[硕士论文精品]数字电视数据广播中对象轮播发生器的实现

上海交通大学工程硕士学位论文数字电视数据广播中对象轮播发生器的实现摘要电视经历了黑白、彩色，又从模拟逐步向数字过渡、标清向高清过渡，极大的丰富了人民的生活，同时随着社会的进步，信息变得越来越重要。传统的电视广播已经不仅仅停留在传达党和政府信息、家庭视听娱乐上，通过数据广播，将在现代社会的信息传播中占据了越来越重要的地位。通过数字电视前端的数据广播系统和终端的机顶盒、数字电视一体机等终端接收设备的内置软件接收系统，可以给用户带来阳光政务、气象预报、股票信息、新闻时事、教育、游戏、网上购物、银行结算等等功能，用户可以花最小的代价获得最多的服务，真正方便到每个家庭的衣食住行。而数据广播系统和终端接收系统的关键部件，就是前端数据广播系统中的对象轮播发生器（OCG），通过OCG把各种信息、程序发给终端的中间件，然后在电视机上表现出来。本文主要是围绕数字电视及其相关的标准来研究，首先介绍了数字电视的组成，包括前端播发系统和终端接收系统、数字电视的标准等，然后重点介绍MPEG2传输标准、DSMCC标准和DVB数据广播协议，其中数据广播中有5种数据播发机制，数据管道、数据流、多协议封装、数据轮播和对象轮播，对象轮播是最上层最重要的一种机制，通过对象的播发，可以实现各种功能，尤其是现在大家都非常关注的增值业务。本文研究了对象轮播的国家标准，并给出了一种OCG的实现方案和性能方面的测试数据，这个OCG的方案已经成为实用的产品，配合终端的中间件，在市场上得到了大规模的应用。关键词数字电视、数据广播、对象轮播、中间件上海交通大学工程硕士学位论文1THERESERCHANDIMPLEMENTOFOBJECTCAROUSELGENERATORINDATABROADCASTOFDVBABSTRACTTHETELEVISIONDEVELOPEDTHROUGHB/WTVTOCOLORTV,ANALOGTVTODIGITALTV,STANDARDDEFINITIONTOHIGHDEFINITON,ANDFULLYENTERTAINEDTHEPEOPLESLIFEWITHTHESOCIETYSCONTINUOUSPROGRESSION,INFORMATIONSBECOMEMOREANDMOREIMPORTANTTHEDIGITALVIDEOBROADCASTISNOTONLYBRINGINGTHEVOICEOFOURGOVERNMENTTOPEOPLE,MAKEHOMEENTERTAINMENTSBYUSINGTHEDATABROADCAST,ITALSOACTEDASTHEMOSTIMPORTANTROLESTOSPREADINFORMATIONEVERYWHEREINMODERNSOCIETYWITHDIGITALVIDEOBROADCASTHEADENDSYSTEMANDTERMINALSETTOPBOXORINTEGRATEDDIGITALTVSETSINTERNALSOFTWARERECEIVERSYSTEMMIDDLEWARE,THEDIGITALTVSYSTEMCANBRINGPEOPLETHEGOVERNMENTSINFORMATION,WEATHERFORECAST,STOCKINFORMATION,NEWS,EDUCATION,GAMES,ONLINESHOPPING,ONLINEPAYMENTETCPEOPLECANSPENDLESSANDGETMORESERVICEASTHEKEYCOMPONENTOFTHEDATABROADCASTSYSTEM,THEOBJECTCAROUSELGENERATOROCGBRINGSINFORMATIONANDEXECUTABLEPROGRAMSTOTERMINALSMIDDLEWARESYSTEM,DISPLAYORRUNITONTHETVSSCREENTHISPAPERMAINLYFOCUSEDONTHERESEARCHESOFTHEDIGITALVIDEOBROADCSTANDDATABROADCASTSTANDARDSFIRSTINTRODUCETHEDTVSSTRUCTUREINCLUDETHEBROADCASTSYSTEMANDRECEIVERSYSTEMNEXTDESCRIBETHEMPEG2TRANSMITPROTOCAOL,DSMCCSTANDARDSANDDVBDATABROADCASTSTANDARDSINDVBSYSTEMTHEREARE5PROTOCAOLSDATAPIPING,DATASTREAM,MULTIPROTOCOLENCAPSULATION,DATACAROUSELANDOBJECTCAROUSELTHEOBJECTCAROUSELISTHEMOSTIMPORTANTPROTOCOLANDDESCRIBEDINASEPARATEDCHAPTERSUCCESSIVELYPRESENTANOCGPRINCIPLERESEARCHEDBYOURTEAMANDTHETESTRESULTTHISOCGPRODUCTWASWIDELYINCOMMERCIALUSINGALREADYWITHTHEMIDDLEWARESYSTEMKEYWORDSDIGITALTV，DATABROADCASTING，OBJECTCAROUSEL，MIDDLEWARE上海交通大学工程硕士学位论文2上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。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。学位论文作者签名王先农日期年月日上海交通大学工程硕士学位论文3上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名王先农指导教师签名李建华日期年月日日期年月日淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文1第一章绪论广播电视正在迅速的从模拟走向数字时代，数字电视的飞速发展己经极大地超出了人们的想象。作为世界用户最多的国家，中国已经确定了在近期内全面转向数字电视，有线电视将在2015年前全面转成数字电视，停播模拟信号，地面无线广播电视也正在积极转向数字，并且制定了中国的制式标准，卫星数字电视广播随着直播卫星的发射成功，将覆盖中国大地。11数字电视的优越性数字电视之所以得到人们青睐，不仅仅因为它有个时髦的词“数字”，而是具有三大优越性增加节目频道，减少传输成本，由于数字电视是以压缩方式传播节目内容，使得其传输所需要的带宽比模拟电视小的多。以前一个模拟频道传输所需的带宽可以用来传输68个数字频道，因而在不增加带宽的情况下，用数字电视传输方式可以大大节省因增加电视节目频道而需要的传输成本，提高经济效益。优美的音质和清晰的图像由于采用数字形式传输和广播，电视的音视频信息在播发过程中几乎没有损失，且数字传播还可以采用超前纠错方式，接收端接收到的电视图像便极为清晰，电视伴音（音频流）以立体声或家庭影院环绕立体声的形式与电视图像一起播出，使得人们可以欣赏到清新悦耳的电视节目，感受到电视节目给娱乐和消遣带来的美妙享受。节目形式丰富，增加互动性由于数据能和音视频流一起混合传播，这就为交互电视提供了必要的技术基础，有了增强电视互动性的可能。数据的传输和应用，使得能在数字电视的接收设备上运行很多交互式的应用程序，如电子节目菜单（EPG）、股票信息、游戏等，而且还可以开辟新的节目，如即时节目点播（VOD）和准即时节目点播（NVOD）等。借助于数字电视的数据传输功能，数据广播是一种能将文本、图形、视频、音频、数据等传输到诸如PC、机顶盒等设备的一项技术。数据广播服务商可以从因特网或其他途径获取大量的信息，通过数字广播信道，将丰富的多媒体信息送到用户家中。这种数据传播方式不仅信源丰富，而且还能避免信道拥堵、不能保存等短处，因而继广播电视和互联网之后被称为第五媒体。淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文212数字电视结构数字电视由几大部分组成，分别是数字电视台、数字发射前端、广播网络和数字电视用户等（见图11）数字电视台由数字摄像机、演播室编录播设备以及数据业务和条件接收等组成。节目源分为高清、标清等视音频节目等，在经过MPEG2、MPEG4、VC1或H264、AVS等方式的编码压缩和复用后由原始的SDI格式变换成压缩的ASI数据流，传送到数字发射前端。数字发射前端接收到数字电视台和其它信号源的节目（包括卫星下行信号、国家/省/市光纤、微波干线传输信号等），通过再编码、复用、CA加扰、插播当地节目流、数据信息等，由信道调制器，按卫星广播、地面数字广播、有线网络信道等方式调制，送到广播网络。广播网络目前主要有卫星广播、地面广播和有线广播等组成。数字电视用户端由机顶盒（支持卫星、地面和有线等）显示器（传统模拟电视机等）或集成了机顶盒的电视一体机组成。图11数字电视组成结构FIG11STRUCTUREOFDIGITALTVSYSTEM数字电视数据广播前端播发结构如图12所示。数据广播系统（DBS）由SI编辑器、EPG编辑器、SI生成器、OC发生器（OCG）、机顶盒升级器（SSU）以及应用（新闻、天气预报、网页等）等模块组成，生成的TS淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文3流由复用器加入到一个或多个数字频道中。图12前端数据广播结构FIG12STRUCTUREOFDATABROADCASTIN13机顶盒数字电视机顶盒接收数字电视节目、处理数据业务和完成多种应用的解析。信源在进入有线电视网络前完成两级编码，一是传输用的信道编码，另一级是音、视频信号的信源编码和所有信源封装成传输流。与前端相应，接收端机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调其次是还原压缩的信源编码信号，恢复原始音、视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。1机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、MPEG2解码器、视频编码器、音频D/A、嵌入式CPU系统和外围接口、条件接收模块等组成。具有交互功能的机顶盒则需回传通道。高频头接收来自广播网络的高频信号，通过解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音、视频和其它数据信息的传送流TS。传送流中一般包含多个音、视频流及一些数据信息。解复用器则用来区分不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流，送入MPEG2解码器和相应的解析软件，完成数字信息的还原。对于付费电视，条件接收模块对音、视频流实施解扰，并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合法用户正常收看。MPEG2解码器完成音、视频信号的解压缩，经视频编码器和WEBGETTER,EPGFILTERWEBTRANSLATER,UMS数据库文件系统DBSSI编辑器EPG编辑器SI生成器OCGDC,SSUNEWS,WEATHER,STOCK,WEBPAGE互联网OTHERS淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文4音频D/A变换，还原出模拟音、视频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。131机顶盒关键技术A机顶盒硬件技术1信道解调技术国际、国内标准均规定，在有线网络中传输数字电视及增值业务采用QAM调制方式，其中16QAM、32QAM、64QAM必选，128QAM和256QAM可选。由于有线网络信道质量好，只用RS编码作为纠错编码。2信源解码技术模拟信号数字化后，信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。数字电视广播采用MPEG2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC3和MPEG2两种标准。信源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原始音、视频数据。3大规模集成芯片技术为实现实时的解复用和数据信息处理，目前的系统大多采用专用芯片，将CPU内核与MPEG2传输流解复用器，DVB通用解扰器，MPEG音视频解码器，NTSC/PAL编码器集成，形成STB的核心芯片。4上行数据的调制编码开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有3种方式，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文5图13机顶盒结构FIG13STRUCTUREOFSETTOPBOX132机顶盒软件结构广播数字化后，数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置。除了音视频的解码由硬件实现外，包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现，直至机顶盒和个人计算机的互联以及和INTERNET的互联都需要由软件来实现。除去硬件，第一层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序，第二层中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用不依赖于具体的硬件平台，第三层应用软件包括本机存储的应用和用户即时下载的应用。1硬件驱动层软件驱动程序驱动硬件功能，如射频解调器、传输解复用器、A/V解码器、OSD、视频编码器等。2实时操作系统与PC操作系统不同，机顶盒中的操作系统采用实时操作系统RTOS，可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。目前流行的实时操作系统有VXWORKS、PSOS、OS20、WINDOWSCE等。这些操作系统各有所长，在机顶淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文6盒中都有应用。3中间件在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题实时多任务操作系统，硬件平台原理细节，复杂的行业标准，繁杂的用户界面以及实用功能等各项跨行业的难题。为了解决上述问题，中间件技术应运而生，并成为数字电视核心技术，也就是我们前面提到的开放式业务平台。中间件是在数字电视接收机的应用程序和操作系统、硬件平台之间嵌入的一个中间层，定义一组较为完整的、标准的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从而将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。它通常由JAVA虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成。开放的业务平台上的特点在于产品的开发和生产以一个业务平台为基础，开放的业务平台为每个环节提供独立的运行模式，每个环节拥有自身的利润，能产生多个供应商。只有采用开放式业务平台才能保证机顶盒的扩展性，保证投资的有效回收。4上层应用软件执行服务商提供的各种服务功能，如电子节目指南、准视频点播、数据广播、IP电话和可视电话等。上层应用软件独立于STB的硬件，它可以用于各种STB硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。在本项目中采用的机顶盒硬件平台是意法半导体公司的STI5105主芯片，软件平台为上海蓝信软件技术有限公司开发的中间件。中间件的结构如图14所示。图14中间件平台结构FIG14STRUCTUREOFMIDDLEWARE驱动资源模块CA模块MBT系统移植接口应用程序系统交互媒休平台系统驱动及系统资源核心模块应用程序管理器JAVA虚拟机驱动资源模块网页解析引擎应用编程接口EPG浏览器实时操作系统应用程序淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文714本文组织结构第一章绪论简单介绍了数字电视的大致情况以及组成网络的结构、接收端的硬件、软件结构，说明了在数字电视中数据广播实施的基础和优势。第二章介绍了相关的国内外数字电视的标准，中间件标准等情况。第三章介绍了数字电视数据广播方面的标准，包括MPEG2传输、DSMCC、DVB对象轮播等标准。第四章提出了前端OC发生器的一种开发实现实例，并且已经成为产品，在国内市场上得到了实际的应用。第五章给出了上述OC发生器的界面设计和内部测试结果，证明其是个完整、成熟的产品。第六章对本文做了总结。淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文8第二章数字电视标准模拟电视有PAL、NTSC和SECAM三种制式，与此类似，在数字化的进程之中也曾经形成过几个不同的标准。日本、欧洲、美国都曾经提出自己完整的数字电视标准，但是由于市场竞争和世界格局的影响，在我国只有欧洲的标准在卫星和有线传输方面得到了推广和应用。在地面开路播出的数字电视标准方面，几家国内的大学和科研机构还在做一些研究，目前也已经达成一个最后的标准。由于应用环境和商业的运作模式的不同，数据在卫星和有线传输的方面应用的比较广泛，而地面播出的数字电视的主要关注点在于移动接收和高清晰度播出等方面。下面介绍几种标准情况21美国数字电视标准ATSC美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数字高清晰度电视为基础的标准ATSCADVANCEDTELEVISIONSYSTEMCOMMITTEE先进电视制式委员会。美国HDTV地面广播频道的带宽为6MHZ，调制采用8VSB。预计美国的卫星广播电视会采用QPSK调制，有线电视会采用QAM或VSB调制。ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图像压缩层，采用MPEG2压缩标准。再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用MPEG2压缩标准。最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。对于地面广播系统，采用ZENITH公司开发的8VSB传输模式，在6MHZ地面广播频道上可实现193MB/S的传输速率。该标准也包含适合有线电视系统高数据率的16VSB传输模式，可在6MHZ有线电视信道中实现386的传输速率。下面两层共同承担普通数据的传输。上面两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如HDTV或SDTV，还确定ATSC标准支持的具体图像格式，共有18种（HDTV6种、SDTV12种），其中14种采用逐行扫描方式。22日本数字电视标准ISDB日本数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。并在1999年发布了数字电视的标准ISDB。ISDB是日本的DIBEG（DIGITALBROADCASTINGEXPERTSGROUP）数字广播专家组制订的数字广播系统标准，它利用一种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号，同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。ISDB具有柔软性、扩展性、共通性等特点，可以灵活地集成淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文9和发送多节目的电视和其它数据业务。23欧洲数字电视标准DVB欧洲DVB方式规划最早开始于1993年的9月，包括了欧洲几十个国家的大约200个组织参加，其中既有设备制造商、广播电视运营商，也有大学和研究单位。DVB组织的目的是制订欧洲的数字电视标准，并且向世界推广。DVB标准的核心技术包括了以下的几点系统采用MPEG压缩的音频、视频及数据格式作为数据源；系统采用公共MPEG2传输流TS复用方式；系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息SI；系统的第一级信道编码采用RS前向纠错编码保护；调制与其他附属的信道编码方式由不同的传输媒介来确定；使用通用的加扰方式与条件接收界面。DVB标准设计的是一个通用的数字电视系统，在这个系统中，各种传输方式之间的转换可以使用最简单的方式，使得技术的通用性和节目的保密性很好的结合在一起。231DVB数字电视传输标准在DVB系统的家族中，其主要的标准有以下的几个2,3DVBSDVBS称为ETS300421标准，用于11/12GHZ频段的卫星系统，可以进行配转，以便使适用于各种转发器带宽和功率的要求；DVBCDVBC称为ETS300429标准，用于有线传输系统，与DVBS标准相兼容，用于有线系统中现有的8MHZ带宽的频道；DVBCSDVBCS用于MATV系统，成为PRETS300473标准，由DVBC和DVBS标准修改而来，适用于共用天线设施；DVBT用于地面频道的数字电视广播，其标准为ETS300774，此项标准也是目前最为争议的标准之一；DVBSIPRETS300468标准，它是业务信息标准。在MPEG标准中，有PSI（PROGRAMSPECIFICINFORMATION）可以帮助用户将业务信息形成DVB码流，而SI是DVB对于PSI的一个扩展；DVBTXTPRETS300472标准，用于DVB的固定格式文本传送规范；DVBCI用于条件接收的DVB公共接口。以上的标准主要应用于信道的编码和传输方面，在信源编码方面DVB组织基本沿用了国际组织的标准和编码方式。淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文10DVB标准是开放的，并且是可以互操作的。所有的标准首先经过联合技术委员会JTC（JOINTTECHNICALCOMMITTEEEBU）批准，然后再由各国标准化组织批准，最后才会得到ETSI的批准。232DVB的传输系统DVB各种系统的核心技术是通用的MPEG2视频和音频编码，目前主要应用于数字卫星电视、地面和有线电视的是MPML，三者的主要差别在于信道编码和调制技术上。4,5,6,7信道编码的目的是保证信息的正确传送，目前使用比较广泛的DVBS和DVBC标准均使用了两层的编码方式内码编码和外码编码。内码编码采用卷积码，外层编码采用RS码，中间加上交织，使用这种级联的编码纠错方式可以保证系统的误码性能满足传输的要求。图21是传输系统的一个示意图图21DVB传输系统示意图FIG21STRUCTUREOFDVBTRANSMITTERSYSTEM从图中可见，信源编码采用MPEG2编码，经复用器对视音频节目码流进行复用，然后将多个电视码流复用。信道编码包括了前向纠错、解码、调制、解调和上变频，在卫星传输中使用QPSK调制方式，在有线传输中使用QAM调制方式。2321DVBS系统DVBS系统可以适应多种卫星广播系统从26MHZ到72MHZ的转发器，转发器功率从49DBW到61DBW。7、8、9、10、11、12、13DVBS系统的框图如图22所示淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文11图22DVBS系统框图FIG22STRUCTUREOFDVBSSYSTEM它对码流做了以下的处理传输复用的适配和能量分配随机化外码编码卷积交织内码编码基带成形QPSK调制系统采用卷积码及RS码的级联，可以提供一个“准无误码”的质量目标，保证在每个传输小时内未纠正的误码不多于1个，相应于在MPEG2解复用的输入处的误码率BER10101011。表21为DVBS采用各种不同的转发器带宽和不同的纠错方式时相应的码率表淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文12表21各种转发器带宽和相应的码率2322DVBC系统DVBC系统中的大部分处理与DVBS相同，图23是DVBC的框图，在采用不同的调制方式时的传输速率和所占用的带宽如表22所示。14、15、16、17、18图23DVBC系统框图FIG23STRUCTUREOFDVBCSYSTEM从图中可见，信道编码和调制部分与卫星系统DVBS一大致相同，可以保持传输方式的兼容。调制系统采用了正交幅度调制QAM，而不是以卫星传输中采用的QPSK，并且不在使用内码正向误码校正。因为有线传输与卫星传输相比，外界干扰较小，信号强度高，所以在前向纠错保护中取消了内码编码，同时调制方式也变成了QAM。淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文13表22DVBC在有线网络中的传输数率和带宽。2323DVBT系统作为地面传输标准，DVBT最早于1998年被批准通过，在DVBT中，MPEG2数字音频、视频压缩编码仍然是地面广播传输的核心，其他的特点是采用了COFDM（CODEDORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING）的调制方式。19、20在这种调制方式中，可以分成适用于小范围的单发射机运行的2K载波方式和适用于大范围的8K载波方式，图24是DVBT传输系统的方框图。淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文14图24DVBT系统框图FIG24STRUCTUREOFDVBTSYSTEM由于传输环境的复杂性，一系统不仅包含了内外码，而且加入了内外交织（外码扰码，内码交织），以保证传输的可靠性。在调制方式上，DVBT采用了COFDM的调制方式。COFDM调制方式将信息分布在多个调制载波上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引进了传输的“保护间隔”由于COFDM调制方式的抗多径反射功能，它可以允许单频网中的相邻网络中的电磁覆盖重复。24数据广播中间件标准中间件是驻留在机顶盒内的系统软件，它是建立在数字电视接收设备驱动层之上，为交互应用提供一个完整的应用编程接口的软件系统。它包含一系列的功能，如内存管理、通信管理、图形系统管理、SI数据装载、系统资源管理以及与前端系统之间的通信及控制等。21不同的中间件系统会提供不同的与下层驱动资源模块接口以及与上层应用编程接口，因此不同的系统之间是不能互通的。目前国际上主要的中间件标准有欧洲的DVBMHP、美国的ATSC的ATVEF规范和CABLABS的QCAP和日本的ARIB。中国的中间件标准是以欧洲的DVBMHP为基础的，而我们设计开发的数据广播对象轮播发生器（OCG）的接收端就是符合中国中间件标准草案的JAVA核心中间件，因此在此对中间件技术和标准加以介绍。241欧洲的中间件标准欧洲人对数字电视交互式业务重要性的认识和对交互式数字电视技术的研发早淘宝网购物HTTP/WWW521TAOBAOCOM/淘宝网购物商城上海交通大学工程硕士学位论文15于世界上的其他地方。数字电视商业运营在欧洲的迅速发展使人们认识到制定一个共同标准的重要性。在DVB的倡导和资助下，欧洲于1998年成立中间件标准工作组（TAM），致力于数字电视通用家庭平台的研究，这就是后来的MHP标准。MHP标准明确地提出数字电视中间件系统中必须包含一个JAVA虚拟机，用以解释和执行JAVA程序，也就是说，交互式应用使用JAVA语言进行编程，同时也倡导使用HTML。MHP目前的版本是112，在欧洲影响较大。MHP无疑为为中间件标准的制定提供了一个范例，已经被一些国家借鉴。242美国的中间件标准美国也是数字电视发展较早的国家之一，但美国人在过去不太重视数字电视的交互性，认为只要能收看电视就行了。因此在较长的一段时间内，他们用数字机顶盒只是收看电视节目，而交互式应用除了一个电子节目指南（EPG）外其它就没有什么了。同样在美国，标准的重要性也早就为人们所认识。他们制定了一系列标准，如ATVEF、DASE等。ATVEF是一种旨在将HTML作为数字电视内容的主要格式额标准，它比较简单，与目前的互联网在较大的程度上兼容。LIBERATE就是符合ATVEF标准的。DASE主要以SUN公司的JAVATV为基础，力图制定出一个以JAVA为核心的标准。OPENCABLE是以CABLELABES为核心的网络公司组成的一个标准化组织，基于欧洲的MHP标准，制定了用于网络数字电视的标准OCAP（OPENCABLEAPPLICATIONPLATFORM）。最近ATSC与CABLELABES联合起来，将DASE和ATVEF进行整合，形成了以OCAP标准为基础和JAVA技术为核心的中间件技术规范ACAP（ADVANCEDCOMMONAPPLICATIONPLATFORM）243日本的中间件标准日本在数字电视标准制定方面并不落后。日本的ARIB标准主要是基于BML（XML的一种形式，作为内容的播发形式）和DSMCCDATACAROUSEL（数据转盘），并增加扩展了JAVASCRIPT以便更好地编写交互式应用。日本并不像欧洲和美国那样大肆向外推销他们的标准，主要是日本各数字电视企业能够团结一致，制定标准是他们用来太高门槛，阻止外国公司进入日本市场的主要手段。日本的一些软件企业和数字电视机顶盒企业，如ACCESS，PIONEER，FUJISTU等都在研发符合日本标准ARIB，能够解释BML的中间件系统。目前尚未在国际性展会上见到日本企业介绍他们的中间件技术。但日本的标准ARIB有其参考借鉴的意义。因为BML语言很规范，符合未来电子商务的需求；而DSMCC数据转盘式一种实现起来也不复杂的数据传输标准。244中国的中间件标准中国政府由原来国家计委（现发展改革委员会）与2002年设立数字电视标准专上海交通大学工程硕士学位论文16项，牵头与信息产业部、广电总局的成立数字电视标准专家小组，致力于研究和制定符合数字电视产业的实际情况和中国市场特点的具有自主知识产权的数字电视标准。中国标准也是与国际潮流一致，在MHP的基础上，吸收了MHP的可用之处，除去了MHP包中冗余的部分，以JAVA语言为基础，定义了符合数字电视应用开发的JAVA功能包。245DVBMHP标准技术规范鉴于目前流行的中间件标准都是以MHP为基础，美国、日本和中国等都是在此基础上加以改进，形成符合本国市场需求的标准，在此对其技术稍作介绍22、23、24、25、26MHP主要定义了机顶盒中间件的整体结构、传送协议、内容格式、JAVA虚拟机和DVBJAPIS、安全性、各层的细节、应用状态和表现、应用的自动启动等，还定义了专用的应用信令。MHP标准将其终端接收设备的系统架构分为三层资源层，系统软件层和应用层，并规范各个层次的功能，以及定义提供交互应用程序可使用的应用程序接口APPLICATIONPROGRAMINTERFACE,API，使得MHP标准具有最大的跨平台能力。图25是MHP系统架构图图25MHP系统架构图FIG25STRUCTUREOFMHPSYSTEM资源层RESOURCES资源层，MPEGPROCESSING、I/ODEVICES、MEMORY、CPU、绘图器GRAPHICS等资源。资源层通过广播通道BROADCASTCHANNEL，使得MHP终端接收设备可以通过MPEG2TS流和DSMCCOC等通信协议接收广播讯号。并且，资源层也可以通过回传通上海交通大学工程硕士学位论文17道，使得MHP终端接收设备通过TCP/IP与UDP/IP等通信协议回传信息给头端设备，或是与其他终端设备进行信息交换。另外，资源层也输出信号到显示设备，并接收遥控器的输入信号。系统软件层SYSTEMSOFTWARE系统软件层包含交互应用程序管理器APPLICATIONSMANAGER,AM，负责管理所有在MHP终端接收设备上的交互应用程序。例如，交互应用程序的生命周期的控制、交互应用程序使用资源的分配、以及交互应用程序之间的沟通，都是由应用程序管理器来管理。此外，应用程序管理器也提供观众切换频道与选择节目等功能。系统软件层也包含了操作系统、JAVA虚拟机JAVAVIRTUALMACHINE,JVM、以及SUNJAVA、HAVI、DAVIC、DVB所制定的应用程序接口，以提供交互应用程序去使用资源层的资源。应用层APPLICATIONS交互应用程序位于应用层。交互应用程序可利用软件层提供的应用程序接口，来使用资源层的资源，以执行各种各样的交互功能。采用JAVA技术的交互应用程序，在生命周期机制下，将可以确保交互应用程序的行为与观从的期待是一致的。也就是说，交互应用程序的启动时间很短，交互应用程序可以进入没有提供服务的状态、以及随时都可以终止交互应用程序。另外，MHP交互应用程序可以经由使用者来启动，或是由MHP交互应用程序自行启动。并且，MHP标准也支持多个交互应用程序同时执行。MHP标准支持的内容格式有JPEG、PNG、GIF、MPEG2IFRAME等图形格式，以及MPEG1/2AUDIO、MPEG2VIDEO、DVBSUBTITLES、TELETEXT、驻留字符、下载字符、HTML和XML等码流格式，具有广泛的互操作性，使得MHP交互应用程序可以提供给观众各种各样的多媒体交互服务。另外，也可以采用外挂功能模块的方式，使得MHP交互应用程序可以支持更多的内容格式。随着各国相继采用MHP作为交互数字电视的标准，交互数字电视标准DVBMHP成为主流之一。2005年，MHP112发布，支持高清HIGHDEFINITION，改善了信息、投票等相关应用问题，加强了智能卡在解密与使用认证方面的功能。2005年4月，DVB组织发表了两份文件DOCUMENTA087PVR/PDREXTENSIONTOTHEMULTIMEDIAHOMEPLATFORM与DVBDOCUMENTA088DIGITALRECORDINGEXTENSIONTOGLOBALLYEXECUTABLEMHP，使得MHP标准与GEM参考构架，在PVR/PDR方面的功能更加完善功能。DVBMHP的技术核心和应用层次上海交通大学工程硕士学位论文18JAVA是MHP的核心技术。作为一种程序设计语言，JAVA提供简化的优点和面向对象而又不依赖于机器的开放结构，具有卓越的可移植性、安全性特点，并且可通过并发机制带来强大的性能。JAVA技术的软件能够运行在从小型设备到超级计算机的任何机器上，其兼容性几乎无所不在。借助JAVA技术，无论用户使用的是PC、MACINTOSH计算机、网络计算机，还是机顶盒、数字电视、INTERNET可视电话、各种掌上设备，可以在不同的设备上运行同样的应用，这就给交互式数字平台提供了一个非常好的兼容环境，可以让数字电视平台上的所有硬件和软件，不论是前端的还是终端的，不论是各种服务提供设备，还是机顶盒和数字电视，都可以不加修改地相互移植，相互衔接，具有极高的兼容性。利用JAVA技术的特性，JAVA语言使广播节目开发商能更得心应手地、灵活地开发应用界面，以提供给观众更加引人入胜的交互电视节目；此外，JAVA语言编写的数字电视内容具有安全、可扩展和可移植的特点，可用于各种不同的电视接收机，还可大大节省开发商把交互应用投放市场的时间和成本。DVBMHP共有三个应用领域和层次，如图26所示分别为增强性广播（MHP10）、交互性广播（MHP10）和互联网接入（MHP11）。基层是增强性广播ENHANCEDBROADCASTINGPROFILE仅支持单向广播业务和本地交互业务，包括JAVAVM、DVBJAPIS和广播传送协议，HTML子集作为即插件，提供本地端交互的相关服务，例如气象资讯服务、旅游资讯服务、股市交易、各种运输工具时刻表、交互体育信息等服务，它不需要回传通道；交互性广播INTERACTIVEBROADCASTPROFILE支持交互业务，这意味着有相应的硬软件支持，对增强性广播的扩展有用于交互应用的DVBJAPI和交互传送协议，HTML子集作为选件，提供本地端与其它端的交互应用服务。例如投票、电视商务、电视银行等服务，它需要回传通道；仍在完善中的是互联网接入（INTERNETACCESS），增加的API有互联网接入APIS、IP广播传送协议和HTML，ECMASCRIPT等描述协议，提供了访问互联网的功能，提供电视收发EMAIL、浏览网页等功能。上海交通大学工程硕士学位论文19图26MHP应用层次FIG26LAYERSOFMHPAPPLICATION25本章小结本章介绍了与数字电视数据广播播发和终端接收的相关的各种标准，包括美国、日本欧洲的数字电视标准，欧洲采用的DVB的各种标准以及数据广播中间件标准，着重介绍了欧洲的数字电视中间件MHP标准，因为本文研究的数据广播的对象轮播主要是为中国标准的JAVA中间件的实际应用开发的，终端的JAVA中间件所需要的数据，包括各种JAVA执行程序都是依赖前端的对象轮播来发送的，而中间件本身的升级和补丁则是通过前端数据轮播来实现。下面的章节将详细介绍前端数据广播的标准。上海交通大学工程硕士学位论文20第三章DVB数据广播标准和原理上一章对数字电视的标准、中间件的标准做了介绍，本章进一步对数据广播中用到的传输标准MPEG2、DSMCC、数据轮播等规范进行介绍。31MPEG标准的发展和技术现状311MPEG标准简介MPEG（MOVINGPICTUREEXPERTGROUP）是运动图像专家组的英文字头缩写，它成立于1988年，目标为建立活动图像以及相应的音频编码标准。MPEG是一个标准系列，有MPEG1，MPEG2和MPEG7标准。27、28MPEG1标准是用于数字存储媒体、码率直到15MBPS的活动图像的编码标准。MPEG2标准分为9个部分标准的第一部分主要解决多个视频、音频和数据基本码流的组合复用，并且生成两种码流节目码流和传输码流，以用于不同的环境。其中节目码流的包可变也较长，由打包的基本码流组合而成，用于误码较小的环境。而传输码流是将相互独立的打包的基本码流组合成单一的码流，适用于误码较多的环境，传输码流的包长为188字节。第二部分视频中，按清晰度将图像分为四个等级，按使用的工具和方法不同分为5种处理类型，普通清晰度数字电视使用主类和主级MPML。第三部分音频中，与MPEG1的音频标准反向兼容，第四和第五部分与MPEG1的相应部分对应。第六部分规定数字存储媒体指令和控制协议DSMCC（DIGITALSTORAGEMEDIACOMMANDANDCONTROL）,用以支持单独或者网络环境下的DSMCC模式。第七与第八部分因为感兴趣的厂商不多，己经停止开发，第九部分规定了传输码流的实时接口RTL（REALTIMEINTERFACE）。除了以上的两个标准之外，目前有关组织还制定了的标准包括MPEG4和MPEG7标准，因为与研究内容的关系不是特别紧密，所以不再赘述。312MPEG2的系统结构图31是MPEG的简化系统结构，它可以分为三个部分编码、打包、复用。前面的是视频编码和音频编码部分，输出视频和音频的基本码流ES（ELEMENTARYSTREAM）。经过打包，输出打包的基本码流PES（PACKETIZEDELEMENTARYSTREAM）,打包的基本码流包长度可变，视频一般一帧一个包，音频包一般不超过64KB。打包的基本码流再经过两种不同的打包和复用形成不同的码流节目流PS（PROGRAMSTREAM）和传送流TS（TRANSPORTSTREAM）。上海交通大学工程硕士学位论文21图31MPEG2系统简化结构FIG31STRUCTUREOFMPEG2SYSTEM313MPEG2的传输流MPEG2标准的系统部分规定了两种系统流节目流和传输流，在数据广播中用到的是传输流，在此对传输流做一个简介。29、30、31传输流主要应用于在可能发生错误的环境，进行一路或者多路节目的传输或者存储，广泛应用于DVB和多媒体通信。传输流由一系列长度固定为188个字节的传输流数据包构成，每个传输流的分组由包头和净荷构成，传输流的包头包括4个字节固定和长度不固定的适应调整字段构成，其余的是净荷，净荷的内容可以来自PES分组或者私有数据。采用传输流的优点传输流的包长为188个字节，其中4个字节是包头，其余184个字节为净荷，采用固定的包长有一下的几个优点动态的带宽分配由于视频、音频和数据的传输流的包长度相同，都是188个字节，因此通过PID可以将规定的信道带宽在视频、音频、数据之间灵活分配。可分级性TS包的格式允许一个复接好的传输流与另外的视、音频码流进行二次复接，生成更高一级的TS流。这个特性允许网络运营商在网络的每一个节点上面灵活的复接或者分离多路节目。扩展性固定包长的TS流对于将来的业务提供了一种“向后兼容”的可能性，对于新业务的基本码流，只要在发送端赋予新的PID值，就可以将其加入TS流中，而无需硬件上面的改动抗干扰性上海交通大学工程硕士学位论文22由于TS包的包长固定，所以传输系统中的误码纠正和检测处理就可以与TS包同步，并且以TS包为单位。当传输过程出现误码时，解码器可以从第一个无误码的TS包恢复数据。接收机成本低廉固定长度的TS包结构可以使系统分接非常简单，分接器只需要识别每个TS包中的PID即可，不需要了解信源比特率方面的情况。一旦TS包一级和比特一级的同步建立，系统就可以正常的工作。314PES分组在MPEG2的系统中，编码的音、视频数据或者数据流都被称为原始流，对原始流进行打包之后形成打包的基本码流，而原始流作为负载加入到PES分组中，而PES分组又作为负载加入传输流的数据包中。通常PES包的长度不固定，音频PES包的长度不超过64K字节，而视频一般一帧一个包。同时在PES包中加有DTS和PTS数据。29315节目专用信息节目专用信息（PSIPROGRAMSPECIALINFORMATION）是MPEG2特有的说明信息，包含所有使解码器能进行多路节目解码的规格化数据和私有数据，用来自动设置和引导解码器进行解码。29在MPEG2的传输流中包含四种PSI表节目关联表（PATPROGRAMASSOCIATEDTABLE），由于实际的传输频道带宽常常大于一路数字电视节目所需的带宽，所以为了提高频带利用率，一般将多路节目复接在一起进行传输。PAT表给出复接码流中有多少路节目，以及每路节目相应的PMT表的PID值。PAT的传输作为一个独立的码流，被装载在TS流的净荷中传输。节目映射表PMTPROGRAMMAPPINGTABLE，PMT表指出节目中有多少码流，其各自的PID是多少，提供节目号码与组成它们的节目原始码流之间的映射。PMT表在分组中传输，其PID值是可变的。如果需要，可以使用多个PID值。PMT表包含了与单路节目复接的有关信息，完整的描述出一路节目由哪些PES流组成，其各自的PID值是多少，解码器可以根据指出的PID值找到要解码的码流。网络信息表NITNETWORKINFORMATIONTABLE，NIT表说明节目来源的网络信息，如物理参数，转发器编号等。条件访问表（CATCONDITIONALACCESSTABLE），CAT表说明是否加密，帮助解码器找到控制加密的加密控制信息ECM和加密管理信息EMM。接收端解码时，解码器首先找到PAT表，找出相应节目的PMT表的PID值，再由上海交通大学工程硕士学位论文23该PID值找到该PMT表，在PMT表中找到相应的码流，开始解码。316DVBSIMPEG2定义了节目专用信息PSI，使得MPEG解码器可以获得码流结构的信息。对此DVB加以补充，形成了一个新的业务信息系统DVBSI。在数据广播中主要用到以下的几个SI表32、33BAT（BOUQUETASSO