（信号与信息处理专业论文）基于fpga的ts流复用器及其接口的设计与实现.pdf

摘要 摘要 在数字电视系统中，m p e g - 2 编码复用器是系统传输的核心环节，所有的节 目、数据以及各种增值服务都是通过复用打包成传输流传输出去。目前，只有少 数公司掌握复用器的核心算法技术，能够采用m p e g 2 可变码率统计复用方法提 高带宽利用率，保证高质量图像传输。由于目前正处广播电视全面向数字化过渡 期间，市场潜力巨大，因此对复用器的研究开发非常重要。本文针对复用器及其 接口技术进行研究并设计出成形产品。 文中首先对m p e g - 2 标准及n i o s l l 软核进行分析。重点研究了复用器中的部 分关键技术：p s i 信息提取及重构算法、p i d 映射方法、p c r 校正及c r c 校验算 法，给出了实现方法，并通过了硬件验证。然后对复用器中主要用到的a s i 接口 和d s 3 接口进行了分析与研究，给出了设计方法，并通过了硬件验证。 本文的主要工作如下： 首先对复用器整体功能进行详细分析，并划分软硬件各自需要完成的功能。给 出复用器的整体方案以及a s i 接口和d s 3 接口设计方案。 在f p g a 上采用c 语言实现了p s i 信息提取与重构算法。 给出了实现快速的p i d 映射方法，并根据f p g a 特点给出一种新的p i d 映射 方法，减少了逻辑资源的使用，提高了稳定性。 采用v e r i l o g 设计了s i 信息提取与重构的硬件平台，并用c 语言实现了s d t 表的提取与重构算法，在f p g a 中成功实现了动态分配内存空间。 在f p g a 上实现了a s i 接口，主要分析了位同步的实现过程，实现了一种新的 快速实现字节同步的设计。 在f p g a 上实现了d s 3 接口，提出并实现了一种兼容式d s 3 接口设计。并对 帧同步设计进行改进。 完成部分p c b 版图设计，并进行调试监测。 本复用器设计最大特点是将软件设计和硬件设计进行合理划分，硬件平台及 接口采用v e r i l o g 语言实现，p s i 信息算法主要采用c 语言实现。这种软硬件的划 分使系统设计更加灵活，且软件设计与硬件设计可同时进行，极大的提高了工作 效率。 整个项目设计采用v e r i l o g 和c 两种语言完成，采用a l t e 豫公司的f p g a 芯片 摘要 e p l c 2 0 ，在q u a r t u s 和n i o si d e 两种设计平台下设计实现。 根据此方案已经开发出两台带有a s i 和d s 3 接口的数字电视t s 流复用器， 经测试达到了预期的性能和技术指标。 关键词：复用器，m p e g 2 ，c r c ，p c r ，p s i ，d s 3 ，a s i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h es y s t e mo fd i g i t a lv i d i o ，m p e g - 2m u l t i p l e x e ri st h ec o r eo ft h es y s t e m t r a n m i t t i n g a l lo ft h ep r o g r a md a t aa n do t h e rs e r v i c et r a n m i t et h r o u g hm u l t i p l e x i n g p a c k n o wo n l yf e wc o m p a n yc a np r e d o m i n a t et h et e c h n o l o g yo fm u l t i p l e x e r b e c a u s e c u r r e n t l yp o s i t i v ep l a c et h eb r o a d c a s tt e l e v i s i o nt u r n sat r a n s i t i o nap e r i o dt o w a r dt h e n u m e r a lc o m p l e t e l y ，t h em a r k e tp o t e n t i a li sh u g e ，t h e r e f o r et h ed e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c hf o rm u l t i p l e x e ri sv e r yi m p o r t a n t t h i st e x tm a i n l yr e s e a r c hm u l t i p l e x e ra n di t s i n t e r f a c ea n dd e s i g nt ot a k es h a p eap r o d u c t i nt h ed i s s e r t a t i o na u t h o rf i r s ta n a l y s i sa n dr e s e a r c hm p e g - 2s t a n d a r di nd e t a i l ，a n d i n t r o d u c en i o si i d e t a i l e da n a l y s e st h ep a r tk e yt e c h n i q u eo fm u l t i p l e x e r , s u c ha s p i c k i n gu pa n dc o n s t r u c t i n gp s ii n f o r m a t i o n , p i dm a p p i n g ，p c re m e n d a t i o na n dc r c c h e c k , a n dt h e nd e t a i l e da n a l y s e sa s ii n t e r f a c ea n dd s 3i n t e r f a c e ，g i v et h ed e s i g n p r o j e c t , f i n a l l yp a s st h eh a r d w a r ei d e n t i f i c a t i o n i nt h ew h o l ed e s i g np r o c e s s ，t h r o u g h t h em e t h o do f t h ef u n c t i o na n dt i m i n ge m l u a t o ra n dh a r d w a r ei d e n t i f i c a t i o n , e n s u r ee a c h p a r t st ow o r kn o r m a l l y , a n ds a t i s f yt h er e q u e s to ft h es y s t e mf u n c t i o n ，o t h e r w i s eg i v e p a r t so f d e t a i l sw o r k e d t ov a r i o u sd e s i g n s f i r s tt or e p l yt oc a r r yo nw i t ht h ew h o l ew o r ko fm a c h i n ed e t a i l e da n a l y s i s a n dd i v i d et h el i n es o f th a r d w a r ee a c hf r o mf u n c t i o nt h a tn e e dt ob ec o m p l e t e a d o p tt h ecl a n g u a g ec a r r i e do u tt h ep s ii n f o r m a t i o n g i v er e a l i z a t i o nt h ef a s tp i dr e f l e c tt os h o o tam e t h o d a n dg i v ea c c o r d i n gt o t h ef p g ac h a r a c t e r i s t i c sak i n do fn e wp i dr e f l e c tt os h o o tam a h o d ， r e d u c i n gt h eu s a g eo f t h el o g i cr e s o u r c e s ，r a i s i n gas t a b i l i t y c a r d e do u ta s it oc o n n e c to nt h ef p g a , m a i n l ya n a l y z e dt oc f l r l yo u tp r o c e s s s y n c h r o n o u s l y ，p r o v i d ea k i n do fn e wf a s tc a r r yo u tas y n c h r o n o u sm e t h o do f t h ew o r ds t a n z a c a r r i e do u td s 3t oc o n n e c to nt h ef p g a , p u tf o r w a r da n dc a r r yo u tak i n do f a n dt h ep e r m i tt y p ed s 3c o n n e c ta p e o p l e sd e s i g n t h i sp r o j e c tt h eb i g g e s tc h a r a c t e r i s t i c si st od e s i g ns o f t w a r et 0c a l t yo nr e a s o n a b l e d e m a r c a t i o nw i t ht h eh a r d w a r ed e s i g n , m a k et h es y s t e m d e s i g nm o r ev i v i d ，t h e l n a b s t r a c t s o f t w a r ed e s i g na n dt h eh a r d w a r ed e s i g nc a l lc a r r y0 1 1i nt h em e a n t i m e ，r a i s eaw o r k e f f i c i e n c yl a r g e l g t h ew h o l ei t e md e s i g nc o m p l e t e st h r o u g hv e r i l o ga n dct w ok i n d so fl a n g u a g e , a d o p tt h ef p g ac h i pe p l c 2 0o f t h ea l t e r ac o m p a n y , a t t h eq u a r t u sa n dt h en i o si d e t w ok i n d so f e n v i r o n m e n t b e c a u s et h i si t e mi sc o m p l e t eb ys e v e r a lp e r s o n ，t h i st e x tt oo n e s e l f p a r to f w o r k so f d e s i g ns t u d yc a l t yo na na n a l y t i c a lr e s e a r c h t h i si t e m s t i l lu s e sal i t t l eb i to t h e rr e l a t e d t e c h n i q u e s ，f o r e x a m p l e t h en u m e r i c a l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e , t h e n e t w o r k c o r r e s p o n d e n c e , i m b e ds m a l ls c a l e do p e r a t es y s t e me t e a n dd on o td oi n t r o d u c t i o nh e r e k e yw o r d s ：m u l t i p l e x e r m p e g - 2c r cp c r p s id s 3 a s i i v 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 作及取得的研究成果。据我所知，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： 日期：年月日 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 盘厂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： 导师签名：丝咝垒 日期：年 月 日 第一章引言 第一章引言 1 1 数字电视发展现状与趋势 数字电视的发展有着广阔的前景，纵观全球，在过去的几年中全球各国都在 大力发展数字电视及相关产业，并取得了很大进展。由于客观情况、标准、制式 等不同，各国的数字电视发展状况也不尽相同，但一些数字电视发展比较迅速的 国家，特别美国、日本、欧洲等国数字电视发展模式、发展趋势、技术标准的选 择对我国有一定的指导和借鉴意义【”。 美国是世界上较早发展数字电视的国家，在技术领域不仅完成了数字电视三 大标准的制订工作，而且己经率先实现了商用播出。在其忙碌的2 0 0 2 年度不景 气的经济形势下，美国的数字电视业务却取得了骄入业绩。目前地面数字电视的 覆盖率已达9 4 ，充分显示了这项业务巨大的发展潜力。数字电视用户在第三季 度也增长了1 5 0 万，全美的用户达到了1 3 7 0 万。据n a b 称，现在美国最少有 7 5 的家庭至少接收一套数字电视信号，由此可以看出，美国的数字电视已经得到 了大面积的推广。日本的数字电视研究与开发进展较快，2 0 0 6 年实现地面数字 电视全国覆盖，主要是h d t v 节目，计划到2 0 t 1 年全国范国内的所有电视台都 将采用数字信号发送，彻底结束模拟信号发送的历史。为了实现这个目标，日本 通过反复试验制定了符合本国国情的i s d b 数字电视标准，日本的数字电视正处 在一个腾飞的起点。欧洲的数字电视兴起比较早，目前无论从技术上还是用户规 模上都处在稳定的成熟时期。以英、法、德为代表的西欧国家制定了欧洲地区统 一的数字电视标准- d v b ，并且为世界其他各国制定相关标准提供了依据和参 考。早在1 9 9 6 年欧洲数字电视的卫星广播就已经开播，目前用户已超过5 0 0 万， 并已扩展至东欧；有线电视网络中数字电视的广播从1 9 9 7 年开始。在1 9 9 8 年 1 1 月英国就开始数字电视的地面广播，现在已经成为全球数字电视普及率最高的 国家，有将近一半的英国家庭看上数字电视。除了英国，西班牙、荷兰、瑞典和 法国等西欧国家也相继引入数字电视服务。由于欧洲数字电视提供商采取了有效 的措施吸引观众接收数字电视，替用户承担了数字电视机顶盒的购置费，并且提 供大量的付费节目供用户选择，其互动电视用户规模已经超过了美国。 我国的数字电视市场已经在理论上为人们展现了美好前景，同时经过几年的 电子科技大学硕士学位论文 探索我国数字电视发展进程已现雏形。我国在数字电视领域一开始便与世界先进 水平保持同步，但因为全国统一的数字电视标准方案仍在加紧试验，目前我国数 字电视业正处在一个关键阶段。发展数字电视的意义超出了数字电视本身，它将 引发一场信息技术的革命，推动一个国家的产业换代，创造新的商业机会和就业 机会，甚至导致资源和财富的重新分配。 目前，我国数字电视发展已进入实质性阶段，到2 0 0 8 年，主要城市将普及 数字高清晰度电视的商用播出，北京奥运会将实现以数字高清晰度方式向世界转 播。我国的数字电视时间表进程为：2 0 0 0 年和2 0 0 1 年是我国数字电视广播试验 年，在北京、上海、深圳三个城市进行了数字广播试验；2 0 0 2 年，具有独立知识 产权的我国数字电视系统标准获最终确定；2 0 0 3 年将在全国更大范围内进行数字 电视商业广播试验；2 0 0 5 年全国四分之一的电视台将发射和传输数字电视信号； 2 0 1 0 年我国计划全面实现数字广播电视；2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出，数 字电视基本上成为我国电视播放主力。数字电视是整个电视广播产业链条的一次 大变革，被誉为新世纪的战略技术。 1 2 数字电视系统构成 数字电视是从电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传 输技术的新一代电视系统。广义上说，数字电视是数字传输系统，是原有电视系 统的数字化。数字电视系统可以传送多种业务，如高清晰度电视、常规清晰度电 视、立体声及数据业务等等。下一代电视系统可以传送普通清晰度电视和高清晰 数字电视传送流复用器的f p g a 设计与实现度电视等不同级别图像，集图像、声 音和数据等多种业务的数字系统是世界各国广播工作者和科学家在付出巨大代价 后才得到的。一个完整的数字电视系统主要由以下三大部分组成：数字电视前端 系统、数字电视传输系统、数字电视接收系统。 1 数字电视前端系统 数字电视前端系统基本应用包括节目的采集、管理及播出系统，高级应用包 括条件接收及服务信息系统。与传统电视前端系统不一样的是，数字电视的节目 采集将会是一种多源多格式的数字化方式，同时节目的管理也将变得更为复杂， 基于m a m ( 媒体资产管理) 技术的数字化节目存储是数字电视的主要存储模式。 节目播出由单一的广播模式向端对端的交互模式发展。条件接收( c a ) 及用户管 理( s m s ) 是数字电视开展新业务的关键技术，服务信息( s d 则是数字电视增值 2 第一章引言 业务的基本表现形式。 2 数字电视传输系统 数字电视传输系统主要有复用系统( m u x ) 、调制系统及传输系统组成。其 中，复用系统包括节目流复用系统、c a 复用系统、s i 复用系统。多路复用技术 极大地提高了频带资源利用效率，使得在同样频带宽条件下，数字电视比原有模 拟电视可传输路数成倍增加，而且质量更好。调制系统( q a m q p s k ) 及传输网 络( s d h ) 不仅保证了数字电视以数据方式无损耗的远距离传输，更为提供端到 端的增值业务提供双向通信的物理基础。 3 数字电视接收系统 数字电视接收系统是最终用户端系统，是以机顶盒及应用软件组成的最终应 用系统。接收系统除完成数字电视信号的接收、处理、播放等基本任务外，还响 应用户提交的交互操作，根据s i 信息对信号的传输及播放过程进行端对端的实时 控制。数字电视的接收系统使得用户完全摆脱了半个多世纪以来被动接收的状态， 进入了一个主动收看的全新时代。目前，对于数字领域的研究主要集中在传输及 接收系统，相应的技术、标准及产品均已比较成熟，在世界各地得到了广泛的应 用。但是，在真正实施数字电视的技术进程中，前端系统所涉及到的技术更应得 到重视。作为数字电视的源头，前端系统的重要程度是不言而喻的。在前端系统 设计过程中，如何考虑到在满足数字电视播出技术要求的同时，兼容现有电视播 出业务，还是一项新的需要研究的课题。 1 3 数字电视复用器的发展前景 数字电视和模拟电视在信源、信道和信宿等方面，均存在巨大的差异，数字 电视普及需要对现有的节目、播出设备、传输系统、以及接收方式等进行数字化 改造。多路节目复用器是电视台数字化改造的关键设备，多套数字电视节目需要 通过这套设备复用，最后在一个模拟信道中传输，它可以大大提高有线网络信道 利用效率。 目前数字电视主要有三大标准系列，欧洲的d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 数字视频广播) ，日本的i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g 综合业务数 字广播) 和美国的a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 标准，在复用器产 品生产上，法国汤姆森公司，荷兰飞利浦公司等国外厂家，都有自己的产品出售， 目前在国内市场主要采用国外数字电视产品。我国数字电视将主要参照欧洲d v b 电子科技大学硕士学位论文 标准，采用q a m 调制，占用8 m 模拟电视带宽，可以有效传输3 8 5 m b p s 数 字信息。国家广电总局一直大力支持国内数字电视技术开发，曾经安排一批国内 知名高校和研究单位开发相关产品，一些公司、企业和研究所也投入力量开发数 字电视相关产品，国内厂家有关复用器的宣传材料，介绍的产品只能完成简单节 目复用功能，这将大大减小复用器设计技术难度，也是一种不完善的复用器产品， 不能满足再复用要求，真正能够就国内产品推向市场的还是很少。国外数字电视 复用器产品，其技术基本成熟，能够满足目前数字电视节日复用需要，但价格相 对昂贵。如果依赖国外产品，虽然可以解决目前电视台数字化要求，但将大幅度 增加数字化成本。针对我国数字电视发展的现状，开发生产适用于我国数字电视 的传输流复用器设备，将有利于、我们消化，吸收国外技术，发展具有自主产权 的民族产业。 我国必须创造自己的自主知识产权技术标准，建立自己的庞大产业。中国在 数字电视领域一开始是与科技发达国家保持同步的，但因为全国统一的数字电视 标准还在加紧试验中，实际上我国数字电视技术还是新技术、新产品的研发阶段。 新开发的数字有线电视广播系统主要包括m p e g - 2 编码器、数字电视复用器、 数字调制器以及机顶盒。复用器是该系统的重要组成部分，完成对多路符合 m p e g - 2 系统层标准( i s o i e c l 3 8 1 8 1 ) 的传输流( t s ) 的复用，经过6 4 正交幅 度调制( q a m ) 或者正交相移键控( q p s k ) 调制后，以便在1 路8 m h z 的带宽 中传送多路数字化节目。复用器作为数字电视前端的关键设备，其性能的好坏直 接影响着整个数字电视系统的稳定和用户的收视效果。 由于复用器需求量大，技术含量高，本身的硬件成本很低，附加值非常高， 因此开发复用器有巨大的经济效益。 1 4 本文内容与安排 本论文共分七章，其安排如下： 第一章主要介绍了数字电视发展、数字电视系统得构成以及复用器的发展前 景等。 第二章主要对d v b 标准及m p e g 2 标准进行介绍，并着重对p s i 信息进行分 析。 第三章主要讲述了n i o si i 软核、a v m o n 总线及其软件与硬件的开发环境 第四章对复用器的实现进行分析研究，并对其中的关键技术及d v b 的s i 信 4 第一章引言 息提取与添加进行分析研究并设计实现。 第五章对复用器所用到的接口a s i 接1 2 1 和d s 3 接口进行分析研究，并进行设 计实现。 第六章进行硬件调试分析，并分析解决了几个电源干扰的细节问题。 第七章是对整个论文进行总结和展望。 电子科技大学硕士学位论文 第二章d v b 标准及m p e g 一2 标准及规范 2 1d v b 标准简介 o v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 标准是欧洲电信标准学会( e t s i ) 所颁布的数字电 视广播系列标准的简称d v b 以m p e g 2 标准为基础，内容覆盖了数字电视广播 的各个方面，为数字电石广播提供了一整套的解决方案并为世界上多数国家采 用d v b 传输系统涉及卫星、有线电视、地面、s m a t v 、m m d s 等所有传输媒 体。他们对应的d v b 标准为：d v b s 、d v b c 、d v b - t 、d v b s m a t v 、d v b m s 和d v b m c 。其介绍入下： d v b c 有线电视传输系统 该标准以有线电视往作为传输介质，应用范围广。它具有1 6 、3 2 、6 4 q a m ( 正 交调幅) 三种调制方式，工作频率在1 0 g h z 以下。采用6 4 q a m 时一个p a l 通 道的传送码率为4 1 3 4 m b s ，可用于多套节目的复用。系统前端可从卫星和地面发 射社获得信号，在终端需要电缆机顶盒。 d v b 卜卫星传输系统 该标准以卫星作为传输介质，通过卫星转发的压缩数字信号，经过卫星接收 机后由卫星机顶盒处理，输出现有模拟电视机可以接收的信号。这种传输具有覆 盖面广、节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制( q p s k ) 方式， 工作频率为l l 1 2 g h z 。在使用m p e g - 2 m l 格式时，用户端若达到c c i r6 0 1 演播室质量，码率为9 m b s ：达到p a l 质量，码率为5 m b s 。一个5 4 m h z 转 发器传送速率可达6 8 m b s ，可用于多套节目的复用。d v b s 标准几乎为所有的 卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了d v b s 标准。 d v b 卜地面广播传输系统 该标准是最复杂的d v b 传输系统。地面数字电视发射的传输容量，理论上 与有线电视系统相当，本地区覆盖好。采用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制方 式，在8 m h z 带宽内能传送4 套电视节目，传输质量高 但其接收费用高，频 道也较少。 d v b s m a t 弋，一数字s m a t v 广播系统标准 它是在d v b s 和d v b c 基础上制订的。 6 第二章d v b 标准及m p e g 2 标准及规范 d v b m s 高于1 0 g h z 的数字广播m m d s 分配系统标准m m d s 是采 用调幅微波向多点传送，分配多频道电视节目的系统。该标准基于d v b s ，使携 带大量节目的微波信号直接入户。用d v b s 接收机配上一个m m d s 频率变换 器，就可以接收d v b m s 信号。 d v b m c 一一低于1 0 g h z 的数字广播m m d s 分配系统标准它基于 d v b c ，使携带大量节目的微波信号直接入户。用d v b c 接收机配上一个 m m d s 频率变换器，就可接收d v b m c 信号。 d v b 数字广播系统除传送普通的视频、音频信号外，还可以接收i r d 调谐、 节目指南及图文、字幕、图标等信息。适用于此类基带附加信息系统的d v b 标 准包括：d v b s i 、d v b d 汀和d v b s u b 。 ( 1 ) d v b s 卜数字广播业务信息系统标准 该标准用于i r d 自行设置，并为用户提供广播业务指南。d v b - s i 由一系列 表和描述符构成，它们给出有关d v b 业务或节目的所有参数。 ( 2 ) d v b t x 卜数字图文广播系统标准 该标准用于固定格式图文电视的传送。 ( 3 ) d v b s u b _ 数字广播字幕系统标准 该标准用于字幕及图标( 台标等) 的传送。 d v b 数字广播系统能根据需要，提供交互业务服务。构成交互业务系统的 要素包括：与其它相关国际标准兼容的交互业务网络独立协议、传送交互服 务过程命令与控制信号的回传信道等。对应的d v b 标准有：d v b - n i p 、d v b r c c 和d v b r c r 。 另外在d v b 数字广播系统中，有些业务传送的是加扰的条件接收信息。条 件接收的通用接口，使i r d ( 综合解码接收机) 能够解扰采用加扰算法的加扰信 息。条件接收是付费电视广播的基本部分，对数字电视运行的成功发展至关重 要。d v b 数字广播系统与其它电信网络( 例如p d h 、s d h 、a t m 等) 连接，扩 展了d v b 技术的应用范围，可实现d v b 向电信网络的过渡。此外，还有用于 连接专业设备及i r d 的接口。关于这些接口的d v b 标准包括：d v b c t 、 d v b p d h 、d v b s d h 、d v b a t m 、d v b p i 和d v b 邛：d 。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2m p e g 2 标准简介 运动图像专家组m p e g ( m o t i o np i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) ，是在i n t e m a t i o n a l s t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ( i s o ，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，是运动图像专家组制定的一系列利用数字压缩手段进行运 动图像压缩的国际标准。该组织最初在1 9 9 2 年制定了m p e g - 1 的标准，应用于 激光视盘的节目传播。广播电视行业从m p e g o l 标准的应用上看到了m p e g 技 术对于电视行业的意义，于是该组织又在1 9 9 4 年推出了m p e g 2 压缩标准，建 立了全世界范围内视音频服务与应用进行相互操作的可能性1 2 。 有三个关键的压缩技术被m p e g 压缩标准使用，这就是离散余弦变换 ( d c t ) 、运动补偿( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 和h u f f i n a n 编码。d c t 降低了图 像的空间( s p a t i a l ) 冗余度，运动补偿降低了图像的时间( t e m p o r a l ) 冗余度，而 h u f f l n a a 编码则降低了图像在信息( e n t r o p y ) 方面的冗余度。这几种技术的综合 应用，使得m p e g 的压缩率较高。 m p e g - 2 标准类似于m p e g - 1 ，但是它的适应性更强，可以适用于广播电视 的所有过程和环节。从定义上来看，m p e g 1 实际上是m p e g - 2 的一个子集。这 在后面的m p e g - 2 的类和级的分类表中可以看出。m p e g 2 标准分为四个文件， 分别是： 1 系统层( s y s t e m ，i s 0 1 3 8 1 8 1 ) ，描述视、音频的数据复用方式和同步方 式。 2 视频压缩层( v i d e o ，i s 0 1 3 8 1 8 2 ) ，描述数字视频编码方式和解码过程。 3 音频压缩层( a u d i o ，i s 0 1 3 8 1 8 3 ) ，描述数字音频编码方式和解码过程。 4 一致性( c o n f o r m a n o e ，i s 0 1 3 8 1 8 4 ) ，说明测试编码码流的过程，检验 是否符合前三个文件的规定。 m p e g - 2 压缩算法在设计时被定义为一个通用的视音频压缩标准，要求能兼 顾不同的应用要求，可以对压缩的输出码率和图像质量进行控制。 2 3m p e g 2 的系统层描述 m p e g - 2 的系统部分强调将一个或多个音视频或其他基本数据流合成单个或 多个数据流，以适应存储和传输。按照这个规则进行系统编码可以有两种方法： 节日流和传输流； 第二章d v b 标准及m p e g 2 标准及规范一 当一组数据经过信源编码压缩后就形成了基本流e s ，之后经过系统层添加包 头，打包成为p e s 包，当p e s 包添加上系统信息就成为节目流( p s ) 或传输流仃s ) 。 节目流是将一个或多个具有相同时间基点的基本数据流的p e s 包合并为一 个流。节目流的包长度可变，且相对较长，针对错误较少的环境设计，适用于像 交互式多媒体这样的一些涉及软件处理系统信息的应用。 传输流是将一个或多个独立时间基点的多道节目合成一个单独的数据流，传 输流包长度固定为1 8 8 个字节，针对易发生错误的环境设计，譬如在数据容易丢 失或高噪音的媒体中存储和传输。 2 4t s 流的语法结构 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 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。对具有共同时间基准的两个以上的p e s 先进行节目复用，然后再对 相互可有独立时间基准的各个p s 进行传输复用，即将每个p e s 再细分为更小的 t s 包，t s 包结构如图2 - 1 所示。 i t e m 2 t0ss0 图2 - 1t s 包结构图 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 8 字节， 包头长度占4 字节，自适应区和包数据长度占1 8 4 字节。1 8 4 字节为有用信息空间， 用于传送已编码的视音频数据流。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。考虑到加密是按照字节顺序加扰的，代表有用信息的自适应 区和包数据的长度应该是8 字节的整数倍，即自适应区和包数据为2 3 8 字节= 1 8 4 字节。 t s 包的包头由同步字节、传输误码指示符、有效载荷单元起始指示符、传输 9 电子科技大学硕士学位论文 优先、包识别( p i d ) 、传输加扰控制、自适应区控制和连续计数器8 个部分组成。 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 i 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； 传输优先级：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2 b 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，( i i ) 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 时钟提供同步参考， 进行同步。其过程是，通过p l l ，在解码时本地用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开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。于是，被选中的t s 包的自适应区，可用于测定包信息的控制位和重要的控制信息。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 包的传输专用时标参数决定。标志中 的随机存取指示符和拼接点标志，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。 1 0 第二章d v b 标准及m p e g - 2 标准及规范 2 5 节目特殊信息( p s i ) 节目特殊信息表( p s i ) 描述和控制各个视频音频数据流的组成，以分段的形 式在传输流中进行传送。p s i 数据由固定长度的整体字头和可变长度的的p a t 、 p m r 、c a t 和4 字节的c r c 构成。当一个p s i 表的长度大于一个t s 包有效 负载的最大长度1 8 4 字节时，可以将其适当的分段，作为多个t s 包的有效负载 进行传送。p s i 不能被加密。 p s i 包括4 种表：节目相关表p a t ( p r o g r a m a c c e s s t a b l e ) 、程节目映射 表p m t ( p r o g r a mm a p p i n gt a b l e ) 、条件访问表c a t ( c o n d i t i o n a la c c e s st a b l e ) 和网络信息表n i t ( n e t w o r k i n f o r m a t l o n t a b l e ) 。其中，m p e g - 2 没有规定n 1 1 r 表的具体格式，作为私有数据它是可选的。 p a t 是全局唯一的表，是p s i 信息的根目录，它描述了所有节目号和与之相 关的p m t 表。p a t 表的p i d 总是0 x 0 0 0 ，在t s 流中很容易被找到。p a t 数 据由固定长度为8 字节的整体字头，以及表标识符、表分段长度、传输比特流标 识符、版本号、当前下次指示器、分段号、最后分段号、可变长度的节目清单和4 字节的c r c 组成。 p m r 表描述了该节目的所有视频、音频、数据及相关信息的p i d 号，从而 得到访问各个e s 流的入口。p m t 数据由固定长度为1 2 字节的整体字头，以及 表标识符、表分段长度、节目号、版本号、当前下次指示器、p c r 的p i d 值、 节目信息长度、节目描述信息、一个或多个组成该节日的p e s 描述信息和4 字 节的c r c 组成。 网络信息表n i t 是可选的。如果存在，则在p a t 中就进行了定义。它采用 私用分段的形式，通常包括用户选择的服务和通道频率、卫星脉冲发射机数、调 制特性等的映射。 当t s 流中有一个或多个e s 流被加密，则t s 中一定要插入c a t 表。 c a t 表描述了一个或多个c a 系统的细节信息，以及系统中授权管理信息 ( e m m ) 和一些特殊参数之间的联系。在m p e g - 2 系统中同样没有规定该表的 格式。 2 5 1 节目关联表 节目关联表( p a t ) 定义了t s 流中的所有节目的基本信息。在t s 流中其p i d 为o x o o o o h 。查找节目信息时首先要从查找p a t 开始。p a t 列出了传输流中所有 电子科技大学硕士学位论文 节目所对应的p m t 的p i d 值，可以根据节目的p i e 找到对应得p m t 信息。 p a t 提供了在t s 流中传送节目的初始化信息，每个节目在p a t 中都有一个 具有节目号码和对应p i d 值得条目，节目号码为零用于n r r ，n i t 作为私有数据 使用。在p a t 中连同包含所有p m t 的p i d 值，每个节目都被列出。 p a t 表的整体字头长度为8 b ，由表格识别符、分段语法指示器、表格分段长 度、传送流标识符、版本号、当前下次指示器、分段号和最后分段号组成。其可 变长度的节目标清单由1 6 b 的节目号和1 3 b 的p m t 的p i d 组成。 表2 1 节目关联表 1 2 第二章d v b 标准及m p e g 2 标准及规范一 表标识符t a b l ei d ：1 b 长度的字段，该字段标识了一个t s 包所携带p s i 的内容是节目关联分段、条件访问分段还是t s 流节目映射分段等。对于p a t ，置 位0 x 0 0 。 段语法指示符s e c t i o ns y n t a xi n d i c a t o r ：1 位字段，应置“1 ”。 段长度s e c t i o nl e n g t h ：1 2 位字段，前两位置“o o ”。它表示从该字段的下 一个字节开始的本段的字节长度，并包含c r c 。s e c t i o n _ l e n g t h 不能超过1 0 2 1 ，这 样整个段的最大长度为1 0 2 4 字节。 传输流标识符t r a n s p o r ts t r e a mi d ：1 6 位字段，作为一个标签，该字段指出 在网络中与其他复用流的区别标志，其值由用户自定义。 版本号v e r s i o nn u m b e r ：5 位字段。该字段指出所有p a t 的版本号。一旦 p a t 有变化，版本号加1 ，当增加到3 1 时，版本号置0 。 当前后续指示符c u r r e n tn e x ti n d i c a t o r ：1 位指示符。当被置“1 ”时，表示 当前子表正被使用。当其置“0 ”时，表示所传子表尚未被使用，它是下一个将被 使用的子表。 段号 s e c t i o nn u m b e r ：8 位字段，给出了段号。子表中的第一个段的 s e c t i o nn u m b e r 标为“0 x 0 0 ”。每增加一个具有相同的t a b l ei d 、t r a n s p o r ts t r e a mi d 和o