 ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 abstract dtv(digital tv) refers to the actual tv signal being transmitted digitally .dtv enables broadcasters to offer television with movie-quality picture and sound. it also offers greater multicasting and interactive capabilities, so it is fast replacing analog tv. on the basis of hdtv architecture of atsc standard，much research have been done on the components of the dtv,including back-end framework of hardware and software. a high definition tv set is built with the tvp9000 of texas instrument and fli8125 of genesis microchip and a good example is given to show how to design a software framework for dtv. after deeply analyzing the basic principle used in dtv and atv, a method is designed to communicate the dtv system with the atv system,which is based on the i2c (inter integrated circuit ) bus ,and a mode is defined to share information between them.much attention is paid to the design and implementation of the dtv system,firstly the process of parsing psip information of atsc is discussed, then deep insight is put into the principle of parental control and a module of software for parental control is designed ， at last, the stack for cc(closed caption) is discussed and a software module for display it is designed. testing result indicates that the high definition receiver have a good performance on all services defined in dtv, besides, the software running in the system is robust and the gui is friendly to the user .in a word, it has accomplished the expected task very good. keywords: digital television, program and system information protocol, parental control，closed caption 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本 论 文 属 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 课题的研究背景课题的研究背景 通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业的变革，数字电视处于这 一变革中的关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、 功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字 电视产业。这一新兴产业已经引起全世界的广泛关注，各发达国家根据自己的国情， 分别制定出由模拟电视向数字电视过渡的方案和产业目标。数字电视被各国视为新 世纪的战略技术，数字电视成了引爆 it 的又一大“热点”。 数字电视是指电视节目的采集、制作、编辑、播出、传输、接收的全过程都 采用数字技术的新一代电视1。数字电视的优点主要有三个方面，一是随着传输 信号的数字化，它在数字信号质量和抗干扰能力上有极大的进步；二是传输效率 高，同样的带宽资源能够传输更多的节目；三是在可提供节目的内容方面，数字 电视已不局限于传统意义上的电视，可以提供更多的业务内容和节目附加信息， 是真正意义上的信息平台2，因而它取代目前的模拟电视将是必然的趋势。数字 电视利用 mpeg（moving picture experts group）标准中的各种图像格式，把现 行模拟电视制式下的图像、伴音信号的平均码率压缩到大约 4.6921mbps，其图 像质量可以达到电视演播室的质量水平或胶片质量水平，图像水平清晰度达到 500-1200 线以上3。 为了在方兴未艾的数字电视领域抢占有利位置， 唯冠集团华中科技大学联 合研究中心启动了 atsc（advanced television systems committee，先进电视制 式委员会）数字高清晰度电视 hdtv（high definition television）的研发项目。 本项目主要是利用美国德州仪器公司（ti）的数字高清电视解决方案 tvp9000， 来设计一款符合美国 atsc 标准的数字高清晰度电视接收机。 本论文重点分析和 讨论了 atsc 数字电视标准，实现了基于 atsc 标准的数字高清晰度电视软件架 构。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.2 数字电视简介数字电视简介 将电视的视音频信号数字化后，数据量很大，不利于传输，因此数据压缩技术 成为关键。实现数据压缩技术方法有两种：一是在信源编码过程中进行压缩，利用 人类听觉、视觉效应去除信号中的冗余成分4，在不影响收听、收看效果的前提下尽 量压缩数据率；二是改进信道编码，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数据传 送速率。 在信源编码方面， ieee的mpeg专家组已发展制订了iso/iec11172(mpeg-1) 和 iso/iec13818(mpeg-2)两项国际标准。数字电视使用 mpeg-2 进行信源编码，其 支持标准分辨率 sd （standard definition） 的 169 宽屏及高清晰度电视等多种格式， 其码率可变，为 340mbps。在信道编码方面，不同的数字电视标准有不同的选择方 案。 1.3 数字电视的分类数字电视的分类 数字电视按照不同的分类方式，可以分为很多类。 按图像清晰度分类，数字电视包括数字高清晰度电视(hdtv)、数字标准清晰度 电视（sdtv）和数字普通清晰度电视（ldtv)三种。hdtv 的图像水平清晰度大于 800 线，图象质量可达到或接近 35mm 宽银幕电影的水平；sdtv 的图像水平清晰度 大于 500 线，主要是对应现有电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平；ldtv 的图像水平清晰度为 200-300 线，主要是对应现有 vcd 的分辨率量级5。 按信号传输方式分类，数字电视可分为地面无线传输数字电视(地面广播数字电 视)、卫星传输数字电视(卫星数字电视)、有线传输数字电视(有线数字电视)三类6,7。 按照产品类型分类，数字电视可分为数字电视显示器、数字电视机顶盒和一体 化数字电视接收机，本文将讨论一体化数字电视接收机的设计与实现。 按显示屏幕幅型比分类， 数字电视可分为 43 长宽比和 169 长宽比两种类型。 1.4 主要数字电视标准主要数字电视标准 1.4.1 美国数字电视标准美国数字电视标准 atsc 美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，美国在发展高清晰 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数字高清晰度电 视为基础的标准atsc。 美国hdtv地面广播频道的带宽为6mhz， 调制采用8vsb8。 atsc 数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最高为图 像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图像压缩层，采用 mpeg-2 压缩标准。再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用 mpeg-2 压缩标准。最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。对于地面 广播系统，采用 zenith 公司开发的 8-vsb 传输模式，在 6mhz 地面广播频道上可实 现 19.3mbps 的传输速率。atsc 标准也包含适合有线电视系统高数据率的 16-vsb 传输模式，可在 6mhz 有线电视信道中实现 38.6mbps 的传输速率9,10。 下面两层共同承担普通数据的传输。上面两层确定在普通数据传输基础上运行 的特定配置，如 hdtv 或 sdtv；还确定 atsc 标准支持的具体图像格式，共有 18 种(hdtv 6 种、sdtv 12 种)，其中 14 种采用逐行扫描方式。 在 6 种 hdtv 格式中，因为 19201080p（p 代表逐行扫描，i 代表隔行扫描） 格式不适合在 6mhz 信道内以 60 帧/秒进行逐行扫描，故以隔行扫描取代之。sdtv 的 640480 图像格式与计算机的 vga 格式相同，保证了与计算机的适用性。在 12 种 sdtv 格式中，有 9 种采用逐行扫描，保留 3 种为隔行扫描方式以适应现有的视 频系统。 1.4.2 欧洲数字电视标准欧洲数字电视标准 dvb 欧洲数字电视标准为 dvb（digital video broadcasting，数字视频广播）11,12， 从 1995 年起，欧洲陆续发布了数字电视地面广播(dvb-t)、数字电视卫星广播 (dvb-s)、数字电视有线广播(dvb-c)的标准。 dvb-t(ets 300 744) 为数字电视地面广播系统标准。这是最复杂的 dvb 传输 系统。地面数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统相当。dvb-t 采用的 数字调制方式为正交频分复用(cofdm)和网格编码调制（tcm）级联的方式13，在 8mhz 带宽内能传送 4 套电视节目，传输质量高。 dvb-s(ets 300 421) 为数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目 容量大等特点。 数据流的调制采用qpsk方式， 工作频率为11/12ghz。 在使用mpeg-2 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 的 mpml（main profilemain level）14格式时，接收端达到 ccir 60115演播室 质量时，码率为 9mbps；达到 pal 质量，码率为 5mbps。一个 54mhz 转发器传送 速率可达 68mbps，可用于多套节目的复用。dvb-s 标准几乎为所有的卫星广播数字 电视系统所采用。我国也选用了 dvb-s 标准。 dvb-c(ets 300 429) 为数字有线电视广播系统标准。它具有 16、32、64qam 三种调制方式，工作频率在 10ghz 以下。采用 64qam 时，一个 pal 通道的传送码 率为 41.34mbps，可用于多套节目的复用。 1.4.3 日本数字电视的标准日本数字电视的标准 isdb 日本在 1999 年发布了数字电视的标准 isdb（integrated service digital broadcasting，综合业务数字广播） 。isdb 是日本的 dibeg（digital broadcasting experts group，数字广播专家组）制订的数字广播系统标准16。 ，它利用一种已经标 准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号，同时已经复用 的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。isdb 具有柔软性、扩展性、共通 性等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务17。 1.5 数字电视的关键技术数字电视的关键技术 图 1.1 为数字电视广播系统的构成方框图。整个系统由信源编码、多路复用、信 道编码、调制、信道和接收机等六部分组成。接收机内部集成了解调器、信源解码 器、解复用器等模块。 视频压缩 音频压缩 视频 音频 多 路 复 用 调 制 信 道 编 码 信 道 辅助数据 控制数据 接收机 图 1.1 数字电视广播系统的构成方框图 1.5.1 数字电视的信源编码技术数字电视的信源编码技术 信源编码是对视频、 音频、 数据进行压缩编码的过程。 标准数字电视按照 mpeg-2 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 标准进行信源编码。辅助数据可以是独立的数据业务，也可以是和视频、音频有关 的数据，如字幕数据等。信源编码是为了提高数字通信传输效率而采用的措施，它 通过各种编码尽可能地去除信号中的冗余信息，以降低传输速率和减少传输频带宽 度。 （1）视频编码技术 数字电视尤其数字高清晰度电视与模拟电视相比，在实现过程中，最为困难的 部分就是对视频信号的压缩。在 19201080 显示格式下，数字化后的码率在传输中 高达 995mbps，比现行模拟电视的传输信息量大得多。因而数字电视的图像不能像 模拟电视的图像那样直接传输，而要先进行压缩编码。视频编码技术的主要功能是 完成图像的压缩，使数字电视的信号传输量由 995mbps 减少为 2030mbps。 （2）音频编码技术 与视频编解码相同，音频编码主要功能是完成声音信息的压缩。声音信号数字 化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能像模拟电视的声音 那样直接传输，需要先进行压缩编码。 1.5.2 数字电视的复用系统数字电视的复用系统 数字电视的复用系统是数字电视的关键部分之一。从发送端的信息流向来看， 它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，处理复合成单路串行的比 特流，然后进行信道编码及调制。接收端与此过程正好相反。 节目 复用 1 视频pes 音频pes 辅助数据pes 增值业务数据pes 复用 节目 4 系统 复用 ts1 ts4 psi和si数据 增值业务数据ts 信道 编码 图 1.2 节目复用和系统复用示意图 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 广义来讲，复用包括两个阶段：视音频 pes（packetized elementary stream）包 的复用及 ts(transport stream)包的复用。前者是将一路数字电视节目的视频、音频 和数据等按照一定的方法时分复用成一个单一的数据流。后者是将各路数字电视节 目的数据流进行再复用，实现节目间的动态带宽分配，并提供增值业务。图 1.2 是节 目复用和系统复用示意图。 mpeg-2 标准的结构可分为压缩层和系统层18。一路节目的视频、音频和其它 辅助数据经过数字化后， 通过压缩层完成信源压缩编码， 分别形成视频 es(elementary stream)、音频 es 和其他辅助数据 es。接着系统层将不同的 es 分别加上包头打包 为 pes 包。为了进行多路节目流的复用和有效传输，又将 pes 包作为负载分别插入 传送流 ts 中。 视频编码器 音频编码器 打包器 打包器 ts mux 信道编 码器 压缩层传送层传输层 应用层 视频数据 音频数据 视频es 音频es 视频pes 音频pes ts 编码 ts 图 1.3 传送流 ts 的形成 atsc 的信道编码器的输入是传送流 ts 数据，传送流 ts 的形成如图 1.3 所示， 从左到右分为应用层、压缩层、传送层和传输层 4 层，传送层的输出即为传送流 ts。 应用层（application layer）是演播室内根据规定的视音频标准原始产生的、未 压缩的视音频数据流，例如视频是 sdi19（serial digital i/o）或 hd-sdi 数据流，音 频是立体声或环绕声的数据流。 压缩层 （compression layer） 中根据规定的信源编码标准将输入的数据流进行码 率压缩，产生出视频基本流（video elementary stream，ves）和音频基本流（audio elementary stream， aes） 。 视频编码标准采用通行的 mpeg-2， 音频编码标准在 atsc 中采用 dolby ac-320压缩技术。 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 视频 es 由图像块、宏块、像条、图像（帧） 、gop（图像组）和图像序列 6 个层次构成21,22。序列由序列起始码开始，以序列结束码结束。起始码（sc）后 的序列头（header）中标识出图像的水平和垂直大小、宽高比、色度子取样格式、 图像频率、逐行或隔行扫描、层（profile） 、级（level）和比特率，以及帧内与帧 间编码所使用的量化表等信息。因此，序列头数据库是解码器可实施解码的关键。 ac-3 编码时，音频基本流由一系列称作为存取单元（access unit,au）的同步帧 构成。 传送层（transport layer）中将 es 打包，形成打包基本流（pes） ，并实现视音 频 pes 的复用，组成复用的节目流（program stream） 、传送流（ts） 。pes 包的长度 一般为一个存取单元， 视频存取单元为一个图像帧， 音频为一个音频帧。 图像帧有 i， b 和 p 帧之分，它们的 pes 长度不同。在复用器（mux）中视音频 pes 组成 ps 流 和 ts 流的区别在于，ps 流中按视音频的存取单元进行复用，它们的 pes 包长度不 固定；而 ts 流在其复用器中被划分为固定长度 188 字节的小包。 atsc 信道编码器的输入就是以 188 字节为单元的一个个 mpeg-2 传送包 （packet） ，mpeg-2 传送包如图 1.4 所示，每个包以一个同步字节（0 x47）开始。 sync 0 x47 传输流包负载部分 187字节 图 1.4 mpeg-2 传送包 传输层（transmission layer）内包含信道编码和载波调制，其输出是调制在中 频上的数字已调波，发送至上变频器，经高功放后发射出去。 1.5.3 数字电视的信道编解码及调制解调数字电视的信道编解码及调制解调 调制是指为了提高频谱利用率，把宽带的基带数字信号变换成窄带的高频载 波信号的过程。数字电视信道编码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、 均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上， 为发射做好准备。目前所说的各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指在 该方面的不同，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方 式的不同。 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 数字电视主要采用前向纠错方式来进行差错控制，在这种方式下，接收端能够 根据接收到的码元自动检测出错误和纠正错误。纠错编码的基本思想是在所要传输 的信息序列上附加一些码元，附加的码元与信息码元之间以某种确定的规则相关联。 接收端按照这种规则对接收的码元进行检测，一旦发现码元之间的确定关系受到破 坏，便可以通过恢复原有确定关系的方法来纠正误码。数字电视的前向纠错主要包 括四个部分：随机化、rs 编码23、数据交织24和卷积编码。 （1） 数据随机化 数据随机化的目的是打碎 ts 流包中可能出现的长“1”、长“0”，避免信号在低频 段频谱上有大的能量，不适应信道的传输特性。为减少连续的 1 码（或 0 码）以保 证定时恢复，可将二进制数字信息先随机化，变成伪随机序列，从而减少连码的出 现。这种随机化是有规律的，接收端根据同样的随机算法将信息还原。响应的过程 也被称之为扰码或解扰。实现方法是用一个 prbs（伪随机二进制序列）发生器产生 一个 prbs 流，与输入数据流的逐个比特作异或（xor）运算。 prbs 也称为 m 序列，一般用带有若干反馈的 m 级移位寄存器产生，序列的周 期为 2m-1。这种移位寄存器可以用生成多项式 g(x)表示：m(x)=1/g(x) 在 atsc 中采用的生成多项式 g(x)为： g(x)x16x13x12x11x7x6x3x1 这样，m 序列与 ts 流包中的 nrz（no return zero-inverse，非归零反相编码） 码进行 xor 扰码运算后，输出将主要是短游程的 nrz 码。在码元数目没有增加的 情况下，它随机改变了输入序列的码元值，改善了的一些特性。 （2） rs 编码 rs 编码即里德索罗门编码，它是以字节为单位进行前向误码校正（fec）的 纠错编码方法，具有很强的随机误码和突发误码校正能力。rs 编码中，输入数据分 成 km 比特构成的段，每段内 k 为符号数，m 为每符号的比特数，一次可纠错 t 个 误码符号。 atsc 的 rs 码（k，m，t）取值为（207,187,t=10） 。这意味着，k=187 符号， m=8 比特（1 字节） ，监督段为 2t=20 字节，纠错能力为一段码长 207 字节内的 10 个 9 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 字节。 rs 码长在原理上应为 n=28-1=255 字节，实施上述 rs 编码时，是在 187 字节前 加上 48 个全 0 字节，组成 255 字节的信息段，而后根据 rs 编码电路在信息段后面 生成 20 个监督字节，得到所需的 rs 码。 （3） 数据交织 通信系统由于外界因素的干扰，常常会出现突发性干扰，产生突发性错误。突 发性误码一般比较长，通常纠错码不能提供足够的纠位数纠错。防止突发性错误一 般有两种方法：一种是采用交织码，另一种采用纠错码。交织码一般也有两种方法： 一种是矩阵行列转置法，将能纠正 t 个随机错误的码作为行码，i 行组成一个矩阵， 这样可以纠正 t 个突发长度为 i 的错误。 另一种是卷积交织码， 这种方法基于 forney 的方法。交织器由 i=52 个分支组成，由输入开关轮流接通输入的字节。这样，在前 端由复用器将输入流传输次序打乱，经有干扰的信道传输到达接受端后，由去扰器 将次序恢复，从而达到抗干扰的能力。每个分支器都有一个长度为 mj 字位的 fifo 移位寄存器，其中，m=17，1 j17 。 （4） vsb 调制 atsc 信道编码采用 vsb 调制，提供了两种模式：地面广播模式（8vsb）和高 数据率模式（16vsb） 。随着多媒体传输业务的不断发展，为了适应移动接收的需要， 近来又计划增加 2vsb 的移动接收模式。 atsc 地面广播系统在 6mhz 地面广播频道 上可实现 19.3mbps 传输速率。该标准也包含适合有线电视系统高数据率的 16vsb 传输模式，可在 6mhz 有线电视信道中实现 38.6mbps 的传输速率。 8vsb 发射机采用两级调制方式，第一级将数据信号调制到一个固定中频上，第 二级再上变频到所需的电视频道上。为避免 atsc 与 ntsc 同频道干扰严重，又为 了保证 atsc 发射机具有与 ntsc 发射机同样的服务覆盖范围， atsc 发射机的平均 功率比同频道 ntsc 发射机的峰值功率一般低 12db。 1.6 本论文的主要内容本论文的主要内容 作者从 2006 年 3 月开始参与高清数字电视项目的开发，一直到 atsc 数字电视 10 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 接收机的量产，主要负责 atsc 高清数字电视业务信息模块的设计与实现以及隐藏 字幕的解码实现。本文的重点是 atsc 业务信息模块的设计和隐藏字幕的解码显示 的设计，全文共分为六章。 第一章概述了数字电视系统，并介绍了数字电视的主要标准，之后分析了数字 电视的关键技术。 第二章是高清数字电视的架构设计，包括了设计思想，方案选择，简述了高清 电视芯片和 atsc 解码芯片的主要性能，最后是系统使用的实时操作系统25的分析。 第三章是高清电视部分的设计，是系统的显示部分，论述了实现高清电视部分 和 atsc 数字解码部分通信的方法。 第四章是 atsc 数字电视部分的设计。分析了 atsc 数字电视的 psip 模块、父 母管理模块、隐藏字幕（closed caption）解码模块的原理和实现过程，简述了测试 的过程和使用的测试方法。 第五章是全文的总结及未来工作的展望。 11 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 高清数字电视架构设计高清数字电视架构设计 2.1 设计思想设计思想 目前数字电视有两种基本方案，第一种是利用数字机顶盒接收数字电视信号并 解码，采用现行的模拟电视作为显示终端，这种方案的好处是可以节约成本，继续 使用现在通用的模拟电视作为显示终端。另一种方案就是将机顶盒的功能集成到数 字电视接收机内部，接收机直接接收数字电视信号，并最终显示图像，这种方案一 般会集成模拟电视的功能，因为现在处于模拟电视和数字电视过渡的阶段，完全取 消模拟电视是不现实的，本文就是建立在第二种方案（即数模一体）的基础上的。 数模一体方案比机顶盒方案显示效果更好，更简单，更方便。 本文将提出一种基于双嵌入式处理器的数字电视实现方案，数字部分采用 ti 公 司 tvp9000 芯片，模拟部分采用美国 genesis 公司的 fli8125 芯片。 2.2 方案选择与硬件设计方案选择与硬件设计 图 2.1 是数字电视整机系统的组成图。 模拟电视部分和 atsc 数字电视部分各基 于一个嵌入式处理器，各自运行一套嵌入式软件。通过通信接口实现命令和状态交 换，通过视频接口将视频信号传给模拟显示子系统显示和播放。一般来说，通信接 口使用 urat 接口或 i2c 接口，本文将使用 i2c 接口实现通信。 tuner cpu 解调模 块 解码模 块 主控器 图像处 理器 lcd显 示器 状态控制接口 视频接口 数字电视部分模拟电视部分 图 2.1 数字电视整机系统的组成图 本文中，系统具体构成框图如图 2.2 所示，其中显示部分最高支持高清晰度的显 示模式，atsc 数字解码部分可以输出高清晰度或标准清晰度的图像，因而整个系统 最高可以支持高清晰度的显示模式。 12 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 fli 8125 tvp 9000 tuner panel keypad and ir audio dac if dtv ts video ypbpr sli9011 vga s-video audio r void *osfreelist; int32u osmemblksize; int32u osmemnblks; int32u osmemnfree; os_mem; osmemaddr 是指向内存分区起始地址的指针。它在建立内存分区时被初始化， 在此之后就不能更改了。 osmemfreelist是指向下一个空闲内存控制块或者下一个空闲的内存块的指针。 osmemblksize 是内存分区中内存块的大小，是用户建立该内存分区时指定的。 osmemnblks 是内存分区中总的内存块数量，也是用户建立该内存分区时指定 的。 osmemnfree 是内存分区中当前可以得到空闲内存块数量。 所有的空闲内存都会放入一个空闲内存块链表中30。 2.6 小结小结 本章阐述了 atsc 高清数字电视系统的整体架构，讨论了方案选择，分析了模 拟高清电视部分芯片 fli8125 和 atsc 数字电视芯片 tvp9000 的基本特征，这个部 分是后续软件设计的物理基础。然后讨论了系统使用的实时操作系统 uc/os-ii 的基 本特性，包括进程管理、时间管理、任务间的通信与同步以及内存管理等，是进行 后续应用开发的基础。 17 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 高清电视软件的设计高清电视软件的设计 模拟电视部分采用的是美国 genesis 公司的 fli8125 芯片。 模拟电视部分的主 要功能是接收模拟视频信号并显示，atsc 数字部分只负责数字视频的解码，最终的 显示由模拟部分实现。 3.1 软件体系软件体系 同所有嵌入式系统一样，模拟显示部分的软件架构也可以分为三层，分别是驱 动层、 api 层和应用程序层。 应用层由很多的软件模块构成， 处于核心地位的是 osd 处理模块，它是其他软件模块联系的枢纽，图 3.1 是应用层软件的模块状态图。 osd power handling port switching display setup tv tuning mode detection byte pixclk; / 象素率 ，以 m 为单位 tagtype tag; / 每秒的帧数和扫描方式（隔行还是逐行）以及总 /的水平和垂直分辨率 hvresolutiontype res; / 垂直和水平分辨率 byte pixrep; vmodeinfotype; 判断接收到的视频格式是否是合法的视频格式的过程就是将接收到的视频格式 与系统支持的视频表进行比较，若格式表中有相等的项，则支持此格式，否则不支 持。 3.4 双通信协议设计与实现双通信协议设计与实现 在整个系统中，与用户的交互都是由模拟电视部分实现的，在数字电视模式下， 用户触发某个事件，先由模拟电视部分对事件进行译码，如果最终的操作需要数字 电视系统完成，则通过模拟电视和数字电视的通信接口把命令发送到数字部分。从 这个意义上说，两个部分的通信是很重要的，如何设计高效的通信方式，降低误码 率、缩短响应时间是本章的设计重点。 3.4.1 i2c 协议简介协议简介 i2c 总线标准是由飞利浦公司提出的，它的最大特点是简单，仅通过两根 i/o 线 来实现总线上器件之间的软件寻址和同步串行数据传输，省去了大量的数据总线、 地址总线和控制总线33。下面是 i2c 总线的特点： 第一，只要求两条总线线路，一条串行数据线 sda ，一条串行时钟线 scl。 第二，每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的主机进行通 信。主机可以作为发送器或接收器。 第三，它是一个真正的多主机总线。如果两个或更多主机同时初始化数据传输， 22 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。 第四，标准 i2c 总线传输速率可达到 100kbps，通过使用 7 位地址码，就能支持 128 个设备。加强型 i2c 总线使用了 10 位地址码（能够支持 1024 个设备） ，可工作 在快速模式（400kbps）和高速模式（3.4mbps）两种模式下。 第五，不需要设计总线接口，因为 i2c 总线接口已经集成在片上。 第六，集成的寻址和数据传输协议允许系统完全由软件定义34。 tvp9000 和 fli8125 都支持 i2c 总线接口，这样就能方便地实现它们的互连。 遵循 i2c 总线规范的芯片，都有唯一的地址（tvp9000 的地址是 0 x68） ，当某个芯片 要发送数据时，将目的芯片的唯一地址发送到 i2c 总线上，每个挂接在 i2c 总线上的 芯片都可以收到此地址，每个芯片用自己的地址和目前总线上的地址进行对比，只 有 i2c 总线上的目的地址等于自己的地址时， 芯片才会发送响应信号并接收之后总线 上的数据。 i2c 总线协议规定，每传送 8 比特后需要一个比特的响应。在传送一个字节时， 最高位最先传送。数据只有在时钟信号为高时才是有效的，数据只有在时钟信号为 低电平时才可以改变，i2c 数据有效变换如图 3.5 所示。 sda scl 数据有效数据改变允 许 图 3.5 i2c 数据有效变换图 i2c 总线标准规定了数据传送的起始和结束的情况。 起始条件是指时钟信号为高 时，数据线 sda 从高到低转变，而当时钟信号为高电平时数据信号从低到高表示停 止条件。 传送数据时，每次传送到 sda 线上数据必须为 8bit，传送的字节数可以不受限 制。 每个字节后必须跟一个响应位。如果从机要完成一个其他服务后（中断响应后） 23 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 才开始接收或传送一个完整的字节， 则把 scl 拉低， 这样就迫使主机处于等待状态。 当从机准备接收下一个字节时，则释放 scl。 3.4.2 模拟电视部分模拟电视部分 i2c 主控制器驱动设计与实现主控制器驱动设计与实现 在 fli8125 端，设立了 i2c 的数据、状态和控制寄存器。可以先编写 fli8125 端的 i2c 驱动程序。所有的驱动程序实质上都是对特定硬件的特定寄存器根据 spec 的说明进行按步骤的设置，fli8125 芯片也不例外。下面详细说明主控器向 i2c 总线 写数据的过程。 主控器首先必须设置 i2c 的时钟信号， 在 fli8125 端， 这个时钟是由片上控制器 （on chip microcontroller, ocm）时钟经过分频得来的，片上控制器的时间频率是 100mhz。 由前面的分析知道 i2c 支持三种传输速率， 这里使用的是 100kbps 的模式。 fli8125 规定了一个寄存器用于设置分频的系数， 分频系数寄存器的值规定为以下的 格式：ocmclock/scl/5-2=100m/100k/5-2=98=0 xc6，写入规定的寄存器，这样就 可以产生正确的时钟信号了。 在设置完时钟后， 必须设定 fli8125 的 i2c 控制器为主控器模式， 这是通过设置 另一个寄存器 i2c_mst_ctrl 来实现的。 i2c 传送数据时，必须遵循规定的数据传输格式。首先是一个起始信号，表明一 次数据传输的开始。其后为寻址地址字节，他由高 7 位地址和最低 1 位方向位组成， 方向位“0”时表示写操作，为“1”时表示读操作35。 fli8125 提供了传送和接收数据的各类寄存器， 传送数据寄存器用来保存写到从 控制器的数据，传送控制寄存器用来读取传送过程中总线状态信息。用如下数据结 构来定义传送控制寄存器的各个状态： typedef strcut byte :1; /中断标志位 byte :2; /reserved byte :1; /接收数据时，为 0 发送响应信号，否则不响应 byte :1; /写从机标志位 byte :1; /读从机标志位 24 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 byte :1; /停止条件 byte :1; /开始条件 i2c_mst_tx_ctl; 用如下数据结构来定义传送状态寄存器的各个状态： typedef strcut byte :1; /中断标志，如果设置为 1，当传送完一个字节的数据 /后引发处理器中断 byte :1; /传输标志位，1：正在传输数据，0：传送完成 byte :4; / reserved byte :1; / i2c 总线忙标志位 byte :1; / 从控器响应标志位，0：收到响应信号，否则未收到 i2c_mst_status 向从设备写数据的过程就是，先向传送数据寄存器写入从设备地址，然后设置 传送寄存器的开始和写信号，也就是 i2c_mst_tx_ctl 为 0 x90，当确定传送完后， 不断地向传送数据寄存器 i2c_mst_tx_data 写一个字节的数据（真正的数据） ， 然后检查状态寄存器 i2c_mst_status 的第二个位（bit1） ，当为 0 时表示数据传送 完成，可以进行下一次的传送的操作，否则阻塞。 3.4.3 数字部分的数字部分的 i2c 访问接口访问接口 tvp9000 一端，提供了访问和控制 i2c 的各种 api。定义如下的数据结构来对 i2c 进行控制： typedef union _tvp9k_i2c_ctrl_ uint32 data; struct uint32 softreset: 1; / 软 reset uint32 reserved: 12; / reserved uint32 acknowledge: 1; / 响应位：0=ack，1=nack uint32 timeoutirqenable: 1; /超时中断标志位 uint32 errorirqmask: 1; /屏蔽错误中断标志位 25 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 uint32 slavewrirqmask: 1; /屏蔽从机写标志位 uint32 slaverdirqmask: 1; /屏蔽从机读标志位 uint32 masterwrirqmask: 1; /屏蔽主机写标志位 uint32 masterrdirqmask: 1; /屏蔽主机读标志位 uint32 stopcondition: 1; /传送下一个字节前设置停止条件 uint32 restart: 1; /传送下一个字节前重启 uint32 startcondition: 1; /传送下一个字节前设置开始条件 uint32 starttransaction: 1; / 开始传输标志位 uint32 data: 8; / 接收或发送的数据 bits; tvp9k_i2c_ctrl; 除了控制信息，状态信息也是很重要的，状态信息记录了当前 i2c 总线的状态。 定义一个数据结构来记录当前状态： typedef union _tvp9k_i2c_status_ uint32 data; struct uint32 :4; / reserved uint32 slaverestart: 1; /从控器重启标志位 uint32 slavestart: 1; /从控器启动标志位 uint32 bitcount: 4; uint32 arbitration: 1; uint32 slaveerror: 1; /从控器错误标志位 uint32 timeouterror: 1; /超时标志位 uint32 buserror: 1; /总线错误标志位 uint32 readflag: 1; /读标志位 uint32