（计算机应用技术专业论文）基于catv网的数据广播系统的设计与实现.pdf

摘要 本文介绍了面向电视机顶盒的有线电视网数字信息广播系统( d i v b ： d i g i t a l i n f o r m a t i o i l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) 的研制，包括系统的整体 设计，数据协议的制定、前端数据发送软件的研制以及用户端机顶盒底层 驱动及上层应用软件的开发，数据解调板的硬件实现。 f 为实现电视机顶盒的准交互浏览功能，本系统采用了将信息文件循环 播发的机制。为缩短用户等待时间，在用户端，利用机项盒内有限的数据 缓冲区，最大限度地进行接收预取。采用了用户机顶盒硬件i d 编号与系 统前端控制信息播发相结合的收费控制方式。另外系统还采取接收端机顶 盒软件的在线下载更新技术，在系统维护和保护用户投资利益方面作了较 为周密的考虑。 为了满足有线电视网数字信息广播的业务特点，兼顾信道传输效率， 并针对接收端机顶盒的硬件特点，本文提出了一种适合本系统数据信息传 输的数据协议，对数字信息广播节目源的组织和分类提供了较为完善的方 案。 用户机顶盒核心采用精简指令结构的多媒体中央处理器，支持j p e g 、 g i f 格式图像文件解压，m p e g i 、i i 视频解压，以及w a v 、m i d i 声音文 件的回放等。机顶盒软件利用有限的资源，实现了以下功能，主要包括： 由微码解复接，过滤帧数据生成信息文件； i t m l 简化版本文件的解释；进 行j p e g 、g i f 格式图像处理显示；m i d i w a v 格式音频回放；m p e g i ，i i 节目流的解压缩回放；文件管理等。y 系统前端数据发送平台采用p c i 总线接口，数字调制方式为6 4q a m ， 在标准的p a l 电视频道内传输速率为4 0 m b p s ，支持多种数字信息广播业 务。前端软件制定了一种有效的发送策略，以保证数据按一定的速率，有 序、无误地发送，并实现了多路复接。 关键词：c a t v ，数据广播，q a m ，机顶盒 乙7 。 。 。 a b s t r a c t t h e p a p e r i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t o fat vs e t t o pb o x ( s t b ) o r i e n t e d d i g i t a l i n f o r m a t i o n & v i d e ob r o a d c a s t i n g ( d i v b ) s y s t e m o v e r c a t vn e t w o r k s t h e t o p i c s i n c l u d et h e s y s t e m s o v e r a l l d e s i g n ，t h e f o r m u l a t i o no f t h e d a t at r a n s m i s s i o n p r o t o c o l ，t h ed e v e l o p m e n t o f t h e f r o n t e n dd a t at r a n s m i s s i o ns o f t w a r e ，t h ed r i v e r sa n da p p l i c a t i o ns o f t w a r eo f s t ba n dt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n o ft h ed e m o d u l a t o rb o a r di nt h e c l i e n t e n ds t b t h e s y s t e me m p l o y s t h es c h e m eo f r e p e a t e d l yb r o a d c a s t i n g t h e i n f o r m a t i o nf i l e st oi m p l e m e n tt h en e a r i n t e r a c t i v eb r o w s i n gf u n c t i o no ft h e s t b f o rr e d u c i n gt h ec l i e n t sw a i t i n gt i m e ，t h ep r e f e t c hr e c e i v i n gs c h e m ei s a d o p t e di ns t b t h es y s t e m sc h a r g i n gm e c h a n i s m c o m b i n e st h eh a r d w a r ei d n u m b e r i n go fs t ba n dt h e f r o n t e n dc o n t r o l l e di n f o r m a t i o n b r o a d c a s t i n g b e s i d e s ，t h es y s t e mu s e st h eo n l i n ed o w n l o a d i n ga n du p d a t i n gt e c h n i q u ei n t h es o f t w a r eo fs t ba n dm a k e ss o m et h o r o u g hc o n s i d e r a t i o n so ns y s t e m m a i n t e n a n c ea n dt h ep r o t e c t i o no ft h eu s e r s b e n e f i t s i n f o r m u l a t i n g t h e s y s t e m s d a t a p r o t o c o l ，b o t h t h et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yo ft h ec h a n n e la n dt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no ft h es t b h a r d w a r ea r e c o n s i d e r e da n da ne f f e c t i v es c h e m ef o rt h eo r g a n i z a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no f t h ed i v b p r o g r a m s o u r c e si sp r o v i d e d t h ec o r eo ft h es t bu s e st h er i s cm u l t i m e d i ac p u i ts u p p o r t st h e i m a g ed e c o m p r e s s i o n s i ng i fa n dj p e g t h ev i d e o d e c o m p r e s s i o n s i n m p e g i i ia n dt h es o u n dp l a y b a c ki nw a va n dm i d i t h es t bs o f t w a r eh a s i m p l e m e n t e d t h e s e f u n c t i o n s ：d e m u l t i p l e x i n g t h e t r a n s p o r t s t r e a m b y m i c r o c o d e ，f i l t e r i n gt h ed a t aa n dc r e a t i n gt h ef i l e s ；p a r s i n ga n dd i s p l a y i n gt h e s i m p l e h t m lf i l e ；d e c o m p r e s s i n ga n dd i s p l a y i n gt h ej p e g ，g i fi m a g e f o r m a t f i l e ；p l a y b a c k i nw a va n d m i d i ；d e c o m p r e s s i n g a n d p l a y b a c k m p e g i i i ；m a n a g i n gt h ef i l e s t h es y s t e m sf r o n t e n dd a t at r a n s m i s s i o np l a t f o r mi sb a s e do nt h ep c i b u si n t e r f a c e i t sd a t am o d u l a t i o nm o d ei s6 4o a m i t st r a n s m i s s i o nr a t ei na s t a n d a r dp a lt vc h a n n e li s 4 0 m b p s t h es y s t e ms u p p o r t sm u l t ik i n d so f d i v bs e r v i c e s t h es y s t e ma l s oi m p l e m e n t st h em u l t i p l e x e db r o a d c a s t i n go f m p e g i i iv i d e op r o g r a m si ni t sf r o n t e n d k e yw o r d s ：c a t v d a t ab r o a d c a s t i n g ，q a m ，s e tt o pb o x ( s t b ) 3 第一章引言 第一章引言 1 1 课题背景和意义 随着通信和计算机技术的飞速发展，通信网络发生了巨大的变化。一 方面由于交换机全面数字化，减少了网上的交换接点数；另一方面，长途 网已基本实现了传输和交换的数字化。现代通信正向宽带化、智能化、综 合化和个人化方向发展。信息高速公路概念的提出为人们展示了通信领域 美好的前景。而目前以铜缆为主的模拟用户接入网容量小，不易扩容，使 接入网成为现代通信的”瓶颈”。这严重制约了宽带业务的发展，满足不了 用户对电话、传真、多媒体通信、交互视频业务和高速数据等宽带业务提 出的新要求。因此，采用新技术，加快宽带接入网的建设引起了电信网规 划部门和业界人士的极大关注。 通信网络可以粗略地分作主干网和接入网两大部分：主干网承担干线 信息的传送和交换；接入网( a c c e s sn e t w o r k ) 主要解决用户终端设备与 干线系统间的连接，也被称作是信息高速公路的“最后一公里”。关于主 干网的实现方式，基本上已形成一种共识，即采用大容量光纤作为传播媒 介，并以a t m 作为交换方式。而对于接入网技术，目前仍存在多种发展 方向，如光纤到户( f t t h ) 、数字用户环路( d s l ：d i g i t a ls u b s c r i b el o o p ) 、 混合光纤，同轴网( h f c ：h y b r i df i b e r c a b l e ) 以及无线接入( w a ：w i r e l e s s a c c e s s ) 等，它们都有各自的适用背景和优缺点，因而也使得接入网技术 成为信息高速公路热潮中的重要环节。 在上述的几种解决方案中，基于h f c 结构的c a t v ( c a b l et e l e v i s i o n ) 接入网具有频带资源丰富、建设成本较低、可同时支持传统的模拟业务和 新兴的数字业务等优势，这使得它越来越受到人们的重视。在我国，以电 视广播为主的c a t v 网发展十分迅速，新建的有线电视网多半采用了h f c 结构，这些都为进一步向c a t v 接入网的过渡打下了良好的基础。因此， 发展c a t v 接入网技术成为解决我国信息高速公路“最后一公里”的一个 重要方向。 本论文正是在这样的背景下展开的。我们在深入了解c a t v 接入网技 术发展情况的前提下和清华大学电子工程系合作，针对我国c a t v 网的现 状，开始了面向普通电视机用户的兼容d v b c 标准的有线电视数字信息 第一辛引目 广播系统( d i v b ：d i g i t a li n f o r m a t i o n & v i d e ob r o a d c a s t i n g ) 的研制，目 前该系统已在多家有线电视台( 鞍山，包头，武汉等) 试运营，各方面反 映良好。 对c a t v 网数据传输的研究，一方面拓展了适合我国国情的有线电视 网数据业务，如d i v b 系统实现了本地交互式信息浏览服务，股票信息实 时播报，m p e g i i 多路视频广播等等。另一方面促进了有线电视网双向数 据传输的研究，为我国c a t v 网电缆调制解调器的研制积累了经验，加快 了国内c a t v 接入网走向实用化的研究进程。 1 2c a t v 网的结构 c a t v 网的兴起起源于人们对高质量电视画面的需求，传统的c a t v 网 就是由有线电视公司或广播电视部门规划设计和维护运营的一个专门传 送电视节目的网络。c a t v 网的普及速度相当的快，在某些地区，其普及率 甚而超过了电话。 如图1 1 所示，整个c a t v 网一般可划分为前端、干线传输系统、配 线网络等几个部分。前端将接收到的电视信号经过频率变换、混合、放大 之后送入干线传输系统；干线传输系统再通过一系列的干线放大器将信号 传送到桥接放大器；配线网络则把信号从桥接器经若干个线路延伸器送至 各个无源分支器；最后，由分支器输出的信号通过一小段引入线进入用户 家中。 传统c a t v 网是一种树状分支的拓扑结构，其最大的优点在于技术成 熟、成本便宜，很适合于开展单向广播型电视业务。但这种结构也存在着 一些固有的弱点。如干线放大器的故障将会影响到接到该干线上的众多用 户，系统各部分性能不一致，远离前端的用户接收到的信号质量和可靠性 都不甚理想等。 第一章引苦 干线放大器桥接放大器干线放大器 网络 图1 1 传统c a t v 网结构 近年来，以光纤为主干、用同轴电缆构成配线网的混合光纤同轴网 得到迅速发展。光纤传输系统在长距离传输时具有非常低的信号损耗，同 时比同轴电缆的抗外界电磁干扰能力更强、带宽更宽；加上同轴电缆c a t v 网已经具有的普及度，使得基于h f c 结构的有线电视网很快成为宽带数据 传输发展的一个重要方向。 干线放大器 图1 2 典型h f c 网络结构 总体上看，h f c 网络基本是一种星形一树形总线结构，如图1 2 ，它 由三个部分组成，即馈线网、配线网和用户引入线。馈线网是指前端至服 务区( s a ：s e r v i c ea r e a ) 的光节点之间的部分，大致对应于传统c a t v 网中的干线网部分，区别是馈线网由光纤作为媒介，并且用星形结构取代 第一章引占 了原有的树形结构；配线网包括了服务区内由光节点到分支器之间的网 络，它延用了传统c a t v 网的树状分支形结构，仍以同轴电缆为传输媒介， 通过少量的干线放大器将覆盖范围扩展到5 至1 0 公里左右；用户引入线 指分支器到用户之间的线路，这部分与传统c a t v 网并无区别。 与传统c a t v 网相比，h f c 网的一个重要变革是引入了服务区的概念， 它将一个大网分解为若干物理上相互独立的子网。这样，在进行双向通信 时，不同子网的上行信道可以采用相同的频谱安排，从而使有限的频率资 源可以服务更多的用户。另外，由于每个子网只为较少的用户服务，也使 回传通道受“漏斗噪声”的影响较小，从而使用户端的设备价格有可能做 得较为低廉。由此可见，服务区概念是h f c 网能够提供除广播型c a t v 业务以外的多种通信业务及其它各种信息或娱乐业务的基础。 我国现有的有线电视网绝大部分还是单向型，由于向双向网改造工程 存在投资大、周期长等问题，目前主要的数据业务还是单向传输。 1 3 c a t v 数据广播 有线电视网数据广播的基本原理是把数字化了的各种业务信息( 声 音、视频、图文等) 以数据的方式，经过数字调制、载频调制通过有线电 视网广播到有线电视用户，用户端接收机则经过相反的处理过程进行还 原。基于c a t v 网络的数据广播业务包括数字视频广播( d v b ) 、数字音 频广播( d a b ) 、图文电视以及通用的数据传送。 由于数据广播方式在c a t v 网中只传下行数据，现有的网络设备基本 不改动，总体投资很少，网络管理方便，可靠性很高。通过电话回传可以 比较方便地实现节目点播和网络服务。 国外近两年己有如h a y e s 、g i 、z e n i t h 等数家公司推出这方面产品， h a y e su i t h a 调制解调系统和z e n i t hm e t r oa c c e s s 调制解调系统是很有代表 性的两个产品，下面给出他们的系统简介。 h a y e s 系统： 夺t d m a 的多址方式，在一个n t s c 制式6 m h z 模拟带宽内可送 4 m b p s 码流，每个t d m a 信道1 m b p s ，共4 个t d m a 信道 夺a s k 的调制方式 o 第一章引言 夺c n = 2 5 d b 时，b e r 为5 x 1 0 _ 8 夺每个用户卡有自己的i d 识别码 夺支持电话回传 z e n i t h 系统： 夺采用全场电视正程传输方式，在一个n t s c 制式6 m h z 模拟信道内 传送4 m b p s 码流 夺完全支持i e e e 8 0 2 7 通信协议 夺单向传输时支持电话回传 夺主要用于i n t e r n e t 网的入户上 国内近几年一些公司和研究所根据中国国情也在进行数据广播系统 的研究与开发，如清华永新经过两年的研究开发和商品化，已经形成了成 熟的产品，现在向全国进行大面积推广；傲龙的c o m p u t v 系统，南广的 n e t c a s t 系统等产品都在推广之中。他们共同的特点是： 夺都采用q p s k 调制，这样一方面降低了信噪比要求，可适应质量不 一的c a t v 网络，另一方面也降低了系统前端和用户端的硬件成 本。 夺在一个8 m h z 的有线电视模拟信道内，采用f d m ，t d m 或i p 方式 来进行节目源的复合传输，以求对信道有较高的利用率。 夺支持电话回传。 多数c a t v 网数据广播业务面向的对象仍是计算机用户，我们所研制 的d i v b 数字信息广播系统则面向广大普通电视机用户，相对来说具有更 广泛的推广实用价值，同时也面临许多新的技术问题。总的看来，开发基 于c a t v 网的数据广播业务具有良好的前景。 1 4 作者的主要贡献 本论文将讨论作者在系统开发中参与的研究工作，主要包括以下几个 方面： 夺进行系统总体方案的研究和论证 笙二堡! l 亘 夺制定系统数据协议 夺负责机顶盒内与数据接收有关的初始化和中断服务程序的设计 设计机顶盒内的文件管理系统和数据预取存储及释放机制 夺参加机顶盒内部分上层应用程序的编写，如：股票接收软件，浏览 器，软件升级等 夺负责研制本系统的前端平台数据发送部分的软件( 包括发送策略及 具体实现) 夺参与用户机顶盒数据解调和信道解码部分的设计和调试 1 5 论文内容 第一章是引言，讲述了研制有线电视网数字信息广播系统的意义，介 绍了c a t v 网的结构特点和数据业务发展情况。 第二章介绍了系统的整体结构和特点，对系统的功能特点和实现机 制、频道利用方案和数字调制方式等作了详细分析。 第三章介绍了本系统的数据协议。由于本系统用户机顶盒的资源有 限，所以制定有效的数据协议是整个系统的关键。 第四章介绍了用户机项盒的软、硬件实现。用户机项盒的研制和开发 是本系统中最重要也是工作量最大的部分，该章详细介绍了本人完成和参 与的工作，主要包括：接收端的底层软件，文件系统，文件的组织和c a c h e 机制及内存清理，浏览器，股票等上层软件及其q a m 解调板的设计。 第五章介绍了系统前端的软、硬件实现。重点介绍了前端数据发送软 件。 第六章是结论，对作者的硕士论文工作做了总结。并对今后的工作做 了展望。 第二章总体方案设计 第二章总体方案设计 有线电视网数字信息广播系统面向普通电视机终端建立起一条单向 信息数据传输通道，这涉及到了前端信息的来源、组织和处理，信道利用 方案和数字调制方式，用户端对信息数据的接收和解释，等等。本章将介 绍系统的整体设计方案。 2 1 设计思想 有线电视网作为一种非常普及的传输网络，其带宽资源极为丰富。一 般把5 5 0 m h z 以上到7 5 0 m h z 频段内的频道划归数字业务，可用带宽约 2 0 0 m h z ，能够以很高的速率向用户提供综合服务信息。采用数字化传输技 术，可以为用户提供数字化信息、视频、音频等节目。 应该充分利用有线电视网络的宽带特性并结合适宜的信息播发、传输 机制，将用户关心的各种信息提供给用户。根据我国的实际情况，我们确 定的面向普通电视机用户的数据信息广播系统设计准则如下： 1 采用现有的单向有线电视网，避免改造为双向网的巨额投资。 2 为了增强交互功能，可采用电话线及简单的双音频作为上行通道。 3 采用电视机作为终端显示，不考虑用p c 作为终端。 4 终端的操作尽量简单，只用红外遥控器操作，不用键盘。 5 采用自定义的数据格式，但在底层与流行的d v b c 标准兼容。以 便于和其他的数据流合路。 6 主要用于数据信息广播及视频和音频数据的传输。 7 数字信息的文本格式采用简化的h t m l 格式，以便与i n t e r n e t 网页 兼容。 8 采用“本地交互式”以提高其交互性。用户界面采用浏览器形式， 信息的选择采用超链接。 9 采用r s ( r e e ds o l o m o n ) 编码来实现前向纠错f e c ( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) 。 l o 因为不考虑网上购物等，所以不考虑复杂的安全系统。 11 信道调制采用6 4 q a m 调制。 第二章总体方案设计 2 2 系统整体结构 整个系统分为两个相对独立的部分，即系统发送前端( h e a de n d ) 和 用户接收机顶盒( s e tt o pb o x ，简称s t b ) 。整个系统的构成如图2 1 。 图2 1 有线电视数据广播系统接体结构 我们将d i v b 系统的业务分为三种，如图2 2 ： 图2 2d i v b 系统的业务分类 1 普通信息广播： 其数据来源首先是广泛收集编辑的本地信息，其次是从i n t e r n e t 下 载的各种信息网页。本地收集的信息直接编辑为简化的h t m l 文件；从 i n t e r n e t 来的网页是标准的h t m l 文件，必须经过转换和修改变为适合电 视机终端显示和广播式本地交换的简化i t t m l 文件。 1 4 型塑型 2 股票服务： 实时股票行情可由股票交易所直接提供，并转换为机顶盒内的股票数 据格式。 3 音、视频： 音视频数据来自v c d 或d v d 碟片。 统一格式的各种信息进行最后的预播编辑，形成多个待发送文件，按 一定顺序送到q a m 调制器，通过频道合路器与其他频道的信号合路，一起 送入有线电视网。 在用户接收端，机顶盒通过高频调谐器( t u n e r ) 进行频道搜索选择， 将选出数据广播频道射频信号转换至中频，经q a m 解调和信道解码，得到 信息数据；再送到解码板对数据进行解码和解释，最后由电视信号编码器 将结果转成音视频信号输出到电视机。 2 3 系统功能特点和实现机制 作为单向数字信息广播系统，本系统设计上具有自身的功能特点，主 要体现在三个方面。 2 3 1 循环播发和接收预取 本系统的用户接收机顶盒为低成本终端，并不配备硬盘等大容量存储 器，因此无法对接收到的信息数据全部存贮。为实现用户端对信息节目的 虚拟交互浏览功能，前端服务器采用对数字信息资源进行循环播出的机 制。 前端将大量信息数据高速循环发送下来，用户在使用机顶盒浏览的过 程中进行自主选择，一般情况下，从用户选中浏览链接到该链接对应的信 息数据到达有一定的时延，这就涉及到等待时间的问题。统计的结果表明， 用户对所选信息能容忍的等待时间一般为8 1 0 秒，这就决定了前端对信 息数据的循环发送周期应不长于2 0 秒。 在信道速率已知的情况下，这个循环周期也就确定了前端发送信息数 据的总量。本系统6 4 q a m 方式下信道速率为4 0 m b p s ，则2 0 秒循环周期内 可发送的信息总量约为1 0 0 兆字节。 第二章总体方案砹汁 为进一步降低用户等待时间，在接收端可以利用有限的数据缓冲区， 对用户正在浏览页面的直接联结信息数据最大限度地进行预取存储。在用 户下一步选择浏览时，机项盒会首先检索本地缓存，若该联结的信息数据 已经被收存，则不需要等待前端重发。 。 接收预取方式的命中率很高，由于用户在当前页面一般会有l o 秒左 右的浏览时间，这段时间基本可以将当前页面的大部分直接联结信息数据 预取存储下来。 同时在系统的前端对不同信息节目的发送频度进行了优化。 在最终的系统测试中，大多数文本信息浏览已基本感觉不到有等待时 间；背景音乐和图片信息的预取优先级设置较低，一般等待时间也明显有 所减短。文本预取优先级高的设置是合理的，与计算机互联网络浏览的机 制相符。 2 3 2 收费控制 有线电视网各种业务的用户收费方式一直是个大问题，数字信息广播 系统同样需要有收费控制。 本系统收费控制方案的关键技术集中于以下几点： 夺用户机顶盒进行统一编号，分配固定硬件i d ( i d e n t i f i c a t i o n ) 。 夺文件类型中设置系统收费管理信息文件类。 夺信息文件中的超链接包含对所指向文件的收费控制信息。 夺用户机顶盒内快闪存储器( f l a s hm e m o r y ) 中设置收费控制区段。 前端可以通过发送包含i d 标识的收费管理信息文件来控制对应i d 的 机顶盒，文件超链接中的收费信息可用于特定信息的个别收费控制，用户 机顶盒内快闪存储器收费区段则记录了用户的交费情况和浏览付费信息的 支付记录。 以上机制的采用，为有线电视网数字信息广播业务提供了一套可行的 收费控制手段，其应用过程中还关系到许多实施上的细节，这里不再作详 细分析。 j 1 6 笙望鲨型型 2 33 用户端软件在线下载升级 好的用户产品应该在保持硬件稳定的基础上具有一定的软件升级能 力，以适应技术不断发展更新的需要，同时保护了用户的投资收益。本系 统在设计用户端机顶盒终端时较全面的考虑了这一点，使用户端软件能够 实现在线更新。 2 4 系统的频率分配方案 本系统前端输出的每一路信号的带宽为8 m h z ，这是为了和我国目前 采用的p a l 制标准中的一路电视信号所占的频带宽度一致。我们可以把每 一路数据广播系统前端的输出信号看作一路普通的电视信号，只要保证输 出信号的带外抑制满足电视信号传输的要求。这对电视台灵活地使用、安 装、更换系统前端是非常方便的。 2 5 系统调制方式的选择和前向纠错编码 2 5 1 系统调制方式的选择 系统的数字调制方式直接关系到信道的利用率、系统实现的难易程度 以及实现成本，现有有线电视网的整体线路质量和可供采用的数字调制解 调芯片是两个最关键的因素。 在有线电视数据广播系统中，主要采用两种调制方式：q p s k 和6 4 q a m 。 与其他调制方式相比，q p s k 调制的抗干扰性较强，即对于相同的传输误码 率要求，对信道信噪比环境的要求相对较低，例如在误比特率为l o “时， 差分编码的q p s k 调制方式允许的最低信道信噪比为1 2 2 d b ，而6 4 q a m 调制要求信道的最低信噪比为2 2 d b 。但是6 4 q a m 毕竟是比q p s k 更为高级 的数字调制方式，在良好信道条件下能够达到更高的频谱利用率。 在我国的有线电视标准中，规定了载噪比必须大于4 3 d b ，并且我国有 线电视线路质量在近几年有很大的提高，数字调制解调芯片技术也不断成 熟，可供选用的芯片越来越多，因此我们决定采用6 4 q a m 作为调制方式。 第一章总体方案设计 2 5 2 前向纠错编码 对于q a m 调制方式，一般采用r s ( r e e ds o l o m o n ) 编码来实现前向 纠错f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 。本系统中的r s 编码和解码分别由 d v b 的标准设备q a m 调制器及q a m 数字解调芯片完成。 2 6 小结 本章从系统的设计思想出发，介绍了系统的整体结构和特点，对系统 的功能特点和实现机制、频道利用方案和数字调制方式等作了详细分析， 为系统数据协议的制定和系统各部分的具体设计实现奠定了基础。 第三章数据协议制定 有线电视网数字信息广播系统的接收终端设计为具有信息筛选浏览 功能的电视机顶盒，与通常的计算机终端相比，机项盒的数据缓存和数据 处理能力都比较低，为达到满意的效果，必须针对机顶盒的特点制定合适 的数据协议。本章将详细介绍d i v b 系统的数据协议的制定。 3 1 协议原则和层次 用户端机项盒主处理器的确定和外围存储器的低成本要求，基本上决 定了其硬件的数据处理能力，数据协议的制定原则就是在此基础上尽可能 地提高系统总体性能。 在数字有线电视中，已经有很多现成的协议用来传输数字电视信号， 如欧洲的d v b c 、d a v i c 及美国的i e e e8 0 2 1 4 等。其中主要用于单向业 务的d v b 标准就目前推广的情况来说，前景较好。 d i v b 系统的前端数据源分为两大类：数据信息，视频和音频。但 d v b c 规范主要适用于视频与音频信号传输，不太适合进行数据信息传 输。因此我们决定对视频及音频采用d v b c 标准，对数据信息上层采用 我们自己制定的格式，而底层兼容d v b c 标准。 因为对音频和视频流d v b c 标准有详细的定义，所以我们主要讨论 数据信息的格式。 3 2 本系统数据信息的协议 系统数据协议的制定借鉴了计算机网络协议中的用户数据报协议 u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，基本上划分为三层，如图3 1 所示。 图3 1 本协议的分层结构 第= 章数据协议制定 在系统前端，节目制作服务器根据各信息文件的类型和节目分层目录 分配文件i d ，并以此i d 作为文件名存放，组成信息源。发送服务器高层 软件首先根据各个信息源文件的大小确定是否对该文件进行分割，并依据 i d 文件名封装成文件数据帧，作为第一层文件管理层。相应的在接收端， 由系统底层驱动软件处理文件数据帧，重组恢复文件。 发送服务器高层软件将文件数据帧再作封装，成为符合d v b c 标准的 t s 包。在接收端，t s 包经过数据过滤器筛选得到所要浏览信息的文件数 据帧，送往系统底层驱动软件进行文件恢复。 前端q a m 数字调制器在对数据进行调制之前，针对连续信道编解码 要求进行信道填充和加入前向纠错编码，作为第三层信道编码层。接收端 采用数字解调芯片进行信道解码处理。 3 2 1 文件管理层 文件管理层主要是指文件数据帧格式，为本系统中的最基本的数据格 式。文件数据帧不采用定长帧格式，避免了定长帧的填充开销，如图3 2 所示。 文件数据帧格式 区段 帧同文件文件版本数据序列 帧头文件 c r c 名称 步头类型编号标号长度标号校验内容 校验 长度 ( b y t e ) 8o 53 51211 变长 4 图3 2 文件数据帧格式 帧同步头 长度为8 个字节，设定为0 x f f ，f f ，f f ，f f ，f f ，f f ，f f ，0 0 ，共6 4 位b i t 组 成，用来进行文件管理层的数据帧信息的同步检测。 文件类型 文件类型用半个字节来定义，见图3 3 。 第三章数据协议制定 文件类型定义 系统信息文件 0 0 0 1 b 文件分类信息 0 0 1 0 b 通知信息文件 0 0 1 1 b h t m l 文件0 1 0 j p g 和g i f 格式图像文件 0 1 0 1 b w a v 格式声音文件0 1 1 0 b m i d i 格式声音文件0 l i l b 用于收视控制的t i c k e t 信息 1 0 0 0 b 系统软件及各种应用软件 1 0 1 0 b 其他1 0 1 l a 1 i o o b 1 1 1 l b 图3 3 文件类型定义 文件编号 文件编号是文件的标识符，每个文件具有不同的文件编号。如何进行 文件编号的设定，将在后面的章节中详细介绍。 版本标号 版本标号占用一个字节，标识该文件的版本，用来比较判断文件是否 已被更新。 数据长度 数据长度指文件内容区与c r c 校验和的总长度，占用两个字节，所以 每一帧的最大长度为6 4 k 字节。 序列标号 如果文件长度超过6 4 k 字节，则用序列标号来表示同一文件的文件帧 号数，使得系统具有传输处理大文件的能力。其中比特7 用作末帧标志， 为“1 ”时表示此帧是该文件的最后一帧。比特6 至比特0 为帧序列号， 表示此帧为该文件的第几帧，如图3 4 所示。 图3 4 序列标号的数据定义 因此一个文件最多可分为1 2 7 帧，所以信息文件的大小理论上必须小于 第三章数据协议制定 8 m b ( 1 2 7 6 4 k b ，由帧大小而定) ，过大的文件必须切成较小的文件。实用 中，文件的大小一般小于6 4 k b ，这样有利于提高机顶盒的效率和数据接收 的可靠性。 帧头校验 帧头校验是针对文件类型、文件编号、版本标号、数据长度和序列标 号8 个字节进行。由于帧头错误可能导致信息误处理等严重后果，有必要 对它单独进行校验，采用校验和方式。 文件内容 即文件数据，为整个文件或文件分段。 c r c 校验 采用4 个字节来对本文件帧进行检错。一旦发现错误，就将此帧丢弃。 如果文件大小超过6 4 k 字节而分割为多帧，则只丢弃错误帧，等待下一次 收到该正确帧后，再合并进行解读和显示。 3 2 2d v b - c 协议层( t s 包) 根据d v b c 标准，t s 包为定长( 1 8 8 b y t e s ) 的数据包，如图3 5 所示。 图3 5t s 包的格式 其中包头为： t s 包头f s y n c b y t e ：8 b i t ； t r a n s p o r t e r r o r _ i n d i c a t o r ：l b i t ； p a y l o a d u n i t s t a r ti n d i c a t o r ：l b i t ； t r a n s p o r t _ p r i o r i t y ：l b i t ； p i d ：1 3 b i t ； 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 ：2 b i t ； a d a p t a t i o n f i e l d c o n t r o l ：2 b i t ； c o n t i n u i t y c o u n t e r ：4 b i t ； ) s y n c b y t e 为同步头，为0 x 4 7 第三章数据协议制定 我们把每一路独立的数据业务一般都单独分配一个唯一的p i d 值，当 数据在机顶盒中解复援时，p i d 是区分不同业务数据的重要标志，如数据 信息的p i d 固定为0 x 6 4 ，股票信息的p i d 固定为0 x 4 8 。在音视频节目中， 一般视频和音频分占两个p i d 值。 根据标准建议，当我们把数据帧封装成若干t s 包时，采用了 p a y l o a d u n i t s t a r t i n d i c a t o r 作为帧起始标志，而t r a n s p o r t _ p r i o r i t y 作为帧 结束标志。 3 2 3 信道编码层 这套d i v b 系统q a m 模式下的信道编码层协议完全符合d v b c 标准。 信道编码层进行码流的填充并加入前向纠错编码。该层的工作由d v b c 标准设备q a m 调制器完成。 3 3 目录设计 分类目录的设计在本系统中非常重要，因为本系统为单向传输系统， 所以用户端的可检索性基本是由目录的分类设计是否合理确定。设计良好 的分类目录，其可检索性甚至能够超过交互式的检索引擎，这也是最近许 多知名的网站都转向目录式检索方式的原因。 目录设计的核心就是分类，分类应当符合绝大多数用户的需要和检索 习惯。通常的首页目录主要包括以下类型：新闻、天气、体育、娱乐、购 物、饮食、交通、住房、医疗、服务、旅游、就业、股票、教育、视频等， 图3 6 是给出了d v b 系统的一个演示首页。 图3 6d i v b 系统首页示范 二级子目录和三级子目录的分类也很重要，应当适合检索方便的要 2 3 第三章数据协议制定 求。例如：在新闻目录下的子目录网页可以有今日要闻，并列出要闻的标 题，每一标题下均有超级链，如果想浏览要闻，就可以直接点击这些超级 链。另外还可列出国际新闻，国内新闻和本市新闻的超级链；在天气目录 下的网页，首先显示本市今同天气及未来几日天气状况，并列出全国天气 和全球天气两个超级链，点击这些超级链就可以查看全国或全球其他城 市、地区的天气情况。 3 4 文件分类 在本系统数据协议中，文件i d 的前半个字节用于文件类型属性，这里 对已明确定义的文件类型及其特点作基本介绍。 3 41 系统信息( o x 0 1 ) 系统信息是指与整个系统有关的控制信息以及配置信息，将这些信息 提供给用户可以方便用户的使用，同时可以通过系统信息控制用户端的设 备。 我们现在利用系统信息传送系统时标。系统时标主要目的是向用户端 机顶盒提供一个标准的系统日历以及时钟，使整个有线电视数字信息广播 系统有统一的时间标准。 3 4 2 文件分类信息( o x 0 2 ) 即整个发送文件的分类目录结构文件，以便用户进行快速检索，提供 到最末目录一级( 一个循环周期发送一次) 。机顶盒开机后存储于内存中。 3 4 3 通知信息( o x 0 3 ) 通知信息是指不定时传送的重要新闻、消息等，它随时插入到文件的 数据流中。一般说来，通知信息都是比较简短的。 用户端电视浏览界面的最末一行规定为通知栏，专门用来播送紧急新 闻或通知，通知信息在通知栏从右向左滚动。用户在进行正常的文件浏览 时，可以随时检测到新来的通知信息，并将它显示在电视机的通知栏里。 用户也可以根据自己的需要关闭此通知栏。 2 4 第三章数据协议制定 3 4 4 收视控制信息( o x 0 4 ) 本系统的收费可以分为三种类型： 夺固定月费： 用户接收本节目要交固定的月费，可以由用户预交一定时间的费 用，如果用户过期不交，则停止用户对除系统信息、收视控制信息之外 的所有文件内容的接收。 夺特殊节目费： 例如股票行情之类的信息，可以单独收费。本系统支持向已经付费 用户开放指定时间的节目的功能，指定的时间可以根据用户的需求按照 天数进行限制，即所谓的按时计费。 夺点播节目： 对于个别用户的点播节目进行单独收费。收费方式为按次计费，即 用户每访问一次，就收费一次。 收视控制实现的基础是用户机顶盒硬件i d 编号分配。每个机项盒必 须有唯一的i d 编号，编号占用8 个字节，存放在r o m 中。用户在安装机 项盒时，有线电视网数字信息广播系统前端对机顶盒的i d 进行登记。当 用户交费后，前端在某个时段发出收视控制信息，其中包括用户机顶盒i d 、 所开放的目录或文件、开放的起始时间和截止时间等。为了可靠起见，这 种信息播放次数应该不止一次。 当用户的有效浏览时段结束时，机顶盒将自动检测到并关闭其浏览功 能，此时机顶盒仅能接收系统信息和收视控制信息，直到接收到有效的付 费信息，才重新开启各种信息文件浏览功能。 3 4 5h t m l 文件( o x 0 5 ) 供浏览的文本文件采用h t m l 格式，以便和现有的i n t e r n e t 网页格式 兼容。为减小开销，所采用的格式是简化的h t m l ，主要简化了交互功能部 分。用电视显示时，因为分辨率比较低，显示字体比较大，所以可以不支 持f r a m e 结构。 第= 章数据协议制定 与普通h t m l 文件的不同之处还在于，本系统中的超级链并不是指向 一个u r l ( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ) 地址，而是指向某一个文件的i d 编号，选中某一个超级链，就可以调出一个与之相对应的文件。 在h t m l 中保留了以下几种标签： a 文档编辑元素 ( h t m l o 级) ( h t m l o 级) ( h t m l o 级) ( h t m l o 级) 中间的所有内容都居中 b 标题风格标注 ( h t m l o 级) ： ( h t m l o 级) ： ( h t m l o 级) 英文字库尺寸：1 6 8 中文g b 2 3 1 2 字库尺寸1 6 1 6 英文字库尺寸：2 4 2 7 中文g b 2 3 1 2 字库尺寸：2 4 2 4 英文字库尺寸：3 2 3 6 中文g b 2 3 1 2 字库尺寸：3 2 3