（通信与信息系统专业论文）基于usb的dvbc数字电视接收系统设计.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于u s b 的d v b - c 数字电视接收系统设计 摘要 数字电视技术近年来飞速发展，相关产业也一直受到人们的关注。现阶段数字电视接 收设备主要分为电视卡、电视盒和电视棒三类，使得我们能够在电脑上收看数字电视节目。 国内许多厂家正在致力于相关产品的研发，但因无线信号覆盖范围偏小，产品价格偏高等 原因，市场并未得到推广。然而，我国的数字电视技术在这1 0 多年的时间里一直在努力 发展，特别是基于有线的数字视频广播已成为广播电视业的支柱产业，因此针对有线数字 电视方面的应用设计仍然有着广阔的前景。 本文提出的d v b c 数字电视接收系统是以u s b 作为传输接口来播放有线数字电视的 电脑外扩设备。系统接收有线电视网的信号并转换成满足m p e g 2 标准的t s 流，经过u s b 接口传送给p c 机进行音视频解码等处理，最终实现数字电视节目的实时播放。 论文的主要内容与成果如下： 1 分析了u s b 2 0 总线协议，概述了u s b 2 0 总线实现数据传输的基本原理，并研究如 何把符合d v b c 标准的数据码流传输到计算机，并进行实时处理和播放。 2 选用调谐器芯片t u a 6 0 3 9 、q 舢订解调芯片s t v 0 2 9 7 和u s b 控制芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 进行系统的硬件搭建，依据各模块的功能绘制完整电路原理图。 3 针对u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 进行分析并设计固件程序，实现s l a v ef i f o 模式的初 始化和用户自定义请求功能， 4 给出了u s b 驱动程序及上位机播放软件的设计思路。 该系统成本低，易于实现，并易于扩展成其它具有复杂功能的电视接收系统。 关键诃：数字电视，i ) v b - c ，u s b 2 0 ，固件，s l a v ef i f o 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g no f d v b - - c d i g i t a lt vr e c e i v i n gs y s t e m b a s e do nu s b a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt vt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，t h er e l e v a n ti n d u s t r y h a sa l s ob e e nc o n c e r n e d a tp r e s e n td i g i t a lt vr e c e i v i n ge q u i p m e n t sm a i n l yc o n s i s t so f t vc a r d s ， t vb o x e sa n dt vs t i c k s ，i tb e c o m e sp o s s i b l ef o ru st ow a t c hd i g i t a lt vp r o g r a m so nt h e c o m p u t e r m a n yd o m e s t i cm a n u f a c t u r e r sa r ec o m m i t t e dt ot h ep r o d u c td e v e l o p m e n t ，h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ep o o rt e c h n o l o g y , h i 曲p r i c e ，s m a l ls i g n a lc o v e r a g ea n do t h e rf a c t o r s ，t h em a r k e t d o e s n th a v eag o o dp r o m o t i o n c o m f o r t i n g l y , t h ed i g i t a lt vt e c h n o l o g yh a sb e e nt r y i n gt o d e v e l o pi nt h i s10y e a r si no u rc o l n t r y , e s p e c i a l l yt h ed i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n gb a s e do nc a b l e h a sb e c o m eap i l l a ri n d u s t r y t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a lt vb yc a b l em u s th a v ea b r o a dp r o s p e c t t h ed v b cs y s t e mt h a tw ep u tf o r w a r di sas i m p l ee q u i p m e n tf o rp e r s o n a lu s et op l a y d i g i t a lp r o g r a m so np cw i t hu s bi n t e r f a c e t h ed v b cd i g i t a lt vr e c e i v i n gs y s t e m ，w h i c h r e c e i v e st h ec a b l en e t w o r ks i g n a la n dt r a n s l a t e si ti n t ot r a n s p o r ts t r e a ma c c o r d i n g 、i t l lm p e 9 2 s t a n d a r d ，t h e nt r a n s m i t st op cf o ra u d i o v i d e od e c o d i n gt r e a t m e n tb yu s bi n t e r f a c e ，a n df i n a l l y a c h i e v e st h er e a l - t i m eb r o a d c a s t i n go ft h ed i g i t a lt v p r o g r a m s t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ei nt h i st h e s i sa sf o l l o w s ： 1 t h eu s b 2 0b u ss p e c i f i c a t i o ni s a n a l y z e d ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd a t at r a n s m i s s i o ni s g e n e r a l i z e d ，a n dh o wt ot r a n s m i tt h ed v b - cd a t at ot h ec o m p u t ef o rr e a l t i m ep r o c e s s i n ga n d p l a y i n gi ss t u d i e d t h ed e s i g no fd v b - cd i g i t a lt vr e c e i v i n gs y s t e mb a s e do nu s b 2 0i n t e r f a c e i st h e ni n t r o d u c e d 2 w em a i n l ys e l e c tt u n e rc h i pt u a 6 0 3 9 ，q a md e m o d u l a t o rc h i ps t v 0 2 9 7a n du s b c o n t r o l l e rc h i pc y 7 c 6 8 0 13 at oc o n s t r u c tt h eh a r d w a r es y s t e m ，a n dd r a wt h ec o m p l e t ec i r c u i t p r i n c i p l ed i a g r a ma c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l e 3 w em a i n l yd oa n a l y s i so nu s bc h i pc y 7 c 6 8 0 13 aa n dd e s i g nt h ef i r m w a r et oa c h i e v e t h es l a v ef i f oi n i t i a l i z a t i o na n du s e r - d e f i n e dr e q u e s t 4 w ea l s oc o m eu pw i t ht h ed e s i g ns o l u t i o n so fu s bd r i v e r sa n dp cs o f t w a r e i ti sal o w 。c o s ts y s t e ma n de a s yt od e s i g na n di ta l s oc a nb ee x p a n d e dt oo t h e rt v r e c e i v i n g s y s t e mw i t hc o m p l e xf u n c t i o n s 浙江工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：d i g i t a lt v , d v b c ，u s b 2 0 ，f i r m w a r e ，s l a v ef i f o 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 有线数字电视技术的特点与发展历程 数字电视【l 】就是指从电视画面和声音的制作到节目的发射、传输、接收的所有环节都 采用数字处理的全新数字电视系统。数字电视采用数字信号调制技术、数字图像压缩技术 和编码技术等，对电视图像和伴音信号进行数字化处理，使得接收到的图像质量明显提高， 同时，数字化的处理有助于开展多种数字信息服务，如文字广播、加密、加扰技术等各类 收费业务。 其中，有线数字电视是我国数字电视产业中的主要组成部分，与传统的模拟电视相比， 它的优点更多，更突出，概括起来有以下几个方面【2 】。 ( 1 ) 图像质量更好。与模拟电视信号不同，数字电视信号在传输的过程当中，不容易受 到传输信道特性和噪声干扰的影响，并且通过纠错编码技术，接收端图像质量基本与发端 保持一致。而且，有线电视采用闭路方式传输信号，因此图像质量比开路收视无线电视信 号时更好，不会受到图像重影、干扰等不利因素影响，使得高清晰度的信号得以传输到终 端。 ( 2 ) 频谱资源的利用更高。有线数字电视信号采用6 4 q , u v l 的调制方式，可使一个8 m h z 的模拟信号带宽传送8 到1 0 套数字电视节目，而且可以利用无线传输留给其他领域的频 段来做传输，使频谱资源得到充分的利用。同时，随着光纤的大量应用，网络带宽不断提 高，频谱资源也会更加丰富。 ( 3 ) 提供双向服务和多功能业务。随着新技术的不断涌现和频道资源的充分利用，在有 线数字电视网上进行各种增值和扩展业务已经成为了可能。数字电视网可与电脑网、电信 网互相连通，实现用户与各种信息源之间的交互性，用户可以自由点播节目，开展网上购 物、网上教学、电子商务等多种高速数据业务。 ( 4 ) 数字电视设备维护方便、使用简单。与模拟电视相比，数字化后的电视信号是二进 制码，信号源更加稳定、可靠。这也使得处理数字信号可以采用大规模的集成电路，从而 减小数字设备的体积，降低使用功耗。同时数字化设备不需调节，维护方便，使用简单。 ( 5 ) 电视信号的条件接收变得更为容易。我国传统的有线电视是直接接入用户电视机的， 这一方面使管理部门收取维护费相当麻烦，另一方面也无法向不同的用户群提供优质的收 1 浙江工业大学硕士学位论文 费节目服务，或提供特定收看内容。在模拟电视信号中实现加扰、解扰或加密、解密等有 条件接收，在技术上难度较大，弄不好还可能对电视图像造成干扰，甚至影响图像质量。 而在数字电视中这些问题的解决变得相对简单，甚至可以在软件商进行处理，真正实现有 线电视的有条件接收，在管理上也由被动局面变为主动服务。 我国的有线电视事业起步于2 0 世纪9 0 年代，在政策保护下，经过十多年的发展，广 电行业取得了很大的进步，至2 0 0 9 年底，有线电视用户基数达到1 7 4 亿户，截止2 0 1 0 年7 月，有线数字电视用户达到7 5 0 0 万户，中国有线双向网络覆盖用户市场规模已增长 至3 8 0 0 万户。 从有线数字电视的发展历程【3 】，我们可以简单化为分成三个阶段： ( 1 ) 初建阶段，1 9 9 9 2 0 0 3 ，这个阶段主要是数字电视的试验阶段，这个阶段有线电视 用户逐年增长，数字电视技术日趋完善，数字电视已经逐渐为老百姓所认知。 ( 2 ) 平移阶段，2 0 0 3 2 0 0 8 ，这个阶段实现了大多数大中型城市的数字电视的整体转换， 数字电视用户快速增长，数字电视用户覆盖比率达到2 7 6 ，付费数字电视用户占数字电 视用户数达到1 0 ，数字电视已经广泛进入家庭。 ( 3 ) 整合阶段，2 0 0 9 2 0 1 3 ，这个阶段主要是在继续进行数字电视整体转换的基础上， 各试点城市进行三网融合的试点的同时进行各省的有线电视网络全省范围的网络整合，在 摸索出电信运营商、互联网运营商及广电运营商三大运营体系之间网络互连、协议互通、 业务互相覆盖的三网融合模式的同时在广电行业形成省、市、县三级贯通、统一管理、统 一经营、统一标准的有线电视网络新体制，为实现真正的三网融合铺平道路。 应该说经过1 0 年的发展有线数字电视已经完成己初具规模，已经成为广播电视业的 支柱产业。 1 2 数字电视接收设备比较 我们这里所说的电视接收设备【4 】指的是使用个人计算机收看电视节目的一种设备的 统称，如今我们所了解的电视接收设备主要可以分成三类：电视卡、电视盒和电视棒。 p c i 电视卡通过内置的模拟数字转换芯片将模拟电视信号转换成计算机能识别的数 字信号，经过处理之后就能使电视画面呈现在计算机显示屏上，同时还能够录制电视节目。 电视卡除了提供标准电视接收功能外，往往提供了不同程度的视频捕捉功能，可以动态 静态地捕捉视频信号转换成数据流，有的还可制作v c d 。电视卡的价格一般较低，不需 外接电源，可以在w i n d o w s 系统下实现多窗口运行，但是p c i 电视卡有着十分明显的缺 点，那就是需要打开计算机主机箱，插在计算机主板的p c i 插槽中进行安装，这样容易 浙江工业大学硕士学位论文 受到电脑内部元器件的电磁干扰，引起其播放质量下降。 电视盒外观类似盒子，结构一般包括信号输入端口、视频解码和视频处理电路、音频 切换和处理电路、单片机控制电路、存储器电路、视频和音频输出端口、遥控信号接收器 以及控制按键。电视盒不仅能够完成电视视频接收和v c d 播放等基本功能，而且具有图 像多画面显示、操作方便灵活、图像清晰等优点。现在许多电视盒还增加了采集节目的功 能，用户可以通过电脑对采集的视频进行后期编辑处理，并可以刻录成光盘以便保存。电 视节目的效果跟它的芯片有直接的关系，但是价格昂贵。 电视盒按接口分主要分为两大类。第一类，便是最为常见的v g a 电视盒。它主要以 v g a 接口为连接方式，不需要任何驱动和软件支持就能与显示器连接使用，操作起来相 当方便。与电视卡不同的是，v g a 电视盒采用了外置式的独立设计，可以脱离电脑主机 独自工作，不开主机就可以看电视。由于电视盒的内部p c b 板有了外壳保护，所以不仅 避免了机箱内的电磁干扰，同时不存在任何兼容性问题。但是v g a 电视盒的缺点是不具 备录制功能。另外的第二类电视盒，则是被称为高清数字的电视盒d v i 电视盒，甚 至是h d m i 电视盒。它传输的是数字信号，数字图像信息不须经过任何转换，和传统模 拟v g a 接口来比则减少了数字到模拟再到数字的繁琐转换过程，避免了信号损失，使图 像清晰度和细节表现力都得到了提高。目前国内拥有d v i 接口的电视盒非常之少，只有 圆刚一家品牌而已。而从安装上来说，电视盒也可以分为可与显示器直接连接的，和通过 u s b 接口和电脑主机连接的两大类。 电视棒是数字电视进一步发展的产物，它的工作原理与u s b 电视盒类似，但是它外 形更j j n d , 巧，酷似u 盘，以u s b 接口和电脑相互连接，只要安装驱动就能实现即插即用， 适合笔记本电脑，并且携带方便适合外出使用。u s b 电视棒根据接收信号的不同可以分 成许多种模拟电视棒、d v b c 电视棒、c m m b 移动电视棒和d m b t h 的国标高清 电视棒和网络电视棒。 现如今，p c i 电视卡因其诸多缺点已相继被淘汰，而电视盒特别是电视棒却越来越受 到了不少用户的关注，本次课题所研究设计的是类似电视棒的简单的数字电视接收设备。 1 3 课题的研究背景及意义 电视数字化是一个全球的趋势。同时，广播电视是我国信息产业和文化产业的重要组 成部分，广播电视数字化是国家现代化和社会信息化的重要标志。在与人们工作生活密切 相关的电脑、手机和电视三大信息平台中，电脑和手机己实现了数字化和网络化，为人们 浙江工业大学硕士学位论文 带来了多姿多彩的资讯和娱乐服务，也为相关企业带来了巨额利润。特别是有线数字电视 产业【5 】从诞生的那天开始就注定是一个高技术产业，它汇集了计算机技术、网络通讯技术、 音视频编解码技术、芯片技术、嵌入式软硬件技术等；同时还要遵从众多的标准，d v b 标准、中间件标准、c a 标准、多种音视频编解码标准等等，应该说这个行业是多个产业 的交汇地带、是一个高技术人才聚集的地带。所以，有线数字电视同时作为广电行业三网 融合的排头兵已经成为众人关注的焦点。 同时，随着个人电脑的普及，电脑已经成为大部分人群的个人多媒体娱乐中心，用电 脑听音乐、看v c d d v d 、玩游戏、上网、聊天。至少在目前i n t e m e t 带宽仍然极为有限 的情况下，电视仍然是大众娱乐的主要方式。所以，随着数字电视的不断发展，我们有理 由相信，开发一个简单易用的个人电脑外扩设备来播放高清数字电视是一种不错的方案。 而在计算机的各种接口中，u s b 接口有着传输速度快、支持热拔插、即插即用、易于扩 展和占用系统资源少等优点，我们可以相信，用u s b 接口完全可以满足数字电视信号传 输的需求，并实现在p c 机上的实时处理和播放。 而d v b ( 数字视频广播) 标准作为数字视频、数据等传输的重要标准已经被多个国 家所接受，并广泛应用于卫星、有线电视和地面广播【6 】。同时，我国的有线电视网作为主 干网络，其覆盖面广、规模大，所以在大力发展数字电视的紧要时刻，基于电缆的数字视 频广播( d v b c ) 必将在数字电视广播中占有重要的一席之地。而且，由于国内现在通过卫 星和地面无线发送的电视、广播信号技术还未成熟，信号覆盖范围也仅限部分城市，导致 节目频道有限，信号质量不高。因此，采用有线电缆的d v b 。c 电视棒仍有它的优势所在， 尤其是应用于家庭和高校宿舍中。但我们相信，随着数字电视和移动多媒体技术的发展， c m m b 电视棒和d m b t h 电视棒以后也必定会走入千家万户。 1 4 研究内容及章节安排 本篇论文的章节安排如下： 第一章介绍有线数字电视技术的特点与发展历程；比较三类数字电视接收设备的优 缺点并阐述本课题研究的背景、可行性及其研究意义；简单介绍课题的研究内容以及确定 本论文的结构。 第二章简单介绍d v b 标准的内容与特点，概述d v b c 系统的结构组成，讲述d v b c 标准中的信道编码与调制规范。 第三章研究了u s b 总线协议，包括物理连接、电气特性、协议层、数据的传输方式 在蟹 寸o 4 浙江工业大学硕士学位论文 第四章本章是论文的重点部分。本章详细介绍了各芯片的结构特点，设计了数字电 视接收系统的硬件电路；重点介绍了c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的s l a v ef i f o 传输模式，并使用 k e i lc 5 1 完成了设备固件程序的设计与实现。 第五章介绍设备的驱动程序与上位机播放软件设计思路。 第六章结束语。总结全文，对本篇论文的全部工作做简要总结，并对下步工作做了 展望。 本课题所研究的项目为应用设计，属于老师的自选题目，是市场上没有的一种产品的 设计与实现，是结合市场与用户的产品设计。就整体而言，属于一种创新的产品，是整休 的创新。作为本项目的主要成员之一，我在整个项目过程中主要负责的工作是： ( 1 ) 了解d v b c 标准中信道编码与调制规范，掌握电视接收系统的结构框架和工作原理。 ( 2 ) 根据信号的特点合理选择芯片搭建系统架构，并完成系统整体电路图的设计。 ( 3 ) 针对u s b 2 0 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，基于u s b 2 0 协议编写固件程序。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章d v b 标准概述 2 1 d v b 标准简介 d v b 【7 】，数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 的缩写) ，是由d v b 项目维护的一系 列国际承认的数字电视公开标准。d v b 标准的产生，实际上起源于高清晰度电视( h d t v ) 的研究。1 9 9 3 年，2 0 0 多个组织参j j i i d v b 项目，目的是要设计一个通用的数字电视系统， 使得各种传输方式之间能够得到最简单的转换。经过8 年的研究开发，完成了数字视频广 播技术标准的制定工作，该系统中包括卫星数字电视传输标准d v b s ，有线电视传输系统的 标准d v b c 和地面传输标准d v b t ，其中d v b s 和d v b c 标准己作为世界统一的标准被大 多数国家接受( 包括中国) ，它们较其他标准的优点是灵活，可扩充至移动通信领域。 d v b 标准是一套可以应用于不同传输媒介的全数字电视系统标准。d v b 系统采用统一 的信源编码方式，并选择m p e g 一2 格式作为视频及音频的压缩格式，然后转换成传输码流 ( t s 流) 后进行复用。d v b 系统根据不同的传输媒介采用不同的传输方式：地面传输模式 中采用c o f d m 系统，c a t v 传输模式中采用6 4 q a m 系统，卫星传输模式中采用a p s k 系统。 另外，d v b 以单一系统方式针对s d t v 和h d t v 可用于所有广播媒介。在8 m h z 传输频带内 可选择4 9 31 7 m b i t s 不同的传输码率【8 1 。 d v b 系统是要一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术，它在制定的标准系列中很 好的实现了这一点。d v b 标准主要有以下特点： ( 1 ) 系统传送m p e g 2 格式的视频、音频和数据信号。 ( 2 ) 系统采用公共m p e g 2 传送复用方式。 ( 3 ) 系统采用公共的服务信息系统用于描述广播节目的服务信息。 ( 4 ) 系统采用里德索罗门前向纠错编码保护。 ( 5 ) 使用统一的加扰方法和条件接收接口。 ( 6 ) 不同的传输媒介选择相应的调制与编码方式以及需要的纠错方法。 ( 7 ) 推广d v b 标准至世界范围。 2 2d v b c 系统结构 d v b c 的欧洲标准是由e t s i ( 欧洲电信标准协会于1 9 9 4 年1 2 月制定的，标准编码 6 浙江工业大学硕士学位论文 号位e t s3 0 04 2 9 。我国制定的相应标准为有线数字电视广播信道编码和调制规范， 编号为g y t 1 7 0 2 0 0 1 ，该标准等同于国际主流有线电视标准，即d v b c 标准【9 】。 d v b c 数据广播系统由功能模块组成，能将电视基带信号适应于有线电视系统的信 道特性。有线数字电视广播系统的特点有：传输信道的带宽窄；信号电平高，接收端 最小输入信号在1 0 0 m v 以上：传输信道质量好，光缆和电缆内的信号不易受n ； i - 来干 扰。 d v b c 有线前端与接收的系统组成方框图如图2 1 所示： 图2 1d v b c 有线前端与接收的系统框图 图2 1 中各部分的作用： ( 1 ) 基带接口与同步 经过此单元的处理，使数据结构适合于信号源的格式，该单元中的帧结构与m p e g 2 传送格式相同。 ( 2 ) s y n c1 变换和随机化 该部分将反转s y n c l 字节极性，并为了频谱成形将随机化数据流。 ( 3 ) r s 编码器 数据包随机化后，使用截短的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码，以产生一个具有防错功能的保护 包。 ( 4 ) 卷积交织器 7 浙江工业大学硕士学位论文 该部分应完成一个深度为i = 1 2 字节的误码保护包的卷积交织，同步字节周期不做改 变。 ( 5 ) 字节到m 比特符号变换 该部分是将交织器产生的字节变换为m 比特的q a m 符号。 ( 6 ) 差分编码 为了获得旋转不变的星座图，该单元对每个符号的两个最高有效位进行差分编码。 ( 7 ) 基带成形 该部分完成经差分编码的m 比特符号到i 和q 信号的映射。在q a m 调制前，对i 、 q 信号进行余弦滚降平方根滤波。 ( 8 ) q a m 调制和物理接口 该部分首先完成q a m 调制，并且将q a m 已调信号通过i f 或i 强接e l 发送至射频信 、j 上 遭。 有线数字电视接收设备的工作原理和过程，是上述情况的逆处理，从而得到基带信号， 因此不再赘述。 d v b c 系统的一些重要参数如表2 1 所示： 表2 1d v b c 系统的一些参数 2 m - q a m m - - 6 符号整形余弦平方根滚降滤波 滚降因子r 1 s y m b 0 1 5 比特率r m b p s 3 8 0 1 4 7 0 6 符号率s m s p ss = r x ( 2 0 4 1 8 8 ) x ( 1 m ) 常用符号率值 m s p s 6 8 7 5 最大符号率s m a x m s p s s = s m h z ( 1 + r ) 误码率b e r 1 0 4 1 0 1 1 c n c n = ( e c n o ) ( r b z ) 频谱效率 b i t s h z 6 ( 6 4 一q a m ) 香农公式c 实际邓6 ) ( c n ) 2 3d v b c 的信道编码与调制 d v b c 标准规定了有线数字电视广播系统中传送数字电视的帧结构、信道编码和调 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 帧结构 帧的组成结构基于m p e g 一2 传送包结构。该系统的帧结构如图2 2 所示。 s y n c 1 8 7 字节 1 字节 ( a ) m p e g 一2 传送复用包 1 一 f i l d o ，u 棚一l j v j 丁l j r f? f? rrr r s y n c l 1 8 7 字节s y n c 2 1 8 7 字节 s y n c 8 1 8 7 字节 s y n c l 1 8 7 字节 ， ( b ) 随机化后的传送包：同步字节和随机化序列r ( c ) 里德- 所罗门( r s ) ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 误码保护数据包 f s y n c i 或s y n c l 或s y n c l 或 s y n c n 2 0 3 字节 s y n c n2 0 3 字节s y n c n ， ( d ) 交织帧：交织深度i - 1 2 字节 s y n c l = 没有随机化的逐比特取反同步字节 s y n c n = 没有随机化的同步字节，n = 2 ，3 ，8 图2 2 帧结构 ( 2 ) 信道编码 为满足有线数字电视广播误码保护要求，使用基于r s 码编码的f e c 与卫星传送系 统的不同，有线传送不使用卷机编码，而使用字节交织来实现抗突发编码保护。 1 ) 频谱成形随机化 系统输入码流为m p e g 一2 传送m u x 包，包长为固定长度，总长1 8 8 字节，其中包括 一个同步字节( 即4 7 阳三x ) 。发送端的处理顺序始终是从同步字节的m s b 开始。 m p e g 2 传送复用器输出端的数据按图2 3 所示的结构进行随机化。伪随机二进制序 列( p r b s ) 生成多项式为：1 + x 1 4 + x 1 5 。 9 浙江工业大学硕士学位论文 ll010f110llloi 1 10l 0 10101010l0 使能数据输入 与门 异或 门 图2 - 3 随机化与去随机的原理框图 在每8 个传送包的开始处，把序列“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”装入p r b s ( 伪随机二进制 序列) 寄存器，对其进行初始化，过程参见图2 3 。为了向解扰器提供一个初始化信号， 则将每组第一个传送包的m p e g 2 同步字节，通过逐比特取反的方式由4 7 h e x 转换为 b 8 h e x 。而把p r b s 生成器输出的第一个比特，加到被取反的m p e g 2 同步字节后面的 第一个字节的第m s b 位上。 2 ) r s 编码 在能量扩散随机化处理之后，采用截断的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 编码生成一个误码 保护数据包，见图2 2 ( c ) ，r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 是由原始的r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 截断 而得到的。数据包同步字节，不论是未反转的( 即4 7 h e x ) 还是已经逐比特去取反的( 即 b 8 h e x ) ，也都要进行r s 编码处理。 截断的r s 码可以通过在( 2 5 5 ，2 3 9 ) 编码器输入的信息字节之前加5 1 个全为0 字 节的方法来实现。在r s 编码过程完成后，这些空字节将被去掉。 3 ) 卷积交织 对误码保护包进行深度为i = 1 2 的卷积交织过程如图2 - 4 所示，其结果是生成一个交 织帧，见图2 2 ( d ) 。 浙江工业大学硕士学位论文 ii一一一一一一一一一-一一一一一一一一一一一一一一一一-一一一一一一一-一一：l圃 l hj ，y - r ，ii i 9h l l 啤2 i 图2 4r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码时的卷积交织器与去交织器原理图 卷积交织器由1 2 分支构成，由输入开关周期性地把输入字节流接入各路输入。每一 路是深度为m j 个单元的先入先出( f i f o ) 移位寄存器，其中m = 1 7 = n i ，n = 2 0 4 = 误码 保护帧长度，i = 1 2 = 交织深度，j = 分支号。每个f i f o 单元大小为一个字节，并且输入与 输出的开关应同步。 ( 3 ) 字节到符号的映射 由于发射端在卷积交织之前以及接收端在卷积反交织之后，信息都是以0 ，1 比特的 形式存在，而在2 m - q a m 调制解调过程中，调制符号需要和m 个比特进行映射。对于不 同的q a m 调制，映射的符号数也不同。在任何情况下，符号z 的m s b 都应取字节v 的 m s b 。相应地，该符号的下一个有效位应取字节的下一个有效位。2 m - q a m 调制情况下， 该处理将k 个字节映射到n 个符号，例如：8 k = m * n 6 4 一q a m 情况下的处理在表中有详细说明( 这里m = 6 ，k = 3 ，n = 4 ) 。 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - 2 用于6 4 一q a m 的字节到m 比特符号变换 自交织器字节v字节v = i字节v = 2 输出( 字 节) b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2b l b 0b 7 b 6 b 5 b 4 b 3b 2 b l b 0b 7 b 6b 5 b 4 b 3 b 2 blb 0 至差分编 m s b l s b 码器( 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b1 b ob 5 b 4 b 3 b 2 b1 b 0b 5 b 4 b 3 b 2 b l b ob 5 b 4 b 3 b 2 b l b o 比特符 符号z符号z + i符号z + 2符号z + 3 号) 在6 4 q a m 调制时，每个符号为6 比特，分成两路，每路3 比特。i 轴和q 轴各自为 3 比特，构成士1 、士3 、士5 、- 4 - 7 的8 电平，在符号映射时将3 字节变换成4 符号。表2 2 中，b 0 为每个字节或每个符号的最低有效位，符号z 在符号z + i 之前传输。 ( 4 ) 调制 d v b c 系统调制方式采用1 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m 和1 2 8 q a m ( 正交幅度调制) 等多种方式。当多元调制为2 m q a m 情况下，则需把k 个字节变换成n 个符号，即8 k = m n ，变换后的符号的最高2 比特进行差分编码，图2 5 是字节到m 比特位符号变换、两 位m s b 差分编码示意图，差分编码后形成i k 和q k 分量。 l 。7 一、一q 字节到m 比特符 l 映 刍卷积交织藉 b k 2 b q ! 差分编码l q ” ! 射 i 号变换 a k = m s b 7 1i k 7r q 图2 5 字节到m 比特位符号变换、两位m s b 差分编码示意图 其中，1 6 q a m 时，q = 2 ；3 2 q a m 时，q = 3 ；6 4 q a m 时，q = 4 ；1 2 8 q a m 时，q = 5 ； 2 5 6 q a m 时，q = 6 。 1 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m 的星座图如图2 - 6 所示，星座图代表了有线系统中传输 的信号。 1 6 * q a ! l | i 浙江工业大学硕士学位论文 0 、( i t q t ：1 0 1k q 卜篇0 0 o l lj o o i0 棼l 斡0 0 l l i 稳l ol o o ot 0 0 0 00 0 0 i | l o il 0 l 攀掣9 l ll i ：；l 珏0 1 0 l0 l l l i l q o = ：i1 il q = 0 1 3 2 - ( ! a m l 爵自；0l 爵1 0 ll 9 l l 鞋il l 鞋1 0 葑 0 臻珏 毪q 争= 纛罐q a m l 鲥鞋1 摊t l 窃0 l 霸自韪6 l l雉0 l t l t l t 0 0i 0 0 0 0 0 0 11 li(1qk = 0 ，1 i q 1 挚黝l 辩, i p 黝学蹲薯鲻 城 潍麟l 瓣l 舞 钰翻麟 蘸 潍 鞠 g 巷l 自辚l l 黼i i ；li 黼i l l 女q l 嚣蛰 警l 赚墅謦ll 紫i 懒靶o i 絮 紫髓紫3 黼 鳓猁 0 # l l l 瀚瓣 涵撼瓣姻 潮鞲i 0 0 鳓耱8 勰自鳓黼瓣鳓毽疆瓣 自瓣l 瓣 “ 霸隧绷瓣i # 麟l 麟# 熊女 9 誉嘲8 氅黪醛撼雹。2 秘擎溯绺 1 瓣引撺l 籀耱 鞠8 溅 聪鳓#；勰l 瓣臻瓤 ll 燃瓣# t l j l l l l i 臻i l t $ i # l l l l ll l i j | 1 0 1 。+ 。4 1 譬t 嚣稳 l l 渤l l l g 阳戮期l 臻l 辩 i l # l 1 0 目 t l e l i 图2 - 61 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m 星座图 由图可示，通过改变两个n s b 位( 即i k 和q k ) 并据表2 - 3 给出的规则旋转q 个i s b 位， 可将第1 象限中的星座点变换至第2 、3 、4 象限。 表2 3 星座图中的第1 象限星座点到其他象限星座点的变换 象限 m s b l s b 旋转 l0 0 21 0+ 2 3“+ 霄 40 1+ 3 7 c 2 n v0 | | i kqp m 絮 0 q 0 l 0 o l l 女q 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章u s b 总线协议 3 1u s b 总线概述 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 【lo 】是计算机上一种新型的接1 2 1 技术，u s b 2 0 的最高传输速度可达4 8 0 m b s 。而且，u s b 接v 1 体积小巧，支持总线供电，使得计算机与 外围设备之间的连接更加简便。u s b 技术可以说是计算机接口技术的一大突破，支持热插 拔、即插即用、节省系统资源和成本低廉等优点都是其他接口所不具备的，并且可支持多 个外部设各的连接与通信。同时，u s b 2 0 具有良好的兼容性，支持全速( u s b l 1 ) 或者 低速( u s b l o ) 甚至高速( u s b 2 0 ) 传输。因此，u s b 接口的应用越来越广泛，大有取 代其他接口的趋势。 u s b 体系包括“主机”、“设备”以及“物理连接”三个部分。其中主机是一个提供u s b 接 口及接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体。在整个数据传输过程中，u s b 主机处于 主导地位，它负责启动数据和命令的传输，u s b 设备被动地响应主机的请求。在u s b 协 议中规定，一个u s b 系统中只允许一个u s b 主机，多个u s b 主机存在将会导致传输混乱； 设备包括了u s b 功能设备和u s b 集线器，u s b 功能设备用于完成用户特定的功能，通常 是一个独立的外部设备，而u s b 集线器主要用于为u s b 系统提供额外的连接点，从而扩 展u s b 主机的u s b 端口；物理连接即指的是u s b 的传输线。在u s b 2 0 系统中，要求使 用外壳屏蔽的、数据线双绞的u s b 电缆。 u s b 总线接口协议十分完善，可以实现对各种设备类型的支持。从系统设计和逻辑连 接关系上考虑，整个u s b 系统具有明确的分层结构：功能层、u s b 设备层和u s b 总线接 口层，每一层由u s b 设备和主机的不同功能模块组成，u s b 系统分层结构如图3 - 1 所示。 u s b 功能层主要负责u s b 主机和u s b 设备之间的数据传输，功能层主要由u s b 设 备的功能单元和对应的u s b 主机程序组成；u s b 设备层主要用于管理相关的u s b 设备， 通过驱动程序使得主机获得该u s b 设备的功能；总线接口层一般由u s b 系统硬件完成， 主要通过n r z i 编解码实现u s b 数据传输时序【1 1 】。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 主机互连u s b 设备 上 、r1 客户软件 1卜 功能单元功能层 tt jj u s b 系统软件 卜 u s b 逻辑设备 u s b 设备层 n tt jj u s b 总线接口 一 l u s b 总线接口 u s b 总线握 1，r 口层 l _ _ 一 等二窭互互舀 图3 1 3 2u s b 协议层规范 实际通信流 逻辑通信流 u s b 系统总线结构 u s b 协议层描述了u s b 主机与u s b 外设交互时的语法和协议，从中定义了字段、 包、事务和传送的结构以及由字段到包、由包到事务、由事务到传送所组成的组织层次关 系。协议同时还规范了数据链路的建立、正常或异常传送处理的动态过程。字段中分同步、 包标志符、数据、端点、帧号和c r c 字段。包中分令牌、数据、握手3 类包【1 2 】。 3 2 1u s b 宇段格式 u s b 信息包的格式如下： 表3 1u s b 信息包格式 a d d re n d p 字段 p i d 结构 d a t ac r c 7 4 n + 8 位数 4 + 4 1 l( n = 0 ，1 ，1 0 2 4 ) 5 1 6 如上图所示，u s b 协议中规定，u s b 数据传输由一系列的字段构成，这些不同功能的 字段，按照特定的格式组合便构成不同的信息包。这些字段主要包括以下几种： ( 1 ) 同步字段( s y n c ) 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 为了保证u s b 主机和u s b 功能设备之间数据传输的同步性，u s b 协议中规定了同步 字段。同步字段是用于同步的机制，一般情况下，u s b 包都是从同步( s y n c ) 字段开始的， 对于低速全速传输，同步字段为8 位，数据为1 0 0 0 0 0 0 0 b ；高速传输同步字段的长度为 3 2 位，数据为8 0 0 0 0 0 0 0 h 。实际接收到的s y n c 长度由于u s b 总线的关系，可能会小于 该值。 ( 2 ) 包标识符字段( p i d ) 包标识符( p i d ) 由4 位包类型字段和4 位校验字段构成。p i d 表征了数据包的类型，分 为令牌( t o k e n ) 、数据( d a t a ) 、握手( h a n d s h a c k e ) 以及特殊包4 大类，共1 6 种类型的 p d 。 ( 3 ) 地址字段( a d d r ) 地址字段是用来指明u s b 系统中的某一个u s b 设备，长度为7 位，共有1 2 8 个地址 值。其中，地址0