（微电子学与固体电子学专业论文）catv数字机顶盒的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 网络技术、知识经济的到来，导致信息量的急剧增大，传统的信息传输方式 已经不能适应社会的发展。各种宽带网络纷纷出现，以其中网络建设最成熟的 h f c 最具有代表性。h f c 网络的特性表现为核心网络普遍实现了光纤化，其带宽 完全可满足当前通信的需要，在接入端采用已经非常普遍的有线电缆网络，这样 扩大了对宽带网络终端设备的需求。各种机顶盒层出不穷，其中本文讨论的单片 式机顶盒就是其中最优秀的一种一) 本文主要阐述了首次采用单片式解决方案实现终端设备机顶盒设计的方法和 实现过程，提供数字视频广播和点播等宽带信息服务功能。整篇文章分四个部分 来讨论。 第一部分简要介绍了当今数字视频广播和视频点播的发展状况，着重强调了 c a t v 数字机顶盒所使用的光纤同轴电缆混合网。 第二部分重点讨论了应用于机顶盒的技术标准。包括d v b 标准、q a m 调制 技术以及m p e g 2 编码解码技术。 第三部分以软件工程的观点论述了机顶盒的整体设计。具体表现在硬件的模 块化和软件的层次化，顺应了国际上广泛流行的开发规程，这是整个设计过程中 最关键和最核心的部分，保证了开发的成功和顺利。 第四部分详尽地分析了硬件各个模块的具体实现和电路图，以及与硬件设计 和调试息息相关的软件驱动层的实现。f 包括解调模块、解复模块、解码模块、用 户控制模块和外部功能电路模块。 、 最后对机顶盒的设计和实现作了全面的总结。 本文所讨论的s t b 2 1 0 0 单片式机顶盒很好地满足了终端设备的要求，设计新 颖和先进。通过实践的检验，机顶盒工作稳定，性能优秀，在技术上处于国内领 先地位。j 关键词：数字机顶盒，数字视频广播q a m 解调m p e g 2 解码 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e c o m i n g n e t w o r k t e c h n o l o g ya n dk n o w l e d g ee c o n o m y m a d et h eg r e a ti n c r e a s e o fi n f o r m a t i o n n l et r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o np a t t e mo fi n f o r m a t i o ni sn o ts u i t a b l ef o r t h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y av a r i e t yo fb r o a d b a n dn e t w o r k se m e r g e di n c l u d i n gt h e t y p i c a lh f c i tf e a t u r e st h ec o r en e t w o r ku s i n gf i b e rw h i c hm e e t st h ed e m a n do f t o d a y sc o m m u n i c a t i o n s n l ec a b l en e t w o r k i sa d o p t e da st h ea c c e s st e r m i n a ln e t w o r k i t e x p a n d st h em a r k e to ft e r m i n a l s p e o p l ed e s i g n e dm a n ys e tt o pb o x e s t h eb o x d e s c r i b e di nt h i sa r t i c l ei sap e r f e c to n e i nt h i sa r t i c l e ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es e tt o pb o xi sd e s c r i b e d u s i n gt h er e s o l u t i o no f s c 2 0 0 0s i n g l ec h i pf i r s t ，i ti m p l e m e n t sb r o a d b a n di n f o r m a t i o n s e r v i c e ss u c ha sd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n ga n dv i d e oo nd e m a n d t i l i sa r t i c l ei s d i v i d e di n t of o u r p a r t s ： i nt h ef i r s tp a r t , t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n ga n dv i d e o o nd e m a n di si i m r o d u c e dw i t ha ne m p h a s i so f t h eh y b r i dn e t w o r ko f f i b e ra n dc a b l e i nt h es e c o n dp a r t , t h et e c h n o l o g ys t a n d a r d sw h i c ha r eu s e di nt h es e tt o pb o xi s d e s c r i b e d i ti n c l u d e sd v bs t a n d a r d 、q a md e m o d u l a t i o na n d 四e g - 2e n c o d ea n d d e c o d et e c h n o l o g y i nt h et h i r dp a r t ，t h ew h o l ed e s i g no ft h es e tt o pb o xi sd i s c u s s e da tt h ev i e wo f s o f t w a r ee n g i n e e r i na c c o r d a n c eo fp r o c e d u r e so fi n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h ，t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ew i t l lm o d u l e sa r ed e s i g n e d i ti s 也em o s tc e n t r a lp a r tw h i c he n s u r e dt h e s u c c e s s n l e i m p l e m e n t a t i o n c i r c u i td i a g r a m s a n dd r i v e r so fe a c hm o d u l ei s m a i n l y c o n c e r n e di nt h ef o r t hp a r t i ti n c l u d e st h ed e m o d u l a t i o nm o d u l e ，t h ed e m u l t i p l e x m o d u l e ，t h ed e c o d em o d u l e ，t h ev i e w e r - c o n t r o lm o d u l ea n de x t e r n a lm o d u l e s a ti a s t , t h ed e s i g no f t h es e tt o pb o xi ss u m m a r i z e d ， w i 廿1t h ec h e 呔o fe x p e r i e n c e s s t b 2 1 0 0d i s c u s s e di nt h i sa r t i c l em e e t st h e t e r m i n a ld e m a n da n dp e r f o r mw e l l k e y w o r d s ：d i g i t a l s e tt o pb o x d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g q a m d e m o d u l a t i o nm p e g 一2d e c o d e 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 网络的高速发展将人类带进了信息时代，传统的利用电话线获取信息的方式 已经不能满足信息量爆炸式的增长，所以宽带网络必将成为网络发展的方向。从 技术上说，所谓宽带是指在同一传输介质上，可以利用不同的频道进行多重的传 输，并且速率在1 5 4 m b p s 以上。 由于通信骨干网络的长期建设和资金的大量投入，核心网络普遍实现了光纤 化，其带宽基本可满足当前通信和多媒体服务的需要，但是大部分的接入网仍停 留在窄带和以电路交换为基础的水平上，接入网越来越成为网络的瓶颈，其宽带 化和i p 化成为当今网络发展的一个新焦点。于是，近来宽带接入技术呈现出新的 发展态势，各种技术层出不穷。因此，基于c a t v 的d v b 技术、基于普通电话 线路的a d s l 技术及以太网技术都是宽带技术的典型，其中基于c a t v 的数字视 频广播和视频点播具有非常广阔的发展前景。 目前使用较多较为广泛的是光纤同轴混合n ( h f c ) ，c a t v 网已走过了半个世 纪的历程，具有得天独厚的资源和非常成熟的技术。h f c 首先由贝尔实验室提出， 是基于传统的c a t v 网发展起来的一种宽带用户接入网。h f c 网主干部分采用光 纤，光节点到配线盒使用同轴电缆，配线盒到用户端使用分配型同轴引入线。在 物理层，h f c 技术将数字信号调制成q a m 信号，并以频分复用方式把话音信号、 数据信号、按需视频点播、模拟有线电视信号综合在一起，再调制到激光器上， 以模拟方式在光缆和同轴电缆系统中传输，在接收端解调恢复为原来信号。物理 层以上，使用d v b 技术对信息进行处理，包括基于t s 流的传输技术和m p e g 2 的音频和视频解压缩技术。在用户端，通过与服务提供商配套的数字电视机项盒 得到数字视频广播和点播功能。 华中科技大学硕士学位论文 下面介绍机顶盒终端提供的两种服务的相关情况。 1 2 数字视频广播的发展与现状 进入九十年代以来，以计算机技术为代表的数字技术飞速发展，传统的模拟 电视已经不能满足人们对高质量视频和音频的需求。数字技术已经在节目的制作 和传输中充分体现了它的魅力。今天，尽管我们在家里仍然收看的还是模拟电视 节目，但是节目制作棚里的设备已经是数字化了，从节目制作棚到发射塔的信号 传输也已是数字化了，没有这些节目制作与传输的数字技术，我们的节目质量是 无法满足的。当我们通过卫星电视网、有线电视网和开路电视网观看电视节目时， 我们已经位于数字电视的最后一环，这一个环节正在经历一场数字化革命，以达 到电视节目的全数字化传输，在这一方面，美国和西方国家走在了前面。在电视 数字化的进程中，国际d v b 组织( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ) 提出了全套的解决方 案，这一方案涉及我们常用的传输媒介：数字卫星电视( d v b s ) 、数字有线电视 ( d v b c ) 和数字开路电视( d v b d 。下面简要介绍d v b 的发展过程【2 1 。 在欧洲，从1 9 9 1 年开始，电视台、家电产品生产厂家和标准制订者坐到了一 起，商谈组成一个工作组，共同制订数字电视的发展规划，工作组的成员发展很 快，这一个由欧洲人发起的组织很快就吸引了美国及日本的许多成员，变成了一 个世界性组织1 3j 。1 9 9 3 年9 月工作组起草了一个备忘录，将工作组更名为d v b 组织，即国际数字视频广播组织，数字电视的发展进入了新的时代。 因为这一工作不是以技术领先为宗旨，而是要面向今后的市场方向，所以工 业界决定要以市场的商业需求作为标准制订的指导，d v b 组织决定新的技术必须 是建立在m p e g - 2 压缩算法上的数字技术，必须是市场导向的。由于相对较为成 熟的基础设施建设和各国相对简单的标准协调问题，数字卫星电视( d v b s ) 网、 数字有线电视( d v b c ) n 和数字开路电视( d v b n 网先走一步，发展很快。1 9 9 5 年d v b 组织确立了数字卫星电视的标准，1 9 9 6 年数字有线电视、数字共用天线 电视和数字微波电视等标准随之确立，数字开路电视d v b t 的采用紧随其后， 给整个社会带来更深刻的变化【4 】【5 】。1 9 9 7 年以d v b 标准为基础的数字电视已经 华中科技大学硕士学位论文 在全世界普及，拥有了几百万用户。1 9 9 8 年末，微型计算机用户可以通过在他 们使用的微机内插入数字卫星接收卡，用来享受因特网服务。 1 3 视频点播系统与单片式机顶盒 社会的进步和科技的发展带来各种信息的急剧增长，传统的表达方式和信息 传输方式早已不能适应需求，人们已不再满足于单纯的视频接收和文字传输，而 是期盼着按照自己的意图获取信息，也就是通常所说的视频点播( v o d ) 。结合中 国目前的宽带网建设国情，v o d 系统采用客户服务器模式，将图文和音视频信 息存于视频服务器中，客户端可随时通过有线电视网( c a t v ) 和电话网( p s t n ) 交互 式查询点播服务器中的媒体信息【6 j 。v o d 可以支持几乎所有的广播和交互式多媒 体应用，如数字电视广播接收、电子节目指南( e p g ) 、准视频点播( n v o d ) 、按次 付费观看( p p v ) 、软件在线升级、数据广播、i n t e m e t 接入和视频点播等。 如此众多的服务类型对作为视频点播系统终端的数字机顶盒在功能上提出了 很高的要求。数字电视机顶盒是一种接收数字电视信号并且产生模拟信号的终端 设备，它对经过数字化压缩的图像和声音进行解码还原，产生模拟的视频和声音 信号，通过电视给观众提供高质量的电视节目。目前的数字电视机顶盒已成为一 种嵌入式计算设备，具有完善的实时操作系统，提供强大的c p u 计算能力，用来 协调控制机顶盒各部分硬件设施，并提供易操作的图形用户界面，如增强型电视 的电子节目指南，给用户提供图文并茂的节目介绍和背景资料。同时，机顶盒具 有通用的计算机处理能力，通过内部软件功能，实现如因特网浏览、视频点播、 家庭电子商务等多种应用。传统的采用双片式方案的机顶盒已经不再适应市场的 需求，取而代之的是集成度更高、工艺更先进和功能更完善的单片式机顶盒【”。 有一点需要注意的是，目前各种各样的数字电视多媒体增值业务不统一，而 机顶盒内部使用不同的硬件系统和操作软件，造成机顶盒功能和接收业务的互不 兼容。数字电视机项盒必须配合数字电视运营商提供的播出业务，也就是说，通 常一种机顶盒只能在一个广播运营网中使用，用户必须使用运营商指定的机顶盒 华中科技大学硕士学位论文 才能正确收到数字电视节目( 8 1 。 1 4 本文研究的主要内容 主要是全服务信息网络系统的研究工作和系统用户终端设备c a l w 数字机 顶盒的开发，包括信道解码技术的研究与实现，m p e g 2 解复用、解码以及音视 频处理的软件和硬件实现。 全服务信息网络系统是基于h r c ( 光纤同轴电缆混合网) 的多媒体信息广播系 统，它以有线电缆为下行信道而p s t n 电话线为上行信道。在现有网络结构下， 无须任何改动，即可提供高速数据广播、高清晰视频节目和高速i n t e m e t 浏览， 可以广泛开展证券信息、远程教育、高清晰视频广播以及其他综合信息服务，如 时事新闻、体育、天气、交通、旅游、购物等丰富多彩的多媒体增值业务9 l i ”1 。 本文主要探讨了单片式方案下的信道解码技术的研究与实现、m p e g - 2 解复 用、解码以及音视频处理的软件和硬件实现，主要分为以下几个部分： 1 ) 绪论。概述了基于c a t v 的数字视频广播发展历程，现状和应用前景。 2 ) c a l v 数字机顶盒的整体技术介绍。介绍了整个系统的设计原理以及所依 据的相关国际标准和技术。 3 ) 机顶盒硬件与软件的总体设计。以全局的观点详细介绍和分析了整个机顶 盒硬件的设计、各个模块的选择以及软件的划分。 4 ) 机顶盒硬件和软件驱动层的具体实现。通过对各个模块的硬件以及与之紧 密相关的驱动层软件的讨论，来讲述机顶盒的工作过程。 4 华中科技大学硕士学位论文 2数字机顶盒的整体技术介绍 2 1d v b c 的相关国际标准 d v b 标准提供了一套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范，其 周全的计划及广泛的共识是其成功的关键。从一开始，大家就选定i s o i e c m p e g 2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了统一，随后对 m p e g - 2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，最后通过卫星、 有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输f 1 1 1 1 2 | 。 2 1 1d v b 标准的核心 d v b 标准在节目的制作、传输以及接收等各个方面均作了严格的规定，主要 包括如下六个方面： 1 ) 在节目制作部分，系统采用m p e g 压缩的音频、视频及数据格式作为数据 源。 2 ) 在节目的传输部分，系统采用公共m p e g 2 传输流( t s ) 复用方式。 3 ) 在节目的综合信息部分，系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息。 4 ) 在信号的恢复和保护部分，系统的第一级信道编码采用r - s 前向纠错编码 保护。 5 ) 在信号的传输部分，根据不同的传输媒介系统采用不同的调制方式和信道 编码方式【”1 。 6 ) 在节目保护部分，系统使用通用的加扰方式以及条件接收方式。 2 1 2d v b 音频标准 d v b 标准的音频部分采用m p e g - 2 的音频标准，包括m p e g 2b c ( 后向兼容】 华中科技大学硕士学位论文 和m p e g 一2 a a c 。向后兼容是许多标准在制定过程中都要考虑的问题。 m p e g 一2b c 采用后向兼容矩阵技术，左右声道通过矩阵变换，从多声道的码 流中提取出双声道的信息。这种方法的优点是比较节省带宽，缺点是这样极大地 限制了新标准的编码器的设计。m p e g 2b c 的音频第二层在带宽达到6 4 0 k b s 才 达到优质的性能，而a c - 3 则仅需3 8 4 k b s 。因此，m p e g 组织又制定了新的音频 标准m p e g 2a a c 。 m p e g - 2 a a c 的制定在很大程度上降低了多通道音频的码率要求，它不再保 证后向兼容，而把重点放在5 1 声道模式、3 8 4 k b s 的条件下，如何达到最佳音质。 它的取样率可以达到9 6 k h z ，最多支持4 8 个主声道、1 6 个超重低音声道、1 6 个 配音，多语言声道和1 6 个数据码流。同m p e g 一2b c 音频编码第二层相比，它可以 只用原先一半的码率而达到相同的主观音质，同杜比a c 3 相比，a a c 更为灵活， 支持更多种的取样率和码流速率。同时，a a c 对m p e g 2b c 中一些模糊的部分 也作了说明。 2 1 3i ) v b 视频标准 对于d v b 视频，国际上采用标准的e g - 2 视频压缩编码，m p e g 2 视频 编码系统由多个系统构成，每一个系统之间都有兼容性和共同性。根据图像清晰 度的不同，它分成四种信源格式或称等级。除了等级之外，d v b 视频标准还定义 了档次的概念，每一个不同的档次能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。 目前在m p e g - 2 系统中存在5 个档次，每一个档次都会比它的前一个档次更 加复杂，更加完善。档次的最初级叫做简单档次，随后是主档次，它比简单档次 增加了编码双向预测的功能，即b 帧，在使用同样的码流的情况下，它的质量会 更好，但算法更加复杂。主档次的解码芯片，可以兼容解码简单档次的编码，这种 向下兼容性贯穿整个系列。在主档次之后，是信噪比可分级档次及空间频谱可分级 档次，这两种档次可以调整信噪比与码流率关系，以及图像清晰度与码流率之间 的关系。d v b 标准目前不支持这两种档次。最高级的档次不仅兼容前面的低级档 次和拥有所有的功能，而且可以进行多行同时编码，而前面的档次则是逐行编码。 华中科技大学硕士学位论文 在档次中存在两种图像采样方式，即4 ：2 ：2 和4 ：2 ：0 格式。电视复合信号可以分成 亮度信号分量( 和色度信号分量( r y , b y ) ，4 ：2 ：2 格式是对亮度信号进行4 个采 样，对色度信号进行2 个采样：4 ：2 ：0 格式的色度信号只做隔行采样。如果使用8 比特采样，则4 ：2 ：0 格式下的亮度信号码流率为8 2 9 m b s ，色度信号码流率为 8 2 9 m b s ，总码流率为1 6 5 8 m b s ，没有压缩的电视图像码流率非常高，占用带宽 太宽，不适用于传输，即使采用4 ：2 ：0 格式，图像码流率也高达1 2 4 4 m b s ， m p e g 2 的压缩算法采用除去电视视频信号的时间冗余和空间冗余的算法，使码 流率降到3 - 8 m b s 仍然获得质量清晰的图象。根据图像节目源的清晰度由低到高 的不同，m p e g 2 标准分成许多等级，最低的等级分辨率为3 5 2 2 8 8 ，帧率为2 5 帧秒。主等级分辨率为7 2 0 x 5 7 6 ，帧率为2 5 帧秒。 目前在世界上最常用的m p e g - 2 标准是m p 国m l ，它是第一代数字有线电 视和数字卫星电视的基础，节目提供者可以提供6 2 5 线质量的节日，图像的长宽 比可以是4 ：3 或1 6 ：9 ，码流率由节目提供者根据节目质量来选定，图像质量越 高，所需码流率越高，反之则越低。 2 2m p e g 2 传输码流技术 音频、视频及数字信号首先经过m p e g - 2 编码器进行数据压缩，通过节目复 用器形成基本码流( e s ) ，基本码流经过打包后形成有包头的基本码流( p e s ) 。代表 不同音频、视频信号的p e s 流被送入传输复用器进行系统复用，复用后的码流叫 做传输流( t s ) ，传输流中包括多个节目源的不同信号，为了区分这些信号，在系 统复用器上需要加入服务信息( s d ，使接收端可以识别不同的节目。传输码流的 语法结构见表2 1 【1 4 1 。 表2 - 1t s 流的语法结构 每个传输流的前4 个字节为包头( h e a d e r ) ，包头后面就是需要传送的有用信 息，包括音频、视频或数据信息，通常是1 8 4 个字节长度，有时在有用信息中插 华中科技大学硕士学位论文 入一段适配区域( a d a p t a t i o nf i e l d ) ，用于补充长度不完整的传输流，放置解码时钟 ( p c r ) 。包头的语法结构见表2 2 【1 5 】。 表2 - 2 传输包头的语法结构 l 同步传输差错负荷单元传输 p i d 传送加扰自适应 i 字段指示开始指示优先级控制字段控制 连续自适应 计数器字嚣 ( 接上表) 传输流的包头是识别传输流的关键，由3 2 个比特组成，分别是同步字节、1 比特传送数据包差错指示器、1 比特有效负荷单元开始指示器、l 比特传送优先权、 2 比特传送加扰控制器、2 比特自适应字段控制和4 比特连续计数器。1 3 位的p i d 码特别重要，它是辨别码流信息性质的关键，是节目信息的标识0 6 】。不同的电视 节目和服务信息( s i ) 对应有不同的p i d 码。其中有效负荷单元开始指示器表示 p e s 数据包字头或者包含与节目有关的信息p s i 的起始端是否出现在该数据包的 负荷中：自适应字段控制表示后面是否接有自适应字段和负荷信息；连续计数器 中的数值对于具有相同p i d 值的数据负荷而言，将从0 1 5 连续循环，用以在解码 端检测是否有丢失的数据包。 为了找到服务信息( s i ) 所对应的不同节目，d v b 标准定义了如下服务信息表 格： 1 1p a t ：p r o g r a ma l l o c a t i o nt a b l e 节目分配表； 2 1c a t ：c o n d i t i o n a la c c e s st a b l e 有条件接收表； 3 ) p m t ：p r o g r a mm a p t a b l e 节目分布表； 4 ) n i t ：n e t w o r ki n f o r m a t i o nt a b l e 网络信息表： 5 1s d t ：s e r v i c ed e s c r i p t i o nt a b l e 服务描述表； 6 、e i t ：e v e n ti n f o r m a t i o nt a b l e 事件信息表； 7 1t d t ：t i m ea n dd a t et a b l e 时间日期表： 华中科技大学硕士学位论文 p a t 表格的整体字头为8 字节长度。 特流识别符、版本号、当前下次指示器、 由表格识别符、表格区段长度、传送比 区段号和最后区段号组成。其可变字长 的节目表清单由各个1 6 比特的节目号与对应的1 3 比特的节目映射表p i d 值组成。 p m t 表格的整体字头为1 2 字节长度。由表格识别符、表格区段长度、节目 号、版本号、当前下次指示器、p c r 的p i d 、节目信息长度组成。其可变字长的 单节目描述由节目所含基本比特流类型、基本比特流p i d 、扩展信息长度和扩展 可变长基本流描述符组成。 通过这些服务信息表格，可以查到所要接收节目的p i d 码和对应的时钟p c r ， 节目就可以还原。解码端收到传输流后，先检测p i d 为0 的t s 包，获得完整的 p a t 信息。根据p a t 检索p m t ，知道传输流包含的所有节目。根据p m t 就可以 定位一路具体节目音频和视频所在的t s 包。 2 3 信源编码与q n m 调制方式 为了适应在特定信道上进行传输，必须对所要传输的信号进行信源编码，主 要有如下两个方面的考虑： 1 ) 每种信道都有特殊的频谱特性，码流的频谱特性应该满足信道的频谱特 性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信号能量与噪声能量的比例，能够在 接收端将信号恢复，减小发生差错的可能性，提高传输效率。一般传输信道的频 率特性总是有限的，即有上、下限频率，超过此界限就不能进行有效的传输。如 果数字信号流的频率特性与传输信道的频率特性很不相同，那么信号中的很多能 量就会失去，信噪比就会降低，使误码增加，而且还会给邻近信道带来很强的干 扰【l 。因此，在传输前要对数字信号进行某种处理，减少数字信号中的低频分量 和高频分量，使能量向中频集中，或者通过某种调制过程进行频谱的搬移。这两 种处理都可以被看作是使信号的频谱特性与信道的频谱特性相匹配【1 7 l 。 2 ) 提高接收端的纠错能力。每种信道都受自身特性的限制和周围环境的干 扰，所以出现信号的误传不可避免，所以必须采用特定的编码方式，增加适当的 冗余码，让接收端能够根据冗余信息来判断和纠正有用信息中因为传输而发生的 华中科技大学硕士学位论文 错误。 根据c a t v 信道的传输特性，在c a b l e 电缆信道上采用正交振幅调制( q a m ) 。 正交振幅调i t r j ( q a m ) 信号是由两个分别受到幅度调制的信号经过正交叠加得 到。从信号矢量空间上看，信号的幅度和相位都携带有信息。如果将两个信号的 幅度用二维平面上的点来表示的话，则余弦信号的幅度方向称为同向轴，正弦信 号的幅度方向称为正交轴。随着两种方向上的信号电平的个数增加，调制进制数 也随之增加。与多进制幅度调* 韧i ( m a s k ) ，多进制相位调s d ( m p s 目相比，多进制 正交幅度调制( m q a m ) 充分利用了信号平面。因为随着调制的进制数增多， m q a m 能使得在不减少信号矢量端点之间的最小距离的情况下，尽量增加端点的 数目。也就是说，在不增加解调难度情况下一个码元能包含尽可能多的信息，但 是并不能无限制地通过增加电平级数来增加传输数码率。因为随着电平数的增加， 电平间的间隔减小，噪声容限减小，同样噪声条件下误码增加。同时各相位间隔 减小，码间干扰增加，抖动和定时问题都会使接收效果变差。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 数字机顶盒的总体设计 3 1 机顶盒的主要功能和特点 机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字视频广播 ( d v b ) 、视频点播、准视频点播( n v o d ) 、电子节目指南( e p g ) 、按次付费观看( p p v ) 、 软件在线升级、数据广播、i n t e m e t 接入等。由于机顶盒采用全数字技术，利用 m p e g 2 标准压缩和解压视频和音频信号，所以达到了d v d 级的画质和音质，使 用户得到了数字电视的享受【l 引。下面就各个功能各作详细的解释： 1 ) 数字视频广播 顾名思义，广播就是每一个用户都能收到相同的视频节目，在这种情况下， 每个用户设置相同的频点，收到同样的节目流。不同的是，由于传输流的复用特 性，只需要设置不同的p i d 即可以收看到不同的节目。这种方式，为运营商发布 天气预报、电视广告等强制性信息提供了方便，有效地降低了用户的费用支出。 除此之外，还有数据广播的功能，数据直接在m p e g 传送流的净荷中传送。可以 使用该方式在符合d v b 标准的广播网络中进行简单的、异步的和端到端的数据 传输业务。数字视频广播可以只通过一个频率来传送大量的节目，达到了最大的 服务频点比值【1 9 l 。 2 ) 视频点播 这是机顶盒最具有特色和魅力的服务，也是不同于数字视频广播的地方，充 分体现了宽带网络的交互特性f 2 0 1 。用户可以根据菜单上提供的节目单选择自己喜 欢的节目，将选择信息通过上行的p s t n 电话信道传送给中心系统，前端再为用 户分配频率和p i d 号，这样用户可以随时欣赏系统提供的节目。 3 ) 准视频点播 结合了数字视频广播的节省频带和视频点播的交互性等特点，准视频点播成 为不可缺少的服务内容，n v o d 用户和服务提供者之间没有真正的交互，服务提 华中科技大学硕士学位论文 供者将节目的标题广播下来，用户仅仅可选择所提供的频道，该机制是由e p g 来 支持的。n v o d 的功能包括： ( 1 ) 预览：对选定的节目进行预览： ( 2 ) 选择：在e p g 中选择一个已购买的节目； ( 3 ) 暂停：暂时停止播放该节目： ( 4 ) 恢复：在暂停后恢复观看该节目； ( 5 ) 快进快退：对该节目实现快进| 陕退操作。 4 ) 电子节目指南 电子节目指南给用户提供一个容易使用的、界面友好的和可以快速访问节目 的一种方式，用户还可以通过该功能收看一个或多个频道，甚至所有频道上近期 将播放的节目。同时，e p g 可提供分类功能，可以帮助用户浏览和选择各种类型 的节目1 2 “。 5 ) 软件在线升级 机顶盒是如此庞大的一个系统，它高度地集成了各种服务所需要的硬件和软 件。硬件是不可更改的一个部分，软件在硬件的基础上实现了所有的服务，所以 当服务商要变更所提供的服务时，通过软件在线升级来更改机顶盒中的软件，以 适应前端不断变化和更新的信息嘲。软件在线升级是数据广播的应用之一。数据 广播服务器按d v b 数据广播标准将升级软件广播下来，机顶盒能识别该软件的 版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。机顶 盒在启动以后，将所需要的代码拷贝到同步动态随机存储器中，将原来的存储于 闪存中的内容全部删除，所以需要注意的是，如果在刷新的过程中，出现了掉电 和操作错误等异常现象发生，则机顶盒不能重新启动，必须通过特定的调试工具 来将软件重新载入。 6 ) 授权和收费机制 由于机顶盒的运行按时间来进行收费，所以授权和收费机制的实现方式显得 尤为重要瞄】。为了保证高度的可靠性，选择了i c 卡来作为权利和费用的载体， 其中一张包括了用户的基本信息和授权码，机顶盒在开启和服务过程中不断读取 这些特殊的信息，并将它与正确的信息进行比较，一旦发现不匹配，即停止服务， 避免了合法用户的损失。同样的，机顶盒根据所设定的时间段，在每个时间段的 2 华中科技大学硕士学位论文 开头从另外一张费用i c 卡中扣除所需要的费用。这种实现方式安全可靠和简便易 行，代表了当今科技的潮流。 3 2 机顶盒的基本原理 有线电视数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目。如图3 1 所示， 调谐模块接收射频信号并且下行变频为中频信号，然后进行a d 转换为数字信号， 再送入q a m 解调模块进行q a m 解调，输出m p e g 传输流的串行或并行数据 【2 4 】【2 5 1 1 2 酿。解复用模块接收m p e g 传输流，从中抽出一个节目的p e s 数据，包括 视频p e s 、音频p e s 以及数据p e s 。解复用模块中包含一个解扰引擎，可在传输 流层和p e s 层对加扰的数据进行解扰，其输出是已解扰的p e s 。视频p e s 送入视 频解码模块，模块取出m p e g 视频数据，并对m p e o 视频数据进行解码，然后 输出到p a l n t s c 编码器，编码成模拟电视信号，再经视频输出电路输出。音频 p e s 送入音频解码模块，模块取出m p e g 音频数据，并对m p e g 音频数据进行 解码，输出p c m 音频数据到p c m 解码器，p c m 解码器输出立体声模拟音频信 号，经音频输出电路输出【2 7 】【2 引。 图3 - 1 机项盒数据流图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 硬件模块的芯片选型 硬件模块包括如下几个重要的部分： 1 ) 解调部分：采用l s il o g i c 公司的l 6 4 7 6 8 解调芯片，配合a l p s 高频头的 调谐。l 6 4 7 6 8 高度集成了实现解调所需要的各种功能，包括信道解码、前向纠错 编码和里德- 所罗门编码等功能，与s c 2 0 0 0 完全兼容，提供标准的串行或并行数 据流。 2 ) 解复和解码部分：采用l s il o g i c 公司提供的s c 2 0 0 0 方案，s c 2 0 0 0 将多 个机顶盒设备集成在一块芯片上。特别是，s c 2 0 0 0 在功能上集成了带嵌入式 e z 4 1 0 2c p u 的l 6 4 1 0 8 传输解复器和实现m p e g 2 音频和视频解码的l 6 4 1 0 5 解 码器。此外，s c 2 0 0 0 还吸收了先进的图像，视频处理功能，包括覆盖、阿尔法混 合和块移动特性。为了达到更大的集成度，s c 2 0 0 0 包括一个全功能音频数模转换 器，它通过一套外部低通滤波器来提供立体模拟声音。s c 2 0 0 0 也包括一个 n t s c 伊a i ，s e c a m 编码器，它直接给电视机和计算机显示器输出c v b s 、s - v i d e o 和r g b y p b p r 模拟视频。可以说，s c 2 0 0 0 集成了所有重要的功能模块，这正是 顺应了视频处理领域向单片式方向发展的潮流。 3 ) 外部存储器：f l a s h 被分为i n t e l 和a m d 两大阵营，它们在功能上和物理 上互不兼容，给硬件开发带来了一定的麻烦。这里选用a m d 公司的 a m 2 9 l ：v 1 6 0 d t ，它提供电压范围2 7 3 6 v ，容量为1 6 m b i t ，访问时间可以达到 7 0 纳秒，具有充分灵活的块功能，包括字节模式和字模式，提供块擦除和整片擦 除两种方式1 2 9 j 。 4 ) 内部存储器：c p u 运行程序所需要的s d r a m ，具有容量大、速度快和高 度稳定等特点，选用h y 5 7 v 1 2 9 1 6 2 0 7 n s 。容量是1 2 8 m b i t ，访问速度可以达到7 纳秒。解码部分所需要的s d r a m 容量大，速度要求相对于c p u 来说有所降低， 所以选用h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 - 1 0 n s ，容量是6 4 m b i t ，这两种s d r a m 除了速度不同， 其他方面完全一样。它们通过参考时钟的正边沿来完成完全的同步操作，所有的 输入和输出均在时钟输入的上升沿被同步化，数据通路通过内部流水线化来获得 1 4 华中科技大学硕士学位论文 非常大的带宽，所有的输入和输出电压均与l v r r l 兼掣”j 。 5 1i c 卡接口：采用p h i l i p s 公司的t d a 9 0 0 4 t ，提供3 v 或5 v 电压，通过内 部短路现象来检测i c 卡的进出。t d a 8 0 0 4 t 是一种专为异步智能卡设计的低成本 模拟接口，将它置于i c 卡和微处理器之间，只需要很少的外围器件，即可以实现 所有的保护和控制功能。i c 卡由全球领先的c a 服务商爱迪德公司提供【3 1 1 。 3 4s d p 2 0 0 0 的软件设计 3 4 1 实时操作系统基本原理 s c 2 0 0 0 单片式解码芯片本身的性能极其强大，可以满足复杂应用对硬件的要 求，关键在于软件对硬件的管理上。随着应用的复杂化，一个嵌入式控制器系统 可能要同时控制和监视很多外设，要求有实时响应，有很多处理任务，各个任务 之间有多种信息传递。如果仍采用原来的程序设计方法存在两个问题，一是中断 可能得不到及时响应，处理时间过长，这对于一些控制场合是不允许的，对于网 络通信方面则会降低系统整体的信息流量。二是系统任务多，要考虑的各种可能 也多，各种资源如调度不当就会发生死锁，降低软件可靠性，程序编写任务量都 会有大幅度增加。 实时操作系统( r t o s ) 是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户 的应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进行 资源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在r t o s 支持的系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各个任务的优先级，动态 地切换各个任务，保证对实时性的要求。在编写程序时，可以分别编写各个任务， 大大减小了程序编写的工作量，而且减小了出错的可能，保证最终程序具有高可 靠性。 实时多任务操作系统，以分时方式运行多个任务，宏观表现为多个任务同时 运行。任务之间的切换以优先级为根据，只有采用优先服务方式的r t o s 才是真 正的实时操作系统，时间分片方式和协作方式的r 1 o s 并不是真正的实时。r 1 1 0 s 华中科技大学硕士学位论文 的主要功能模块有调度和中断处理( 为了优化用汇编编写) 、任务管理、事件管理、 定时器管理、报文管理、循环队列管理、资源管理、固定存储块管理、规范的u a r t 管理和自动掉电管理等，这些也是标准的r t o s 所应具有的基本功能。r t o s 也 体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，工程师可以在不大量变动 系统其它任务的情况下增加或去掉一个任务，一个项目开发的过程中，可以有多 个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之间只要制订好规程和协议即可，既 缩短了开发时间，又降低了最终软件产品对于具体某个开发者个人的依赖性。为 r t o s 设计的成熟和通用的任务可以以库函数的形式供其它人继续利用，这一点 和c 语言的设计思想一致。 3 4 2 应用于单片式机顶盒的o $ o s 操作系统 p s o s 系统是一个模块化和高性能的实时操作系统，专门用来设计嵌入式微 处理器。它提供了一个基于开放系统标准的、彻底的多任务环境。p s o s 操作系 统拥有集成的开发工具平台，这些开发工具可以驻留在环境为d o s 和w i n d o w s 的计算机上，通过串行口或t c p i p 网络与其相连。下面是p s o s 操作系统的几个 主要特点： 1 1p s o s 的体系结构 p s o s 系统采用的是模块化的结构设计，围绕着p s o s 实时多任务内核，集成 了基于标准结构的和绝对编码独立的各种功能的软件模块。标准的模块结构使它 们一方面可以不用做丝毫改变地被不同的程序所调用，另一方面也减少了用户的 维护工作，增强了系统的可靠性。 与大部分软件不同的是，p s o s 系统不和硬件发生丝毫关系，它们之间通过 板级支持包( b s p ) 来协调。用户在配置表中定义应用程序环境和相关的硬件，在开 始执行环境和目标环境中进行配置，从而满足了不同的硬件环境。 2 1p s o s 的主要组成部分 每一个构件都提供了一系列的系统调用函数来满足实时设计的需要，在系统 里调用这些函数就像调用c 函数一样。p s o s 的主要组成部分如下： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 实时多任务核心p s o s + ； ( 2 ) t c p i p 协议堆栈p n a + ； ( 3 ) 远程过程调用库p r p c + ； ( 4 ) 文件系统管理p h i l e + ； ( 5 ) a n s ic 标准库p r e p c + ； ( 6 ) 调试功能模块p r o b e + ； ( 7 ) 系统信息实时分析工具p m o n t + ； 由此可见，p s o s 能够为各种嵌入式系统开发提供丰富的功能和强有力的系 统级支持。 3 1r t o s 的几个评价指标 r t o s 是操作系统研究的一个重要分支，它与一般商用多任务操作系统有共 同的一面，也有不同的一面。对于商用多任务操作，其目的是方便用户管理计算 机资源，追求系统资源最大利用