（信号与信息处理专业论文）基于fpga的mpeg2预处理ts流复用设计及验证.pdf

电t 利技y 、i ! 镢一1 学位论? 。：基于f 瞰，a 的m p e ( i2 预处理t s 流复用设j 瑾t 埯证 摘要 当今，数字视频厂播d v b 标准被认为是数字电视与相关媒体 业务的全球性解决方案。采用d v b 标准设计通用的数字电视系统 时，各传输媒体间有最大的互通性，能灵活地传输m p e g 2 音频 视频数据、广播数据与用户数据。基于m p e g 一2 d v b 规范的多路节 目复用器已经成为各种数字电视传输系统的关键设备之一。正是由 于复用系统的特殊结构与复用机制极大的灵活性，使得数字电视传 输系统成为可以不分信息传输种类的高速信息传输网络。国外已经 开发出了复用系统的相关专用芯片，我国目前所使用的复用器专用 芯片大都依靠进口，国内也有多家单位在从事基于d s p 的复用器研 制和开发工作，但也无法形成专用芯片的设计和制造。所以，自行 设计复用系统专用芯片问题已经成了我国数字电视系统需要解决 的迫在眉睫的问题。 本文着重研究了多路数字节目复用器中的对多路预处理t s 流 复用的原理和基于f p g a 的实现方法。文章首先论述了关于数字电 视系统的一些基本概念，介绍了m p e g 一2 d v b 标准以及数字电视节 目专用信息( p s i ，并结合多路数字节目复用的基本原理提出了。 套基于f p g a 的设计方案。通过对复用器输入部分、复用控制逻辑 和p c r 校正等一系列模块的设计及仿真验证，达到了设计的要求， 取得了一定的研究成果。 关键词：复用器传送流d v b m p e g - 2f p g a 电f 科技大譬硕士学位沦文：基ff p g a 舱m p e gr 2 预处理瞄滤复删设：及验证 a b s t rc 翘c t n o w a d a y s ，t h ed i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n gf d v b ) s t a n d a r dh a s b e e nc o n s i d e r e dt h eg l o b a l is ms o l t i t i o ns c h e m eo fd i g i t a lt e l e v is i o n a n dr e l a t i v em u l t i m e d i as e r v i c e a sd v bs t a n d a r di su s e dt od e s i g n t h eg e n e r a ld i g i t a lt e l e v is i o ns y s t e m ，t h et r a n s p o r tm e d i ao a nf l e x i b l y t r a n s f e rm p e g 一2a u d i o v i d e od a t a b r o a d c a s t i n gd a t aa n dus e rd a t a m u l t i p l e x e rb a s e do nm p e g - 2 d v bs t a n d a r dh a sb e c o m eo n eo ft h e k e ye q u i p m e n t sw o r k e di nt h ed i g i t a lt e l e v i s i o nt r a n s f e rs y s t e m d u e t ot h e s p e c i a l c o n s t r u c t i o no f m u l t i p l e x i n gs y s t e m a a dm a x i m a l f l e x i b i l i t yo fm u l t i p l e x i n gm e c h a n i s m ，t h ed i g i t a lt e l e v i s i o nt r a n s f e r s y s t e mb e c o m et h e h i g hs p e e d i n f o r m a t i o nt r a n s f e r n e t w o r k ，a n d t h e r ei sn o t n e c e s s a r y t o d i s t i n g u i s h t h e s p e c i e s o fi n f o r m a t i o n t r a n s f e r t h ed e d i c a t i o n m u l t i p l e x e rc b i p s h a v e b e e n d e v e l o p e d o v e r s e a s m a n yh o n l ec o m p a n i e sh a v eb e e ne n g a g e do nt h er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to fm u l t i p l e x e rb a s e d o n d s p ，a n dt h e y c a nn o t p r o d u c et h ed e d i c a t i o nm u l t i p l e x e rc h i ps s oi th a sb e c o m et h ek e y p r o b l e mf o rt h eh o m ed i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e mt op r o d u c ed e d i c a t i o n m u l t i p l e x e rc h i p s i n d e p e n d e n t l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em u l t i p r o g r a mt a u l t i p l e x i n gt h e o r yb a s e d o np r e - p r o c e s s i n gt r a n s p o r ts t r e a mf7 r s ) a n dr e a l i z em e t h o db a s e do n f p g ah a v eb e e np r e s e n t e d t h ed i ss e r t a t i o nf ir s td is c u s s e st h eb a s e c o n c e p t i o no fd i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e m ，a n di n t r o d u c e sm i e g - 2 d v b s t a n d a r da n dp r o g r a ms p e c i a li n f o r m a t i o n ( p s i ) ，a n dt h e np r o v i d esa d e s i g n s c h e m eb a s e df p g a t h e s t u d y o ft h ed i s s e r t a t i o n p l a c e s e m p h a s i s0 nt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fm u l t i p l e x i n gb l o c k s ，a n d t h ed e s i g nr e q u ir e m e n tisa c h i e v e d k e yw o r d s ： m u l t i p l e x e rt r a n s p o r ts t r e a m d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p 一2 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 】l 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 作及取褥的研究成果。据我所知，除了文巾特戥加以标注狃致谢的地 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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名： 望_ 日期：抛乡年歹月，? - - e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 翌! ! !导师签名：篓! 蛰 日期：2 卯多年乡月1 z 日 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的i v p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 1 1简介 第一章绪论 1 1 1数字电视系统 数字电魂系统是一个广义戆撅念。巍电程偿号憨较取、产生、处壤、 接收和存储的全过程中使用数字电视傣号就称为数字电视系统。图1 1 显示了一个标准戆鼗字曦裰系绕奉魄攀元缝麓本掏滚源理。数字壤凝 系统包括了节目的制作和播出、存储与记录、传输与接收以及控制、 瓣羹等全过程懿数字纯，使系统懿珐鬣及质鬟有了穰本佳静羧蔷。 在数字电视系统中，各路电视信号或音频广播信号经过联缩编码器 的簸埋后戒为若干路数据码流。这些数据流和其他数据流穗复用器中 按照统一的协议逃彳亍时分复用，同时在笈用码流中插入业务馕息( s i ) ，用 于掇供节霹业务的辅助信息，便于接收端对节秘的选择。为了实现嘏视 广攒业务的付费收规，通常对数字电视节基码滤进行了加密撼理。擞据 广播系统采用的传输信邋的不同，对基带码流倍号进行不同的信道编码 n 露处理，然后发射裂信遵中。搦户终端系统鸯数字魄褪接牧掇、数字 机顶盒、数字卫璧接收机、家用计算机等设备。数字电视怒个技术 豹交佬，本壤土帮数字透镲群，帮是数数据形式传递继患。戮蘧诗黪楹 多媒体业务和通信业务进入电视领域，多种通倍方式和计算机协议农数 字惫键系统孛褥到逶用，魏a t m s d h 、t c p i p 等已经耱m p e g d v b 、 d t v 方式结合。这是广播电视、通信和计算机三网融合的技术基础。 数字毫褫拥有许多优点帮性髓特点： 1 图像质嶷高数字电视采用二进制纠错编码技术，对可能出现的误 弼具有绷错能力，帮模撅电褫相比，几乎不产生搿像失真。 2 。抗干扰力强数字电毫嫩信号在传输过程中也会受剁干扰，但由于其 錾本信号只有寓、低两种电平，即使做长距离传输或是澎代复制， 波形出现了较大失真，只嚣要通过均衡和鞭生，仍可无失真地爨现 暇来的信号波彤，图像质量不会因此而下降。 3 ；蠖予数据操搏数字僖号套黪存姥秽读取，且玉积累误熬，埂予应 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的v p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 用各种算法模型进行不同要求的压缩编码，这一点模拟信号是无法 与之相比的。 4 频谱资源利用率高经数码压缩后的每套数字电视节目所占有频 带宽度较窄，约为0 5 、o 7 5 m h z ，在现在的一套模拟p a l 制电视节 目所占用的8 m h z 带宽内，无论采用o f d m 3 2 一q a m 还是8 - v s b 的调 制技术，均可向用户播送4 - 6 套分辨率达4 0 0 线的专业级数字电视 节目。 5 互操作性好视频压缩方式中，m p e g 一2 标准是种工具箱式的国际 标准，这给用户提供了极为友好的操作环境。 6 设备利用率高、发射功率低数字设备同模拟设备相比较，在调整 方便、运行可靠性、稳定性、平均故障率等诸方面都有极明显的优 势。 7 ，适用特殊专业的应用由于数字电视容易实施加密解密、加扰解 扰等各种技术，便于在军事领域、保密系统以及收费电视等特殊业 务场合应用。 圈1 1 数字电视系统基本构造原理框国 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 1 1 2 数字电视的国际标准 2 0 世纪8 0 年代初，当时的欧共体资助的r a c e 和e u r e k a 两个项目 用于对广播级图像数字压缩的核心技术“离散余弦变换d c t ”进行可行 性研究；1 9 9 0 年国际电工技术委员会( i e c ) 和国际标准化组织( i s o ) 确 定了m p e g 一2 的压缩模式；1 9 9 3 年欧洲多家公司联合签署了数字电视广 播( d v b ) 备忘录，之后在日内瓦成立了欧洲d v b 组织，负责并协调数字 电视的各种标准的制定，目前d v b 组织成员已发展到3 0 0 多个，遍布 世界3 0 多个国家，d v b 系列标准正成为领导全球数字电视技术的世界 标准。 逐年来，全薄数字邀筏逐速发袋，数字魄褪懿国际标准按臻输方式 分为地面、卫星、有线3 种，这3 种标准又以欧洲、美国、日本为代表。 1 9 9 7 警，欧溺暹信标准研究辑( e t s i ) 发表了它静数字广搔技术蕊范，畿 括卫星数字电视广播系统( d v b s ，该标准于1 9 9 5 年由d v b 组织确定) 、 有线数字奄褫广播系统( d v b c ，箕数字菸角天线电视、数字微波电视 等标猴予1 9 9 6 年由d v b 组织确定) 、地面开路数字电视广播系统( d v b t ， 其标准目前正在被各国认同与逐劳采用之中) 、微波数字电视广。播系统 ( d v b m ) 、交互式数字电褫广播系统( d v b i ) 、数字电视如拢系绕 ( d v b - c a ) 。经国际电信联徽( i t u ) 批准的地面数字电视广播标准有3 令：t 9 9 6 年美蓬毫缀邀稷裁式委员会( a t s c ) 蕊发瓣接影编码8 逛手残 留边带，即a t s c 8 一v s b ：1 9 9 7 年欧洲提出的d v b t ，采用编码正交频分复 雳，鼙c o f n j 4 ；1 9 9 9 霉嚣本提壅熬壤蘧综合渡务鼗字广撵( i s d b - t ) ，哥戮 说是经修改的欧洲方案，采用正交频分复用( o f d i ) ，即i s d b t o f d m 。美 箧懿a t s c 禄准接浚门疆低、健辕远、覆蕊范羲广，毽霹多径爱麓不熊 适应。欧洲的d v b t 标准正好能弥补其短处，具谢较强的多径反射适应 能力，在大城市密集的楼群巾不仅能盎薪接收，还髓够移动接浚，荠可 建立单频网。d v b - t 标准的不足是传输功率不够，覆盖磷较小。日本从 本国的多种渡务需要出发，程i ) t b t 的基础上，发腥了自己酌标准，形成 了不同予欧美标准的i s d b - t 标准。数字暾视标准之争主要集中在地磷 数字广播系统，因为个标准从制订到确立，将耗费巨大的财力，同时 会蒂动这个行业形成一个产业链。我国对地函数字广播躯标撼浅未确 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 定，但对a t s c 标准和i ) v b t 标准进行理论分析和实际测试工作基本完 成，预计几年内确定我国地面数字电视传输标准。 1 1 3多路数字电视节目复用 以同轴电缆作为传输线路处理多路传输信号功能的电缆传输系统 f c a t v 网络系统) 在我国已有8 0 0 0 万网络用户，并且正在以每年5 0 0 万户的速度增长，已经成为世界上最大的有线电视网络系统。与目前 带宽资源严重匮乏和传输速度极慢的i n t e r n e t 网络相比，c a t v 网络具 有较高的带宽和传输速度，并且这些资源远远没有得到充分利用。目 前，在c a t v 网络中，我国已有许多地方和部门正在实验和逐步开通 高速i n t e r n e t 接入、音频视频点播、电视会议、电子商务、网上购物、 高速数据广播、音频视频广播等多种业务。因此，充分利用c a t v 网 络的带宽资源，将极大地带动计算机网络、电信网和c a t v 网“三网” 的融合，进而推动我国信息产业的发展。 有了c a t v 网，如俺满足蹦前和未来宽带网络服务的各种需求昵? 数字视频广播怒面向数字电视和相关媒体娅务的全球范弱的解决方 案。为了充分利用带宽或者耨增增毽业务，不论是卫星数字电视传输 系统t ) v b s 、有线数字港视传输系统d v b c 、还是蛾面开路数字电视传 输系统d v b t ，基于m p e g 一2 d v b 魏藏豹多路节强复瘸器已经或荧这些 数字电视传输系统的关键设备之一。它一方面将单路及多路节目比特 滚按爨一定豹撂式重瑟缝织、复矮藏攀路宰行戆蕊送滚，嚣一方嚣它 将编码端的时钟信息攒入到传送流中，接收端借此恢复并调整本地时 锋，使之与编鹃端傈持严格酶淹步关系，绦谨音频撬频繁号懿阗步恢 复。另外，复用系统对需要复用传送的节目信息按照一定的格式打包， 并产生节瓣专鬻信怠( p s i ) 和韭务信怠( s ) ，通道p s i 鞠s i 敬殷传 送包头的特殊信息，可以方便地识别不同的节目及节目的基本比特流 ( 苞括音频流、视频流鞠赡热数据流) ；冠时裁焉条件接牧原理可以实 王璺对节慝的如扰和条件接收业务。可以说，正是这种复用系统的特殊 缭构与复用机制具有极大的灵活性，使得数字电视传输系统成为可以 不分售患传辕静炎豹意速售患传输网络， 4 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g - 2 预处理t s 流复用设计及验证 1 2 研究背景及任务 1 2 1 国内外研究概况及动态 自2 0 世纪9 0 年代初，由美国率先提出并获得成功的全数字电视系 统( d i g i c i p h e r ) 问世以来，短短的几年中在全世界形成了数字电视发展 的热潮，一些发达国家电视台已开始了各种数字电视广播业务。1 9 9 7 年4 月，美国计算机界的几大巨头m i c r o s o f t 、c o m p a q 、i n t e l 宣布大 规模进入数字电视领域，包括节目制作、传输、存储记录、接收等。 据美国电子和媒体研究机构战略分析公司2 0 0 2 年公布的调查报告显 示，截止2 0 0 1 年底全球已有数字电视观众3 4 4 0 万户。近几年基于 m p e g 一2 的d v b 普通数字电视在美国、南美、亚洲、大洋洲和非洲通过 卫星进行广播。 数字电视在我国还处于相对落后的阶段。作为数字电视体系中的一 类业务v c d 播放机，1 9 9 4 年率先在我国上市，1 9 9 4 年以来数字s d t v 技术已经在我国中央电视台和十几个省级电视台被用于电视信号的卫 星传输。近1 0 年来，数字电视在我国有了长足的发展，但是在很多方 面，诸如地面数字广播的标准的确定，d t h 的数字电视广播业务( 包括 c a t v 、卫星广播、地面广播等) 的完善以及高清晰数字电视h d t v 的研 发等，同发达国家相比还有很大的差距。 基于m p e g 一2 d v b 的多路节目复用器是数字电视的传输系统的关 键设备之一，因此，它豹研发显褥尤为重要。国际上已蠢谗多公司开 发出了舀己的复用器产品，眈如b a r c o 公司已稔1 9 9 9 年推出了新的 “p e g a s u s ”m p e g 一2 复翅器，该产蹒允许多达l o 潞多塾萤基 s 滚， 并且为全软件控制，同时支持1 8 8 b 和2 0 4 b 的t s 包格式。此外，还有 p h i l i p s 公司、s c o p l u s 公司譬，经爨瞧缭纷开发爨了鑫己瓣鼗字瞧视复 用器产晶。 2 2 研究任务 强懿，数字迄程系统豹辍频缡弼采援戮耩拣壤证组织( i s o ) 熬运 动图像专家组制定的m p e g 一2 标准，可以显著消除电视图像信号中的空 润、对粒冗余整，麸麓降低了傣簸路宅褪节鏊掰嚣鹊鹳率。这样， 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 一2 预处理t s 流复用设计及验证 利用复用技术就能够在一路常规的模拟电视信道中传输多路数字电视 节目，可以成倍提高信道的利用率，降低节目传输成本，带来极大的 经济效益。另外，数字电视系统采用固定长度的传送包结构，可以灵 活地对具有相同或不同时基的多路节目进行复用，同时还可以实现节 目间的动态带宽分配等功能。因此，未来的电视系统除了提供常规的 电视业务外，还必须提供它的增值业务，所以将来的数字电视系统应 该是足够灵活的，这其中的关键就是复用系统的实现。国外己经开发 出了复用系统的相关专用芯片，我国目前所使用的复用器专用芯片大 都依靠进口，国内也有多家单位在从事基于d s p 的复用器研制和开发 工作，无法形成专用芯片的设计和制造。所以自行设计复用系统专用 芯片问题已经成了我国数字电视系统需要解决的迫在眉睫的问题。 1 3本文研究内容及章节安排 本论文系统、深入地研究了数字电视系统中多路t s 流艇用器的相 关疆论秘基于f p g a 豹实理技本，包括m p e g - 2 d v b 掭准、t s 流语法结 构、数字电视节融专用傣息和黟路数警电视节日复用原理。详细讨论 了瓣颚处理羊s 滚复震静f p g a 实现，竣出了窭疆方鬃芨蕊爽结果。 第二章首先对m p e g 一2 d v b 标准作了概述。主要介绍了m p e g 一2 系统 层徐浚怒蕊、t s 惫静语法结狡戳及m p e g - 2 系绫篡蠢是煞数学窀褪繁嚣 专用信息( p s i ) ，为以后备章做了理论上的铺垫。 第三章介缙了多路数字电视带西复鬻原理+ 并对辩阉标记与畴锋参 考做了详绷的讨论。 第四章首先给斑了对颓处理t s 流蜜用的f p g a 实现方案，详细阑述 了设诗思路。接鬻重点灸绍了对预处理t s 流筑用钓实现方法，以及复 用器实现中的几个细节问题，德括输入部分、复用撩制逻辑部分以及 p c r 校正。 第五章对f p g a 一系列模块进行仿真，给如了仿真结果，并对仿真 结柴进行了分辑，验证了设计方案。 6 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g - 2 预处理t s 流复用设计及验证 第二章m p e g 一2 与d v b 2 1 m p e g 一2 标准简介 m p e o ( m o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) ，即运动图像专家组，它是国 际标准化组织( i s o ) 为数字视频和音频制定的压缩标准。m p e g 压缩标准 采用了三种关键的压缩技术：离散余弦变换( d c t ) 、运动补偿( m o t i o n c o m p e n s a t i o n ) 和h u f f m a n 编码。m p e g 一1 和m p e g 一2 是其最早推出的 两个音频视频压缩标准。 m p e g 一1 着煎于高压缩率，具有低带宽和低分解力，它的视频速率 大致为l 。5 m b s 。蔼m p e g 一2 魄褥率晓m p e g - l 莲褥多，霆瑟其有较嵩静 带宽和分解力。它可以编码出广播级旗量的音频视频节髓，正是由于 m p e g 一2 标准提供了良好的压缀往雏，它成兔了公认静数字电褫标准。 欧洲的d v b ，美陶的f c c 、a t s c 、s c t e ，日本的m i t i j i s c 、d a v i c 协 会等标准亿组织与团体都采用m p e g - 2 标准。f f p e g - 2 具有以下的优点： ( 1 )视频压缩与m p e g - 1 是囱后蓉容的； ( 2 ) 对t v 和计算机显示w 以是企屏交织的和或渐进的视频； 3 )罐强弱誊频( 筠覆量、挚声遒、立体声等蠢频娉镀) ； ( 4 )可以传送复用( 在一个单一传送流中可以缭合不圊的m p e g 码 滚 ： ( 5 )可以进行其他业务( g u i 、交互性、加密、辅助数据传送等) 。 m p e g 一2 翡绻格茸分为篷缩瑟饔系绫詹。一貉节瓣瓣程籁、音鬏及其 他辅助数据经过数字化后通过压缩屡完成信源压缩编码，分别形成了 视频的摹率流e s ( e l e m e n t a r ys t r e a m ) 、音频懿摹本流帮其他辅韵数据 的基本流；紧接着系统层将不同的基本流分别加包头打包为 p e s ( p a c k e t i s e de s ) 包。为了多路数据节目流的复用和有效的传输，又 将p e s 包终为负载分割后插入传送漉包或节题流包中，其结构如图2 - 1 所示。 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 f 赢嘹黯蠹詈技据。ii 基本流。i 佃八巴戈旧届 l 节目流i 呐伊乎峥 厂十+ lp s m u xi 器f 赢恻器瓣数据。ll 基本流。i 佃八巴炎旧思i 嚣频 匿2 1m p e g 一2 节目流与传送流 传送流i 盯富复i 传送流输出 用匣堕塑型 t s i v i u x1 所以，在x i p e g 一2 标准中，有两种不同类型的码流输出到信道，一 秘蹩节基淡( p s ；p r o g r a ms t r e a m ) ，逶雳予没鸯误蓑产生鹣媒髂存姥： 另一种是传送流( t s ：t r a n s p o r ts t r e a m ) ，适用于肖信道噪声产生的 蕊戆，霹在隧终串遂括逡燕离懿健输。铸送滚霞予综舍多麓苇餮两蕈 路节目，也就是便于节目的复用传输。多个节目可以或者不必具有相 蠢黪霄闻恭准。努姊，m p e g 一2 静传送龟 s 豹大小定义秀一个露定长度 包大小( 1 8 8 b ) ，这样便于找到每帧数搬的起止位置，易于从包中恢复 数据，适合予有误码的环境。 因为复用器的设计主要是针对转送流( t s ) 进行处理，魇以将对t s 流作主要介绍，而有关m p e g 一2 标准关于视酱频压缩算法、语法结构 等娥范，在这里将不作分绍积讨论。m p e g - 2 中t s 是掇据i t u - tr e c l t 2 2 0 、 i s o i e cd i s l 3 8 1 8 2 和i s o i e c1 3 8 1 8 3 协议定义的一种数据瀛，其 器豹是为了在有w 裁发生严重镫误豹醛壤下遴行一路或多鼹节鑫瓣编 码数据的传送。谗种错误表现为比特德错误绒包丢失。t s 的速率是可 鞋簧位楚，遣哥绫是固定豹。j s 游速率楚壹节鞫霹镑参考p c r ( p r o g r a m c 1 0 c kr e f e r e n c e ) 字段的位置和数值决定，通常每个节目都有自己的 p c r 字段。 2 ，。1m p e g - 2 系统屡渗议援范 多个蒸本流e s 进行多路复用，就得到了m p e g - 2 系统的下一屡的 t s 流，t s 流由t s 分组f t sp a c k e t ) 构成，负费将上朦的p e s 分组送到 嚣 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g - 2 预处理t s 流复用设计及验证 协议栈的下层进行传输。为了实现解码同步，在非定长的打包原始流 ( p e s ) 中插入播出时间标记( p t s ：p r e s e n t a t i o nt i m es t a m p ) 和解码时间 标记( d t s ：d e c o d i n gt i m es t a m p ) 以及相关的系列标志符。而传送层采 用固定长度为1 8 8 b 的数据包，将p e s 打包为t s 流，因此p e s 分组必 须经过切割，才能由若干个t s 流分组进行传输。m p e g 一2 规定，每个 t s 分组的有效负载只能包含同一个p e s 分组的一部分连续数据；每个 p e s 分组由整数个t s 分组进行传输，最后一个t s 分组的有效载荷若 填不满18 8 字节，则用填充字段( s t u f f i n gb y t e ) 进行填充。这样的包结 构为未来新增业务时，在无需新增比特流的情况下，就可以在传送层 中进行复用传送，从而提供了较大的灵活性。图2 2 为t s 包的语法结 构。 i _ l _ 1 8 8 b 一 t s 流l 包头i净荷i 包头l 净荷l 包头i 浯荷 同步 信送差l 净荷单元l 佶送优i p i d i 传送加i 自适应l 连续l 自适应 字节l 错指示i 开始指示l 先缀ii 扰控制1 字段控制l 计数器l 字段 1 34 自适应字l 不琏续l 随机接 段长度l 指示l 入指示 基本流优l5 标志l 附加 先指示fl 字段 埴充 字节 p c r o p c r | 切换l 催选用户l 用尸数据i 扩展自适i3 标志l 扩展自 ll 例计数j 数据长度ll 应段长度ll 适应段 图2 2t s 包语法结构 由上阉可以嚣出，t s 包由4 b 的镪头、可变长度晌自适应字段和有 效负荷组成。包头由8 b 同步字节、1 b 传送麓错指示、1 b 负荷单元开 始摇示、抽传送援先级、1 3 b 龟标识( p t d ：p a c k e ti d e n t i f i e r ) 、2 b 传送加扰控制、2 b 调整字段控制和4 b 连续计数器缎成。其中，负荷单 元开始撵示表示打包斡疑始凌p e s 数据包字头或毽含与节嚣毒关数 9 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 p e s 信息的起始端，是否出现在该t s 包的负荷中。调整字段控制表示 在包头后面是否有调整字段或有效负荷。连续计数器中的数值对于具 有相同p i d 值的有效负荷而言，从0 15 连续循环，用来在解码端检测 是否有丢失的t s 包。在t s 包中，用不同的p i d 来区分不同的t s 流所 携带的内容，包括p a t 、p m t 、p c r 和音频、视频、附加数据信息等。 除了各节目的各个传送流外，还应有节目专用信息( p s i ：p r o g r a m s p e c i a li n f o r m a t i o n ) ，p s i 数键峦露定字长熬整律字头黧霹交字长熬 节目关联表( p a t ：p r o g r a m a s s o c i a t i o nt a b l e ) 或节目映射表( p m t ： p r o g r a mm a pt a b l e ) 戳及4 b 篱c r c 梅袋。 p a t 浅的整体字头长度为8 b ，由表标识符、表分段长度、传送比 特流标谖符、蔽本号、警蘸下次指示游、分羧号和簸后分段号缭戏。 而可变字长的节熙清单由各个1 6 b 的节目号与对应的1 3 b 的节目映射 表鹃p i b ( p a c k e ti d e n t i f i e r ) 值组成。 p 磅t 浅鲍整体字头长发为1 2 b ，由表标识褥、表分段长发、节羁号、 版本号、当前下次指示器、p c r 之p i d 、节目信息长度组成。而可变字 长鹣节髫接述出节垦鼹食基本比特流类型( 毽括音频、视频、附麴数 据信息等) ，基本比特流对应的p i d 、扩展信息长度和扩展可变长度的 基本滚攒述綮续簸，其牵毒一个p i d 会亳该苓塞霹镑参考p c r 馈爨。 此外，还可以在多路复用节目的业务巾。以t s 包的形式对系统单独插 入p c r ，嚣p c r 豹p i d 楚独立豹。 2 1 2t 8 包语法结构 1 8 8 b 长度的t s 包由4 b 的包头、可变长度的调整字段以及有效数 据负荷缀袋。这些信息与簧送系统有关。露羊s 毽串有效负篱掰薅送豹 信息主要包括4 种类型： ( 1 )锈频、裔频和p e s 毪激菠辩加数撵。 ( 2 )描述单赂节目信息的节臣映射表( p m t ) 与描述多路节目复用信 患的节霹关联裘( p a t ) 以及对条薛接收系统所要求酶条件访秘 袭( c a t ：c o n d i t i o n a la c c e s st a b l e ) 。 ( 3 )嵇种业务信息( s i ) 表，包括强制性的网络信息表( n i t ) 、渣务 撼述表( s d t ) 、节耳段债息表( e i t ) 与时间釉日期裳( t d t ) ，还 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 包括可选的业务组表( b a t ) 、运行状态表( r s t ) 和时间偏移表 ( t o t ) 等。 ( 4 ) d v b 数据广播信息，包括数据管道、异步数据包、同步、被同 步数据流、多协议封装、循环数据、循环对象。 每个传送流的前4 个字节为包头，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，通常该信息是1 8 4 b 长度。有时在 有用信息中插入节目时钟参考( p c r ) 。传送流的包头由3 2 b 组成，它是 识别传送流的关键，其结构参照图2 2 介绍。 下面介绍t s 包中几个重要的标志： 1 同步字节( s y n b y t e ) ：8 b 长度的字段，其值为0 x 4 7 ，该字段是 m p e g 一2 的传送包标识符。 2 传送错误标志指示( 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 长度的字段。当 其值为1 时，表示在相关的传送包中至少有一个不可纠正的错误位， 只有在错误纠错之后，该位才能被重新置0 。 3 有效负载起始指示( 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 ) ：l b 长度的字段。 该字段用来表示t s 包的有效负荷带有p e s 包或者p s i 数据。 4 传送优先级( t r a n s p o r t p r i o r i t y ) ：l b 长度的字段。当该字段置为1 时，表示相关的包比其他具有相同p i d 但此字段置0 的包有更高的优 先级。可以根据此字段确定在一个原始数据流中数据的传送优先级。 5 p i d ：1 3 b 长度的字段，表示存储于传送包的有效负荷中的数据类 型。不同的电视节目和业务信息s i 对应有不同的p i d 值。对于一台解 码接收机而言，为了找到它所要接收的电视节目，它首先通过p i d 值 找到p a t 、p m t 、c a t 、n i t 、s d t 、e i t 及t d t 等，通过这些有关节目的 信息表，尤其是节目的专用信息表，可以查到所要接收节目的p i d 值 和对应的节日时钟参考p c r ，这样节目就可以被还原。表2 一l 给出了 p i d 的分配，注意具有p i d 值为o x 0 0 0 0 、o x 0 0 0 1 、o x 0 0 1 0 - o x l f f e 的传 送包允许携带个p c r 。 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 一2 预处理t s 流复用设计及验证 表2 1p i d 分配表 p i d 取值( 13 b ) p i d 值使用描述 0 x 0 0 0 0节目关联表( p a t ) 0 x 0 0 0 1条件访问表( c a t ) 0 x 0 0 0 2传送流描述表( t s d t ) 0 x 0 0 0 3 一o x 0 0 0 fi s o i e ci 3 8 1 8 1 保留 可以分配作为n e t w o r k p i d p r o g r a m m a p p i d ， o x 0 0 1 0 一o x l f f e e l e m e n t a r y p 1 d ，或留作它用 0 x 1 f f f空包 6 传送魏密控制( t r a n s p o r t s c r a m b l i n g c o n t r 0 1 ) ：2 b 长度瓣字葭。该 字段用来指示传送流包有效负荷的加扰方式。如果传送流包首部包括 调整字段，羹l j 不应被魏我。对予空包，该字段餐为“0 0 ”。 示不加密，“0 l ”“1 0 ”“1 l ”由用户定义。 7 调整字袋控制( a d a p t a t i o n _ f i e l d c o n t r 0 1 ) ：2 b 长度的字段。表示佟送 流包黄部是委跟隧有调整字段或有效负赫。 8 遵续计数器( c o n t i n u i t y c o u n t e r ) ：4 b 长度的字段。其值随着具有相 同p i d 篷款t s 包艇趱燕褥增热，当达烈最大鼢，又恢复为0 。翅暴调 整字段控制值a d a p t a t i o n _ f i e l d c o n t r o l 为“0 0 ”或“1 0 ”，该连续计数 器不溪翅。 9 调整字段( a d a p t a t i o n f i e l d ) ：为了传送打包后长魔不足1 8 8 b ( 包括 包头) 豹不完整罩s ，或者为了在系统爱援入节瓣薄键参考p c r 字聚，鬟 要在t s 包中插入w 变长字节的调整字段。 1 0 + p c r 字浚：( p r o g r a m c l o c kr e f e r e n c e ) 节嚣簿铮参考，表示绽弱灞 的时钟，并反映了编码输出码率。接收端根据p c r 可以调懿解码端的 系统时锋，以傈诫对节蟊的正确解码。 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 2 2 数字视频广播d v b 正如现行模拟电视有p a l 、n t s c 、s e c a m 三种制式一样，目前在 数字电视标准中，也有1 9 9 5 年经美国联邦通信委员会批准的高级电视 系统委员会( a t s c ) 作为美国高级电视( a t v ) 国家标准，和19 9 7 年经过 欧洲通信标准组织与国际电信联盟i t u 通过的数字视频广播d v b 标 准。 在信源编码方面，这两大标准对视频信号都以m p e g 2 为核心进行 压缩编码。但对音频信号，a t s c 选用杜比a c ，3 数字音频压缩标准， 而d v b 采用i s o 1 e cm p e g 的m u s l c a m 声音标准：a t s c 除了 m p e g 2 定义的节目专用信息p s i 外，还提供了节目及系统信息协议 p s i p ，用于描述系统及节目层中一个传送流中所有的虚拟频道所包含 的信息，但只适于数字电视地面广播。而作为m p e g ，2 的p s i 的拓展， d v b 还提供了业务信息s 1 ，适用于d v b 系统不同的传输信道，便于 综合接收解码器i r d 接收数字电视节目：d v b 支持条件接收，但a t s c 目前还不支持；另外，在信道传输方式上也不同。 d v b 自1 9 9 3 年建立以来，已经产生了几乎遍及数字广播各方面的 规范，并由e t s i 和c e n e l e c 采用，形成了正式的欧洲标准。当今 d v b 被认为是数字电视与有关的多媒体业务的全球性解决方案。 2 2 1d v b 标准体系结构 基于m p e g - 2 数据压缩和复用技术，e t s i 制订了实用化的d v b 开放 标准，几乎涵盖了数字电视广播的每个方面。d v b 标准是一个庞大的体 系，其规范核心主要包括： 1 压缩编码部分：采用m p e g 一2 标准灵活地压缩和编码视频音频 数据，并将这样的格式的码流作为d v b 广播的数据源。 2 复用部分：采用公共的m p e g 一2 传送流形式进行复用，通过对 m p e g - 2 系统层部分进行扩充来实现。 3 接口部分：定义了各种接口标准，如与a t m 、p d h 、s d h 等网络 的接口。 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g - 2 预处理t s 流复用设计及验证 4 条件接收部分：定义了通用的加扰算法和授权管理及授权控制 信息在复用器复用流中的结构。 5 互操作部分：定义了各种媒体的交互操作标准及模型。 6 传输部分：定义了传送流在各种媒体中的编码及调制方式。 因此，采用d v b 标准设计通用的数字电视系统时，各传输媒体间有 最大的互通性、能灵活传输m p e g 一2 音频视频数据、广播数据与用户 数据。d v b 使用统一的m p e g 一2t s 流复用，引导用户进入d v b 环境的业 务信息系统，进行r s 前向纠错编码f e c 与加扰，实现在不同媒体和不 同制造商之间的互操作性。 2 2 2m p e b - 2 与d v b 有线数字电视的d v b c 业务，主要依据了m p e g 2 标准的图像压缩 技术和d v b 标准的信道编码技术。图2 - 3 是基于w q b 框架的m p e g 一2 传 送流系统构成。 l i u l 刁v 匪 i i i p e g 视频压缩i p e g 音频压缩 ll i p 豇表il 肝啪舶一蚰l li | p e g 一2 传送流i i i i d v b 标准 l 数据链路l l iil i d v 肿t flq a m i v s e fi q f s k i 图2 - 3b t p e g 一2 传送流协议栈 在信源部分采用了i s o i e c l3 8 l8 2 ( m p e g 一2 ) 和d o l b y h c 一3 标准分 铡对援鞭窝蠢频送行压缩，嫂英藏为鹞率较懿戆节基藏，秀将尼路这 电子科技大学硕士学位论文：基于f p g a 的m p e g 2 预处理t s 流复用设计及验证 样的节目流经过变换、复用形成码率较高的便于传输的输送流，输入 信道编码调制设备。 d v b 是一个广义的