（通信与信息系统专业论文）dvb条件接收系统的开发.pdf

! 州人学顾十研究生论文 摘要 广播电视已经成为现代社会最具有影响力的传播媒体但以模拟体制和地面 传输为主要特征的现有广播系统将越来越难以满足现代经济文化发展的需要，取 而代之的是高质量、高效率的数字视频广播d v b 。我国也一直紧跟世界新技术的 步伐。广播电视数字化的时间表已经确定。其中采取有条件接收的经营方式是 电视事业蓬勃发展的必然趋势。因此，如何设计丌发适应d v b 标准的条件访问 ( c o n d i t i o n a la c c e s s ，c a ) 系统，成为了一项重要课题。本文就是以此为目的， 阐述了我们自行设计、实现的d v b 条件接收系统的设计方案与实现结果。 本文在介绍了d v b 信号研究现状的基础上，简要描述了d v b 卫星数字解调的 基本原理以、解调后的信道编码、m p e g - 2 压缩技术及其处理器芯片s t 2 0 的使用。 最后针对目前存在的几种条件访问方式，提出了自己的一套条件访问方式：充分 利用调制器与系统解码器之间的d v b 标准同步并行接口成功地在数据传输中实 现同步达到了d v b 加密的目的。实验结果证明了我们提出的d v b 传送流条件接 收系统整体方案设计的正确性和可行性，达到了预期的目标。 关键词：数字视额r 橘( d v b ) 条t l ：访问系统( c a ) 分组编号( p i d ) ，竹日特殊信 息( p s i ) 原始流分组( p e s ) 二州人学硕十研究生论文 a b s r a c t a si s w e l lk n o w n ，t h et e l e v i s i o nb r o a d c a s th a sa l r e a d yb e e nt h em o s t n f l u e n t i a l m e d i u m o fc o m m u n i c a t i o ni nm o d e r ns o c i e t y b u tt h ee x i s t i n gb r o a d c a s t s y s t e m ，w h i c hi sc h a r a c t e r i s t i co fa n a l o gs y s t e ma n dg r o u n dt r a n s m i s s i o n ，c a n n o t s a t i s f yt h en e e d o fm o d e me c o n o m ya n dc u l t u r ea n ym o r e ，t h ed v bw i t hh i g h q u a l i qa n de f f i c i e n c yw i l lb e c o m et h ew o r l dt i d a lc u r r e n ti nt h e2 l s tc e n t u r y ，o u r c o u n t r yh a sf o l l o w e dc l o s e l yt ot h es t e po fw o r l d sn e wt e c h n o l o g y t h et i m e t a b l eo f t r a n s l a t i o no fa n a l o gt e l e v i s i o ns y s t e mt ot h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e mh a sa l r e a d y b e e np r o p o s e d i ti st h ei n e v i t a b l et e n d e n c yt oa d o p tt h ec o n d i t i o n a lr e c e i v i n gm e t h o d t h e r e f o r e ，h o wt od e s i g nt h ec o n d i t i o nv i s i t ( c a ) s y m e mw h i c hs a t i s f i e st h ed v b s t a n d a r dh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i c s t a r l i n gf r o mt h i sp u r p o s e ，w ei n d e p e n d e n t l y d e s i g nt h ep r o p o s a lo ft h ed v bc o n d i t i o n a lr e c e i v i n gs y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t sa r eg i v e ni nt h i st h e s i s f i r s t l y ，w es u m m a r i z et h eo v e r a l lc o n s t i t u t i o n a n dt h ef r a m eo ft h ed v b c o n d i t i o n a lr e c e i v i n gs y s t e m ，a n a l y z et h ep n n c i p l ea n dt h ed e s i g np r o p o s a lo ft h e s a t e l l i t en u m e r i cr e c e i v e e x p l a i nt h ed v bs i g n a ld e m o d u l a t i o np r o c e s sa n dt h e m p e o 2s t a n d a r d s ，i n t r o d u c et h en e wp r o c e s s o rc h i ps t 2 0a n di t ss o f t w a r ef l o w f i n a l l yw ep r o p o s eo n es e to fo u ro w n c o n d i t i o n a la c c e s sm e t h o d t h eo v e r a l lp l a no f o u rd v bc o n d i t i o n a lo e e e i v i n gs y s t e mh a sb e e np r o v e da c c u r a t ea n df e a s i b l eb yt h e e x p e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：d v b ，c a ，p i d ，p s i ，p e s 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丛日期：丞! 堑： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权兰州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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发 表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位 仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：恤导师签名：j 虹日期：尘堑 州人学硕十研究生论文 剐茜 近年来，数字音、视频压缩编码技术的迅速发展与应用，引发出一场消费电 子产品从模拟技术转向数字技术的革命。自从国际电联( i t u ) 于1 9 9 4 年底通过 了包括运动图像、声音的压缩编码以及系统的比特流结构定义三部分的m p e g i i 标准之后，美国在1 9 9 5 年1 0 月通过了“a t s c 数字电视标准“，这是一个符合 m p e g - i i 码流结构与传输的h d t v 和s d t v 的数字电视地面传输标准；欧洲电信标 准组织( e t s i ) 也在1 9 9 4 年、1 9 9 5 年通过适合于卫星、电缆电视及地面传输的 三个d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( 简称d v b ) 标准，其几乎包括了所有数字电 视系统。在欧、美等国的带动下，亚洲、澳洲也纷纷为其丌展数字广播积极地做 准备，形成一股全球化的数字浪潮。 众所周知，广播电视是现代社会最有影响力的传播媒介，但以模拟制和地面 传输为主要特征的现有广播系统却越来越难以满足现代经济、文化发展的需求。 目前模拟的电视设备，不仅频道利用率差，还存在许多缺点，如亮色互串。洲烁、 爬行，信号易受干扰等固有缺陷，而卫星接收系统则因其天线过于庞大，且适合 “集体接收”难以进入家庭使用。况且有线电视网在我国尚不发达，许多边远山 区及部分农村只能收看到卜3 个频道，收视质量很不理想，远远不能满足人民群 众对信息和文化娱乐h 益增长的需求。因此，在我国开展数字视频广播具有十分 重要的意义。 1 9 9 6 年8 月，中央电视台率先丌通卫星数字电视( s d t v ) 广播业务，走在 了亚洲国家的前列。1 9 9 7 年，又有1 0 家省级电视台丌通卫星数字电视频道。其 在标准上采用的是欧洲电信标准组织的d v b s 标准。由于采用了高效的m p e ( ；一it 数据压缩技术、数抓传送技术及v l s i ( 超大规模集成) 技术使得现有每个模 拟的卫星转发器或电缆频道能够传送4 1 0 路具有演播室质鼙的视频节目。从而 节省了大量的频道资源使传送更多的频道节日( 如教育、l 乜影、体行、音乐、 娱乐等) 成为可能，j i ：创造 f ：n v o i ) ( 准视频点橘) 崭新的节i i 形武。 随若i ) v b 产t 1 7 l f n ：i l 现，娅柯的模拟f j l i 、姐擘扰方案与系统已不适应其发胜。冈 三州人学颐十研究生论义 此，如何设计丁r 发适廊d v l 3 标准的条件l 疗曲( c a ) 系统，成为了一项重要课题。 本文就是从此目的山发，阐述了我们自行设计实现的i ) v b 条件接收系统的设 计方案与实现结果。所做的具体工作为： 1 对d v b 标准进行了深入的分析。对符合d v b s 标准的第三代机顶盒产品进 行刨析，其中包括硬件的分析与设计和软件分析。 2 设计实现具有基本功能的第三代机顶盒卫星数字接收机并在其基础 上寻找条件访问( c a ) 模块的接口点。 3 根据接口特点提出条件访问( c a ) 模块的设计方案与整个条件访问系统 的构成。 4 使用大规模可编程逻辑芯片实现提出的具体设计方案并完成整个系统的 联调实验。 目前，整套系统的联调实验基本完成，系统工作j 下常，达到预期设计要求， 可实时解扰传输，恢复图像效果较好。该系统不仅能够对卫星数字电视节目进行 条件访问控制，而且还可对符合d v b 标准的数据进行加解扰。同时，我们设计的 c a 模块还具有可移植性，适应于d v b 的三个标准，即可以用于卫星信道，也可 以使用在地面的电缆传输中。 兰：槲大学颟士研究生论文 第一章d v b 条件接收系统总体构成 根据几年来我们对于电视加、解扰和寻址控制的研究，在前几年开发的p a l 制电视信号行置换数字加、解扰系统的基础上，我们提出了i ) v b 条件接收系统的 加扰、解扰及寻址控制方案。 下面是我们提出的一、二次加解密、数字到户的可选方案。我们认为此方案 适合我国国情，在现行存在的网络下，可以以较少的投资，较快的速度实现数字 到户。 搠i id v b 扶册带采臻愤成 图1 1 所示的为一次加扰方案，此方案适合卫星频道的条件访问控制与收 费。该方案采用传送层加扰方式，加扰后数据符合d v b s 标准，可在卫星d v b 信道中传输。此方案适合卫星频道商对上星的电视节目进行收费控制与管理。 兰州大学硕士研究生论文 山 钉条怍收挺 1 铃 l 盈 芏 妨势嚣 | 3 v b 接收机、 d 1 曦收帆2 曹通用星节痒一d v b 接收帆x 奉地制吲篙岔 传 送 流 复 用 辫 谢钢舒配 赢绕 衙i 2d v b _ 改加执过程 圆 图1 2 为d v b 二次加扰方案。该方案适用于电视台的二次加扰。即将卫星上 的收费电视节日正常接收后，将节目的音、视频打包基本流( p a c k e t e d e l e m e n t a r ys t r e a m ) 送入复用设备，输出的传送流与我们设计的条件接收系统 接口，对传送流进行加扰后再进行地面传输。这种二次加扰方案不仅提高了电视 台播出的节目种类，更使得地面传输的信号质量大大提高，同时还实现了对地面 传输的d v b 数字信号的条件控制，对于推动数字到户有极大的促进作用。 4 量訾 兰州大学硕士研究生论文 第二章卫星数字接收机硬件设计 2 1 卫星数字接收机的原理与设计方案 卫星数字电视接收机被称为第三代机顶盒产品，其以目前的电视机为显示设 备，接收通过卫星传输的数字信号，包括数字视频、音频及网络等信息。由于它采 用了m p e g - i i 压缩编码、数字传输技术及差错控制技术，不仅使传输信号的质量 高于原模拟传输方式，而且使得信道利用率也大大提高。本系统以卫星数字接收 机作为主体框架，在其基础上配以加扰模块构成加密前端，配以解扰模块即构成 用户解扰机。下面将卫星数字接收机的硬件结构与各部分的设计介绍如下： 卫星数字接收机( 原理框图如图2 1 所示) ，主要由信道解调单元、m p e g - i i 解码单元、音视频输出单元、主控单元及用户接口单元五部分构成。 下变矮liq f s x 解讽及粼 智能卡1 1 0 i 用辅入 f l a s - h r o m e p r o m 嵩u 攀 姜同髅 同 1 - j 射频 蚓翱器 爵额 湖嗣罄 r g b sv e d 复合髓鲠 彖境j 自1 l k 腱l | 5 【l i j ：魑搜 髑2 1 坐域投f 拔啦机腻冠瞰 兰州人掌硕1 ：研究生论文 主控制单元通过1 2 c 总线设置信道解测电路，选择频道：设罱音频d a c 和 视频编码电路选择适当制式，使机顶盒输出的信号与用户电视机相适应：接收 用户控制接口电路送来的用户命令数据；通过并行总线设置m p e g i i 解码器， 选择收看的节目。解调单元负责对接收下来的卫星信号进行q p s k 解调、前向纠 错( f e c ) 、去交织和m p e 0 i i 成帧处理，输出并t ? 串行数据码流，供下级单元 处理使用。m p e g i i 解码单元依据m p e g i i 标准对解调译码处理后的数据进行 分析。在系统层上。对复用的传送流鳃复用，并将音、视频压缩码流分离。进行 音频和视频部分的进一步解压处理。音、视频输出单元接收解压缩后的数据，音 频处理部分对音频数据进行d a 变换，将p c m 数字音频信号转换成具有左右声 道的模拟立体声音频信号：视频处理部分将m p e g 解码器输出的视频数据进行 编码转换成符合n t s c 、p a l 或s e c a m 格式的模拟符合视频或s - v i d e o 信 号，有的还配有射频调制器，可输出射频信号。用户接口单元提供标准传送流同 步并行接口，通过该接口可与加扰模块、解扰模块衔接，从而构成d v b 条件接 收系统。 2 2d v b 数据的解调与信道译码 根据欧洲电信标准组织( e t s i ) 制定的d v b - s 标准d v b 上星数据采用0 p s k 调制方式和前向纠错( f e c ) 差错控制技术。信道编码与数字调制技术信道编码的 目的是解决信号传输的可靠性问题。一是要求码序列的频谱特性适应通道的频谱 特性，从而使传输中信号的能量损失最小，提高s n r ：二是增加纠错能力。前者 要用到频谱形成技术，后者要用到差错控制技术。卫星数字电视信道译码与数字 解调单元的基本构成如图2 2 所示。 兰抖l 大学硕士研究生论文 暖2 2n 碍群埘译码单茁禚圈 主控单元通过1 2 c 控制总线控制下行频率、符码率等参数的变化，从天线进 入到接收机的数据首先经过调谐和下变频转化成基带信号，再a i d 变换成全数字 信号进行q p s k 解调处理。解调后的数据送入信道译码部分，解码处理将对其作 去交织、r s 码译码和维特比译码。解码过的数据按照g p e g 一2 标准的帧结构成帧 输出，送入m p e g - 2 解压缩单元。下文着重对解调译码单元的核心q p s k 解调部分 和差错控制部分进行分析： 2 2 1 q p s k 解调 d v b - s 系统使用卫星信道作为通信信道。由于卫星信道具有功率受限和非线 性传输的特点，因此要求采用功率利用率高的数字调制方式。而且最好是恒包络 调制。d v b s 标准规定，d v b 系统采用绝对映射( 不进行差分编码) 格雷码相位 逻辑的q p s k 调制方式。发端经过加扰、r s 编码、卷积交错、卷积编码后的i 、q 两路基带信号调制前要由平方根升余弦匹配滤波器进行整形。该滤波器的传输函 数为； h ( f ) = 1 ， f n ( 1 一口) 压s i n 专p 1 i + 尹瓦l 气“j o ，厶( 1 - a ) - ( 1 + 口) 其中，口= o 3 5 为滚降系数，矗；o 5 r 。= 0 s r s 为枷。由频率，矗和r s 分别为q p s k 7 州人学硕十研究生论文 符号周期和码率。 卫星数字接收机中的q p s k 解调部分的原理框图如图2 3 所示。由a d 变换 产生的两路基带信号的采样数据经过a c 耦合使d c 偏移达到最小，并以固定速 率输入到解调器。复数乘法器、数控振荡器、载波跟踪环路滤波器和载波相位鉴 别器构成锁相环路，用于在相位跟踪过程中，消除与l 。、q 。输入信号有关的载 波频率偏移，对于较大的频偏则是由数字自动增益控制( a g c ) 电路和外部模拟 调谐电路来消除。多相滤波器对频率调整后的基带信号进行平方根升余弦滤波处 理。滤波后的基带信号进入数字窄带a g e 。a g c 电路使信号优化定标至0 5 d b 的精度，保证了下级v i t e r b i 译码的f e c 性能。载波频率由主控单元程序控制 以2 0 比特的精度送入解调电路。 自动扫描控制电路用于初始捕获过程中的载频搜索。主控处理单元通过一个 2 0 位和一个1 6 位寄存器存放可编程改变的搜索初始频率和搜索步长。自动扫描 电路通过锁频标志在搜索范围内按步长逐一检测各频率，一旦提取到载波，则停 止扫描进入相应的解调状态。由于系统需要窄带预采样滤波，并且l n b 有可能发 生几删z 的较大频偏，d v b 解调器中提供了高分辨率的载频测量功能，以周期性 地对前端调谐器频率漂移进行补偿。d v b 主控处理单元周期性读取频率寄存器的 值并计算出相应的调谐器频率修f 量。采用q p s k 解调时，其误码率为： ，；。：o 忌咖砸) ，其中，= 磊，“为q p s k 码元在加性高斯白噪声信道条件下的信 噪比。 兰州人学硕十研究生论文 峭兀定时 相位ll 码n 嫩踪jl 码九定h 岽加器i 环黯滤波 j ；jl 龋别器 i s 刊复数 o s 争一乘法器 s 。隔 衙 i 振荡= ： 卜 载波媒踪 环路滤波器 载波相位 箍刷 幽2 3q p s k 解调原理框 f 刊步竹0 2 2 2 差错控制 与模拟传输相比，数字通信的一个突出优点就是可对传输信息进行差错控 制。d v b 系统采用前向纠错的差错控制方式，其纠错编码采用外码为r s 码、内 码为卷积码的级联码。在发端，经过m p e g 一2 编码后的d v b 信号在进入q p s k 调制 器之前，要经过数据扰乱、r s 外码编码、卷积交错和卷积内码编码处理用以 提高数字信号在卫星信道中的抗干扰能力。 此处将m p e g 一2 数据流扰乱的目的是使二进制数据序列中的0 和1 出现的概 率近似相等，且限制0 游程和1 游程的最大长度。这样可以方便收端从信号中提 取定时信息，提高准确性。另外，经扰乱后的数字基带信号具有伪随机特性，信 号频谱扩散少，可以降低对使用同一卫星转发器其它信号的干扰。因此，此时的 扰乱又可称为调制前编码。d v b - s 标准中规定使用特征多项式为l + ，n + 一s 的1 5 级反馈移位寄存器实现发端加扰和收端解扰。d v b 系统中m p e g - i i 传送流是按1 8 8 字节固定长度打包的，这1 8 8 字节中第一个为同步字节4 7 h 。每个扰乱周期对8 个m p e g - 1 1 数据包迸行加扰。扰乱前先将初始序列( 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ) 加载到 伪随机序列寄存器c 1 1 同时将m p e ( ；一i l 第一个数据包的同步：，节4 7 h 极性反转 变成b s h ，作为扰乱后数掘包的同步字节。随后扰乱过程只剥其余1 8 8 x 8 一| = 1 5 0 3 字 节进行处理。因而扰乱周期是1 5 0 3 宁饥朋扰后数搦包足1 5 0 4 字节。收端则是 肖提取到同步。 节i 潮l 后，将其反转为4 7 1 1 ，冉对紧搂构i 5 0 3 字节进行解扰， 兰州大学硕十研究尘论文 输出m p e g i i 数据包。 d v b 系统发送端对数据加扰后即进行i s 码编码。r s 码是一种有很强纠f 突 发性错误的分组码。但它不是对每个比特进行单独地处理，而是以m 个比特为一 个单位进行的，因而它可以处理大量的数据。d v b s 标准中规定d v b 系统用做外 码的r s 码是r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) ，它是由r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 截短得到，其 生成多项式为：g = “+ z n + 一) 伽+ 爿5 ) 其中五为g f ( 2 ) 上本原多项式p ( ，) = ，+ z 4 + ，+ ，2 + l 的根。 发端在每个1 8 8 字节的传送包的信息字节前加5 1 个全0 字节，完成编码 后，将这些。字节丢弃，得到截短r s 码。这种r s 码可纠8 个长度的突发性错 误。为纠正更长的突发错误发端在将r s 码发送前，还采用了交织技术。 d v b 系统中采用交织技术，是为了将卫星信道上可能出现的较长突发错误扩 散到多个码字中，以提高系统的纠错性能。d v b 系统中采用的是深度：1 2 的卷积 交织。它把经r s 码编码后的数据包( n = 2 0 4 字节) 分成1 7 行1 2 列的矩阵，然 后按列发送。这样，它可纠正单个的长度不大于1 7 8 = 1 3 6 字节的突发错误， 而没经过交织的rs 码的纠错能力只为8 。实际实现时，采用f o r n e y 方案，交 织器由i = 1 2 个分支组成，每个分支上有出1 7 个单元组成的f i f o 寄存器，它出 输入开关轮流接到输入的r s 码流，由输出丌关轮流接到输出码流，输入输出开 关应保持同步，如图2 4 所示。 输 交织左交织 p 嚣 | 兰i | i i 吨五乎i = 二 出 图2 4 交织，奎交织原理框i 笙j d v b s 标准规定d v b 系统采用的内码为卷积码。卷积码( n 。k 。n ) 主要用 来纠随机错误，它的码元与i i f 后码元有一定的约束天系，编码复杂度可用编码约 束长度( n + i ) n 。米表示。卷积码的纠错性不仅与n 有关，还与采用的译 i 屿方式 有关。一般地，最小距离d 表明了苍积码存近续n + l 段以内的距离特r i ：，i 亥码可 0 u i 人学硕十研究生论文 以在n + 1 个连续码流内纠正( d 1 ) 2 个错误。在数字卫星传输系统中，内码使 用卷积码( 2 ，1 ，6 ) ，其相应的编码器，如图2 5 所示。其生成序列为g 一= ( 1 1 1 1 0 0 1 ) ，g ? = ( 1 0 1 1 0 1 1 ) ，其自由距离d = 1 0 。改系统还允许使用其它的 n 。n 值，如l 2 ，2 3 ，s 4 4 5 ，5 6 ，6 7 ，7 8 等，目的是使使用者可 根据数码率来选择相应的误码纠正长度。它的输入码流是经交织深度i = 1 2 进行 一次交织后的rs 码流。( 2 ，l ，6 ) 卷积编码后的码流有两种( 因为n a = 2 ) ， 作为q p s k 调制器的i 、q 路信号。 嘲2 5 卷积码编码器 q d v b 解调译码单元对内码采用v i t e r b i 软判决译码。v i t e r b i 译码器在提取 到q p s k 锁相信号后。按3 4 ，2 3 ，5 6 。7 1 8 ，1 2 的顺序自动搜索俨确的码率。 再依据v i t e r b i 软判决算法进行译码。在二进制对称信道中，若信道误码率 p l l ，则v it e r b i 译码器输出误码率： * 士易。( 2 正硐) ，“ ：。 其中j 。是巷积码自由距离， ，是一个码字中的 = 生2 t “p ，! 信息位数，是卷积码序列中所有码重为d 。的码字中非0 信息元的总数。若 码率选为3 4 ，则d 。2 5 ，k = l ，日。= l ，当信道误码率只= 0 0 1 时，v i t e r b i 译 码输出误码率，j _ = 3 2 1 0 。 兰卅1 人学硕十研究生论文 2 2 3 解调译码单元在实际系统中的设计实现 实际中使用的卫星调制信号频率范围一般为9 5 0 m h z 2 1 5 0 m h z ，因此在解调 前需要将射频调制信号下变频到适合解调的中频和基带上。由于射频电路的好坏 直接影响系统的性能，因此我们选用一体化的专用数字传输的高频头，其内部由 下变频、输出限带滤波器、a g c 以及用于调谐的i ：c 接口。解调芯片选用 s g s t h o m s o n 公司的s t v 0 1 9 9 ，其功能强大、集成度高。 具有符合d v b s 标准的可变码率o p s k 解调模块和f e c 纠错译码模块 具有单路单载波和多路单载波兼容性 双路数字a g c 控制调谐器输出和带宽内功率最优化 大范围连续可变符码率 自动载频搜索 片上错误监视等功能 芯片内a d 转换电路和q p s k 解调模块将信号处理成待译码信号，再由芯片 内f e c 纠错译码模块完成v it e r b i 译码、卷积去交错、r s 译码、去扰，构成 m p e g i i 传送流交由下级m p e g - 2 解码单元处理。纠错译码模块性能直接影响 m p e g 一2 解码后得到的视、音频信号质量。s t v 0 1 9 9 的纠错译码模块均由三部分组 成： v i t e r b i 译码器 字同步提取及去交错电路 r s 译码器及去扰器 功能框图见图2 6 。 s t v 0 1 9 9 在纠错译码性能上具有将信号误码率从l o 。降到1 0 1 。以下的能力， 符合d v b 系统准无误码率的要求。 兰州人学顾r r l i j f 究生论文 踅臻蕊 去叫耋潞瞄 数据j 卅步 错谈标志 图2 6 纠错译码屯路模块 2 3j i i p e g - 2 压缩数据的解复用与解压缩 d v b 系统中数据压缩部分采用的是m p e g - 2 压缩标准。m p e g 一2 标准为活动图 像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p o r tg r o u p ) 于1 9 9 4 年推出的i s 0 i e c1 3 8 1 8 m p e g 一2 运动图像及其伴音通用压缩编码标准。该标准由三部分组成：第一部分 为系统( s y s t e m ) 部分( i s o i e e1 3 8 1 8 - 1 ) ；第二部分为视频( v i d e o ) 部分( i s o i e c 1 3 8 1 8 - 2 ) ；第三部分为声音( a u d i o ) 部分( i s o i e c1 3 8 1 8 - 3 ) 。 2 3 1 系统( s y s t e m ) 部分 系统部分涉及如何将一个或多个图像、声音及其它数据的基本码流组合成单 一或多个码流，使之便于存储和传输。它包括以下五个基本功能： 1 多个压缩码流解码时的同步； 2 多个压缩码流解码时的交织： 3 。丌始解码的缓冲、预置； 4 缓冲器的连续挖制； 5 时m 识别： 系统编码i t 朋j 两种方法：传送流和节i - 4 流，分5 1 ；i | 适用f 不同的应用。m p e ( ；一2 标准中定义的传送流和程序流提供了必要的和充分的编码语法，以保证同步译码 l - 4 h 人学硕十研究生论文 和显示音频、视频信息。同时确保译码缓冲区既不上溢也不卜 溢。根据译码和显 示时使用的编码音频视频数据，以及数据本身的传送情况，信息在编码中使用不 同的时削标签。两种流定义都是面向分组的多路复用流。 节目流和标准i s o i e c1 1 1 7 2 的系统层相似，它是将一个或多个具有相同时 间基点的数据流的p e s ( p a c k e te l e m e n t a ls t r e a m ) 分组合为单个流。程序流 是针对错误相对较少的环境设计的，适合支持节目信息的软件处理的应用和 c d r o m 上的多媒体应用。节目码流分组长度是可变的而且相对较长。 传送流是由多个独立时间基点的多道节目合成一个单独的数据流，其中属于 同一道的节目的各个原始数据流的p e s 分组具有相同的时问基点。传送流是针对 那些很容易发生错误的环境而设计的，譬如在容易丢失或高噪声的每体重从处和 传送。传送流分组长度是固定的，为1 8 8 字节。d v b 系统中采用的就是传送流编 码形式。 传送流是根据i t u - tr e c h 2 2 2 0 i s o i e c1 3 8 1 8 2 和i s o i e c1 3 8 1 8 3 协议而定义的一种数据流，其目的是为了在有可能发生严重错误的环境下进行一 路或多路编码数据的传送和存储。这种错误表现为比特值错误或分组丢失。传送 流的速率可以是变化的或固定不变的。在任何情况下组成的原始流可以变化或固 定，在这些情况下的语法和语义限制都是相同的。传送流速率出节日参考时钟 ( p c r ) 字段的位置和数值所决定，通常对于每个节目都有自己的p c r 字段。传 送流可以用多个方法产生有效的数据流：从原始的编码数据流，从节目流，从其 他本身包含一个或多个节目的传送流都可以构成含有一路或多路节目的传送流。 传送流分组出首都和有效负载龋部分组成。其分组语法如表l 所示： 二! 州人学硕- 研究生论文 表1 传送流分组语法表 同 步 字 节 传送 错误 指示 有效 负载 起始 指示 传送优 先缴 p i d 传送 加密 控制 适应 字段 控制 连续 计数 器 适应 字段 81 322 4 非连续随机原始5 个标 可选填充字段 适应字指示器 访问流优 j 2 字段 段长度指示先级 器 指示 器 8 lll5 拼接传送传送 适应3 个可选 递减 私用私用字段标志字段 p c r o p c r 计数数据数据扩展 长度 字段 4 24 28 883 i t w 有效l t w分段速拼接类 d i sn e x to u 标志偏移 窜 型 l1 522 24： 3 兰州人学硕十研究生论文 分组首部以固定8 位字段的同步头丌始，同步头值为0 x 4 7 。同步头后是几 个重要的标志，如“错误指示位”、“有效负载起始标志”、“传送优先级指示”、 “p i d ( p a c k e ti d e n t i f i e r 分组标号) ”、“有效负载加密控制”、“凋整字段控制”、 “连续计数器”等。p d 是辨别传送流分组的重要参数。p t d 通过节目特殊信息 ( p s i ) 表来识别传送流分组中所携带的数据，一个p i d 值的传送流分组只带有 来自一个原始流的数据。“调整字段控制”表示分组首部中是否有调整字段。调 整字段中含有节目参考时钟( p c rp r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e ) 的重要信息。 分组有效负载带有原始流分组( p e s ) 数据，或者带有节目特殊信息( p s i ) 表，或者带有私有数据。原始流数据加载在p e s 分组中。p e s 分组由p e s 分组首 部及其后的分组数据组成。p e s 分组插在传送流分组中，每个p e s 分组首部的第 一个字节就是传送流分组有效负载的第一个字节。节目特殊信息( p s i ) 表可被 分为一段或多段置于传送流分组中。分段的长度可变。一个分段的最大字节数为 l k 。分段的开始由传送流分组有效负载中的指针字段( p o i n t e r f i e l d ) 指示。 私用数据在传送流分组中的运载方法是私自定义的，它可以用于携带p s i 表的方 法构造。一个私用分段的最大字节数为4 k 。 传送流中可含有多路节目，每路节目又由多个原始流组成，每个原始流都用 唯一一个p i d 值表示。这些信息都在表2 ，节目特俗信息( p s i ) 表中进行了描 述，程序特殊信息不可以加密。p s i 表分成四类：节目关联表( p a tp r o g r a m a s s o c i a t i o nt a b l e ) ，节目映射表( p m tp r o g r a m m a pt 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 ) ，网络信息表( n i tn e t w o r ki n f o r m a t i o rt a b l e ) 。 这四类表中包含进行多路解调和显示节目的必要的和充足的信息。 兰州人学硕十研究生论文 表2 节目特殊信息 结构名流类型保留的p i d描述 节目关联表i s o i i i co x 0 0关联节h 号与节日映射 1 3 8 1 8 一l表p i d 节目映射表 i s o i e c赋值的既明一个或多个节目组 1 3 8 1 8 1 成部分的p i d 值 条件访问表 i s 0 i e co x o l 建立一个或多个( 四 1 3 8 1 8 一l永) e m m 流与每个独立 p i d 值的联系 网络信息表私用赋值的物理网络参数 系统层解复用，首先要获取程序关联表( p a t ) 。p a t 表中包含了该传送流中 所有节目的一个清单。通过p a t 表，就可获取该传送流中所包含每个节目的程序 映射表( p m t ) 。在每个节目的p m t 表终究由该节目中各个原始流的信息，包括 p i d 值、原始流类型以及该节目中包含有效p c r 字段的传送流分组的p i d 。通过 p a t 及p m t 表。就可掌握传送流中的每个节目以及每个节目中各个原始流色j 的关 系。 多原始流的同步是通过传送流中的显示时问标签( it sp r e s e n t a t i o nt i m e s t a m p ) 来完成。在传送流中，解码器的同步实现是靠相应的节目参考时钟p c r 值。p c r 是将比特流本身的时序编码的时问标签，它可以由同一路节目的视频和 音频的p t s 值所用的共同时间基点推出。出于每路节目有自己的时舡j 基点，所以 含有多路节目的传送流的每一路节目有独立的p c r 字段。当然，有些情况下也可 以共享。一路节目只有一个p c r 时间基点与之关联。在p s i 中的p m t 表种植除 了每路节目中带有p c r 字段的原始流的p i t ) 值，改p i d 值也称为p c r p i i ) 。 时间标签一般以9 0 h z 为单位。但：肖目参考时钟i ，c r 可达到2 7 m l z 。p c r 时序 信息是将系统时钟频率2 7 m h z 的l 3 0 0 ( 2 7 m h z 3 0 ( ) - q 0 “z ) 编成：粥位码并加上9 位( 2 x 3 0 0 2 ”) 余数。p c r 字段被编码在传送流分1 1 - 【的调楚# 段，其中以系统时 钟频率2 7 m 的i ? , 0 0 ( 9 0 1 1 z ) 为单位的称为p c r b a s e ( 如卉张1 ) ，另个以 系统时钟2 7 m l l z 为单位的称为p c r e x t ( 如方朽12 ) 。数烈从传送流进入传送流系 卅1 人学硕士研究生论文 统解码单元的速率是一个分段常数，第1 个字节在州mt ( i ) 进入，这个字节 进入系统解码单元的时间可以通过对输入流的p c r 字段解码而恢复，编码在p c r ( i ) ( 如方程3 ) 中的数值代表了t ( i ) ，i 指包含p c rb a s e 字段的最后个字 节。 p c rb a s e ( i ) = 系统时钟频率xt ( i ) 3 0 0 2 。( 1 ) p c r e x t ( i ) = 系统时钟频率xt ( i ) 1 3 0 0 ( 2 ) p c r ( i ) = p c r b a s e ( i ) x3 0 0 + p c re x t ( i ) ( 3 ) 因此，p c r 指示了p c r b a s e 的最后一个字节预定到达系统解码单元输入的 时间。通过p c r 值的计算不但可以获得j 下确的解码时f 日j ，还可以计算出传送速率 等与时间有关的指标。 2 3 2 视频( v i d e o ) 、音频( a u d i o ) 部分 m p e g 一2 标准将全部语法的部分子集规约在五各类( p r o f i l e ) 下面，这五类分 别为：简单类( s i m p l e ) 、基本类( m a i n ) 、s n r 可调类( s n rs c a l a b l e ) 、空间 可调类( s p a t i a l l ys c a l a b e ) 和增强类( h i g h ) 。在类的下面又划分了4 级 ( 1 e v e l ) ：低级( 1 0 w ) 、主级( m a i n ) 、高级窄屏幕( h i g h - 1 4 4 0 ) 和高级宽屏幕 ( h i g h ) 。以此适用于不同的领域需求。在d v b s 系统中采用的是主类和主级 ( m p m l ) 。 m p e g - 2 视频编码的基本单位是块( b l o c k ) ，每块包含8 * 8 个亮度和色差像 素。块以上的单位是宏块( m a c r o b l o c k ) 。在m p e g 一2 中定义了两种图像格式：4 ：2 ：0 和4 ：2 ：2 。在4 ：2 ：0 格式中，一个宏块出4 个高度块和2 个色差块组成：在4 ：2 ：2 格式中，一个出4 个高度块和4 个色差块组成，连续一串块组成一个片段( s 1 i c e ) ， 片段以上是图像，图像以帧为单位。帧按照编码方式分为4 种类型：t 帧( 采用 帧内编码) 、p 帧( 采用帧l b j 预测编码) 、b 帧( 采用帧| n j 双向预测编码) 和df | l ! ；i ( 由d c t 系数中的d c 分量进行的编码) 。若干帧l 刘像构成图像组( g o i ，) 。图像组 是相互问有预测和生成关系得一组图像。g o p 的长度任意。在( ；( ) p 中包含i 帧、 p 帧和b 帧。由于i 帧采用的是帧i 编码，解码避不需要i e 他i 到像数据，因此c o p 中的第帧图像为i 帧。其后为l ，帧，i ，帧是以l 帧为预测帧进行解码的，i 帧 兰州人学硕十研究生论文 和p 帧之问可以插入若干个b 帧。g o p 以卜是序列，序列以序列头丌始t 后面跟 着若干个g o p ，最后以视频序列结束码结束。 数字视频广播( d v b ) 中的视频解码系统符台m p e ( ；一2 的主类主级m p m l 规范。 由主控单元解包输出的压缩视频序列是山一幅或多幅连续的图象集组成。在数据 流中，视频序列丌始于序列头，终止于序列结束码。一个视频序列可以有额外的 序列头，任何视频序列头都可以作为起始点，起始点是编码视频码流中的一个点， 从该点开始，解码器可丌始正确地分析码流语法。视频解码器如图3 1 所示。 解码器由并行端口将压缩数据读入数据缓冲区，经过f i f o 送入变长解码器 ( v l d ) ，v l i ) 解码游程幅度码，并根据使用的扫描类型对系数进行排序来重建 8 x 8 的量化d c t 系数数组。这些系数被反量化，然后通过反离散余弦变换( i d c t ) 得到象素值或预测误差值。在帧间预测的情况下，解码器使用接收到的运动矢量 来完成预测操作。预测误差与运动补偿预测的结果相加产生象索值。 a 颅测珙茬d c t 系数的蔚化形式 b 预测跌差d c t 系数的标准彤式 c 豫索日1 颅测洪差存n ：量化失真 i ) 重矬豫崇值存n ：量化失真 e 运动补偿颅测蒙索值 f 运动矢量 i 划2 7 视频解码框蚓 m p e g 一2 的音频信号的编码采用分层方式。层次越高，算法越复杂这种编码 方式可以进行 路环绕立体声及一路超重低音的多声道，多语种的音频信号的压 缩编码。数字视频j “撩( d v b ) 系统中丰要采用i 、2 层