浙江工業大學碩士學位論文 基于u s b 的d v b - c 數字電視接收系統設計 摘要 數字電視技術近年來飛速發展，相關產業也一直受到人們的關注。現階段數字電視接 收設備主要分為電視卡、電視盒和電視棒三類，使得我們能夠在電腦上收看數字電視節目。 國內許多廠家正在致力于相關產品的研發，但因無線信號覆蓋范圍偏小，產品價格偏高等 原因，市場并未得到推廣。然而，我國的數字電視技術在這1 0 多年的時間里一直在努力 發展，特別是基于有線的數字視頻廣播已成為廣播電視業的支柱產業，因此針對有線數字 電視方面的應用設計仍然有著廣闊的前景。 本文提出的d v b c 數字電視接收系統是以u s b 作為傳輸接口來播放有線數字電視的 電腦外擴設備。系統接收有線電視網的信號并轉換成滿足m p e g 2 標準的t s 流，經過u s b 接口傳送給p c 機進行音視頻解碼等處理，最終實現數字電視節目的實時播放。 論文的主要內容與成果如下： 1 分析了u s b 2 0 總線協議，概述了u s b 2 0 總線實現數據傳輸的基本原理，并研究如 何把符合d v b c 標準的數據碼流傳輸到計算機，并進行實時處理和播放。 2 選用調諧器芯片t u a 6 0 3 9 、q 舢訂解調芯片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 進行系統的硬件搭建，依據各模塊的功能繪制完整電路原理圖。 3 針對u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 進行分析并設計固件程序，實現s l a v ef i f o 模式的初 始化和用戶自定義請求功能， 4 給出了u s b 驅動程序及上位機播放軟件的設計思路。 該系統成本低，易于實現，并易于擴展成其它具有復雜功能的電視接收系統。 關鍵訶：數字電視，i ) v b - c ，u s b 2 0 ，固件，s l a v ef i f o 浙江工業大學碩士學位論文 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 浙江工業大學碩士學位論文 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 浙江工業大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 有線數字電視技術的特點與發展歷程 數字電視【l 】就是指從電視畫面和聲音的制作到節目的發射、傳輸、接收的所有環節都 采用數字處理的全新數字電視系統。數字電視采用數字信號調制技術、數字圖像壓縮技術 和編碼技術等，對電視圖像和伴音信號進行數字化處理，使得接收到的圖像質量明顯提高， 同時，數字化的處理有助于開展多種數字信息服務，如文字廣播、加密、加擾技術等各類 收費業務。 其中，有線數字電視是我國數字電視產業中的主要組成部分，與傳統的模擬電視相比， 它的優點更多，更突出，概括起來有以下幾個方面【2 】。 ( 1 ) 圖像質量更好。與模擬電視信號不同，數字電視信號在傳輸的過程當中，不容易受 到傳輸信道特性和噪聲干擾的影響，并且通過糾錯編碼技術，接收端圖像質量基本與發端 保持一致。而且，有線電視采用閉路方式傳輸信號，因此圖像質量比開路收視無線電視信 號時更好，不會受到圖像重影、干擾等不利因素影響，使得高清晰度的信號得以傳輸到終 端。 ( 2 ) 頻譜資源的利用更高。有線數字電視信號采用6 4 q , u v l 的調制方式，可使一個8 m h z 的模擬信號帶寬傳送8 到1 0 套數字電視節目，而且可以利用無線傳輸留給其他領域的頻 段來做傳輸，使頻譜資源得到充分的利用。同時，隨著光纖的大量應用，網絡帶寬不斷提 高，頻譜資源也會更加豐富。 ( 3 ) 提供雙向服務和多功能業務。隨著新技術的不斷涌現和頻道資源的充分利用，在有 線數字電視網上進行各種增值和擴展業務已經成為了可能。數字電視網可與電腦網、電信 網互相連通，實現用戶與各種信息源之間的交互性，用戶可以自由點播節目，開展網上購 物、網上教學、電子商務等多種高速數據業務。 ( 4 ) 數字電視設備維護方便、使用簡單。與模擬電視相比，數字化后的電視信號是二進 制碼，信號源更加穩定、可靠。這也使得處理數字信號可以采用大規模的集成電路，從而 減小數字設備的體積，降低使用功耗。同時數字化設備不需調節，維護方便，使用簡單。 ( 5 ) 電視信號的條件接收變得更為容易。我國傳統的有線電視是直接接入用戶電視機的， 這一方面使管理部門收取維護費相當麻煩，另一方面也無法向不同的用戶群提供優質的收 1 浙江工業大學碩士學位論文 費節目服務，或提供特定收看內容。在模擬電視信號中實現加擾、解擾或加密、解密等有 條件接收，在技術上難度較大，弄不好還可能對電視圖像造成干擾，甚至影響圖像質量。 而在數字電視中這些問題的解決變得相對簡單，甚至可以在軟件商進行處理，真正實現有 線電視的有條件接收，在管理上也由被動局面變為主動服務。 我國的有線電視事業起步于2 0 世紀9 0 年代，在政策保護下，經過十多年的發展，廣 電行業取得了很大的進步，至2 0 0 9 年底，有線電視用戶基數達到1 7 4 億戶，截止2 0 1 0 年7 月，有線數字電視用戶達到7 5 0 0 萬戶，中國有線雙向網絡覆蓋用戶市場規模已增長 至3 8 0 0 萬戶。 從有線數字電視的發展歷程【3 】，我們可以簡單化為分成三個階段： ( 1 ) 初建階段，1 9 9 9 2 0 0 3 ，這個階段主要是數字電視的試驗階段，這個階段有線電視 用戶逐年增長，數字電視技術日趨完善，數字電視已經逐漸為老百姓所認知。 ( 2 ) 平移階段，2 0 0 3 2 0 0 8 ，這個階段實現了大多數大中型城市的數字電視的整體轉換， 數字電視用戶快速增長，數字電視用戶覆蓋比率達到2 7 6 ，付費數字電視用戶占數字電 視用戶數達到1 0 ，數字電視已經廣泛進入家庭。 ( 3 ) 整合階段，2 0 0 9 2 0 1 3 ，這個階段主要是在繼續進行數字電視整體轉換的基礎上， 各試點城市進行三網融合的試點的同時進行各省的有線電視網絡全省范圍的網絡整合，在 摸索出電信運營商、互聯網運營商及廣電運營商三大運營體系之間網絡互連、協議互通、 業務互相覆蓋的三網融合模式的同時在廣電行業形成省、市、縣三級貫通、統一管理、統 一經營、統一標準的有線電視網絡新體制，為實現真正的三網融合鋪平道路。 應該說經過1 0 年的發展有線數字電視已經完成己初具規模，已經成為廣播電視業的 支柱產業。 1 2 數字電視接收設備比較 我們這里所說的電視接收設備【4 】指的是使用個人計算機收看電視節目的一種設備的 統稱，如今我們所了解的電視接收設備主要可以分成三類：電視卡、電視盒和電視棒。 p c i 電視卡通過內置的模擬數字轉換芯片將模擬電視信號轉換成計算機能識別的數 字信號，經過處理之后就能使電視畫面呈現在計算機顯示屏上，同時還能夠錄制電視節目。 電視卡除了提供標準電視接收功能外，往往提供了不同程度的視頻捕捉功能，可以動態 靜態地捕捉視頻信號轉換成數據流，有的還可制作v c d 。電視卡的價格一般較低，不需 外接電源，可以在w i n d o w s 系統下實現多窗口運行，但是p c i 電視卡有著十分明顯的缺 點，那就是需要打開計算機主機箱，插在計算機主板的p c i 插槽中進行安裝，這樣容易 浙江工業大學碩士學位論文 受到電腦內部元器件的電磁干擾，引起其播放質量下降。 電視盒外觀類似盒子，結構一般包括信號輸入端口、視頻解碼和視頻處理電路、音頻 切換和處理電路、單片機控制電路、存儲器電路、視頻和音頻輸出端口、遙控信號接收器 以及控制按鍵。電視盒不僅能夠完成電視視頻接收和v c d 播放等基本功能，而且具有圖 像多畫面顯示、操作方便靈活、圖像清晰等優點。現在許多電視盒還增加了采集節目的功 能，用戶可以通過電腦對采集的視頻進行后期編輯處理，并可以刻錄成光盤以便保存。電 視節目的效果跟它的芯片有直接的關系，但是價格昂貴。 電視盒按接口分主要分為兩大類。第一類，便是最為常見的v g a 電視盒。它主要以 v g a 接口為連接方式，不需要任何驅動和軟件支持就能與顯示器連接使用，操作起來相 當方便。與電視卡不同的是，v g a 電視盒采用了外置式的獨立設計，可以脫離電腦主機 獨自工作，不開主機就可以看電視。由于電視盒的內部p c b 板有了外殼保護，所以不僅 避免了機箱內的電磁干擾，同時不存在任何兼容性問題。但是v g a 電視盒的缺點是不具 備錄制功能。另外的第二類電視盒，則是被稱為高清數字的電視盒d v i 電視盒，甚 至是h d m i 電視盒。它傳輸的是數字信號，數字圖像信息不須經過任何轉換，和傳統模 擬v g a 接口來比則減少了數字到模擬再到數字的繁瑣轉換過程，避免了信號損失，使圖 像清晰度和細節表現力都得到了提高。目前國內擁有d v i 接口的電視盒非常之少，只有 圓剛一家品牌而已。而從安裝上來說，電視盒也可以分為可與顯示器直接連接的，和通過 u s b 接口和電腦主機連接的兩大類。 電視棒是數字電視進一步發展的產物，它的工作原理與u s b 電視盒類似，但是它外 形更j j n d , 巧，酷似u 盤，以u s b 接口和電腦相互連接，只要安裝驅動就能實現即插即用， 適合筆記本電腦，并且攜帶方便適合外出使用。u s b 電視棒根據接收信號的不同可以分 成許多種模擬電視棒、d v b c 電視棒、c m m b 移動電視棒和d m b t h 的國標高清 電視棒和網絡電視棒。 現如今，p c i 電視卡因其諸多缺點已相繼被淘汰，而電視盒特別是電視棒卻越來越受 到了不少用戶的關注，本次課題所研究設計的是類似電視棒的簡單的數字電視接收設備。 1 3 課題的研究背景及意義 電視數字化是一個全球的趨勢。同時，廣播電視是我國信息產業和文化產業的重要組 成部分，廣播電視數字化是國家現代化和社會信息化的重要標志。在與人們工作生活密切 相關的電腦、手機和電視三大信息平臺中，電腦和手機己實現了數字化和網絡化，為人們 浙江工業大學碩士學位論文 帶來了多姿多彩的資訊和娛樂服務，也為相關企業帶來了巨額利潤。特別是有線數字電視 產業【5 】從誕生的那天開始就注定是一個高技術產業，它匯集了計算機技術、網絡通訊技術、 音視頻編解碼技術、芯片技術、嵌入式軟硬件技術等；同時還要遵從眾多的標準，d v b 標準、中間件標準、c a 標準、多種音視頻編解碼標準等等，應該說這個行業是多個產業 的交匯地帶、是一個高技術人才聚集的地帶。所以，有線數字電視同時作為廣電行業三網 融合的排頭兵已經成為眾人關注的焦點。 同時，隨著個人電腦的普及，電腦已經成為大部分人群的個人多媒體娛樂中心，用電 腦聽音樂、看v c d d v d 、玩游戲、上網、聊天。至少在目前i n t e m e t 帶寬仍然極為有限 的情況下，電視仍然是大眾娛樂的主要方式。所以，隨著數字電視的不斷發展，我們有理 由相信，開發一個簡單易用的個人電腦外擴設備來播放高清數字電視是一種不錯的方案。 而在計算機的各種接口中，u s b 接口有著傳輸速度快、支持熱拔插、即插即用、易于擴 展和占用系統資源少等優點，我們可以相信，用u s b 接口完全可以滿足數字電視信號傳 輸的需求，并實現在p c 機上的實時處理和播放。 而d v b ( 數字視頻廣播) 標準作為數字視頻、數據等傳輸的重要標準已經被多個國 家所接受，并廣泛應用于衛星、有線電視和地面廣播【6 】。同時，我國的有線電視網作為主 干網絡，其覆蓋面廣、規模大，所以在大力發展數字電視的緊要時刻，基于電纜的數字視 頻廣播( d v b c ) 必將在數字電視廣播中占有重要的一席之地。而且，由于國內現在通過衛 星和地面無線發送的電視、廣播信號技術還未成熟，信號覆蓋范圍也僅限部分城市，導致 節目頻道有限，信號質量不高。因此，采用有線電纜的d v b 。c 電視棒仍有它的優勢所在， 尤其是應用于家庭和高校宿舍中。但我們相信，隨著數字電視和移動多媒體技術的發展， c m m b 電視棒和d m b t h 電視棒以后也必定會走入千家萬戶。 1 4 研究內容及章節安排 本篇論文的章節安排如下： 第一章介紹有線數字電視技術的特點與發展歷程；比較三類數字電視接收設備的優 缺點并闡述本課題研究的背景、可行性及其研究意義；簡單介紹課題的研究內容以及確定 本論文的結構。 第二章簡單介紹d v b 標準的內容與特點，概述d v b c 系統的結構組成，講述d v b c 標準中的信道編碼與調制規范。 第三章研究了u s b 總線協議，包括物理連接、電氣特性、協議層、數據的傳輸方式 在蟹 寸o 4 浙江工業大學碩士學位論文 第四章本章是論文的重點部分。本章詳細介紹了各芯片的結構特點，設計了數字電 視接收系統的硬件電路；重點介紹了c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的s l a v ef i f o 傳輸模式，并使用 k e i lc 5 1 完成了設備固件程序的設計與實現。 第五章介紹設備的驅動程序與上位機播放軟件設計思路。 第六章結束語。總結全文，對本篇論文的全部工作做簡要總結，并對下步工作做了 展望。 本課題所研究的項目為應用設計，屬于老師的自選題目，是市場上沒有的一種產品的 設計與實現，是結合市場與用戶的產品設計。就整體而言，屬于一種創新的產品，是整休 的創新。作為本項目的主要成員之一，我在整個項目過程中主要負責的工作是： ( 1 ) 了解d v b c 標準中信道編碼與調制規范，掌握電視接收系統的結構框架和工作原理。 ( 2 ) 根據信號的特點合理選擇芯片搭建系統架構，并完成系統整體電路圖的設計。 ( 3 ) 針對u s b 2 0 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，基于u s b 2 0 協議編寫固件程序。 浙江工業大學碩士學位論文 第2 章d v b 標準概述 2 1 d v b 標準簡介 d v b 【7 】，數字視頻廣播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 的縮寫) ，是由d v b 項目維護的一系 列國際承認的數字電視公開標準。d v b 標準的產生，實際上起源于高清晰度電視( h d t v ) 的研究。1 9 9 3 年，2 0 0 多個組織參j j i i d v b 項目，目的是要設計一個通用的數字電視系統， 使得各種傳輸方式之間能夠得到最簡單的轉換。經過8 年的研究開發，完成了數字視頻廣 播技術標準的制定工作，該系統中包括衛星數字電視傳輸標準d v b s ，有線電視傳輸系統的 標準d v b c 和地面傳輸標準d v b t ，其中d v b s 和d v b c 標準己作為世界統一的標準被大 多數國家接受( 包括中國) ，它們較其他標準的優點是靈活，可擴充至移動通信領域。 d v b 標準是一套可以應用于不同傳輸媒介的全數字電視系統標準。d v b 系統采用統一 的信源編碼方式，并選擇m p e g 一2 格式作為視頻及音頻的壓縮格式，然后轉換成傳輸碼流 ( t s 流) 后進行復用。d v b 系統根據不同的傳輸媒介采用不同的傳輸方式：地面傳輸模式 中采用c o f d m 系統，c a t v 傳輸模式中采用6 4 q a m 系統，衛星傳輸模式中采用a p s k 系統。 另外，d v b 以單一系統方式針對s d t v 和h d t v 可用于所有廣播媒介。在8 m h z 傳輸頻帶內 可選擇4 9 31 7 m b i t s 不同的傳輸碼率【8 1 。 d v b 系統是要一種對所有傳輸媒體都適用的數字電視技術，它在制定的標準系列中很 好的實現了這一點。d v b 標準主要有以下特點： ( 1 ) 系統傳送m p e g 2 格式的視頻、音頻和數據信號。 ( 2 ) 系統采用公共m p e g 2 傳送復用方式。 ( 3 ) 系統采用公共的服務信息系統用于描述廣播節目的服務信息。 ( 4 ) 系統采用里德索羅門前向糾錯編碼保護。 ( 5 ) 使用統一的加擾方法和條件接收接口。 ( 6 ) 不同的傳輸媒介選擇相應的調制與編碼方式以及需要的糾錯方法。 ( 7 ) 推廣d v b 標準至世界范圍。 2 2d v b c 系統結構 d v b c 的歐洲標準是由e t s i ( 歐洲電信標準協會于1 9 9 4 年1 2 月制定的，標準編碼 6 浙江工業大學碩士學位論文 號位e t s3 0 04 2 9 。我國制定的相應標準為有線數字電視廣播信道編碼和調制規范， 編號為g y t 1 7 0 2 0 0 1 ，該標準等同于國際主流有線電視標準，即d v b c 標準【9 】。 d v b c 數據廣播系統由功能模塊組成，能將電視基帶信號適應于有線電視系統的信 道特性。有線數字電視廣播系統的特點有：傳輸信道的帶寬窄；信號電平高，接收端 最小輸入信號在1 0 0 m v 以上：傳輸信道質量好，光纜和電纜內的信號不易受n ； i - 來干 擾。 d v b c 有線前端與接收的系統組成方框圖如圖2 1 所示： 圖2 1d v b c 有線前端與接收的系統框圖 圖2 1 中各部分的作用： ( 1 ) 基帶接口與同步 經過此單元的處理，使數據結構適合于信號源的格式，該單元中的幀結構與m p e g 2 傳送格式相同。 ( 2 ) s y n c1 變換和隨機化 該部分將反轉s y n c l 字節極性，并為了頻譜成形將隨機化數據流。 ( 3 ) r s 編碼器 數據包隨機化后，使用截短的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 編碼，以產生一個具有防錯功能的保護 包。 ( 4 ) 卷積交織器 7 浙江工業大學碩士學位論文 該部分應完成一個深度為i = 1 2 字節的誤碼保護包的卷積交織，同步字節周期不做改 變。 ( 5 ) 字節到m 比特符號變換 該部分是將交織器產生的字節變換為m 比特的q a m 符號。 ( 6 ) 差分編碼 為了獲得旋轉不變的星座圖，該單元對每個符號的兩個最高有效位進行差分編碼。 ( 7 ) 基帶成形 該部分完成經差分編碼的m 比特符號到i 和q 信號的映射。在q a m 調制前，對i 、 q 信號進行余弦滾降平方根濾波。 ( 8 ) q a m 調制和物理接口 該部分首先完成q a m 調制，并且將q a m 已調信號通過i f 或i 強接e l 發送至射頻信 、j 上 遭。 有線數字電視接收設備的工作原理和過程，是上述情況的逆處理，從而得到基帶信號， 因此不再贅述。 d v b c 系統的一些重要參數如表2 1 所示： 表2 1d v b c 系統的一些參數 2 m - q a m m - - 6 符號整形余弦平方根滾降濾波 滾降因子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 符號率s m s p ss = r x ( 2 0 4 1 8 8 ) x ( 1 m ) 常用符號率值 m s p s 6 8 7 5 最大符號率s m a x m s p s s = s m h z ( 1 + r ) 誤碼率b e r 1 0 4 1 0 1 1 c n c n = ( e c n o ) ( r b z ) 頻譜效率 b i t s h z 6 ( 6 4 一q a m ) 香農公式c 實際鄧6 ) ( c n ) 2 3d v b c 的信道編碼與調制 d v b c 標準規定了有線數字電視廣播系統中傳送數字電視的幀結構、信道編碼和調 浙江工業大學碩士學位論文 ( 1 ) 幀結構 幀的組成結構基于m p e g 一2 傳送包結構。該系統的幀結構如圖2 2 所示。 s y n c 1 8 7 字節 1 字節 ( a ) m p e g 一2 傳送復用包 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 字節s y n c 2 1 8 7 字節 s y n c 8 1 8 7 字節 s y n c l 1 8 7 字節 ， ( b ) 隨機化后的傳送包：同步字節和隨機化序列r ( c ) 里德- 所羅門( r s ) ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 誤碼保護數據包 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 字節 s y n c n2 0 3 字節s y n c n ， ( d ) 交織幀：交織深度i - 1 2 字節 s y n c l = 沒有隨機化的逐比特取反同步字節 s y n c n = 沒有隨機化的同步字節，n = 2 ，3 ，8 圖2 2 幀結構 ( 2 ) 信道編碼 為滿足有線數字電視廣播誤碼保護要求，使用基于r s 碼編碼的f e c 與衛星傳送系 統的不同，有線傳送不使用卷機編碼，而使用字節交織來實現抗突發編碼保護。 1 ) 頻譜成形隨機化 系統輸入碼流為m p e g 一2 傳送m u x 包，包長為固定長度，總長1 8 8 字節，其中包括 一個同步字節( 即4 7 陽三x ) 。發送端的處理順序始終是從同步字節的m s b 開始。 m p e g 2 傳送復用器輸出端的數據按圖2 3 所示的結構進行隨機化。偽隨機二進制序 列( p r b s ) 生成多項式為：1 + x 1 4 + x 1 5 。 9 浙江工業大學碩士學位論文 ll010f110llloi 1 10l 0 10101010l0 使能數據輸入 與門 異或 門 圖2 - 3 隨機化與去隨機的原理框圖 在每8 個傳送包的開始處，把序列“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”裝入p r b s ( 偽隨機二進制 序列) 寄存器，對其進行初始化，過程參見圖2 3 。為了向解擾器提供一個初始化信號， 則將每組第一個傳送包的m p e g 2 同步字節，通過逐比特取反的方式由4 7 h e x 轉換為 b 8 h e x 。而把p r b s 生成器輸出的第一個比特，加到被取反的m p e g 2 同步字節后面的 第一個字節的第m s b 位上。 2 ) r s 編碼 在能量擴散隨機化處理之后，采用截斷的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 編碼生成一個誤碼 保護數據包，見圖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 ) 截斷 而得到的。數據包同步字節，不論是未反轉的( 即4 7 h e x ) 還是已經逐比特去取反的( 即 b 8 h e x ) ，也都要進行r s 編碼處理。 截斷的r s 碼可以通過在( 2 5 5 ，2 3 9 ) 編碼器輸入的信息字節之前加5 1 個全為0 字 節的方法來實現。在r s 編碼過程完成后，這些空字節將被去掉。 3 ) 卷積交織 對誤碼保護包進行深度為i = 1 2 的卷積交織過程如圖2 - 4 所示，其結果是生成一個交 織幀，見圖2 2 ( d ) 。 浙江工業大學碩士學位論文 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 圖2 4r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 編碼時的卷積交織器與去交織器原理圖 卷積交織器由1 2 分支構成，由輸入開關周期性地把輸入字節流接入各路輸入。每一 路是深度為m j 個單元的先入先出( f i f o ) 移位寄存器，其中m = 1 7 = n i ，n = 2 0 4 = 誤碼 保護幀長度，i = 1 2 = 交織深度，j = 分支號。每個f i f o 單元大小為一個字節，并且輸入與 輸出的開關應同步。 ( 3 ) 字節到符號的映射 由于發射端在卷積交織之前以及接收端在卷積反交織之后，信息都是以0 ，1 比特的 形式存在，而在2 m - q a m 調制解調過程中，調制符號需要和m 個比特進行映射。對于不 同的q a m 調制，映射的符號數也不同。在任何情況下，符號z 的m s b 都應取字節v 的 m s b 。相應地，該符號的下一個有效位應取字節的下一個有效位。2 m - q a m 調制情況下， 該處理將k 個字節映射到n 個符號，例如：8 k = m * n 6 4 一q a m 情況下的處理在表中有詳細說明( 這里m = 6 ，k = 3 ，n = 4 ) 。 浙江工業大學碩士學位論文 表2 - 2 用于6 4 一q a m 的字節到m 比特符號變換 自交織器字節v字節v = i字節v = 2 輸出( 字 節) 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 至差分編 m s b l s b 碼器( 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 符號z符號z + i符號z + 2符號z + 3 號) 在6 4 q a m 調制時，每個符號為6 比特，分成兩路，每路3 比特。i 軸和q 軸各自為 3 比特，構成士1 、士3 、士5 、- 4 - 7 的8 電平，在符號映射時將3 字節變換成4 符號。表2 2 中，b 0 為每個字節或每個符號的最低有效位，符號z 在符號z + i 之前傳輸。 ( 4 ) 調制 d v b c 系統調制方式采用1 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m 和1 2 8 q a m ( 正交幅度調制) 等多種方式。當多元調制為2 m q a m 情況下，則需把k 個字節變換成n 個符號，即8 k = m n ，變換后的符號的最高2 比特進行差分編碼，圖2 5 是字節到m 比特位符號變換、兩 位m s b 差分編碼示意圖，差分編碼后形成i k 和q k 分量。 l 。7 一、一q 字節到m 比特符 l 映 芻卷積交織藉 b k 2 b q ! 差分編碼l q ” ! 射 i 號變換 a k = m s b 7 1i k 7r q 圖2 5 字節到m 比特位符號變換、兩位m s b 差分編碼示意圖 其中，1 6 q a m 時，q = 2 ；3 2 q a m 時，q = 3 ；6 4 q a m 時，q = 4 ；1 2 8 q a m 時，q = 5 ； 2 5 6 q a m 時，q = 6 。 1 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m 的星座圖如圖2 - 6 所示，星座圖代表了有線系統中傳輸 的信號。 1 6 * q a ! l | i 浙江工業大學碩士學位論文 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 穩l ol o o ot 0 0 0 00 0 0 i | l o il 0 l 攀掣9 l ll i ：；l 玨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 臻玨 毪q 爭= 纛罐q a m l 鰣鞋1 攤t l 竊0 l 霸自韙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 摯黝l 辯, i p 黝學蹲薯鯔 城 濰麟l 瓣l 舞 鈺翻麟 蘸 濰 鞠 g 巷l 自轔l l 黼i i ；li 黼i l l 女q l 囂蟄 警l 賺墅謦ll 紫i 懶靶o i 絮 紫髓紫3 黼 鰳猁 0 # l l l 瀚瓣 涵撼瓣姻 潮鞲i 0 0 鰳耱8 勰自鰳黼瓣鰳毽疆瓣 自瓣l 瓣 “ 霸隧繃瓣i # 麟l 麟# 熊女 9 譽嘲8 氅黲醛撼雹。2 秘擎溯綹 1 瓣引攛l 籀耱 鞠8 濺 聰鰳#；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 囂穩 l l 渤l l l g 陽戮期l 臻l 辯 i l # l 1 0 目 t l e l i 圖2 - 61 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m 星座圖 由圖可示，通過改變兩個n s b 位( 即i k 和q k ) 并據表2 - 3 給出的規則旋轉q 個i s b 位， 可將第1 象限中的星座點變換至第2 、3 、4 象限。 表2 3 星座圖中的第1 象限星座點到其他象限星座點的變換 象限 m s b l s b 旋轉 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 浙江工業大學碩士學位論文 第3 章u s b 總線協議 3 1u s b 總線概述 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行總線) 【lo 】是計算機上一種新型的接1 2 1 技術，u s b 2 0 的最高傳輸速度可達4 8 0 m b s 。而且，u s b 接v 1 體積小巧，支持總線供電，使得計算機與 外圍設備之間的連接更加簡便。u s b 技術可以說是計算機接口技術的一大突破，支持熱插 拔、即插即用、節省系統資源和成本低廉等優點都是其他接口所不具備的，并且可支持多 個外部設各的連接與通信。同時，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 ) 傳輸。因此，u s b 接口的應用越來越廣泛，大有取 代其他接口的趨勢。 u s b 體系包括“主機”、“設備”以及“物理連接”三個部分。其中主機是一個提供u s b 接 口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復合體。在整個數據傳輸過程中，u s b 主機處于 主導地位，它負責啟動數據和命令的傳輸，u s b 設備被動地響應主機的請求。在u s b 協 議中規定，一個u s b 系統中只允許一個u s b 主機，多個u s b 主機存在將會導致傳輸混亂； 設備包括了u s b 功能設備和u s b 集線器，u s b 功能設備用于完成用戶特定的功能，通常 是一個獨立的外部設備，而u s b 集線器主要用于為u s b 系統提供額外的連接點，從而擴 展u s b 主機的u s b 端口；物理連接即指的是u s b 的傳輸線。在u s b 2 0 系統中，要求使 用外殼屏蔽的、數據線雙絞的u s b 電纜。 u s b 總線接口協議十分完善，可以實現對各種設備類型的支持。從系統設計和邏輯連 接關系上考慮，整個u s b 系統具有明確的分層結構：功能層、u s b 設備層和u s b 總線接 口層，每一層由u s b 設備和主機的不同功能模塊組成，u s b 系統分層結構如圖3 - 1 所示。 u s b 功能層主要負責u s b 主機和u s b 設備之間的數據傳輸，功能層主要由u s b 設 備的功能單元和對應的u s b 主機程序組成；u s b 設備層主要用于管理相關的u s b 設備， 通過驅動程序使得主機獲得該u s b 設備的功能；總線接口層一般由u s b 系統硬件完成， 主要通過n r z i 編解碼實現u s b 數據傳輸時序【1 1 】。 1 4 浙江工業大學碩士學位論文 主機互連u s b 設備 上 、r1 客戶軟件 1卜 功能單元功能層 tt jj u s b 系統軟件 卜 u s b 邏輯設備 u s b 設備層 n tt jj u s b 總線接口 一 l u s b 總線接口 u s b 總線握 1，r 口層 l _ _ 一 等二窶互互舀 圖3 1 3 2u s b 協議層規范 實際通信流 邏輯通信流 u s b 系統總線結構 u s b 協議層描述了u s b 主機與u s b 外設交互時的語法和協議，從中定義了字段、 包、事務和傳送的結構以及由字段到包、由包到事務、由事務到傳送所組成的組織層次關 系。協議同時還規范了數據鏈路的建立、正常或異常傳送處理的動態過程。字段中分同步、 包標志符、數據、端點、幀號和c r c 字段。包中分令牌、數據、握手3 類包【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 結構 d a t ac r c 7 4 n + 8 位數 4 + 4 1 l( n = 0 ，1 ，1 0 2 4 ) 5 1 6 如上圖所示，u s b 協議中規定，u s b 數據傳輸由一系列的字段構成，這些不同功能的 字段，按照特定的格式組合便構成不同的信息包。這些字段主要包括以下幾種： ( 1 ) 同步字段( s y n c ) 1 5 浙江工業大學碩士學位論文 為了保證u s b 主機和u s b 功能設備之間數據傳輸的同步性，u s b 協議中規定了同步 字段。同步字段是用于同步的機制，一般情況下，u s b 包都是從同步( s y n c ) 字段開始的， 對于低速全速傳輸，同步字段為8 位，數據為1 0 0 0 0 0 0 0 b ；高速傳輸同步字段的長度為 3 2 位，數據為8 0 0 0 0 0 0 0 h 。實際接收到的s y n c 長度由于u s b 總線的關系，可能會小于 該值。 ( 2 ) 包標識符字段( p i d ) 包標識符( p i d ) 由4 位包類型字段和4 位校驗字段構成。p i d 表征了數據包的類型，分 為令牌( t o k e n ) 、數據( d a t a ) 、握手( h a n d s h a c k e ) 以及特殊包4 大類，共1 6 種類型的 p d 。 ( 3 ) 地址字段( a d d r ) 地址字段是用來指明u s b 系統中的某一個u s b 設備，長度為7 位，共有1 2 8 個地址 值。其中，地址0