（电路与系统专业论文）基于SOPC的数字光端机的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 数字光端机由于具有传输容量大，稳定可靠等优点，已经取代模 拟光端机成为有线数字电视网络中的主要设备。对它的研究和开发有 很大的经济效益。 论文在综合国内外研究状况的基础上，采用s o p c 技术实现数字 光端机的设计，论文只涉及到s o p c 中的硬件设计，包含为f p g a 的 设计和n i o si i 处理器的定制两部分。其中f p g a 的设计部分采用 v e r i l o g 语言进行编程，应用时分复用的技术对16 路a s i 码流实现二 级复接和解复接，在四路a s i 复接子板上实现一级复接，在四路a s i 解复接子板上实现一级解复接，在汇接主板上实现二级复接和二级解 复接。 论文所设计的数字光端机能够在1 根光纤传输1 6 路符合 m p e g 2 d v b 标准的a s i 码流，可以广泛应用于数字节目传输业务 的延伸以及台网之间的节目传输。数字光端机在硬件结构上分为光发 射机和光接收机，论文中的光发射机由四块四路a s i 复接子板和汇接 主板构成，光接收机由四块四路解复接子板和汇接主板构成。 论文所设计了数字光端机已投入商用，工作稳定，误码率低。采 用了时分复用实现了二级复接和解复接，极大地提高了光纤了利用 率。另外通过对t s 码流中的p c r 信息进行了调整，使p c r 抖动和 p c r 间隔这两项技术指标均满足要求。 关键词数字光端机，片上可编程系统，数字电视，异步串行接口 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sl a r g et r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , d i g i t a lo p t i c a lt e r m i n a lh a sq u i c k l yr e p l a c e dt h ea n a l o go p t i c a lt e r m i n a l a n db e c o m et h em a i ne q u i p m e n to fd i g i t a lc a b l et e l e v i s i o nn e t w o r k t h e r e f o r e i ti so fg r e a te c o n o m i cb e n e f i t st or e s e a r c ha n dd e v e l o pi t b a s e do nt h eo v e r a l la n a l y s i so ft h es i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ， t h e s i sa d o p t ss o p ct e c h n i q u et or e a l i z et h ed e s i g no ft h ed i g i t a lo p t i c a l t e r m i n a l t h et h e s i so n l yr e f e r st ot h eh a r d w a r ed e s i g no fs o p c ，w h i c h c o n s i s t so ft h ed e s i g no ff p g aa n dt h ec u s t o m i z a t i o no fn 1 0 si i p r o c e s s o r 1 1 1 ed e s i g no ff p g aa d o p t st h ev e r i l o gl a n g u a g ep r o c e s s i n gt o r e a l i z eh a r d w a r ef u n c t i o n s t h e d i g i t a lo p t i c a l t e r m i n a l a d o p t s t h e t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt og i v et h es i x t e e n c i r c u i ta s ic o d es t r e a ma s e c o n d a r ym u l t i p l e x i n ga n dd e m u x ，t or e a l i z ea f i r s to r d e rm u l t i p l e x i n go n t h ef o u r - c i r c u i ta s im u xd a u g h t e rb o a r d ，t or e a l i z eaf i r s to r d e rd e m u xo n f o u r - c i r c u i ta s id e m u xd a u g h t e rb o a r d ，a n dt or e a l i z eas e c o n d a r y m u l t i p l e x i n ga n dd e m u xo nt h ei n t e r c o n n e c t i o nm a i n b o a r d 。 t h et h e s i sh a sd e s i g n e dak i n do fd i g i t a lo p t i c a lt e r m i n a l ，w h i c hc a n t r a n s f e rs i x t e e n c i r c u i ta s ic o d es t r e a m sw i t ht h e s t a n d a r do f m p e g 2 d v bo nas i n g l ef i b e r i tc a nb ew i d e l ya p p l i e dt ot h ee x t e n s i o n o ft h e d i g i t a lp r o g r a m s t r a n s m i s s i o n s e r v i c e sa n dt h e p r o g r a m s t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt e l e v i s i o ns t a t i o n sa n dt e l e v i s i o nn e t w o r k d i g i t a l o p t i c a lt e r m i n a lc o n s i s t so fo p t i c a lt r a n s m i t t e ra n do p t i c a lr e c e i v e r o p t i c a l t r a n s m i t t e rc o n s i s t so f f o u rp i e c e so ff o u r - c i r c u i ta s im u xd a u g h t e rb o a r d a n di n t e r c o n n e c t i o nm a i n b o a r d ，a n do p t i c a lr e c e i v e rc o n s i s t so f f o u rp i e c e s o ff o u r - c i r c u i td e m u xd a u g h t e rb o a r da n di n t e r c o n n e c t i o nm a i n b o a r d w i t ht h ef e a t u r e so fs t a b l eo p e r a t i o na n dl o we r r o rc o d er a t e 。t h e d i g i t a lo p t i c a lt e r m i n a l ，d e s i g n e db yt h et h e s i s ，h a s b e e na p p l i e dt o c o m m e r c i a lu s e i ta d o p t st i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt or e a l i z eas e c o n d a r y m u l t i p l e x i n ga n dd e m u x ，w h i c hh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h eu t i l i z a t i o no f f i b e r b e s i d e s ，b ya d i u s t m e n to f p r ci n f o r m a t i o no f t sb i ts t r e a m ，b o t ht h e t e c h n i q u ei n d e x e so fp r c j i t t e ra n dp r cs p a c i n gm e e tt h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d sd i g i t a lo p t i c a lt r a n s c e i v e r , s o p c ，d i g i t a lt e l e v i s i o n ，a s i 原创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：导师签名 日期：年一月一目 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 近年来，数字电视迅猛发展，面临数据容量大，传播距离长，可靠性高等要 求。数字电视按信号传输方式分类：可以分为地面无线传输( 地面数字电视 d v b t ) 、卫星传输( 3 2 星数字电视d v b s ) 、有线传输( 有线数字电视d v b c ) 三 类【1 。3 】。地面无线传播采用微波进行传播，优势是可移动，但带宽小【甜。卫星传输 距离也很长，唯容量和寿命有限。以往的有线传输采用同轴电缆，但电缆对信号 的衰减较大，容易失真，可靠性不高。而光纤传输的优势是容量大和传输距离远， 可靠性高。现在光纤逐渐取代同轴电缆成为有线传输的主要媒介。可以想象，近 距离小容量的数据接入趋向采用无线接入或以同轴电缆为媒介的有线传输，而大 容量的视频影视采用光纤传输。 在整个数字电视系统中，数字光端机是其中的一个核心器件。本文所设计的 数字光端机处理的信号是对( 数字照相机、计算机、数字编辑机、数字字幕机等) 数字信号按m p e g 2 标准压缩编码后形成的a s i 信号。实现的功能在光发送机 将1 6 路a s i 信号复接成一路信号经过光纤传输。在光接收机接收光纤信号，并 按用户的需求进行解复接，生成1 6 路a s i 信号输出。 1 1 1 数字电视的发展 世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电 视是这一变革中的关键环节。半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广泛的关注，各发达国家根据自己 的国情，已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。数字电视成了继电信引爆i t 之后的又一大热点。 世界广播电视已经进入数字化时代，早在2 0 0 3 年，各国政府制订了一系列时间 表。美国原计划在2 0 0 6 年关闭模拟电视；英国原计划在2 0 1 0 年关闭模拟电视： 日本原计划2 0 0 6 年实现数字电视全国覆盖，2 0 1 1 年关闭模拟电视。芬兰、瑞典、 挪威、意大利关闭模拟的时间表为2 0 0 7 年到2 0 0 8 年，澳大利亚、韩国、法国、 西班牙、德国、丹麦等国计划于2 0 1 0 年关闭模拟，我国政府亦提出了继续实施 数字电视等对国民经济发展有深远影响的重大高技术工程，并在“十五 计划中 明确规划了中国数字电视的时问表，2 0 0 3 年全面开展有线数字电视，2 0 0 5 年有 线数字电视用户达3 0 0 0 万户，到2 0 1 5 年，我国将关闭模拟电视。 根据国家广电总局总体规划，将以科技创新为先导、以信息化为目标、以新 硕士学位论文第一章绪论 业务发展为龙头、以广播电视数字化为突破口、全面推进广播电视的数字化，在 有条件地市级以上的城市全面推进广播电视由模拟向数字整体转换，加速实现广 播影视制作、播出、传输、接收等各环节的数字化。并于2 0 0 3 年初提出了发展 数字电视的步骤是先有线、后直播卫星、再地面无线的“三步走”战略，即2 0 0 3 年全面推进有线数字电视；2 0 0 5 年开展数字卫星直播业务，开始地面数字电视 广播试验；2 0 0 8 年全面推广地面数字电视广播。 电视数字化革命的必然性根源于它的相对优势：更高的频带利用率、更清晰 的画面和更逼真的音质，再加上数字电视有利于实现电视广播与计算机网络的融 合，还能很容易地实现加扰解扰。 1 1 2 有线电视传输 数字电视广播，其信号流程包括制作( 编辑) 、信号处理、广播( 传输) 和接收( 显 示) 几个过程1 5 捌。目前用于数字节目制作的手段主要有：数字摄像机和数字照像 相机、计算机、数字编辑机、数字字幕机；用于数字信号处理的手段有：数字信 号处理技术( d s p ) 、压缩、解压、缩放等技术；用于传输的手段有：地面广播传 输、有线电视( 或光缆) 传输、卫星广播( d s s ) 及宽带综合业务髓j ( i s d n ) 、d v d 等； 用于接受显示的手段有：阴极射线管显示器( c r t ) 、液晶显示器、等离子体显示 器、投影显示( 包括前投、背投) 等。 在传输的手段上，有线电视传输是一种主要的传输方式。传统的有线电视网， 以同轴电缆作为唯一的传输媒介，电缆对信号的衰减较大，线路中要安装一系列 放大器、均衡器，导致了噪声、频率失真与非线性失真的沿线积累，使信号质量受 到严重影响。 随着光纤通信的发展，光纤已逐渐代替电缆和微波成为一种主要的传输媒 介。在广播电视领域，以光缆网络为基础的网络建设，是通信网络的主要基础。 光缆网络是城市最可靠的数字电视和数据传输链路，现在，从电视台总控机房到 卫星上行站、有线电视网或发射台传输信号都选择使用光缆。通过光纤网络传输 电视直播信号，改变了以往只靠微波中继传输的方法，也消除了由于微波中继引 起的噪声，而且保证了信号的可靠性。 现在的有线电视网一般为h f c ( h y b r i df i b e r - c o a x ) 网，即光纤同轴混合网。 它是一种新型的宽带网络。采用光纤到服务区，进入用户的“最后一公里”采用 同轴电缆。h f c 宽带综合信息网是以光纤作为有线电视传输干线，同轴电缆作 为接入网的有线电视网，它不仅可以传送众多的电视节目，而且还能传输数据信 号，是一个频带宽、抗干扰能力强、可靠性高的交互式网络。 h f c 宽带数据网与传统电缆网的主要区别是：干线部分被光缆代替。是双 向交互式网络；传输质量高，可以传输更远的距离。更高的容量；可靠性大为提 2 硕士学位论文第一章绪论 高。 1 1 3 光纤通信系统 光纤通信之所以发展迅猛，主要缘于它具有传输频带极宽，通信容量很大； 传输速率高，衰减低，串扰小，抗干扰能力强，信号传输质量商：同时光纤尺寸 小，重量轻，便于传输和铺设【 o j 。它是商性能通信网络的重要组成部分，在电 视台的节目数字化制作网中，它是高质量的视音频实时业务的最理想传输介质。 因此，光纤在通信网，广播电视网，计算机网，以及在其他数据传输系统中，都 得到了广泛应用。 光纤通信系统是以光波作为载波，以光纤作为传输媒介的通信系统。光纤通 信系统由光发射机、光接收机、光中继器、光纤连接器及耦合器的无源器件等五 个部分组成。光端机是光纤通信系统的核心设备，光端机分为光发射机和光接收 机，它们的性能直接影响整个通信系统的传输质量。光纤通信系统中对来自信息 源的信号传送到发送端的光端机，光发射机则是将光源通过电信号调制成光信 号，输入光纤传输至远方：接收端的光端机内有光检测器将来自光纤的光信号还 原成电信号。经放大、整形、再生后恢复还原输出。 1 1 4 光端机的应用 随着我国城市交通和数字电视，安防产业的快速发展，对监控系统，数字电 视传输系统中的设备要求也越来越高。如何将实时的路面交通信息，包括图像、 声音和数据高质量地传输到管理部门或指挥中心，如何实时，可靠地将大容量的 高清数字电视信号在电视台，各网络运营商，终端用户等之间传输成为关键问题。 光端机作为完成上述功能的主要设备之一，在国内的需求越来越大，功能要求也 越来越高。 目前光端机大量应用在有线电视，高速公路、交通、电子警察、监控、安防、 工业自动化、电力、海关、水利、银行等领域【1 1 4 1 。在数字电视领域，主是是电 视台与各网络运营商之间的节目交换等。如： a 台网之间，用于各省数字电视平台节目的台网间的传输。将电视台的节目送 到网络公司使用。 b 全球转播，例如在博鳌亚洲论坛2 0 0 3 年年会的全球转播中。海南电视台通 过a s i 光端机将信号传输至相距6 0 公罩的发射站，发射站再通过卫星将信 号发射到全球。 c 电视台之间，例如市级的数字电视节目或视频业务通过光端机将信号送到周 边的县电视台。 1 1 。5 数字光端机的主流地位 光端机从传输方式上可分为模拟光端机和数字光端机。模拟光端机在光端机 硕士学位论文第一章绪论 的发展前期占主导地位，模拟光端机是将要传输的信号进行幅度、频率或相位调 制，根据调制方式的不同分别称为调幅、调频、调相光端机，然后将调制好的电 信号转换成光信号。在接收端将光信号还原成电信号，再把这信号进行解调，还 原出图像、语音或数据信号。也就是将视频、音频、数据的幅度对一高频载波信 号进行调制，使高频载波信号的幅度随视频、音频、数据的幅度变化而变化。 它一般采用p f m 调制技术来实时地传输图象，视频等信号。发射端将模拟 视频信号先进行p f m 调制后，再进行电光转换，光信号传到接收端后，进行光 电转换，然后进行p f m 解调，恢复出视频信号。由于采用了p f m 调制技术， 其传输距离很容易就能达到3 0k m 左右，有些产品的传输距离可以达到6 0k m ， 甚至上百公里。并且，图象信号经过传输后失真很小，具有很高的信噪比和很小 的非线性失真。通过使用波分复用技术，还可以在一根光纤上实现图象和数据信 号的双向传输，满足监控工程的实际需求。 数字光端机是将所要传输的图像、语音以及数据信号进行数字化处理，再将 这些数字信号进行复用处理，使多路低速的数字信号转换成一路高速信号，并将 这一信号转换成光信号。在接收端将光信号还原成电信号，还原的高速信号分解 出原来的多路低速信号，最后再将这些数据信号还原成图像、语音以及数据信号 1 5 - 1 6 】。如1 v p p 幅度范围的幅度信号利用1 2 b i t s 的数字信号来表示，1 v 等分成 4 0 9 6 ，因此模数转换后引起的最大电压幅度误差为1 4 0 9 6 v ( 约2 5 m v ) ，此误差 电压称为量化误差电压，各种幅度的电压数值从o v 、1 4 0 9 6 v 、2 4 0 9 6 v 最大 l v分别对应的数字编码为0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 l1 11 11 11 111 1 。数字编码信号直接控制光头发射的光信号的强、 弱两种状态( 对应o 或1 ) ，接收光端机再将数字编码进行数字模拟转换，恢复 成原始的基带的视频、音频、数据信号。 由于数字技术与传统的模拟技术相比在很多方面都具有明显的优势，所以正 如数字技术在许多领域取代了模拟技术一样，光端机的数字化也是一种必然趋 势。由于数字光端机具有传输信号质量高，没有模拟调频、调相、调幅光端机多 路信号同传时交调干扰严重、容易受环境干扰影响、传输质量低劣、长期工作稳 定性差的缺点，因此许多大型重点工程已普遍采用数字光端机。 1 2 数字光端机的研究概况 我国光端机产业发展的历史，至今也不过是短短七、八年的时问。但这中间 却已经经历了我国光端机行业的萌芽和快速发展。由于市场的过快增长和政府监 管的缺位，目自订国内光端机市场正处于三国鼎一、- l h ”u 的战国时代。 数字光端机在我国的应用是从2 0 0 1 年开始的。早期国内的光端机市场基本 4 硕士学位论文第一章绪论 处于被i f s ，o s d ，o p t e l e c o m 等国外品牌垄断的局面，并且价格昂贵，尤其 是多路的高端产品，国产光端机更是没有一席之地。彼时光端机售价和衬润也处 于超暴利时代，市场基本处于萌芽状态。 从2 0 0 1 年起，国内厂商逐渐开始自主研发光端机产品。老一代光端机厂家 主要以仿制国外模拟调频光端机为主，市场需求也开始增多。从2 0 0 2 年到2 0 0 4 年期间，是国内光端机企业发展的黄金时间，光端机利润极度丰厚，市场容量进 一步扩大，目前市场上的知名品牌如江苏新创、北京兆维、武汉微创、北京蛙视、 上海华敏光通讯、北京光桥、深圳博康、天津天地伟业、深圳诺龙、北京飞博来 特、广州邮科网络等光端机专业厂商大多在这段时间成长、壮大。 从2 0 0 4 年到2 0 0 6 年间，随着全国公安系统的科技强警示范城市建设和平安 工程建设开始推进，全国高速公路、交通、铁路、水利等基础建设也开始大量投 资建设，这些项目的配套监控工程也开始大量投入，而国产的光端机从简单的单 路、功能单一走到了多路、多功能。单模光缆和光端机也逐步成熟，使得传输距 离更远，效果更好。国内光端机企业的市场份额不断上升。在国内品牌的围剿下， 国外品牌在国内的市场开始急剧萎缩。 目前，数字光端机常用于监控，安防，数字电视等领域。 用于监控，安防领域的数字光端机处理的视频，音频数据的信息量不是很大， 故一般是没有经过压缩编码的，目前此类光端机的整个系统一般由三部分组成： 第一部分是d ，d a 转换，一般是将模拟的视频，音频数据经过a d 转 换数字信号，或将数字信号经过d a 转换为模拟的视频，音频数据。 第二部分为数字复接和数字解复接模块，主要用c p l d 或f p g a 来实现。数 字复接采用时分复用技术，指将若干个低速率的数字信号按一定的规律和方法合 并成一个高速率的数字信号，复接方式分为按位复接，按字复接，按帧复接三种。 数字解复接则是将高速率的数字信号解复接为低速率的数字信号【1 7 1 9 1 。 第三部分是光发射及接收模块，光发射模块的作用是将电信号的数字脉冲转 化为光信号，通过光纤发送出去，光接收模块的作用是将微弱的光信号转化为电 信号并予以放大，恢复出数字脉冲信号。都是采用专用的通信芯片实现 2 0 - 2 1 j 。 在数字电视广播领域，由于处理的视频，音频数据的信息量很大，常采用了 m p e g 一2 标准进行了压缩编码，用编码器实现，编码器输出的数字信号一般采用 a s i 信号。见图1 1 。故用在数字电视领域的数字光端机直接对a s i 信号进行处 理，不需要模数和数模转换。 另外在数字复接和解复接部分，由于m p e g 2 标准，复接的方式一般采用的 按数据包进行复接，很少采用按位或按字进行复接。在解复接时，还需要进行码 率的调整，即恢复码流复接前的码率。在对码流进行复接和解复接时，容易造成 硕士学位论文 第一章绪论 p c r 的抖动错误和p c r 间隔错误。对此，常采用二种方法，一种是对原有的p c r 进行调整，另一种是舍弃原来的p c r ，重新生成新的p c r 2 2 。2 7 1 。前一种方法可 有效降低p c r 的抖动，但不能消除，优点是占用的资源少。后一种方法可以基 本上可以消除p c r 的抖动，缺点是占用的资源较多。本文采用的是第一种方法。 数字光端机 数字阈 a s i 光 光纤 光a s _m p e l - 2一篮呈 发接 型 射收一，1 解码器l 信号 i 一 机 机 i - _ j 源 1 3 论文结构 图1 1 数字光端机在数字电视中的一个应用 论文所设计的数字光端机的功能是能够将数字光发射机中1 6 路a s i 信号中 的任何一路a s i 信号能够从数字光接收机中用户指定的某一路a s i 端口输出。 这种光端机主要用于数字电视领域，如：电视台之间或电视台与传输机房之 间近距离节目传输；各个行业监控系统或视频会议系统a s i 信号的光纤传输。 a s i 数字光端机由数字光发射机和数字光接收机两部分组成，数字光发射机 和数字光接收机都是由子板和主板构成，其中主板在数字光发射机和数字光接收 机中都一样，唯有子板不一样。主板和子板通过插槽连接。根据需要处理的a s i 信号的路数来决定需要插入子板的个数。即当只需要处理1 2 路a s i 信号时，则 只需要插入3 块子板。这样使整个系统具有灵活性。 数字光发射机负责对1 6 路a s i 信号进行复接，然后转换成光信号发出。数 字光接收机负责将光信号转换为电信号，并将其解复接。 整个系统采用s o p c 技术实现，本人的主要工作只涉及到s o p c 的硬件设计 部分，分为f p g a 的外围硬件电路的设计，用v e r i l o g 语言编写的f p g a 硬件模 块和n i o si i 处理器系统的定制这三个部分。至于s o p c 的软件设计部分，在 n i o si i 处理器中编写驱动程序和应用程序则没有涉及到。 本论文的结构如下： 第一章：主要介绍研究的背景和义，主要介绍了光纤通信的优越性和数字光 端机在我国的研究概况，以及相对于模拟光端机，数字光端机的优势。 第二章：主要介绍了数字光端机的基本原理和硬件设计方案。 第三章：f p g a 外围硬件电路的设计。 第四章：基于s o p c 系统的数字光端机的f p g a 硬件模块设计。 6 硕士学位论文第一章绪论 第五章：基于s o p c 系统的数字光端机中的n i o si i 处理器系统的设计。 第六章：总结和展望。 7 硕士学位论文第二章基本理论及硬件设计方案 第二章基本理论及硬件设计方案 2 1 数字电视系统及标准 一个完整的数字电视系统同模拟电视广播系统一样，也是由节目源、广播和 接收三大环节组成，数字电视系统主要由信源编解码、节目流与传送流多路复用 解多路复用、信道传输、信道编解码等设备组成。其中信源编码主要包括视频 编码、音频编码、数据编码三部分，信道编码主要是采用r s 编码、数据交织 t c m 联合编码调制等技术，调制方案可以采用q p s k 、q a m 、c o f d m 、v s b 等 调制技术。在接收端，可以采用数字电视接收机，它应具备调谐接收、解调、解 扰、解多路复用等功能，能将m p e g 2 压缩编码后的码流解码还原成为视频、 音频信号，从而重现数字演播室传送来的图像与伴音节目；也可利用模拟电视接 收机+ s t b ( 数字机顶盒) 的方式实现接收，其中数字机顶盒应具有调谐接收、解调、 解扰、解多路复用等功能，解码后输出模拟视频、音频信号，由模拟电视接收机 的显示器部分显示图像与伴音节目【2 8 】。 国际电信联盟( 1 t u ) 已经批准的数字电视广播标准体系有三种： 一是以美国为首的a t s c 数字电视标准，该标准中基于h d t v 电视，并同 时支持s d t v 和h d t v ，编码采用m p e g 2 视频压缩和a c 3 音频压缩，数字 调制采用8 v s b 或1 6 v s b 残留边带调制方式，信道编码采用r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 编码； 二是以欧洲为中心的d v b 数字电视广播标准，该标准与a t s c 标准不同， 是以s d t v 为起点，音频、视频编码和系统复用均采用m p e g 2 标准，目前， 该组织已经分别制订了数字电视卫星广播标准d v b s ( 采用q p s k 调制) 、数 字电视有线广播标准d v b c ( 采用q a m 调制) 、数字电视地面广播标准d v b t ( 采用c o f d m 调制方式) ； 三是日本n h k 推出的i s d b 标准。 其中，又以d v b 标准最为世界各国接收并广泛采用。 中国政府有关部门自2 0 世纪9 0 年代初以来，组织开展了数字电视传输体制 和标准的研究开发工作，在数字电视标准方面，目前已经确定数字电视卫星广播 采用欧洲的d v b s 标准，有线广播也在广电行业内默认采用d v b c 标准。 本文设计的数字光端机用于数字电视的有线广播领域，采用的是d v b c 标 准。 2 1 1m p e g 2 标准 m p e g 是运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 的简称，其实质上的 8 硕士学位论文第二章基本理论及硬件设计方案 名称为国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 联合技术委员会( j t c ) 1 的第2 9 分委员会的第1 1 工作组，即i s o i e cj t c l s c 2 9 朋g 1 1 ，成立于1 9 8 8 年【2 2 1 。其任务是制定世界通用的视音频编码标准。因为，广播电视数字化所产生 的海量数据对存储容量、传输带宽、处理能力及频谱资源利用率提出了不切合实 际的要求，使数字化难以实现。为此，该专家组基于帧内图像相邻像素间及相邻 行间的空间相关性和相邻帧间运动图像的时间相关性，采用压缩编码技术，将那 些对人眼视觉图像和人耳听觉声音不太重要的东西及冗余成分抛弃，从而缩减了 存储、传输和处理的数据量，提高了频谱资源利用率，制定了一系列m p e g 标 准，使数字化j 下在变为现实。 其中，m p e g 2 于1 9 9 4 年1 1 月公布，是一组用于视音频压缩编码及其数据 流格式的国际标准。它定义了编解码技术及数据流的传输协议；制定了m p e g 2 解码器之间的共同标准( m p e g 一2 编码器之间尚无共同标准) 。m p e g 2 标准即 i s o i e c1 3 8 18 标准，主要用于从高清晰度电视( h d t v ) 至u 标准清晰度电视( s d t v ) 的视频及声音信号以及向下兼容，适用于1 5 m b p s - - - 4 0 m b p s ，甚至更高标准的压 缩编码范围。 m p e g 2 目前分为9 个部分，简述如下 2 9 3 ： 第l 部分为系统部分。主要解决一个或多个视频、音频和数据基本码流的系 统层编码问题。压缩后的基本码流与解码的信息一起组合、打包，产生打包基本 码流( p e s ) ，然后根据不同的运用环境将这些p e s 又组合成节目流( p s ) 或传输流 ( t s ) 。 第2 部分为视频部分。按清晰度将图像综合为4 个等级，同时按使用的工具 和方法的不同分为5 个类别。 第3 部分为音频部分。音频与m p e g 1 音频标准反向兼容，并支持多通道音 第一章绪论频编码。 第4 部分为测试标准。包括地面、有线、卫星等多种接收技术参数。 第5 部分为软件模拟。规定了软件模拟下的码流原则，注重多媒体兼容性。 第6 部分为与数字存储体的关系。规定了数字存储体指令和控制协议 ( d s m c c 协议) ，同时支持单独或网络环境下的d s m c c 模式，将码流从服务 器传输到用户。 第7 部分规定了不与m p e g 1 多通道音频编码反向兼容。 第8 部分原计划用于1 0 b i t 视频抽样编码，己停用。 第9 部分规定了传输码流的实时。 m p e g 一2 是声音和图像信号数字化非常重要的音视频压缩编码标准，广泛应 用于数字电视的地面广播、卫星广播和有线广播。 9 硕士学位论文 第二章基本理论及硬件设计方案 本文设计的数字光端机所处理的信号是经过采用m p e g 2 标准编码压缩后 的视频和音频数据流。 2 1 2m p e g 2 系统 m p e g 2 标准中的第一部分即m p e g 2 系统是是其关键部分。m p e g 以开放 系统互联( o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 为目标，争取全球标准化。在详细规 定视音频编码算法的基础上，为传输和交换编码数据流( 比特流，码流，流) 创 造统一条件。以利于接收端重建为指导，按照既定的参数给数据流以一定程度的 “包装”。因此，m p e g 一2 系统应完成的任务有： 1 规定以包方式传输数据的协议； 2 为收发两端数据流同步创造条件： 3 确定将多个数据流合并和分离( 即复用和解复用) 的原则； 4提供一种进行加密数据传输的可能性。 根据数字通信信息量可以逐段传输的机理，将已编码数据流在时间上以一定 重复周期结构分割成不能再细分的最小信息单元，这个最小信息单元就定义为数 据包，几个小数据包( d a t ap a c k e t ) 又可以打包成大数据包( d a t ap a c k ) 。用数 据包传输的优点是：网络中信息可占用不同的连接线路和简单暂存；通过数据包 交织将多个数据流组合( 复用) 成一个新的数据流；便于解码器按照相应顺序对 数据包进行灵活地整理。从而，数据包为数据流同步和复用奠定了基础。因此， m p e g 一2 系统规范不仅采用了p s 、t s 和p e s 三种数据包，而且也涉及p s 和t s 两种可以互相转换的数据流。显然，以数据包形式存储和传送数据流是m p e g 2 系统的要点，见图2 1 。 来自视频 2 7 m h z 的时钟 厂 黝数嘲 l 竺竺竺i甲醪瘟 勰竿爵 学会欧洲 r 播联盟 二_m p e g - 2 系统规范一一l 一 图2 1m p e g 2 系统框图 本文所设计的数字光端机应用在有线数字电视系统中，采用的传输流为t s l o 硕士学位论文第二章基本理论及硬件设计方案 流。 ( 1 ) 打包基本流( p e s ) 将m p e g 2 压缩编码的视频基本流( e s e l e m e n t a r ys t r e a m ) 数据分组为包 长度可变的数据包，称为打包基本流( p e s p a c k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ) 。广而 言之，p e s 为打包了的专用视频、音频、数据、同步、识别信息数据通道。所谓 e s ，是指只包含1 个信源编码器的数据流。即e s 是编码的视频数据流，或编码 的音频数据流，或其它编码数据流的统称。每个e s 都由若干个存取单元 ( a u a c c e s su n i t ) 组成，每个视频a u 或音频a u 都是由头部和编码数据两部分组 成的。将帧顺序为1 1 p 4 8 2 8 3 p 7 8 5 8 6 的编码e s ，通过打包，就将e s 变成仅含 有1 种性质e s 的p e s 包，如仅含视频e s 的p e s 包，仅含音频e s 的p e s 包， 仅含其它e s 的p e s 包。 ( 2 ) 节目流( p s ) p s 包长度比较长且可变，用于无误码环境，适合于节目信息的软件处理及 交互多媒体应用。但是，p s 包越长，同步越困难；在丢包时数据的重新组成， 也越困难。显然，p s 用于存储( 磁盘、磁带等) 、演播室c d i 、m p e g 1 数据流。 l b p1b i t , 1b i t ,1b i t - j 1 3b i b j2b i t , j2b i 似4b i p 同步一传输误码有效负载传输+ jp i d p 传输加拨 自适应一连续一 字节p指示符一 单元起始优先p 攘黔 控制p计数器p 指示符， 一 j 4 b , j 最大1 8 4p 包头p自适应区( 可选) p翎辨 p 、 l b p i b o1 8 2b 一 自适应区j标志p 的标志有关) 区长p ： 1b i t olb i t 31b i t , jlb i t , j lb i t , 。lb i t , 1b i t , j lb i t , 3 间断j随机存储基本码流p e r ，j接点j传输专用原始p c r自适应区 指示符p指示符p优先指示 标志p标志p数据标志=标志p扩展标志= 符p p i e ) p a c k e ti d 咖f i 盯( 包识别 p c rp r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e ( 节目时钟基准p 图2 - 2m p e g 2 传输流结构 硕士学位论文第二章基本理论及硬件设计方案 ( 3 ) 传输流( t s ) 将具有共同时间基准或具有独立时间基准的一个或多个p e s 组合而成的单 一的数据流称为传输流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 。t s 实际是面向数字化分配媒介( 有 线、卫星、地面网) 的传输层接口。t s 包结构如图2 2 所示。 t s 包由包头、自适应区和包数据3 部分组成。每个包长度为固定的1 8 8b ， 包头长度占4b ，自适应区和包数据长度占1 8 4b 。1 8 4b 为有用信息空间，用于 传送已编码的视音频数据流。当节目时钟基准( p c r - p r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e ) 存在时，包头还包括可变长度的自适应区，包头的长度就会大于4b 。考虑到与 通信的关系，整个传输包固定长度应相当于4 个a t m 包。考虑到加密是按照8b 顺序加扰的，代表有用信息的自适应区和包数据的长度应该是8b 的整数倍，即 自适应区和包数据为2 3 x 8b = 1 8 4b 。 t s 包的包头由如图所示的同步字节、传输误码指示符、有效载荷单元起始 指示符、传输优先、包识别( p i d p a c k e ti d e n t i f i c a t i o n ) 、传输加扰控制、自适应 区控制和连续计数器8 个部分组成。其中，可用同步字节位串的自动相关特性， 检测数据流中的包限制，建立包同步；传输误码指示符，是指有不能消除误码时， 采用误码校正解码器可表示1 b i t 的误码，但无法校正；有效载荷单元起始指示 符，表示该数据包是否存在确定的起始信息；传输优先，是给t s 包分配优先权； p i d 值是由用户确定的，解码器根据p i d 将t s 上从不同e s 来的 t s 包区别出来，以重建原来的e s ：传输加扰控制，可指示数据包内容是否 加扰，但包头和自适应区永远不加扰；自适应区控制，用2b i t 表示有否自适应 区，即( 0 1 ) 表示有有用信息无自适应区，( 1 0 ) 表示无有用信息有自适应区， ( 1 1 ) 表示有有用信息有自适应区，( 0 0 ) 无定义；连续计数器可对p i d 包传送 顺序计数，据计数器读数，接收端可判断是否有包丢失及包传送顺序错误。显然， 包头对t s 包具有同步、识别、检错及加密功能。 t s 包自适应区由自适应区长、各种标志指示符、与插入标志有关的信息和 填充数据4 部分组成。其中标志部分由间断指示符、随机存取指示符、e s 优化 指示符、p c r 标志、接点标志、传输专用数据标志、原始p c r 标志、自适应区 扩展标志8 个部分组成。重要的是标志部分的p c r 字段，可给编解码器的2 7 m h z 时钟提供同步资料，进行同步。其过程是，通过p l l ，用解码时本地用p c r 相 位与输入的瞬时p c r 相位锁相比较，确定解码过程是否同步，若不同步，则用 这个瞬时p c r 调整时钟频率。因为，数字图像采用了复杂而不同的压缩编码算 法，造成每幅图像的数据各不相同，使直接从压缩编码图像数据的丌始部分获取 时钟信息成为不可能。为此，选择了某些( 而非全部) t s 包的自适应区来传送 定时信息。自适应区无须伴随每个包都发送，发送多少主要由选中的t s 包的传 1 2 硕士学位论文第二章基本理论及硬件设计方案 输专用时标参数决定。标志中的随机存取指示符和接点标志，在节目变动时，为 随机进入i 帧压缩的数据流提供随机进入点，也为插入当地节目提供方便。自适 应区中的填充数据是由于p e s 包长不可能正好转为t s 包的整数倍，最后的t s 包保留一小部分有用容量，通过填充字节加以填补，这样可以防止缓存器下溢， 保持总码率恒定不变。 有线数字电视传送采用的是m p g e 2 传输流，见图2 2 。m p e g 2 数据流由 1 8 8 个字节的包组成，其中，一个字节用于同步，包头的另三个字节用于业务识 别，加扰和控制信息。随后的1 8 4 个字节为有效数据或附加数据。 2 1 3a s i 传输系统 在m p e g 2 标准的附录a 中，描述了以t s 流的形式发送和接收m p e g - 2 数据的设备的三种接口，即同步串行接口( s s i ) ，同步并行接口(