[硕士论文精品]智能公交调度系统中调度信息提取电路的fpga实现

尚人学顺L学位论文智能公交渊懂系统中州度信息提取1U路的FPGA实现摘要城市公共交通的智能化和信息化是近年来公共交通领域的一个新的具有前瞻性的发展方向。城市公共交通智能调度系统将高科技引入公交车辆的运营管理体系，能够大大提高公交车辆的运营效率。发展先进的城市公共交通系统是缓解城市交通压力的有效途径。在我国，采用GPS技术建立城市公交智能调度系统的技术开发和应用推广工作已经开展了很多年，其无线数据通讯的实现，主要是采用单频点超短波电台或集群电台系统或GSM网络。本文提出了在城市公交智能调度系统中实现无线通信的一种新途径，即利用数字电视地面广播实现无线通信。采用数字电视地面广播系统具有单频点电台或集群系统无可比拟的优点系统容量大、使用费用低廉、无需建设或维护通讯系统等；另外，与GSM网络相比，数字电视地面广播具有更丰富的带宽资源，可以方便的从传输简单的调度数据信息扩展到为乘客提供视频服务信息等其他业务。数字电视近年来获得了飞速的发展，人们对基于DVB标准的数字电视业务的需求越来越多。在有线电视相对繁荣的今天，地面广播的方式一度倍受冷落。然而随着电视系统由模拟逐步转向数字，地面广播渐渐显露出它的巨大发展潜力。广义而言，数字电视地面广播是一种上下行非对称的无线数据传输方式，而且它的下行线路具有宽带的特点，具有传输高速数据的能力。加之其特有的无线接收和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会所要求的信息到人的需求，具有很大的商业开发价值。除了为固定电视用户提供节目广播以外，数字电视地面广播还有两大开发热点移动电视和移动信息接收。目前移动电视已在上海公交车辆上试播成功，并取得了良好的社会效应；而在移动信息接收领域的应用，还有待进一步的研究开发。本文是开发上海市文化广播传媒集团的项目“基于数字电视地面广播的城市公交智能调度系统”的结果。城市公交智能调度系统是一个庞大而复杂的系统，包含了由总监控服务器系统、数据库服务器系统、站牌服务器系统、通信服务器系统组成的调度指挥中心，无线通信网络DTTB，以及电子站牌终端和公交车辆终端等几大部分。我作为项目的成员之一，主要负责此系统中车载接收设备硬件电路的开发。调度信息提取单元电路的设计目标是将公交调度信息从MPEG一2传输流中提取出来。结合本人的实际工作，本文详细描述了该车载硬件电路中调度信息提取单元电路的设计方案和实现过程。最后，本文利用现场町编程门阵列FPGA技术及相关软件和硬件测试平台，实现了调度信息提取单元电路的软件仿真和硬件验证。关键词城市公交智能调度系统，数字电视地面广播，DTTB，MPEG一2传输流，现场可编程门阵列，FPGA，VHDL海人学顾学位论文智能公交谢度系统中州度信息提取L乜路的FPGA实现ABSTRACTTHEAPTSADVANCEDPUBLICTRANSPORTATIONSYSTEMSISTHEDEVELOPMENTTENDENCYINTHEPUBLICTAFFICFIELDTHEAPTSISONEPARTOFTHEITSINTELLIGENTTRANSPORTSYSTEMSTHEINTRODUCINGOFHIGHTECHINTHEPUBLICTRANSPORTATIONSYSTEMWILLMAKETHESYSTEMMOREEFFICIENTTHEREFORE，TOCHANGETHECROWDEDSTATEOFTHEPRESENTTRANSPORTATIONSYSTEMSINOURCOUNTRY,THESTUDYOFAPTSBECOMESVERYIMPORTANTINOURCOUNTRY，THESTUDYOFAPTSBASEDONTHEGPSTECHNOLOGYHASBEENCARRIEDOUTFORMANYYEARSTHEWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEM，WHICHISONEIMPORTATEPARTOFAPTS，USUALLYUSECOLLECTIONBROADCASTINGSYSTEMORGSMSYSTEMINTHISPAPER,ONENEWWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEM，DTTBDIGITALTELEVISIONTERRESTRIALBROADCASTING，ISBROU曲TFORWARDANDUSEDTOTHEAPTSWITHTHEDEVELOPMENTOFDIGITALTVTECHNOLOGY,THEDTTBSHOWSITSPOTENTIALINTHECOMMERCIALAPPLICATIONTHEBROADBANDOFDTTBISSUITABLETOTRANSFERHI曲SPEEDDATA，ANDTHECHARACTERISTICOFWIRELESSRECEIVINGANDMOBILERECEIVINGISALSOMAGNETICFORCOMMERCIALAPPLICATIONTHISPAPERISTHERESULTOFTHESTUDYONTHEPROJECT“CITYAPTSBASEDONDTTB“THEAPTSISACOMPLICATEDSYSTEM，ANDITINCLUDESTHEDETECTINGSYSTEM，DATABASESYSTEM，COMMUNICATINSYSTEMANDSOONASONEMEMBEROFTHEPROJECT，IAMRESPONSIBLEFORONEPARTOFTHEHARDWAREONTHEVEHICLESTHEHARDWAREHASTHREEFUNCTIONSTORECEIVETHEDTVSIGNAL，TOFILTERTHECOMMANDINFORMATIONFROMTHEDTVSIGNAL，ANDTOSHOWTHEINFORMATIONONTHESCREENMYJOBISTOFILTRTHECOMMANDINFORMATIONFROMMPEG2TSTRANSPORTSTREAM，ANDTHEREALIZATIONOFTHECIRCUITISBASEDONFPGATHEPAPERELABORATESTHEPROCESSOFTHECIRCUITDESIGNKEYWORDSAPTS，DTTB，MPEG一2，TS，FPGA，VHDL原创性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了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发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。签名日期本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有J汉保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。保密的论文在解密后应遵守此规定签名导师签名曰期海人学顺J学位论殳智能公室喇度系统中删度信自摊且JCU路的FPGA实现11论文的选题背景第一章绪论随着我国经济建设的持续快速发展，城市规模不断扩大，相应的城市交通需求也不断增加。虽然城市道路建设突飞猛进，然而仍然赶不上车辆的增长速度。随着我国城市化进程的不断推进，大中城市居民出行次数会逐年递增，预计到2010年城市居民的交通总量将达2500亿人次。同时，由于多种原因致使公交车辆运营速度由每小时1214公里下降至510公里，新增的运力被运输效率下降抵消，公交承担运量不断减退，居民出行方式逐年由公交向自行车等个体交通方式转移，这无疑加剧了交通的拥挤程度1】。如何解决城市居民出行交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾成为摆在我们面前的一项迫切任务。优先发展城市公共交通，提高公交服务水平，吸引更多乘客乘坐公交出行，减少私人交通出行量，这无疑是解决这一矛盾的首选途径。公共交通是城市赖以生存的重要基础设施之一。它作为城市动态大系统中一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽带。公交系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等优点。因此，要解决大、中城市目前普遍存在的交通拥挤、交通事故频繁和环境污染等问题，应特别重视优先发展城市公共交通。优先发展城市公共交通已经被世界各国公认为解决大中城市交通问题的最佳策略，是城市交通可持续发展的必由之路。但是，与发达国家相比，我国各大中城市的公交系统服务水平较低，主要表现在车辆到发时间不确定，信息化服务基本上是空白，调度方式比较原始落后。目前公交调度管理的技术手段主要是通过电话和便携式对讲机进行调度信息交流，主要调度方式是由线路主站调度签发路单，靠司机传递路单，到副站后由副站调度签发到站时间和车辆返程时间。这种人工的经验式调度已远远不能适应日益复杂的路面状况，使车辆的利用率下降，而且对营运车辆途中的动态信息根本无法反馈和掌握。随着国民经济的飞速发展，城市建设的日新月异，城市公共交通面临的问题急需改善和解决。传统的公交调度指挥手段已远远不能适应城市客运公交的需求，发展智能化调度，充分挖掘现有运力，灵活科学调度，已成为公交调度管理的前进方向。区|而，集GPS卫星定位、通讯控制、计算机网络、智能化运营管理一体的智能公共交通系统必将大大改善公交管理水平，吸引更多潜在客流，提高公交系统经济效益，减少政府财政补贴。由于采用公交出行的居民增加，相对减少了其它车辆出行，这势必会缓解城市交通压力，减少环境污染，降低交通事故发生率，改善交通环境，带来巨大的社会效益。本项目旨在解决公交调度系统存在的上述问题，为智能公共交通系统的实施提供理论基础和技术准备，使城市的公交管理达到国际先进水平。因此，公交车辆智能调度系统的研究与实施具有重要的现实意义和应用前景。商人学顺J学位论文智能公交I|F度系统中涮度信息提取U路的FPGA实现12智能公共交通系统国内外研究现状分析美国、日本、加拿大、英国、法国、韩国等国家都投入了较大的人力和物力从事智能公共交通系统研究，在国际上处于领先地位，并已取得了显著的成果。自八十年代以来，许多国家公共交通部门开始应用先进的信息与通信技术进行公交车辆定位、车辆监控、自动驾驶与路径引导、计算机辅助调度以提高公交服务水平。根据1998年美国运输部的联邦公共交通管理局F1A出版的“APTS发展现状”，美国的APTS主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。具体包括车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管理等几方面的研究。日本城市公共交通智能化的发展经历了3个阶段70年代末开始应用公共汽车定位系统一公共汽车接近显示系统80年代初开始应用公共交通运行管理系统，其中包括乘客自动统计，运行监视和运行控制；进入90年代，由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度是十分困难的，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统CTCS，旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。欧洲许多国家同中国一样具有悠久的历史，城市街道一般都比较狭窄。但是，它们通过实施公交优先政策，设立公交专用道路，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效益，这些经验值得中国许多大中城市借鉴。与欧美国家相比，我国的公共交通事业还比较落后。然而，面临着大中城市日益严重的交通拥挤和环境污染等问题，只有大力发展公共交通才是获得城市交通可持续发展的根本途径。各级政府一直高度重视公交事业的发展，每年都对公交给予巨额财政投入，以改善目前落后的公共交通状况。同时，积极实旌公交优先发展政策，对于先进技术的引入给予大力支持。这些都为智能公共交通系统在我国的实施提供了有利条件。我国已经有杭州、上海、北京等地安装了电子站牌，车载GPS定位设备，实现了车辆的实时跟踪、定位、公交车与调度室的双向通讯，以及电子站牌上实时显示下班车位置信息等功能。由于上述功能，使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，节约了劳动力，减轻了劳动负担，同时，提高了车辆运行正点率和服务水平，吸引了大量客流。13基于DTTB网络的智能公交调度系统131DTTB简介海大学砸I学位论文智能公交测度系统中调度信息提取LU路的FPGA实现数字广播电视的传播途径有卫星、地面和有线三种。目前，很多国家都已经实现了数字卫星广播和有线数字电视广播，而数字电视地面广播技术DTTBDIGITALTELEVISIONTERRESTRIALBROADCASTING也在日趋完善。数字电视地面广播由于地面信道状况复杂，在应用需求上又要求实现移动和便携接收的功能，使整个技术系统的要求最高。DTTB具备无线数字系统所共有的优点较之卫星接收，有实现容易、价格低廉的特点；较之有线接收，不易受城市施工建设、自然灾害、战争等因素造成的断网影响完善的DTTB系统所具备的蜂窝单频网功能，不仅提高了频谱的利用率，而且可应用与宽带无线接入市场；而移动和便携的独特优势使该系统能满足现代信息社会“信息到人”的要求，即实现5个WWHOWHENWHEREWHICHWHAT，也就是无论何人何时在何地均能任意获取他想得到的信息。广义而言，数字电视地面广播系统可被视为一个上、下行非对称的宽带无线数字通信系统【21，而优秀的无线、宽带、移动传输系统是当前世界信息技术领域的研究焦点之一。因此，DTTB有着具有巨大的社会需求和市场商机【3J。目前，数字电视地面广播领域有三个相对成熟的标准制式正在参与全球制式竞争。它们是欧洲的DVBT、美国的ATSC和日本的ISDBT2,3,4,51。三者之间相互独立，在各自特定的应用领域里具有自己的优势。下面简单介绍一下这三种制式1美国的ATSCATSC采用的是8VSB调制系统，是在NTSC6MHZ频道上开发的，即8电平残留边带调制方式，采用的是具有导频的单载波调制，是现有成熟AM调制技术的发展。抗多径和干扰依赖于复杂的自适应均衡器，不支持移动。2欧洲的DVBT欧洲的DVBT采用的是COFDMCODEDORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING调制，基于8MHZ带宽，采用编码的正交频分复用技术，属于多载波调制技术，使用17052K或68178K个载波，2K模式支持移动。3日本的ISDBT日本的ISDBT是在欧洲DVBT基础上的改进，采用OFDM载波调制方案可适应6、7、8MHZ带宽，并把频带进行分段传输BANDWIDTHSEGEMENTEDTRANSMISSIONBST，对不同的BST采用不同编码类型和调制映射方式QPSK或QAM等，以满足不同业务的需求。如对传输多媒体文本文件对信道编码的技术要求较低，而对移动视频接收等要求则较高。在这三种标准中，美国的ATSC和欧洲的DVBT占主导地位，而DVBT制式应用最广泛、最灵活，并已在欧洲启动实施。由于ATSC制式不支持移动接收，所以本论文所讨论的“智能公交调度系统”中所用到的DTTB网络采用了DVBT标准。下面重点介绍一下DVBT标准的特点。欧洲从1988年开始研究DVB的数字电视格式。DVB的含义是数字视频广播，它是总称，包含卫星的广播格式DVBS，电缆的电视广播格式DVBC和地面的电视广播格式DVBT三种。1995年制定了地面的DVBT广播格式的技术规范。1996年开始生产DVB电视接收机使用的集成电路芯片。与ATSC不同，DVBT采用COFDM的多载波调制方式，即编码的正交频分复用调制。在传输频带范围内，同时传送20008000个载波，数字电视信号加载在这些载海人学坝IJ学位论文智能公交渊度系统中_4度信息提取电路的FPGA实现波上。载波相互之间具有正交的相位关系，互相之间干扰最小，各载波之阳J留有保护带，具有以下特点1接收多径传输的电视信号时不发生重影由于电视频段处于超高频范围内，这种信号遇到高楼，大树或山坡阻挡时，信号将发生反射，直射波与反射波通过的路径距离往往有所不同，造成延时时间不同，对于模拟的电视信号，这将引起图像重影。然而，DVB的传输方式不会发生重影，相反，直射信号与反射信号叠加的结果相当予信号增强，改善了信号的接收效果。2可以建设单频网SFM，节省频率资源对于同一套电视广播，可以建设多座发射台，电视接收机的接收效果是多座发射台信号的叠加，例如，全省播送省电视台的一套节目，可以使用许多发射台，每一个发射台都使用同一个发射频率。这样，带来两个优点，第一是，利用一个频段的频率的资源实现大面积的覆盖，无线电频率是宝贵的资源，因此大大提高了频率资源的使用效率。第二是节省发射功率，为了获得同样的信号覆盖范围，使用单发射机工作时，有很大一部分的信号能量浪费了。使用多发射机工作，每一个发射机只需要发射较小的功率，那么，在很大的覆盖范围内，都能够得到稳定、满意的接收效果。带外的信号强度很低，提高了功率的利用效率，还可以减轻对邻频信号的干扰。图中表示了在相同信号覆盖区的情况下，单发射机所需要的发射信号场强如较高的细线表示。单频网多发射机的场强如粗线所示。显然，单发射机有很大的发射功率浪费了，多发射机的场强分布比较均匀，而且，对于带外信号的干扰比较小。3无方向性接收电视信号是超高频信号，具有很强的方向性，因此，利用室外天线或机上天线接收电视信号时，往往需要调整天线的方向，以达到最好的接收效果。使用多发射机方式时，信号来自多个方向，因此，可以不需要调整天线的方向，就能够获得满意的接收。4移动式接收一般来说，在高速行驶的汽车上是无法接收电视信号的。因为，相对运动将产生多普勒效应，使得信号的频率发生偏离。普通的电视机无法接收频率偏离的信号。但是，COFDM的调制方式能够克服频率偏离的影响，仍然能够获得满意的接收。DVB采用MUSICUM的伴音调制方式。无论从图像和伴音的调制方式来看，DVB和ATSC格式的数字电视都无法实现兼容。132基于DTTB的智能公交调度系统在城市公交车辆监控调度系统中，需要借助无线数据通信系统将指挥中心的调度命令传送至移动车辆上。从目前我国城市公交车辆监控调度系统的开发和应用来看，其无线数据通讯的实现，主要是采用单频点超短波电台或集群电台系统或GSM网络。采用单频点超短波或集群电台系统的缺点是系统建设难度高，需要申请频点，用于通讯系统的投资大；系统容量有限，只能支持很4海人学坝LJ学位论文智能公交调度系统中侧度FI息提取U路的FPGA实现少量车入网；通讯系统维护费用高。数字电视地面广播具有移动接收和无线接收的特点，且近年来对数字电视地面广播系统的研究日益成熟，利用数字电视地面广播实现车辆监控调度系统的无线数据通讯功能，是一个比较好的思路。这种解决方案具有单频点电台或集群系统无可比拟的优点系统容量大、使用费用低廉、无需建设或维护通讯系统等另外，与GSM网络相比，数字电视地面广播具有更丰富的带宽资源，可以方便的从传输简单的调度数据信息扩展到为乘客提供视频信息服务等其他业务。基于DTTB的智能公交调度系统综合了无线通信网络DTTB、GPS全球卫星定位系统、GIS地理信息等技术。以DTTB网络作为传输信道的公交智能调度系统的框图如图11所示。在图11中，智能化公交调度系统建成后，纳入系统管理的所有公交车辆通过车上的智能车载设备每个车载终端上都配备了GPS定位系统，将车辆的位置、速度、路况信息、乘客数量等，通过DTTB网络传回公交车监控调度中心。调度中心根据接收到的道路情况、车辆运行情况等信息采取相应的调度措施，合理安排发车间隔时间，并通过DTTB网络将调度指令发送到公交车辆上。司机根据指令控制出发时间、行车速度等，从而保证了线路畅通，并确保公交发车更均衡。同时，车内的乘客还可以通过设在公交车内的车载装置，了解所乘线路的车辆、线路情况等。另外，调度中心还将车辆信息通过DTTB网络发布到安装在线路站点上的电子站牌上，乘客可以通过电子站牌了解到某线路所经过的全部站点，某站点都有哪些线路经过，某线路下一辆车还有多少分钟到达本站等最新的公交线路运行情况，还可以通过电子站牌了解到天气信息、时间、道路车辆拥挤信息甚至广告信息等。图11基于DTTB的公交智能调度系统海大学坝卜学位论文智能公交训度系统中调度信息提取LU路的FPGA实现智能化公交调度系统的功能总结如下1公交车载信息终端与调度中心实时交互各种信息，从而指挥车辆运行，并向车内的乘客提供出行参考信息；2公交电子信息站牌向等候车辆的出行者提供车辆位置、到站、时间、道路交通情况、天气情况、时间等信息，还可以根据实际情况发布一些广告信息3通信服务器系统是调度中TZ,5N移动设备公交电子信息站牌、公交车载信息终端等的通信枢纽；4站牌服务器系统能够自动分析计算车辆的运行情况并能够自动地向公交电子信息站牌变更剩余时间和位置等信息；5数据库服务器系统是整个智能公交调度系统的数据中心6总监控服务器系统是整个系统监控中心，具有车辆监控、无线数据下载以及系统维护等功能；7数字电视用户可以通过看电视了解到公共交通方面的及时、实用的出行信息。14论文的主要工作和论文安排在智能公交调度系统中，由于调度信息是通过DTTB网络混合在数字电视码流中传送给每个公交车辆的，所以在公交车辆上需要安装一种信息接收设备。公交车辆上配备的接收设备应能实现以下功能准确接收并解调数字电视信号；提取调度信息；显示调度信息。为了实现这些功能，接收设备相应的从硬件结构上大体划分为三大单元，分别是高频头单元，FPGA单元，显示单元。高频头单元用来接收包含了公交调度信息的数字电视信号，并对其进行解调和其他处理，高频头的输出接口符合，最终以DVB的通用并行接口形式SPI将传输流送入调度信息提取单元；FPGA单元的功能主要包括两部分车辆调度信息基本流提取部分和USB控制部分，FPGA最终以USB接口的形式将调度信息原始流送入显示单元；显示单元的功能是将调度信息正确地显示在电子屏幕上。本文将主要介绍FPGA单元中车辆调度信息基本流提取部分电路的VHDL语言描述，并利用MAXPLUSII对电路的功能进行了仿真和验证。本文的重点是根据DVB的数据广播标准和MPEG一2系统层规范，分析MPEG一2传输流的复用和解复用原理，并提出解复用的算法和调度信息提取单元电路的FPGA实现。第一章讲述了论文的选题背景以及正能公交系统的国内外研究现状，并提出了智能公交系统中无线通信部分的一种全新的解决方案，即利用数字电视地面广播系统实现智能公交系统的无线通信部分。第二章介绍了DVB标准及MPEG2传输层规范，重点讲述了DVB数据广播标准以及MPEG一2传输流的复用和解复用机制。这是提取调度信息基本流的一红大学预J。学位论文智能公交涮艘系统中调度信息提取电路的FPGA实现理论基础。第三章介绍了FPGA技术和VHDL语言以及它们的设计特点。这是利用FPGA设计电路的必要基础。第四章是本文的重点，也是本文所作的主要工作。详细介绍了基于FPGA的调度信息提取电路的设计思想和设计流程。第五章总结了本文的工作。L海人学坝J学位论义智能公交调度系统中蒯度信息提取乜路的FPGA实现第二章DVB标准及MPEG一2系统层规范本章重点介绍了数字电视广播DVB标准和DVB数据广播原理，以及MPEG2系统层规范。由于本文中调度信息数据是作为私用数据按照DVB数据广播标准进行传输的，所以本章重点介绍了DVB数据广播标准。本章还深入分析了基于MPEG2标准的系统层复用原理，这是对多路节目解复用的基础，也是在设计调度信息提取单元时，提取调度信息基本流的理论基础。同时，本章还详细讲述了如何从PSI中找出需要的公交调度信息基本流的PID。因为只有查找到公交调度信息基本流的PID，才能从电视节日码流中提取出需要的公交调度信息。21DVB标准简介211数字电视广播标准及DVB简介数字电视以其卓越的画面和音响质量以及多功能、多用途、与信息高速公路互联互通的特点，成为广播电视发展的必然趋势。与之相应，数字电视传输系统的研究与开发也取得了长足的进展。根据国际电信联盟无线电通信部的规定，数字电视系统的组成见图21。复用图21数字电视广播系统【4目前，全球数字电视广播领域有三个相对成熟的标准制式F在参与全球制J海大学硕JJ学位论文智能公交调度系统中调度信息提取FU路的FPGA实眦式竞争。它们是欧洲的DVB、美国的ATSC和日本的ISDB。三者之间相互独立，在各自特定的应用领域里具有自己的优势。其中美国的ATSC和欧洲的DVB占主导地位，而DVB制式应用最广泛、最灵活，并已在欧洲启动实施。各种传输标准的比较见表21。由表21可见，各种传输标准采用了相同的信源编码方式，都是MPEG一2的复用数据包即数字电视码流一般都是以MPEG2码流为基础的。但由于它们的传输途径不同，其信道编码采用了不同的方式。表21传输标准的比较4】ATSC地面广播DVBTDVB。CDVBSISDBT视频编码MPEG2MPEG2MPEG2MPEG一2MPEG2音频编码AC一3MPEG2MPEG一2MPEG2MPEG2复用方式MPEG2MPEG2MPEG2MPEG_2MPEG2调制方式8VSBCOFDMQAMQPSKQPSK带宽MHZ6827DVBDIGITALVIDEOBROADCAST意为数字视频广播。它是欧洲170多个组织参加的一个项目，包括了卫星、电缆电视和地面广播的普通电视和高清晰度电视的广播与传输。DVB项目的主要目标是找到一种对所有媒体都适用的数字电视技术和系统。对它的要求是1系统应能灵活传送MPEG2视频、音频和其他数据信号。2系统使用统一的MPEG2传输流复用3系统采用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。4系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。5系统使用统一的加扰机制，但可有小同的加密。6选择适于传输媒体的调制方式以及任何必须的附DNQ错方法。7鼓励欧洲以外的地区使用DVB标准，推动建立世界范围的数字视频广播标准。8支持数字系统中的图文电视系统。DVB标准有三个DVBS，DVBC，DVBT，分别适用于卫星，电缆电视和地面J“播。II海人学顺卜学位论文智能公交调度系统中渊度F者息提取LU路的FPGA实现212DVB数据广播标准DVB定义了一套将数据封装在MPEG一2传输流中的方法。由于数据广播的应用范围极其广泛，单一的广播方式难以满足要求，因而ETSI欧洲电信标准组织在制定DVB数据广播标准的时候，在DSMCC数据存储媒体控制和命令标准的基础上提出了多种可供选择的方式，每一种都灵活有效的支持特定的应用环境，81。DVB数据广播标准定义的数据传输方法有1数据管道传送DATAPIPING这是一种通过DVB广播网络的简单的、异步的、点对点的发送数据的方式。数据管道通过DVB广播通道提供非同步、端到端的数据业务。它将数据直接插入传送流的净荷中，数据的重组和表述由用户自行定义。一般任何协议的数据传输都是以打包形式传送的，这些数据包可以有不同的长度。如果数据没有打包或打包方式与DVB的传输链不相关，那么最主要的传送方式就是数据管道。在MPEG2的分层中，传输流数据以固定的长度188BYTES发送，高层的数据包必须在发送端进行分片，而在接收端进行重分配。本文中调度信息数据的传送就采用了这种传输方法。2数据流DATASTREAMING它支持数据广播业务，在DVB广播网络内，需要一个面向流的，点对点的，异步或同步或被同步的发送数据。异步数据流、同步数据流、被同步的数据流支持基于码流的异步、同步或被同步的端到端数据业务。数据流方式将数据包装在MPEG2的包中。A异步数据流定义为既不需要码流内也不需要码流间定时，需求的只有数据的码流，即RS232数据。在需要异步传输数据包，并且PES机制有利于传输时，就采用异步数据流。因为对于这种传输必须是非同步的，则选择流标识PRIVATESTREAM2，而拒绝PES包头域的使用。B同步数据流定义为有定时需要的码流，前后包的数据有间隔周期。也就是说，包之间的最大和最4,N达时间是有限制的，同步数据流与其它数据流之间没有很强的同步关系，但数据和时钟可在接收机中由码流再生，比如E1，T1。如果在接收端的输出数据速率需要非常精确，那就可以使用同步数据流。接收时钟通过PCRPROGRAMCLOCKREFRENCE来L司步。9BIT的PTSPRESENTATIONTIMESTAMP扩展在大范围的数据速率中需要精确地放置数据接入单元。该9BIT扩展了PTS的精确性，从1LUS到37NS27MHZ的时钟。如果接收到相同数据业务的多协议解码器必须在相同的时间内以定位的方式输出数据，或者如果在输出数据流中有暂时的信号损失，而需要保持同步，那就需要精确的数据放置。C被同步数据流定义为有定时需要的码流，与同步数据流相同，有流内定时需智能公交调度系统中谢膛竹岜提取IU路柏FPGA县现求，但同时与其它PES流，像音视频码流那样有很强的定时关系。主要是用PES结构中的PTS和或DTS的定时能力与相应的数据相连，其数据能由其它数据流同步重放。3多协议封装MULTIPROTOCOLENCAPSULATION对于多协议封装的数据广播规范支持数据广播业务，在DVB广播网络内需要发送数据的通信协议，对于不同的通信业务都可以使用DVB的传输机制。多协议封装提供了一种传输机制，在DVB网络内MPEG一2传输流的顶部使用传输数据网络协议。多协议包封装、循环数据和循环对象方式使用DSMCC格式将数据包装进MPEG一2的相应部分。多协议包封装支持在MPEG一2传送包中传输任意协议的业务，IP业务，其编址可以是单播UNICAST、多播MULTICAST和广播BROADCAST。在地址接收端使用48比特的MAC地址，但是DVB没有规定这些MAC地址是如何分配给接收端的。由于DVB网络是用于广播的，数据的安全性则非常重要。通过支持对数据包的加密，并且动态地改变MAC地址，这样该封装对数据传输才是安全的。4数据循环滚动DATACAROUSELS周期性地传送广泛的数据文件。数据循环的数据广播规范支持数据广播业务，在DVB广播网络内需要周期性的数据传送模型。循环数据支持在DVB广播通道中周期性数据传输模式的业务，服务器周期循环发送一组不同内容的数据到用户，如果接收者选择自己想要的数据，只要等到该发送时刻就可以得到。数据循环是一种传输机制，通过周期性的重复循环的内容，允许服务器向解码器传，直到申请的数据模块被广播。关于数据循环的典型例子就是图文电视系统。在这个系统里，一组图文数据页在模拟视频信号的一些扫描线中被周期性地广播发送。当用户申请这些数据页时，他们必须等待下次数据页被广播。用户所必须等待的最长时间由它所占用的一个完整循环的时间决定，并且可以依次从循环的大小和广播的数据速率中推算出来。5对象循环滚动OBJECTCAROUSELS循环对象支持由DVB网络独立协议所定义对象的循环播放业务，广播服务器向用户播出有一定结构的对象组，对象可以是目录对象、文件对象或码流对象。DSMCC循环对象有利于一结构组对象的传送，通过目录对象，文件对象和流对象从广播服务器传送到广播接收端客户端。实际的目录和内容对象实现位于服务器中。服务器重复地插入DVB服从的使用循环对象协议的MPEG一2传输流的记载对象。循环对象是DVB业务的一部分。发送的目录和文件对象包含对象的内容，而在广播内所发送的流对象是参考其它流的。流对象也可以包含关于DSMCC事件的信息，这些信息是在一特殊的流中广播发送的。DSMCC事件可以用规则的流数据广播发送，可以用于触发DSMCC的申请。多客户端可以通过读取重复发送的循环数据来覆盖对象实现，然后在一本地对象实现中模仿服务器的对象。如果与服务器有或多或少的交互式连接，循环对象就可以提供给客户端一条路径来访闯申请以及这些申请使用的内容。6用户定义服务REGISTEREDSERVICE将来用户可以根据实际需要定义自己的应用类型。智能公交渊度系统中酬度竹恩提取U路的FPGA实J弛从另一个角度来看，DVB的数据包可以分为以下几种格式1直接基于TS包，固定长度188BYTE，直接基于私有数据机制，简单的数据管道采用这种方式。本文所论述的课题中就采用了这种格式来发布调度信息数据。2基于PES包。MPEG2PES包提供一种长度可变的打包方式，最大包长64KB”E，而且提供数据流精确同步的机制利用显示时间标签PTS，9比特的PTSEXTENSION域可以精确到27MHZ的时钟周期，即37NS，所以DVB选择PES用于同步和被同步码流的传输，当然也可以用于异步码流。3基于数据片。MPEG一2数据片SECTION也提供长度可变的打包方式，但最大包长是4KBYTE，而且是异步传输。它是为了方便解复用器用硬件过滤出单一的SECTION，从而降低对解码器软件的要求。在多协议封装和轮放中选用这种打包方式。22MPEG2标准简介221MPEG一2简介121MPEGMOTIONPICTUREEXPERTSGROUP译为运动图象专家组，它是在ISOINTERNATIONALSTANDARDORGANIZATION，国际标准化组织的召集下，为数字视频和音频制定压缩标准的专家组。该组织最初在1992年制定了MPEGL标准，应用于光盘的节目制作。广播电视行业从MPEGL标准的应用上看到了MPEG技术对于电视行业的意义，于是该组织于1994年推出了MPEG一2标准。MPEG一2标准是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。MPEG2可以说是MPEG一1的扩充，因为它们的基本编码算法都相同。但MPEG一2增加了许多MPEG1所没有的功能，例如增加了隔行扫描电视的编码，提供了位速率的可变性能SCALABILITY功能。MPEG一2要达到的最基本目标是位速率为49MBITS，最高达15MBITS。MPEG2的标准号为ISOIEC13818，标准名称为“信息技术电视图像和伴音信息的通用编码INFORMATIONTECHNOLOGYGENERICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATION1”。MPEG一2包含9个部分1MPEG2系统MPEG一2SYSTEMS，规定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的同步，标准名是ISOIEC1381811996INFORMATIONTECHNOLOGYGENERICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONS”TEMS。这个标准主要是用来定义电视图像数据、声音数据和其他数据的组合，把这些数据组合成一个或者多个适合于存储或者传输的基本数据流。数据流有两种形式，一种称为节日数据流PROGRAMSTREAM，PS，另一种称为传输数据流TRANSPORTSTREAM，TS。节目数据流是组合一个或者多个规潍人学硕L学位论文智能公交谢度系统中渊度信息摧取IU路的FPGA实现格化的即包化基本数据流PACKETISEDELEMENTARYSTREAMS，PES而生成的一种数据流，节目流的包长可变且较长，用在出现错误相对比较少的环境下，主要针对存储和从存储媒体中恢复，并适合使用软件处理的应用传输数据流也是组合一个或者多个PES而生成的一种数据流，传输流的包长相对固定188BYTE。用在出现错误相对比较多的环境下，例如在有损失或者有噪声的传输系统中，如卫星信道、微波信道和CATV信道等。2MPEG一2电视图像MPEG2VIDEO，规定电视数据的编码和解码，标准名是ISOIEC1381821996INFONNATIONTECHNOLOGYGENETICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONVIDEOA为了适应各种应用，这个标准主要规范了清晰度的等级4个级别，普通清晰度数字电视使用主类和主级MPML，用于演播室编辑的是422MPML。3MPEG2声音MPEG一2AUDIO，规定声音数据的编码和解码，是MPEG1AUDIO的扩充，支持多个声道，标准名是ISO1EC1381831998INFORMATIONTECHNOLOGYGENETICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONPART3AUDIO。音频规范了于MPEG一1音频标准的兼容性以及多通道的音频编码。4MPEG2一致性测试MPEG2CONFORMANCETESTING，标准名是ISOIECDIS138184INFORMATIONTECHNOLOGYGENETICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONPAN4CONFORMANCETESTING。5MPEG2软件模拟MPEG2SOFTWARESIMULATION，标准名是ISOIECTR1381851997INFORMATIONTECHNOLOGYGENETICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONPART5SOFTWARESIMULATION。6MPEG2数字存储媒体命令和控制扩展协议MPEG2EXTENSIONSFORDSMCC，标准名是ISOIECDIS138186INFORMATIONTECHNOLOGYGENETICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONPART6EXTENSIONSFORDSMCC。这是一个数字存储媒体命令和控制DIGITALSTORAGEMEDIACOMMANDANDCONTROL，DSMCC扩展协议，用于管理MPEGL和MPEG，2的数据流，使数据流既可在单机上运行，又可在异构网络即用类似设备构造但运行不同协议的网络环境下运行。在DSMCC模型中，服务器SEN，ER和客户器FCLIENT都被认为是DSMCC网络的用户USER，DSMCC定义了一个称为会话和资源管理SESSIONANDRESOURCEMANAGER，SRM的实体，用来集中管理网络中的会活和资源。7MPEG2先进声音编码MPEG一2AAC，是多声道声音编码算法标准。这个标准除后向兼容MPEG一1AUDIO标准之外，还有非后向兼容的声音标准。标准名是ISOIECL381871997INFORMATIONTECHNOLOGYGENETICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONPART7ADVANCEDAUDIOCODINGAAC。海大学硕学位论史智能公交州度系统中诎发信息挺取也路的FPGA实现8MPEG一2系统解码器实时接口扩展标准，标准名是ISOIEC138I891996INFORMMIONTECHNOLOGYGENERICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONPART9EXTENSIONFORREALTIMEINTERFACEFORSYSTEMSDECODERS。这是与传输数据流TRANSPORTSTREAM的实时接口REALTIMEINTERFACE，RTI标准，它可以用来适应来自网络的传输数据流。9MPEG一2DSMCC一致性扩展测试，标准名是ISOIECDIS1381810INFORMATIONTECTMOLOGYGENERICCODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOINFORMATIONPART10CONFORMANCEEXTENSIONSFORDIGITALSTORAGEMEDIACOMMANDANDCONTROLSMCO。222MPEG一2的应用”1MPEG2标准带来的好处体现在它的适用性。MPEG一2制定之初，有大量的广播电视设备供应商参与进来，因此它被设计成满足多种应用需要的标准。体现在其特性上，有两大特点一是运动补偿带来的高压缩比，另一个是根据不同的要求，通过参数的调节可以改变码率。从MPEG2标准的内容可以看出，MPEG2针对性最强的应用是存储和传输，因为MPEG2详细定义了压缩数据在存储和传输中的句法结构，并且只定义了对MPEG一2压缩数据的解码过程。基于这些特点，目前，MPEG，2技术在电视业务的应用上具有不可比拟的优势。以下是几种典型应用1数字化节目库一般电视台需要保存的节目数量相当大，使用传统的磁带保存节目带来的问题是容易造成图象质量下降甚至损坏，而且不利于管理，也很难实现节目的共享使用。采用基于MPEG2的数字化节目库可以很好的解决这些问题，MPEG一2较高的压缩比使节目存储所需要的资源大大降低。2节目传播高压缩比和可变输出码率使得MPEG一2技术在节目传播应用上发展迅速。由于在低至15MBITS的码率下，MPEG一2数据流依然能够提供相当稳定的图象质量，因此利用目前的一路模拟电视频道可以传输四路电视节目。这意味着在传送相同节目量的情况下，可以节约大量成本。而且由于MPEG2可变的输出码率，可以根据节目类型不同选择不同的压缩比，以达到更好的利用资源的目的。正是基于这些原因，MPEG一2已被作为数字电视广播的压缩标准，欧洲的DVB、美国的ATSC都是基于MPEG一2压缩格式的。3高清晰度电视由于高清晰度电视的分辨率很高，因此节目传输所需的带宽也很高，必须使用高压缩比才有可能传送高清晰度电视节目。目前只有应用成熟的MPEG2技术才能解决高清晰度电视的传输问题。上海大学顺。F学位论文智能公定调度系统中调度信息提取LU路的FPGA实现23MPE62系统层规范231MPE62系统层简介MPEG一2标准系统层规范主要介绍了把音频、视频和基本数据流复合成单个或多个数据流的机制。系统编码具体分为两种形式传输流TS和节目流PS，两种流的定义都是面向分组的多路复用流。传输流是将具有多个独立时间基点的多个节目复合成一个单独的数据流。其中属于同一个节目的各个原始流的PES包具有相同的时间基点。传输流是针对容易发生错误的传输环境而设计的。节目流是将一个或多个具有相同时间基点的数据流的PES包复合成的单路数据流。单个音频、视频原始数据流的基本多路复用方法如图22所示。经编码压缩后的原始音视频流被组合成PES包。当PES包被复合成传输流或节目流时，可以同时加入系统信息。I墼鲤堡是翌黧篷塑。图22ITUTRECH2200IISOIEC138181简化的总体框图本文重点讨论的是传输流的复用机制，对节目流将不再赘述。下面着重介绍传输流的相关定义和传输流的复用解复用机制。232MPEG2传输流的语法定义上海人学硕士学位论土智能公交涮度系统中谢度信息提取U路的FPGA实脱MPEG2传输流的语法定义包含在MPEG2标准的系统部分即ISO1EC13818一L。MPEG一2传输流是一种包化数搌流，是针对多噪声长距离的传输信道而设计的。传输流作为一个字节流，其语法定义由表22规定。表22传输流的