（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式手机电视技术的研究.pdf

摘要 手机电视业务的推广需要综合多项因素，而相关的手机电视技术是重中之重。本 文在分析手机电视技术所面临问题的基础之上，通过对手机电视标准的探讨，介绍了 手机电视终端整体构架，着重解析了手机电视终端基带芯片的设计以及嵌入式l i n u x 手机电视操作系统。 o f d m 技术是手机电视终端基带芯片的关键技术。同步技术、信道估计、译码算 法是o f d m 技术的基础。文章在匹配相关算法的同时，通过m a t l a b j ，s i m u l i n k 对相关算 法进行了仿真，对于解决手机电视终端基带芯片的关键技术提供了可靠的数据分析。 嵌入式l i n u x 具有源码开放性的特点，本文在其基础上从引导程序、进程管理、 内核编译和根文件系统、图形用户界面等方面进行了分析和定制，实现了手机电视操 作系统的原型。 关键字：手机电视基带芯片o f d m 嵌入式l i n u x a bs t r a c t t h e p o p u l a r i z a t i o no fm o b i l et vp r o j e c ta r eb a s e do nm a n yf a c t o r s ，w h e r e a st h em o s t i m p o r t a n ti st h em o b i l et vt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea n a l y s i so fm o b i l et vt e c h n o l o g y i s s u e sa n dd i s c u s s i o no fm o b i l et vs t a n d a r d s ，t h et h e s i si n t r o d u c et h ef r a m e w o r ko ft h e o v e r a l lm o b i l et vt e r m i n a l sa n df o c u so nt h ed e s i g no ft h em o b i l et vt e r m i n a l sb a s e b a n d c h i pa n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mo fm o b i l ep h o n et v o f d mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so ft h em o b i l e ivt e r m i n a l sb a s e b a n d c h i p o f d mt e c h n o l o g yi sb a s e do ns y n c h r o n i z a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o na n dt h ed e c o d i n g a l g o r i t h m n o to n l ym a t c h e st h et h e s i sr e l a t e da l g o r i t h m s ，b u ta l s os i m u l a t et h e mb ym a t l a b s i m u l i n kt o o l s t h e r e f o r , t h et h e s i sp r o v i d e sar e l i a b l ed a t aa n a l y s i sf o r t h es e t t l e m e n to f m o b i l et vt e r m i n a l sb a s e b a n dc h i pk e y t e c h n o l o g y e m b e d d e dl i n u xc h a r a c t e r so fo p e n - s o u r c e b a s e do ni t ，t h et h e s i sm a k e st h ea n a l y s i s a n dc u s t o mf r o mt h ea s p e c t so ft h eb o o t ，p r o c e s s i n gm a n a g e m e n t ，c o m p i l i n gt h ek e r n e la n d r o o tf i l es y s t e m ，g u i a n dr e a l i z et h ep r o t o t y p eo ft h em o b i l et v p h o n eo p e r a t i n gs y s t e m k e y w o r d ：m o b i l et v b a s e b a n dc h i po f d me m b e d d e dl i n u x 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于嵌入式手机电视技术的研究 是本人在指导教帅的指导f ，独立进行研究j 】：作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年毒月4 h 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕上、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士 学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅利借阅。本人授权长春理工大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也町采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签名： 年立月4 同 岁同 第一章绪论 1 1 引言 如果想设计出一款优秀的手机电视终端，必须对手机电视产业链中的相关环节有 所了解。所谓手机电视，是指以手机为终端设备，传输电视内容的一项技术或应用。 手机电视需要把电视服务融入到移动电话中。它把移动电话服务与电视内容相结合， 并且它可以使手机用户、手机电视业务经营商以及电视节目供应商联系在一起，实现 共赢。手机电视通过蜂窝网络或者在手机中加入数字信号接收模块可以使电视观众欣 赏到适合移动媒介的特定内容，而这种电视节目更加私人化，更加具有交互性。手机 电视与传统的电视业务相比具有很大的不同。除了具有相当的灵活性，手机电视传输 了多种多样的服务功能，包括实时视频、传统的电视节目以及直播电视节目。 信息时代人们已经不再仅仅将手机的用途停留在接昕和播打电话，互发短消息的 阶段。对于上班族他们更希望能通过手机在上班路上观看体育赛事，年轻人同样希望 在夜里用手机下载电影等等。在此情况下，手机电视业务应运而生。手机终端接收电 视信号方式可以分为三类： ( 1 ) 模拟信号。这种方式是通过在手机终端中加入一块模拟信号接收芯片接收无 线模拟电视信号，从而实现手机电视的功能。从原理上讲，它与一台普通的家用电视 机并没有什么差别，终端所接收的信号源是模拟信号，是国家发射的公共信号。举个 例子来说，我国绝大部分地区不论农村还是城市都可以接收到c c t v - 1 、c c t v - 新闻等频 道，因为这些频道是国家公用模拟信号发射的，大部分地区都可以接收到。以这种接 收方式在手机中观看电视是免费的，但信号质量很差，在楼里或者信号稍弱的地方观 看起来非常模糊。一些国产手机品牌如天语、绿力等生产该款型的手机。 ( 2 ) 数字广播信号。这种方式就是所谓的“数字手机电视 。本论文所讨论的手 机电视技术也正是基于此项信号。数字广播信号使用一独立的无线电通信网传输广播 电视内容。任何享受服务的用户只要通过具有接收广播信号功能的手机就可以接收和 观看同样的电视内容，而在这样的情况下对供应商的网络承载能力几乎没有任何影响。 它同样需要在手机终端中加入一块电视信号接收模块，但其接收的信号为数字信号。 “数字广播信号”在形式上也是采用发射塔来发出信号，由终端设备接收信号。信号 处理上则是与计算机类似，采用“0 和“1 的数字化处理。因此理论上可以实现d v d 画质的高清图像质量。在全世界范围内有几项关于广播电视服务的标准，所有的这些 标准有的正在进行试验，有的刚刚开始面向消费者。关于标准本论文会再下一章有详 细的叙述。 ( 3 ) 数字网络信号。它是通过走运营商( 移动和联通) 的数据流来实现观看电视 功能，不需要额外的处理芯片来支持。原理与网上看网络电视一样，是通过网络传送 数据流来看电视，但手机上需要装有“流媒体”，目前很多手机都支持。由于有运营商 专门在运作，所以能够看到一些关键性的比赛和电视节目。但它也受到几个方面因素 的制约，第一是网速的问题；第二是同时很多人在同一节目时容易造成网络拥挤；第 三是按照流量收费( 1 k b 的流量价格是0 0 3 元，按照这样的计算方式1 m b 的流量应该 是在3 0 7 2 元，同时内容提供商还要收取6 - 1 0 元的信息费用) 。 1 2 国内外发展现状 据i d c 发布的调查结果显示，2 0 0 4 年全球手机出货量为6 8 4 亿部，增幅为3 2 ； 2 0 0 5 年全球i p t v 用户达到3 7 0 万；到2 0 0 9 年，全球至少1 0 的手机用户将成为手机 电视和视频广播业务的用户。而亚洲将走上手机电视市场的“浪尖。手机电视出现了 罕见的大幅度增长，成为手机产业发展史上的一个重要里程碑。无论是在欧美等成熟 市场，还是在非洲等的成长市场，均出现了换用新款彩屏、新功能手机的热潮。而在 欧洲、日本和美国等地，部分消费者已经能够通过3 g 网络享受到全新的移动互联网服 务，这促进了3 g 智能手机销量的持续增长。如摩托罗拉在一个季度内就售出了2 0 0 万 部3 g 手机。此外，俄罗斯和印度等新兴无线市场的需求增长，也是带动手机销量增加 的主要因素。阿联酋的e t i s a l a t 公司2 0 0 4 年1 0 月宣布，与a b ud h a b i 电视台签署合 作伙伴协议，根据该协议，a b ud h a b i 电视台将为e t i s a l a t 的3 g 手机提供实时的电视 节目，e t i s a l a t 的m u b a s h i r 3 g 业务用户，可以在移动的环境下观看电视节目。另外， n t td o c o m o 宣布，从2 0 0 4 年1 1 月2 日开始，日本的3 gf o m a 用户可以和新加坡s i n g t e l 的3 g 用户互通可视电话业务，互通视频电话。日本的f o m a 用户已经可以与和记3 公 司在英国和香港的用户互通视频电话业务。 美国的手机电视业务是通过移动通信网络，利用流媒体的方式来实现的。2 0 0 5 年 全美构筑了广播电视网络，进一步发展了手机电视业务。2 0 0 5 年底，美国手机电视用 户数约1 3 0 万；到2 0 0 6 年第二季度，美国的移动电视观众增长了4 5 ，达到3 7 0 万人。 整个季度的移动电视收入增加到了8 6 0 0 万美元，比第一季度增长了6 7 。2 0 0 8 年这个 数字达到1 0 8 0 万，运营商由此获得的收入将达到1 9 亿美元。 随着同本3 g 用户的增加，手机电视逐渐成为一种颇受欢迎的业务。2 0 0 8 年底，日 本将有10 8 0 万部手机可以收看电视广播，不过，届时的手机电视广播市场容量只会 有79 0 0 万美元( 9 1 亿日元) ；到2 0 1 0 年，同本手机电视的用户将达到24 8 0 万，将 会增长到5 亿美元左右的市场。 韩国大力推动手机电视业务的发展，利用卫星和移动网络向公众传送视频业务。 s k 积极推进数字多媒体广播业务( d m b ) ，其原因主要在于韩国移动通信市场接近饱和， 市场竞争不断加剧，s k 迫切需要寻找新的业务切入点。为此，s k 建立了一个新的合资 企业t u 媒体公司，并牵头组成了由1 9 个手机制造厂商参加的“手机开发协议会”， 旨在开发具有多种类型、功能及价格的手机t v 终端产品。目前，韩国手机电视售价大 约为7 0 力韩元左右( 50 0 0 元人民币) 。此外，月使用费大约为3 2 万韩元到3 4 力韩 元( 2 5 0 元人民币左右) 。欧洲的一些运营商也推出了也推出了利用手机观看电视节目 2 的业务。 我国在智能手机研发方面与国外先进手机生产商仍然存在不小的差距，但随着3 g 在中国条件的日趋成熟，国内手机生产商的不懈努力，我国的相关产业也取得了不小 的成绩。2 0 0 4 年我国手机产销均突破l 亿部，产销增幅分别达到3 8 和4 5 。国产手机 出口达4 3 2 3 2 万部，占全部手机出口比例的4 以上，外资企业生产的手机占到9 5 以 上。2 0 0 5 年前1 0 个月国内市场占有率达到4 3 ，比上半年的3 8 有所回升。前1 0 个月 国产手机出口达6 6 0 万部，增幅超过6 0 。同时，国产手机的研发能力提高，中兴、华 为等3 g 手机在国外市场受到欢迎。2 0 0 5 年外资企业加大了手机内销力度，由高端向低 端市场渗透。面对这一市场变化，部分国产手机如联想等，在摄像、彩色等技术上快 速提高，增强了适应市场的能力。中国已成为名符其实的手机使用国和生产国。我国 移动用户居世界第一，拥有全球手机近1 3 产量、约1 5 的销售市场。国内可以看电 视的手机，都支持运营商手机电视业务。我国为手机电视业务的发展创造了良好的环 境，2 0 0 4 年以来，中国移动、中国联通等运营商相继推出了手机电视业务。 1 3 手机电视面i 临的技术挑战 手机电视作为新兴的手机业务，对于手机电视终端制造商来说面临着巨大的技术 挑战。 首先，在内部研发发面有如下技术要求： ( 1 ) 功耗：对于便携式移动设备来说，电池技术应该在紊乱情况也同样达到要求。 改良电池使用寿命可以在升级移动终端容量和加强移动终端功能的情况下完全发挥出 电池的功效。然而，d a s h t o pm o b i l e n l 设备需要一个1 2 伏的车载用蓄电池提供能量， 但是对于移动终端来说车载用蓄电池几乎没有可能成为能量提供源。在手机系统设计 中，功耗是设计者最为关心的因素之一。移动电视业务的引入不能以过多地牺牲待机 时间为代价。对于手机电视技术的各个标准并没有为手机电视终端接收的功耗做出必 要的设计和优化。目前较省电的d v b - t 标准前端也要消耗约3 0 0 - 5 0 0 m w 的功耗，这对 手机电池而言是不够经济的。在移动电视业务给手机引入的功耗中，接收前端大约要 占到8 0 的比例，因此，选择针对功耗专门设计的移动电视标准，设计低功耗的调谐器 和解调器，是芯片设计者必须要考虑的问题。 ( 2 ) 内存：内存可以支持移动电视的高缓存需求。当前内存的有效存储能力并不 能配合长时间的移动电视观看。而且，潜在的未来应用，如在移动电话中对等的视频 分享和广播网的利用，都己明确指出应该增加内存需求。已经存在的p 2 p 算法对于移 动设备来说是不够的，研究人员还需要开发新的适合移动设备的新算法。项针对移 动设备的新算法m o b i l ep 2 p 技术已经启动，但至今还没有引起终端生产商的注意。 ( 3 ) 用户界面设计：大量的手机不支持移动电视的功能，用户不得不购买新的手 机，这种手机带有优良的l c d 显示器和支持移动电视的用户界面。新的设计必须要吸 引最终用户并且要增强图像的清晰度，但不能使手机的体积变得非常大。现在的市场 3 调查整米昂，宽的l c d 触摸屏将是最终用户的首选。 ( 4 ) 处理能力：终端设备制造商应该继续有效的改进芯片处理能力以支持像移动 电视这样需要处理每秒百万条指令精度的应用。 ( 5 ) 高级的音视频编码标准：为了充分利用宝贵的频谱资源，在有限的带宽下提 供尽可能多的节目频道，服务提供商必须使用高级的音视频编码技术，比如最新的视 频压缩标准h 2 6 4 ( m p e g - 4p a r t1 0 ) 和音频编码标准a a c ，其中h 2 6 4 的压缩率比m p e g 一2 高出2 3 倍，1 m b s 的图像数据接近m p e g - 2 d v d 的图像质量，因此，它是手机电视中最 为理想的信源压缩编码标准。h 2 6 4 在结构上还是基于d c t 域的运动补偿架构，不过相 比以往的视频编码标准，它采用了更先进的技术，比如具有方向性的帧内预测、基于 可变块的运动分割、基于上下文的二进制算术编码、环内滤波、基于4 4 块的整数变 换、1 4 象素精度的运动补偿、分层的编码语法等，这些技术使得h 2 6 4 具有很高的压 缩效率，在相同的重建图像质量下，能够比m p e g 一4 h 2 6 3 节约5 0 左右的码率。h 2 6 4 的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应i p 和无线网络的应 用。编码效率极大提高的代价是计算复杂度大大增加，基于软件的解决方案，其c p u 或d s p 的主频将大幅上升，导致功耗增加，缩短了电池的使用时间。基于硬件h 2 6 4 解码的s o c 芯片，是一个低功耗、高集成度的解决方案。 其次，对于外部要求方面同样存在如下问题： ( 1 ) 恶劣的无线接收环境：无线接收环境带来了多径问题，接收信号是来自不同 路径的发射信号的矢量叠加。不同的路径引入了不同的延迟和相位，如图1 1 所示。 如果信道的延迟扩展大于发送信号的符号周期，信号将产生频率选择性衰落并引 起符间干扰，导致系统的性能下降。 手机电视业务必须为以不同速率运动的移动用户提供高质量和可靠的视频传输， 包括基本静止的室内用户，低速跑动的移动用户( 小于3 0 k m h ) 和处于高速运动的车 辆中的用户( 大于l o o k m h ) 。接收方相对于发送方的运动会产生多普勒频移。此频移 与相对运动的速度成正比，它会导致相邻载波的干扰，影响载波之间的正交性。系统 设计者希望解调器具有较大的多普勒频移范围，它是衡量无线电信道时间选择性的尺 度。 ( 2 ) 多种标准、多个频段的问题：这是个较为复杂的问题，超越了纯粹的技术范 畴，与数字电视演进的历史和各国的政策规划相关。在地面数字电视广播标准方面， 美国和韩国是a t s c 标准，日本采用了i s d b - t 标准，欧洲和澳洲采用了d v b t ，中国的 标准至今尚未确定。在制定移动电视标准时，基于经济利益和技术延续性方面的考虑， 各国也采用了不同的路线，大致的分布如图2 所示。在频谱方面，主要涉及到四个频 段：v h f i i i ( 1 7 4 - 2 4 0 m h z ) 、u h f ( 4 7 0 8 6 2 m h z ) 和l 1 ( 14 5 2 14 9 2 m h z ) 、l 2 ( 16 6 0 一 l6 8 5 m z ) 。各国对手机电视的频谱规划也并不统一。 4 图11 无线信道中的多释传播 多标准、多频段会带来全球漫游的问题，美国的用户到了日本就可能无法享受到 手机电视的服务。要解决这个问题，移动接收的调谐器和解调器，乃至应用处理器必 须具备灵活性，支持多种标准和多个频段，这为芯片厂商带来了技术上的挑战。 1 4 论文研究的主要内容 通过上面的分析可以看出手机电视业务是一项新兴的无线移动通信业务。从国内 外发展状况看，手机电视业务的发展在面临机遇的同时，同样存在着技术挑战。本论 文着重分析了基于嵌入式手机电视的相关技术，全文共分为五章各部分的具体内容 如下： 第一章从总体上介绍了手机电视技术的相关概念、手机电视技术国内外发展状况 以及手机电视面临的技术挑战。 第二章对手机电视业务中的各项数字广播电视标准进行了对比。 第三章介绍了手机电视终端系统，从硬件及软件两方面解析手机电视终端整体构 架。 第四章详细分析了移动数字电视接收系统，给出了o f d m 系统的相关仿真数据。 第五章通过对嵌入式l i n u x 的研究，实现了手机电视终端操作系统。 15 小结 本章介绍有关手机电视技术的基本概况。从给出手机终端接收电视信号的相关方 式开始，引入了手机电视技术及其相关产业存国内外的发展状况：然后介绍了手机电 视面临的技术挑战；并在最后给出了论文的整体结构框架。特别是手机电视技术面临 的技术挑艘，它的些部分将分散在备章中作详细的讨论。因此，f 足研究过程中出 现了问题，爿引出了后面各章所提及的方法。 第二章数字广播电视标准 手机电视技术是基于数字广播电视信号。伴随着针对移动电话的直播数字电视 ( d i g i t a lt v ，d t v ) 服务的出现，“移动娱乐”迅猛发展。由于技术的不断发展，手 机用户可以通过手机观看电视直播，获取交通信息，观看体育赛事等等。而这些实实 在在的进步与本章讨论的数字广播电视标准是分不开的。 2 1 数字广播电视的实现方式 手机电视用户怎样可以获得大量的手机服务? 我们完全可以通过以下两种方式实 现。如图2 1 ( a ) 所示，来自人造卫星的格式化电视内容传输到d t v 接收塔，此时，手 机用户通过他们地面上的移动电话接收来自接收塔发射出来的电视信号而这种电视 信号包含地域性详细而准确的d t v 频率。欧洲、北美、部分亚太地区现在正在使用或 者实验这种d t v 传输方式。 图2i ( a ) 卫星通过d t v 接收塔，以地面广播的嘭式传输给手机终端 圈21 ( b ) p 星直接将信号传输到手机终端 当前的另种选择是在韩国较为流行的通过卫星传送，直接将信号供给移动电话 如图2l ( b ) 。对于这种通过卫星将信号径直传输的方式存在着这样的问题，即在建筑 信号传输时信号不是很稳定，会给用户观看手机电视带来一定的影响。除了上述选择 诊 啜 外，电视信号供应商有时还会使用一些其他的方法，用以提供各种手机“移动娱乐” 业务的服务。不管使用哪种传输方式，数字广播电视的迅速发展已经成为一个不争的 事实。 2 2 市场预测 早期的实地测试以及移动d t v 的推出已经在部分国家逐步实施，正在通过手机用户 的检验。中国、欧洲、日本、美国已经在其一些国内城市进行了试验，有的已经非常 成熟。韩国的技术是通过卫星直接将电视信号传输给用户的手机，现在取得了不小的 进步。 2 0 0 6 年，大量实验在全世界范围内进行，为以后手机电视的全面启动奠定了基础， 是d t v 市场具有决定性意义的一年。 2 0 0 7 年，在世界的主要地区手机电视的基础设施进一步的进行了扩建，手机电视业 务迅速展开，手机电视标准安全性进一步增强。 2 0 0 8 年，手机电视业务在全世界范围内已经实现盈利，手机电视业务产业链已经形 成。 随着手机电视技术的不断创新，不断成熟，芯片制造商、手机终端制造商、手机电 视运营商相互合作逐步加强，未来的手机电视市场必定会呈现出繁荣景象( 表2 1 所 示) 。 表2 - i 全球范围内d t v 推出时间表 2 0 0 4 年在一些发达城市进行早期的区域性实验 2 0 0 5 年全球范围内d t v - h 与i s d b - t 早期运营实验 2 0 0 8 年手量电视业务在全世界范围内已经实现盈利，手机电视业务产业链已经 形成 未来手机电视产业必将蓬勃发展 2 3 数字广播电视标准 伴随着便携式电话的发展，对于数字电视广播的不同标准在世界范围内得以实验 和应用。然而没有任何一款标准可以完全占有世界范围的市场份额，如果想赢得市场， 所有的标准就必须向开源性以及非私有化迈进。开放的标准为设备问提供了较好的兼 容性，引导广阔的市场应用以及服务发展。 对于各个标准阐述如下： d v b h ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t - h a n d h e l d ) ：d v b h 是欧洲的d t v 广播标准， 它是由d v b 机构负责解释 兑明的开放标准，而且它是特定为手持设备提供广播电视信 号的基本标准。d v b h 通过时间分片技术可以降低功耗，并且通过有效的设计可以提供 7 可靠、高速的接收信号。 i s d b t ( 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 叮e r r e s t r i a l ) ：日本 采用的地面传输制式不限于单独传输数字电视( 图像和伴音) ，也包括了独立的声音和 数据广播，这几者可以单独存在或任意地组合，构成在带宽6 y j _ l z 内的一路节目或多路 节目。i s d b - t 系统包括发送部分和接收部分，发送部分的输入是信源编码部分的输出， 发送部分的输出是加给发射机输入端的中频已调制信号，在发射机内上变频成射频信 号去往馈线和天线。 d m b ( d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) ：韩国采用的移动广播电视标准，该 标准直接将卫星信号提供给用户的移动电话。这种方法存在着一定的局限性。d m b 需要 点对点的绝对精准。并且它不适合在楼宇内部和地下传播。 c 枷肥( c h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) ：中国移动多媒体广播。它是 国内自主研发的第一套面向手机、p d a 、忡3 、m p 4 、数码相机、笔记本电脑多种移动终 端的系统，利用s 波段卫星信号实现“天地”一体覆盖、全国漫游，支持2 5 套电视节 目和3 0 套广播节目2 0 0 6 年1 0 月2 4 日，国家广电总局正式颁布了中国移动多媒体广 播( 俗称手机电视) 行业标准，确定采用我国自主研发的移动多媒体广播行业标准。 通过分析各种手机电视标准不难看到，手机电视标准的意义不仅仅在于能够为用 户提供可靠的电视信号，而且有效链接了手机电视业务产业价值链，在此基础上成功 转化为经济效益。图2 2 给出了通过d t vh 标准链接手机电视业务产业链。 f 移动篙电视i 信 一，手蕊商l 手 导 0 t v h l j 帆 供运 应营 商商 3 g u 耵s h r h 镕f # rf # m $ 呐# 幽229 v bh 网络 本章集中讨论了各种数字广播电视标准。 数字广播电视可以通过两种方式实现，一是将来自人造卫星的格式化电视内容传 输到d t v 接收塔，手机用户通过地面上的移动电话接收来自接收塔发射出来的电视信 号；二是通过卫星直接将信号供给移动电话用户。 尽管手机电视业务产业链刚刚奶步形成，但随着手机电视技术的开趋成熟，芯片 制造商、手机终端制造商，手机电视运营商相互合作逐步加强，未来的手机电视市场 必定回呈现出繁荣景象。 本章的重点是各类数字广播电视标准，包括欧洲的d t v - h 标准，日本的i s d b - t 标 准，韩国的d m b 标准以及中国的c m m b 标准。通过分析各种手机电视标准，其意义不仅 仅在于能够为用户提供可靠的电视信号，而且有效链接了手机电视业务产业价值链， 在此基础上成功转化为经济效益。 9 第三章手机电视终端系统 作为整个手机电视系统中最前端的设备，手机电视终端直接面向手机电视消费群 体。手机电视终端技术的成功与否决定了手机电视市场是否可以平稳、顺畅的大规模 推广。本章从整体上把握手机电视终端软硬件结构，为后续章节的研究做出必要的铺 垫。 3 1 手机电视终端硬件构架 硬件设计是一个项目的基础。一般的手机硬件结构包括两部分：应用模块和通信 模块，而一部手机电视终端还需要再加一个模块，即移动接收模块。手机电视终端硬 件结构框图如图3 1 所示。 图3 1 手机电视终端结构框图 3 1 1 移动接收模块 移动接收模块可分为射频部分和基带部分。移动电视终端的射频部分主要元件为 天线和r ft u n e r 。其中，r ft u n e r 必须涵盖较广的u h f 频率范围，并输出o f d m 基频 信号。为满足功耗及小尺寸的需求，在设计上，传统的c a n n e dt u n e r 并不可行，需采 用s 订i c o nt u n e r 或进一步运用直接转换的z e r o i f 架构来降低元件数及功耗。基带部 分的主要元件为d e m o d u l a t o r ，它主要用来执行特定制式的手机电视信号的解调。通常 移动接收子系统中的调谐和解调有两种实现方案：一种是两者是分离芯片，另一种是 单芯片集成。在早期，为了迅速推出方案，抢占市场，一些厂商选择了分离方案。但 随着时间推移，芯片会成为逐步受到厂商青睐。 3 1 2 应用模块 应用子系统主要包括应用处理器、内存、音频编解码器、l c d 、图像传感等部分。 其中应用处理器是应用子系统中最核心的部分，音视频流的解码、业务控制等均需通 1 0 过应用处理器来实现。并且上述的移动接收子系统、通信子系统，最后都得与终端设 备中的应用处理平台整合，才能发挥其应有的效果。因此，手机电视终端要求应用处 理器具有较强的处理能力。 3 1 3 通信模块 通信子系统主要完成g s m g p r s 通信功能，其硬件主要包括射频芯片、基带芯片、 s i m 卡、内存等。其结构与常规手机相同，因此不再赘述。 3 2 手机电视终端软件构架 软件从层次结构的角度来划分，手机电视终端软件分为如下层。 ( 1 ) 应用层：主要包括m m i 、节目播放、s g 、交互、鉴权及总体控制等模块； ( 2 ) 协议层：主要包括各种通信协议h t t p 、t c p i p 、p p p 等； ( 3 ) 硬件管理层：主要包括对手机电视芯片的驱动、o s 中对系统硬件资源的管理 以及针对s i m 的a t 指令扩展。 以下对手机电视终端软件架构中的各重要组成部分进行介绍。 操作系统：操作系统位于硬件平台之上，是整个软件系统的基础部分。目前手机 电视终端操作系统多采用智能手机操作系统，例如l i n u x 、w i nm o b il e 或s y m b i a n 等 操作系统。对手机电视芯片的驱动程序位于操作系统中，驱动程序一般随手机电视芯 片一同提供。操作系统中还包含了t c p i p 、p p p 等网络通信协议栈。 驱动程序：驱动程序的主要功能是控制芯片手机电视接收芯片的工作，从芯片读 取t s 流。通常，驱动程序是针对某一款特定的手机电视芯片的，并且一般会在不同操 作系统中有不同的版本。这类似于p c 上的配件的驱动程序会分为f o rl i n u x 、f o r w i n d o w s2 0 0 0 、f o rw i n d o w sx p 等不同版本。但通常情况下，驱动程序向上层所提供 的接口是一致的。 手机电视s d k ：手机电视s d k 是对手机电视芯片驱动所提供的接口和数据的进一 步处理，以利于上层软件模块的调用。手机电视s d k 的主要功能包括利用驱动提供的 接口读取数据流，从驱动读取数据到应用程序的b u f f e r ，向上层提供数据访问的接口； 转换驱动提供的控制接口，向上层提供控制接口。为了支持不同的硬件驱动，将不同 驱动的控制接口转化为统一定义的控制接口，如切换频道，信号强度读取等。 协议处理模块：协议处理模块主要完成对手机电视数据流的协议处理，分离出视 频数据和拼音数据送给上层相应的解码器进行解码。 视频解码：视频解码部分完成对视频数据的解码。 音频解码：音频解码部分完成对音频数据的解码。 在目前的很多手机电视终端方案中，由于采用了高性能的应用处理器， 并且这 些处理器往往针对多媒体处理进行过优化，因此很多终端方案都没有采用硬件处理器 进行音视频的解码，而是通过纯软件方式来实现音视频数据的解码。 通信子系统软件：通信子系统软件是终端软件架构中相对独立的一部分，由通信 子系统中的基带处理器运行，主要包括g s m g p r s 通信协议栈、s i m 卡管理模块，以及 电信业务管理。a t 指令扩展模块：a t 指令扩展( a t + ) 的主要功能是提供手机电视业 务鉴权、密钥管理所需的s i m 卡访问命令。 s g 功能模块：s g 功能模块主要负责处理由移动网络下发的业务指南。通过对业务 指南进行解析，终端应可以向用户显示有关节目信息，包括显示频道名称、节目名称、 内容简介、开始时间、结束时间、付费标准等信息。业务指南基于x m l 数据格式定义。 业务指南中，除了包含可以显示给用户的信息( 频道信息、节目介绍、付费信息) 以 外，还包含了接收频道的方法( 频点、频道编号等) ，以及交互所需要的信息( 交互内 容、时间提前量以及交互服务器地址) 。终端可以方便地向用户展示用户需要的查看的 信息，并且在需要播放相关频道和进行交互操作时候提供必要的技术参数。 交互功能模块：交互模块主要负责手机电视节目中观众与节目的互动。手机电视 业务与传统电视业务的最大区别就是可以非常方便地提供交互功能，这也是手机电视 业务的亮点之一。交互业务提供与广播节目的相关信息，用户通过交互业务可以获取 和节目内容相关的背景介绍信息、资料数据、参与投票、竞猜活动等。 鉴权与密钥管理模块：鉴权技术是手机电视业务的核心功能之一，掌握鉴权技术 也就意味着掌握了手机电视业务的主导权。中国移动通信研究院在结3 g p p 相关标准的 基础上提出了基于s i w u s i m 卡的鉴权方案。 3 3 小结 本章讨论了手机电视终端系统的硬件构架以及软件构架。 硬件架构主要包括应用模块、通信模块和移动接收模块。而移动接收模块正是手 机电视终端的特殊部分。软件从层次结构的角度划分为应用层、协议层、硬件管理层。 手机电视终端软件架构中包括以下重要部分，即操作系统、驱动程序、手机电视s d k 、 协议处理模块、视频解码、音频解码、通信子系统软件、s g 功能模块、交互功能模块 以及鉴权与密钥管理模块。 从本章可以得出这样的结论：手机电视终端的软硬件复杂程度高于普通高端手机 或智能终端。为了能缩短终端的研发周期，加速业务的推广，并增强用户体验的一致 性，有必要在现有规范体系的基础上，深入研究对终端软件架构，详细规定终端软件 的实现方式，并在必要时进行原型产品和验证性产品的开发。 1 2 第四章移动数字电视接收系统的设计 在手机电视终端系统中包括三个部分：移动数字电视接收系统、应用系统以及通 信系统。通信系统是移动电话的基础系统模块，所有的移动电话都应配备该系统模块。 因此本论文仅讨论移动数字电视接收系统相关技术。 4 1 手机电视终端基带芯片技术研究 4 1 1 问题分析 现阶段手机电视终端基带芯片瞳1 需要解决的问题主要有三个方面：功耗、单一芯片 的多模制以及o d f m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i t i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术。 功耗问题一直是手机电视终端开发过程中必须解决的问题。低功耗可以说联系到 开发的各个环节，涉及到多个方面。如基带芯片口1 的系统设计、算法、软硬件任务的划 分、射频器件的功率消耗、电源的效率等等。因此，在使用手机时获得低功耗是一个 系统问题，在设计的各个阶段都要有相应的低功耗解决方法。而对于手机电视基带芯 片来说，想要解决好低功耗问题就必须选择针对功耗专门设计的移动电视标准，以及 设计低功耗的调谐器和解调器。 对于单一芯片的多模制问题也可以称其为多标准、多频段问题。从现阶段观察， 每个国家或地区的地面数字广播标准并不相同：我国目前暂定的标准为c 删b ，韩国采用 图4 2 手机电视终端基带芯片原理图 的是d m b 标准，同本采用的为i s d b - t 标准，而欧洲采用的为d v b - h 标准。 4 1 2 基带芯片原理及功能 基带芯片是移动数字电视接收系统中最重要的部分，基带芯片的设计好坏关系到 1 3 整个手机电视系统的成败。手机电视终端基带芯片原理框图如图4 2 所示。 ( 1 ) a d 转换 a d 转换的作用是将模拟信号转换为数字信号，其具体过程如下：首先对输入的模 拟信号进行采样，此处应该注意的是采样速率必须满足采样定理的要求，然后对采样 结果幅度量化，最后是编码输出二进制序列。 采样定理中以理想冲激函数作为采样脉冲，而这在实际的通信系统中是不可能实 现的，所以实际采样过程都采用保持方法来得到物理可实现的平顶脉冲形式的样值输 出。在数学上，采样保持结果相当于理想采样输出再经过一个冲激响应为矩形脉冲的 保持器所得的结果。从保持器的频率响应上看，其输出信号的高频部分存在衰减，因 此平顶采样过程中存在高频失真。而这种由于脉冲展宽而产生的信号高频段衰减失真 称为孔径效应。在采样恢复过程中，可以设计一个在信号高频段有相应提升作用的均 衡网络来补偿孔径效应引起的失真。采样定理原理仿真模型如图4 3 所示： 图4 3 采样定理的原理仿真模型 ( 2 ) 串并变换 通信系统中通常需要在发送端将多路信号复用在一条传输线上进行传输，而在接 收端再通过解复用把各路信号分离出来。只要在数学上的任意域中多路信号是相互讵 交的，那么复用后就不会产生相互干扰。 数据流的并串转换是一种时分复用的通信传输方式，为了在同一条通信线路上传 输多个独立的数据信号，可将传输过程在时间上划分为若干不同的时间段，用这些时 间段交替出传输不同路的数据信号。每个时问段称为一个数据时隙( t i m es l o t ) ，完成 一个循环的多路传输数据称为一个传输数据帧( f r a m e ) ，相应的传输时间称为传输的帧 1 4 长。 在通信发送端，将多路独立数据看成是并行的，设每隔时间t ，将有n 路并行传输 数据送入并串转换模块，为了不丢失数据，并串转换模块必须在时间t ，内将输入的n 个数据顺序地传送出去，因此每路数据的传输时间为t 。= t ，n 。相应地，传输数据速 率就提高了n 倍，为n t ，将每次并行输入的数据视为一个数据帧，则传输的帧周期等 于t ，。 同样在接收端又将串行送入的数据从每个数据帧的开头部分开始缓存起来，当一 个数据帧中的全部数据都进入缓存后，就将这些数据同时在n 条线路上并行输出，这 就是串并转换的过程。串并转换后在每条输出线上的数据速率又降低为帧速率1 t ， 了。如果缓存不是从每个数据帧头部开始的，则恢复出来的并行数据的线路位置就与 发送端不同，这就形成了帧失步。 由于串并、并串转换的输入输出数据速率不同，因此具有这样模块的仿真系统就 是多速率的仿真系统。在对多速率系统的仿真中，系统的仿真速率r 。与系统中各部分 的数据信号传输速率r i ，”，凡之间必须满足整数倍关系，而数据信号传输速率之间 r 。，r 。也必须满足整数倍关系。设r 。r 。r 。r 。，则系统参数设置须满足 r ；r 。= n 。，i = 1 ，2 ，k( 4 1 ) r i + 。r 。= m i ，i = 1 ，2 ，k 一1( 4 2 ) ( 3 ) 保护间隔与循环前缀 - 堡芏望堕- 盼瞰分咖卜； 卜| - | _ 一r r1 7 浞口u o i u - - - i p 图4 4 多径情况f 空闲保护间隔在子载波间造成的干扰 在数字通信系统中，由于多径传播的影响会使数字信号的码间串扰增大，此时前 后发送符号的各条路径分量叠加起来，造成符号问干扰( i s i ) 。为了最大限度地消除 i s i ，在每个o f d m 符号间要插入保护间隔( g i ) 。该保护间隔长度t 。一般要大于无线信 1 5 道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 如果只是存在i s i ，那么在这段g i 内可以不插入任何信号，即保持其为一段空白 传输时段。但是由于多径传输会产生子信道间的干扰( i c i ) ，即子载波间的正交性遭 到破坏，如图4 4 所示。所以为了最大限度的消除i c i ，可以将原来宽度为t 的o f d m 符号进行周期延托，而且用扩展信号来填充g i ，而此信号即为循环前缀( c p ) 。加入循 环前缀这种保护间隔是一种循环复制，增加了符号的波形长度，在符号的数据部分， 每一个子载波内有一个整数倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的信号，即在 每个o f d m 符号的后t 。时间中的样点复制到o f d m 符号的前面形成前缀，在交接点没有 任何的间断。图4 5 为插入保护间隔分布图。 ， 何 保护 i f f r o l r r ； 保护 | 间隔间隔 i f f t ( ( g i )( g i ) 夕， 信号映射为复数坐标 x k ) 后，经过i f f t ，插入c p ，经过各种变换送入信道。在基 带芯片端即接收端，接收信号经过a d 转换后得到接收序列 y ；) ，i = - l ，n - 1 。i s l 只 能够对接收序列的前l 个样点形成干扰，因此将前l 个样点去掉，就可完全消除i s i 的影响。然后对序列 y ；) 进行f f ，i 得出接收信号 y j 。 下面分析插入保护间隔的有效性。设t 。为循环前缀符号长度，t 为f f t 变换产生 的无保护间隔o f d m 符号长度，t 。为o f d m 符号的总长度，r 为发送端d a 转换之前的离 散信号的样值间隔， l 为循环前缀的样点数，信道的最大多径时延扩展为f ，则总 的o f d m 符号周期为：t 。= ( n + l ) t = n t + l 丁= t + t 。，其中t = n t ，t 。= l t 。 要最大限度地消除i c i ，应满足，t 。f 。即l 丁f 。所以有： l 每堡 ( l 取整数) ( 4 。3 ) 1 6 一 循环前缀的加入会给信号带来功率和信息速率