（通信与信息系统专业论文）数字高清晰度电视控制系统的设计与实现.pdf

摘要 本论文主要研究数字高清晰度电视地面广播b d b - t 传输方案的控制系统。控 制系统是实现整个传输系统的关键部分，它分为信道调制器控制系统和接收机控 制系统两大部分，其中包括了信道解复用器用户接口设计、对信道解复用器的控 制、系统传输参数的设置与传送、中频调制器的配置、数字调谐器的配置，以及 对整个系统的实时监控。本文在阐述了b d b t 方案及其各部分电路的控制原理的 基础上，详细描述了控制系统的硬件电路设计和软件实现方法，实现了一套功能 完善、性能稳定且具有自动记忆功能的控制系统，同时该系统通过r s 一2 3 2 串行 接1 3 可以实现与计算机的串1 3 通信。 关键词：h d t v 控制系统串口通信 a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st od e s i g nt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fb d b ts c h e m eo f d t i b t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi st h ek e yp a r to ft h ew h o l et r a n s p o r ts y s t e m i tc o n s i s t s o ft w op a r t s ：c h a n n e lm o d u l a t o r sc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h er e c e i v e r sc o n t r o l l i n g s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ei n t e r f a c ed e s i g n i n go ft h ed e m u l t i p l e x e r , t h ec o n t r o l l i n go ft h e c h a n n e ld e m u l t i p l e x e r , i fm o d u l a t o r , t u n e r , t h es e t t i n ga n dt r a n s m i t t i n go ft h es y s t e m p a r a m e t e r s ，a n dt h er e a l t i m em o n i t o r i n go ft h ew h o l es y s t e m ，e t c b a s e do nt h e d e s c r i p t i o n so ft h es c h e m eo fb d b ta n dt h ep r i n c i p l e so fc o n t r o l l i n gc i r c u i t s ，t h i s p a p e rp r e s e n t st h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n i n gm e t h o d so ft h e c o n t r o l l i n gc i r c u i t s ， a n dr e a l i z e sap o w e r f u l ，m u l t i f u n c t i o n a la n dr e l i a b l ec o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hc a n a u t o m a t i c a l l yr e c o r dt h eo p e r a t i o n a ls t a t e so ft h es y s t e ma n dc o m m u n i c a t ew i t ho t h e r p e r s o n a lc o m p u t e r st h r o u g har s 一2 3 2s e r i a l i n t e r f a c e k e y w o r d ：h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( h d t v ) c o n t r o l l i n gs y s t e m s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 第章绪论 第一章绪论 数字高清晰度电视( h d t v ) 技术是当今世界上最先进的图像压缩编码技术和 数字通信技术的结合，它代表一个国家的综合科技实力，在政治、经济等方面对 国家的社会生活都有着深远的意义。h d t v 已作为一项重大产业越来越受到各国 的重视，蕴藏着巨大的市场潜力。 1 1 数字电视的发展与现状 电视技术经历了从黑白电视到彩色电视的发展过程，现在电视工业界已然将 发展数字电视作为下一目标。数字电视分为h d t v ( 高清晰度电视) 、s d t v ( 标 准清晰度电视) 和e d t v ( 增强清晰度电视) 。通常人们把技术指标最高的h d t v 视做数字电视的代表。 数字高清晰度电视是指全部采用数字方式制作、传输和接收高清晰度电视节 目，它是集数字信号及信息处理技术、数字通信技术、计算机及网络技术、微电 子技术等高新技术发展于一身的高科技产物。其主要优点在于能实现无失真传输， 并能充分利用有限的频谱资源。在画面方面，高清晰度电视可提供相当于标准清 晰度电视画面5 倍的信息量，最高清晰度超过1 3 0 0 线，相当于目前模拟电视画面 清晰度的2 3 倍，具有极高的图像分辨率和清晰度。当然，数字电视本身带来的 意义不仅仅是把图像质量提升到更好效果，而是跟互联网等信息服务结合起来。 从8 0 年代末研制数字电视到现在只有短短十几年的时间，但发展速度之快令 人惊异。1 9 9 3 年五月，美国成立了大联盟( t h eg r a n da l l i a n c e ) ，开始从竞争走向 合作；1 9 9 6 年1 2 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 通过了a t $ c 标准，成为电视 技术发展史上的又一个里程碑，电视广播将进入数字化的新时代。美国国会还制 定了一个计划，规定到2 0 0 6 年美国全部的模拟电视要被数字电视所替代。 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播( d v b ) 项目，并成立了d v b 联盟，d v b 联盟共同制定了数字电视的d v b 标准。d v b 标准主要分成三人类： d v b s 、d v b c 和d v b t 。d v b s 和d v b c 已经成为了全世界应用在卫星和有 线电视网络中数字电视的传输标准。d v b t 标准于1 9 9 7 年提出，其中采用了多载 波调制c o f d m ( c o d eo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术。同本也 选用了c o f d m ，但又根据自己的研究有所创新，提出了综合业务数字地面广播 ( i s d b t ) 方案。 数字高清晰度电视控制系统的设计与实现 1 2 我国高清晰度电视的发展进程 我国政府对发展数字高清晰度电视一直相当重视。在起步阶段的“八五”期 间，作为国家重大科技攻关项目的h d t v 研究，完成了对h d t v 信源和信道编码 方法的软件模拟和分析比较。“九五”期间，h d t v 攻关进入硬件实现系统的工程 项目研制阶段。 中国的h d t v 之路真正的起点在1 9 9 6 年，前国家科委成立了中国h d t v 的 联合研究丌发攻关小组，也就是现在的国家h d t v 项目总体组。他们创造了令国 外同行惊奇的速度： 1 9 9 8 年，我国第一代h d t v 功能样机研制成功：1 9 9 9 年用 h d t v 数字技术转播国庆5 0 周年庆典；2 0 0 0 年，研制出了我国第块具有自主知 识产权的h d t v 接收解码核心芯片。短短三年，中国数字高清晰度电视从无到有， 从功能样机到产品样机，并进入产业化，三年上了三个台阶。从1 9 9 6 年的功能样 机项目启动到1 9 9 8 年的第一代数字样机研制成功，第一代样机系统所达到的主要 指标只用了短短的两年，而美国花了6 年，欧洲用了9 年。 中国目前已在数字电视传输技术方面逐步形成了具备自主专利技术的多种实 现方案。国家计委在北京、上海和深圳等城市设立了中国首批数字电视试验区， 这些方案将在试验区中得到充分实验和改进；同时中国政府正在对现有国内外的 传输方案进行性能测试与比较。 当前中国数字电视产业化发展所面临的重大问题，首当其冲的是标准的制定。 无论从市场保护的角度还是从长远经济利益上来看，中国都需要制定自己的国家 数字电视标准。数字电视关键技术主要在系统和整机、芯片、软件及大屏幕显示 器这四个方面，如简单选用国外某一标准，必然会肢解中国现有彩电工业体系， 国内企业的利润大都将用来支付国外的专利费和授权费，遗患无穷。尽快制定出 标准，也更有利发达国家向我开放技术；亦可因数字技术本身的特性，保护国家 的信息安全。因此，中国的数字电视标准关系到中国电视业的未来格局。 中国政府十分重视数字电视标准的制定，由广播电视主管单位、国家广电总 局组织了我国的专家对数字电视及数字高清晰度电视的标准进行了制定，目前已 经制定了数字卫星传输标准、数字有线电视传输标准及三十多项数字电视和数字 高清晰度电视的演播室标准。同时正在积极组织力量进行制订我国地面数字电视 传输标准的准备工作，目前正在对国内提交的包括h d t v 总体组、广科院、成电 和清华在内的四家单位共五种方案进行测试比较，这不仅能积极推动我国自主知 识产权制式的发展，同时也扶持了相关产业的正常发育。 中国广播电影电视局正起草一个为期五年的计划，将制定出推广数字电视的 时间计划表与标准。此计划指出，将于2 0 0 3 年公布h d t v 详尽细则，并在2 0 1 0 年结束模拟电视广播系统。 第一章绪论 1 3 本文的目的和主要工作 为了我国自主数字电视的生存、发展，避免在国际、国内市场中陷入被动地 位，我们必须研制和开发出拥有自主知识产权的数字电视编解码和传输接收设备， 制定出适合我国国情的数字电视标准。为配合国家数字电视地面广播传输标准的 制定，国家h d t v 总体组提出了一套自主的基于o f d m 的信道传输方案b d b t ， 本文主要研究的是b d b t 方案的整个控制系统的设计与实现。 论文结构安排如下：第二章介绍b d b t 传输方案的基本原理及其控制系统概 述；第三章在阐述了i s o i e c1 3 8 1 8 1 国际标准的基础上，介绍了t s 流信道复用 器的工作原理和用户接口设计以及与信道调制器的通信方法；第四章详细论述了 信道调制器的控制系统设计，包括对l c d 显屏、键盘的控制、系统参数的传输以 及中频调制器的配置等：第五章则对接收机的控制系统进行了详细的介绍，包括 对数字调谐器、信道解码与解调模块的控制以及对整个系统的实时监控；第六章 在介绍了串口通信原理的基础上，详细描述了信道调制器及接收机与计算机进行 串口通信的实现方法和计算机串口通信界面的v c + + 程序设计；最后，第七章介绍 了对所设计的控制系统进行调试的工具和方法。 本文的主要工作如下： 1 根据t s 流信道解复用的工作原理和实际需要，完成了信道解复用器用户 控制接口的设计，给出了具体的通信规约： 2 完成整个信道调制器系统的硬件原理图设计，根据各部分电路的具体要 求，设计了相应的控制电路，并完成了信道调制器控制系统的软件设计： 3 完成整个接收机系统各部分电路的控制电路设计，并完成了整个接收机控 制系统的软件设计； 4 完成信道调制器和接收机与计算机进行通信的软硬件设计及计算机通信 界面的v c + + 程序设计； 5 完成了整个控制系统和整个传输系统的软硬件调试，该系统目前正在接受 国家和上海实验区的测试。 数字高清晰度电视控制系统的设计与实现 第二章b d b t 信道传输方案概述 多载波调制与单载波调制方式相比，具有更强的抗多径干扰能力，可以实现 移动接收，同时可以组成单频网，能更有效地利用频率。通过前期对d v b t 及其 它传输方案的深入研究，针对国外现有标准在移动接收和对付快速变化多径等方 面的不足，我们提出了一套自己的c o f d m 传输系统方案b d b t ( 宽带地面数 字广播) 。并已研制出该方案的信道调制器和接收机，现正在北京和上海进行性能 测试。 2 1b d b t 方案简介 b d b t 是一种适用于数字电视地面广播的c o f d m 传输系统方案，其特点： ( 1 ) m p e g - 2 接口：送入系统的信号与接收机输出的信号均遵守m p e g 2t s 流的 规范。 ( 2 ) 信道编码应用灵活：根据不同场合可选用不同的内编码码率和外交织器深度， 采用专门设计的强纠错交织措施，可对付时域脉冲干扰和频率选择性衰落。 ( 3 ) 调制方式应用灵活：数据载波调制方式可选，根据应用场合可选用 d q p s k ，q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 四种调制方式，通过分层传输可以同时实现两 种不同业务。 ( 4 ) o f d m 帧结构应用灵活：利用传输参数信令信息可通知接收机关于调制参数 的配置信息，可实现非分层混合传输模式实现两种不同业务。 ( 5 ) 通过插入频域导频信号和时域保护问隙，能有效地对付多种动态多径干扰， 可实现移动和固定的稳定接收。 ( 6 ) 方案设计研究开发自主完成，可自主设计芯片，不受d v b t 专利约束，并 可与d v b ，t 标准兼容。 ( 7 ) j 实现单频网( s f n ) 。 同时，该传输方案也有其自身的缺点，如峰平比较高；对相位噪声、非线性 失真较敏感。 2 2 系统实现框图 传输系统包括发送端和接收端两部分。图2 1 是b d b t 传输方案发送端和接 收端实现框图。在发送端首先根据高低优先级，将信道解复用器输出的码流分为 两个独立的m p e g 传输流，然后通过各自的扰码器、r s 编码器、外交积器、卷积 编码器和比特交积器完成信道编码，再通过映射器将编码后的码流映射到信号的 第三兰旦里呈：! 堕望堡塑查塞塑垄 一 三 一 星座上，最后再经过频域交织、o f d m 频谱形成、i f f t 、保护间隔插入完成正交 频分复用。 为了保证简单的接收机接收到分层发射的信号，分层仅限于信道编码和调制， 不使用分层源编码，因此不同的节目可用具有不同抗扰度的各自码流发射。无论 在哪种情况下，接收机仅需一组互逆的单元：内解交织器、内解码器、外解交织 器、外解码器、解扰器。唯一对接收机的附加要求是其逆映射器具有从发端映射 码流中选择产生某一码流的能力。 i f 放大 加 扰 加 扰 r s 编码 r s 编码 外交 织器 外交 织器 lh 芸h 黧 制i al 发送端框图 卷积 编码 卷积 编码 0 f d m ( 1 f f t ) 比特 交织 比特 交织 帧 形 成 导额及 t p s 信号 赫偶协臁囊h 晰雌hl h 舞h 篡 晶振 v c x 0 r s 解码 t 龃m gs y n e f r e qs y n c 采样钟同步 蒌慢 一冲 译码l + _ j 配置信自 篓h 萎星 ( b 1 接收端框图 图2 1数字1 乜视b d b - t 信道传输系统框图 2 3 控制系统概述 控制系统是实现整个b d b t 传输方案的十分若键的部分，它分为信道调制器 数字高清晰度电视控制系统的设计与实现 控制系统和接收机控制系统两大部分，其中包括了信道解复用器用户接口的f p g a 设计、对信道解复用器的控制、系统传输参数的设置与传送、中频调制器的配置、 数字调谐器的配置，以及对整个系统的实时监控。本方案实现了一种功能完善、 性能稳定且具有自动记忆功能的控制系统，并且还实现了与计算机的串口通信。 考虑到本控制系统需完成的功能较多，程序量较大，并从电路复杂性及价格 性能比等因素综合考虑，我们选用了a t m e l8 9 系列的8 9 c 5 5f l a s h 单片机作为信 道调制器和接收机控制系统的主控制器。它带有2 0 k 可f l a s h 编程和擦除的只读存 储器( p e r o m ) ，2 5 6 字节r a m ，3 2 线i o 口，3 个1 6 位定时器计数器，6 向量 两极中断及一个全双工串行口，不用外加e p r o m 。 在发送端，输入的t s 流首先要经过信道解复用器的处理。根据方案具体要求， 设计了信道解复用器用户接口，并给出了其通信规约。根据信道调制器各部分电 路的具体要求，设计了主控制器与各部分的控制电路，这些部分包括信道解复用 器、键盘、l c d 显屏、编码调制电路f p g a 、中频调制器a d 9 8 5 6 、存储器和串行 通信部分等等，图2 2 是信道调制器控制系统的原理框图。 图2 2 信道调制器控制系统原理框图 在接收端，控制系统主要完成对键盘、显屏、调谐器、解码解调电路f p g a 、 红外遥控接收、存储器和串行通信等部分的控制，以及对整个系统的实时监控。 图23 给出了接收端控制系统的原理框图。 第二章b d b t 信道传输方案概述 7 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ q - h _ _ 一 图2 3 接收机控制系统原理框图 数字高清晰度电视控制系统的设计与实现 第三章基于m p e g 2 的信道解复用器接口设计 数字视频压缩后通常是打包成传输流( t s ) 的形式进行传送，每个t s 流都 有其固定的发送码率。在某些应用场合，比如信道调制前端需要对输入t s 流进 行处理以适应该信道要求，信道解复用器正是为完成这一功能而设计的。对信道 调制器来说，最关心的是如何与解复用器进行通信，从中读取码流信息并选择节 目，而这正是通过信道解复用器的用户接口来实现的。 3 1 概述 在数字视频广播系统中，视频和音频数据大多是根据i s o i e c1 3 8 1 8 2 和 1 3 8 1 8 3 国际标准来进行压缩的。编码后的基本数据流( e s 流) 按照一定的格式 打包后形成p e s 包，p e s 包再加上一些系统级信息，就构成t s 流( 传输流) 或 p s 流( 节目流) 。p s 流一般用于相对无错的环境中，如交互式多媒体业务，其长 度是可变的。而t s 流则用于有错误的环境中，如数字电视的地面广播传输，其 分组长度固定为】8 8 字节。图3 1 描述了m p e g 一2 的t s 流分组的简单格式： 卜分组头一 罐篓翼 可变长适配头i； p 丙r 面i _ 图3 1 传送流分组简单格式 i s o i e c1 3 8 1 8 - 1 国际标准中规定，t s 分组以四个字节的前缀开始，其中包 括1 3 b i t 的包识别码( p i d ) 。每个码流都有p i d ，用以识别不同节目的信息传送 包。有关p i d 的信息及各p i d 之间的关系包含在节目专用信息中( p r o g r a ms p e c i f i c i n f o r m a t i o n ：p s i ) 。m p e g - 2 解码器使用p s i 信息来自动设置解码所需的各种参数。 p s i 信息使用4 个表来定义码流的结构，分别为节目关联表( p a t ) 、节目对 应表( p m t ) 、条件接收表( c a t ) 和网络信息表( n i t ) 。其中，最重要的表信息 是p a t 和p m t 。p a t 是p s i 信息的根，其p i d 是0 ，要查找信息时首先必须从p a t 开始。表中列出了传送码流中所有节目的p 1 d 所指出的相应的节目对应表，可根 第三章基于m p e g 一2 的信道解复用器接口设计! 据节目p i d 找到相应的p m t 包，在p m 1 表中又可以找到与该节目有关的所有基 本码流，如视频、音频和数据及有关信息的p i d 。除p a t 表包的p i d 永远是0 外， 还有两种包的p i d 是预留的，一是空包，用来作码流填充，p i d 是8 9 l 。二是 c a t 包，p i d 值总是l 。所有p s i 信息必须以一定的频率不断发送，每秒钟至少 要发送2 0 次。 t s 流的码率是由节目参考时钟( p c r ) 的值和其位置确定的。在一些应用场 合中，一个t s 流的内容和码率可能并不适合要求。例如，如果我们接收一个包 含6 个节目的t s 流，但只需用其中的4 个节目，通常我们将那两个不用的节目 进行处理，以节约有限的带宽资源，同时我们可能要对输入t s 流的码率进行变 换，以适应要求。在处理这些问题时，以往的方法是将接收的一路t s 流对其内 容和码率处理后，也还是只输出一路t s 流。而这里采用的方法与以往所不同的 是：同样是一路t s 流输入，但经过解复用器处理后，有两路t s 流输出。 在许多实际应用中，我们可能需要t s 流的所有信息，也可能只需要其中的 部分信息，并且我们想得到内容相同或有差别的两路t s 流输出。如我们提出的 c o f d m 方案中的分层传输和混合传输，就需要有两路t s 流输入，且这两路t s 流的码率应根据信道调制模式的不同而不同，因此，信道解复用器必不可少。其 系统简单描述如图3 2 所示： 图3 2 解复崩器系统简单框图 由上图可知，系统的输入为码流发生器出来的一路t s 流，根据用户需要 t s 流中的节目可被分配到两路输出t s 流的任一路上，并且码率可改变。同时 t s 流的p s i 信启、必须重新生成且p c r 必须被校正。 3 2 信道解复用器工作原理 基 二m p e g 2 的实时t s 流信道解复用器的原理框图如图3 3 所示。系统包 括码流输入接口、p c r 校正模块、p s l 分析和重新生成模块及用户接口等部分。 数字高清晰度电视控制系统的设计与实现 码流输入接口支持a s i ( 异步串行接口) 和s p i ( 同步并行接口) 两种输入 格式，用户可通过控制台选择a s i 输入或s p i 输入方式。输入信号经过接口电平 转换，变为并行t t l 电平信号。输入t s 流的最大数据率可达1 2 0 m b p s ，该系统 实现两路独立的t s 流输出，它们各自的数据率分别由c l o c k l 和c l o c k 2 时钟 决定。其取值范围从1 5 m b p s 到1 2 0 m b p s 。 系统中核心部分为一片f p g a 和片d s p ，f p g a 主要完成p i d 过滤和p c r 延时补偿，而d s p 则负责分析t s 流并生成新的p a t 及p m t 数据包。c l o c k l 和c l o c k 2 来自后端信道调制器的时钟，输入的单路多节目t s 流的内容将根据 用户的设定被分别分配到t s l 和t s 2 ，输出码率分别决定于c l o c k l 和c l o c k 2 。 d s p 前端和后端的f i f o 消除了输入输出码率不同所带来的数据丢失现象。 2 7 m h z 的本地时钟用来补偿输入t s 流的p c r 在系统中所产生的延时。用户接 口通过双口r a m 与系统交换相关的设定信息。下面对系统的几个重要部分说 明如下： 图3 3 信道解复j j 器结构框图 l 、码流分析 信道解复用器系统进入正常状态工作前要完成用户参数设定，用户最关心的 参数是输入t s 流中所含节目类型、p i d 号、码率等信息。系统首先会对输入的 t s 进行分析，从中提取出所有的节目信息，并且计算出不同类型数据包的码率。 用户根据这些分析结果可以了解到目前输入t s 流的所有基本信息。 2 、用户设定 第三章基丁m p e g 一2 的信道解复用器接口设计旦 根据用户的实际需要，输入t s 流的节目内容可以分别被指定分配到两个输出 通道，并且允许同一个节目同时被分配到两个通道，用户也被允许修改p i d 号。 比如：输入为一个2 2 m b p s 的t s 流，包含3 个节目，每个节目又包含多个视频、 音频等数据流。假如目前用户有两个输出信道，一个为8 2 9 m b p s ，另一个为 2 3 5 6 m b p s ，并且用户打算将输入码流中的节目1 分配到信道1 ，节目2 和3 分配 到信道2 。用户则可根据需要作相应的设定，解复用器系统将根据用户的设定来 分别为输出t s l 和t s 2 生成新的p a t 和p m t 并且将相应的视频、音频等数据包 分配到相应的通道。显然，用户所选中的节目数据流的总净码率( 不包含空包) 应小于或等于输出信道的码率。如果输出信道的码率大于所选节目的码率，解复 用器将根据情况向输出码流里面插入空包以保证输出码流的连续性。用户选择节 目时也可以只选择该节目中的部分数据流。比如某个节目包含4 个视频流，而用 户只对其中的两个视频流感兴趣，那么用户在设定时可以只选择需要的视频流， 在系统进入正常工作时，未被选中的数据流将被自动过滤。 3 、p c r 补偿 p c r 是t s 流的重要部分，它的精度决定了解码端恢复时钟的精度，直接关 系到解码器是否能正常的工作。输入t s 流中各节目的数据包从进来到出去会在 信道解复用器的f i f o 内产生一定的延时，如果不对其p c r 作相应的延时补偿， 其输出t s 流的p c r 误差将有可能远大于协议所规定的5 0 0 n s 的误差范围，从 而导致解码不正常。假定某个p c r 在t 1 时刻进入信道解复用器，在t 2 时刻从 解复用器输出，则该时刻的p c r 值将被替换为p c r 。 p c r 2 p c r + ( t 2 - t 1 ) 延时补偿运算中所用到的时间标记t 1 、t 2 是由本地2 7 m h z 时钟计数所得， 由于码流在解复用器内的停留时间并不会太大，所以用本地2 7 m h z 记录延时带 来的累积误差很小。测试结果表明，经过延时补偿后的p c r 值误差小于1 0 0 n s ， 并且解码器可以正确解出信道解复用器的各种码率的输出码流。 3 3 信道解复用器用户接口设计 对于信道调制器来说，晟关心的是如何从信道解复用器中得到节日信息，以 及如何将所选节目分配到t s l 和t s 2 上。这些信息是通过用户接口进行交换的。 考虑到本系统需交换的信息较多，这里采用一容量较大的1 6 位地址的双端口 r a m ( d p r a m ) 。作为信道调制器和解复用器交换信息的平台。信道解复用器 在对输入t s 流进行分析后，将所提取的各种节目信息放在双口r a m 的相应地址 中，以供信道调制器读取和修改。解复用器根据调制器送入的读写信号及相关数 据和地址信息，由f p g a 电路实现取指和译码，将调制器所需信息从d p r a m 的 数字高清晰度电视控制系统的设汁与实现 相应地址中取出并送给信道调制器，或将信道调制器修改后的信息从d p r a m 的 相应地址中取出。 门2 数据 图3 4 读写d p r a m 地址自动加】设计框图 在对d p r a m 的读写操作中，设计了一种地址自动加1 的方法，即对d p r a m 中的某一段连续地址进行操作时，仅需要设置首地址即可连续进行双口r a m 的 读写操作。这可由图3 4 所设计的电路来实现。从图中可以看出，信道解复用器 的用户接口与信道调制器的8 位数据线、4 位地址线以及读、写信号相连。f p g a 对信道调制器输入的4 位地址进行译码。其中地址0 表示的是双口r a m 低8 位 地址信息，地址1 表示的是双口r a m 高8 位地址信息。当信道调制器向地址0 或地址1 写数据时，控制1 6 位计数器低8 位或高8 位数据输入的y 0 或y 1 信号 选通，从而将写入的数据送入计数器，作为其计数初值，也就是需读写的d p r a m 的1 6 位初始地址。然后读写数据时，译码器输出的y 2 或y 3 信号选通，使门1 或门2 打开，从而对d p r a m 的相应地址进行读或写操作；当用户需连续读写时， 不再向地址o 和地址1 写数据，此时y 0 和y l 信号无效，计数器不接受外来数据 的输入，当发生一次读或写操作，目p r d 或w r 信号有效时，使控制计数器计数 的使能信号有效，计数器值加1 ，同时将加1 后的1 6 位数作为需读写的d p r a m 的地址，这样就实现了地址自动加1 的功能。 舻 d d 口o 】 滞d a t a i 0 i p r e p w e 图3 5 控制端口读写时序图 第三章基于m p e g 一2 的信道解复用器接口设计 信道解复用器用户接口的设计用f p g a 电路实现，选用的是a l t e r a 公司的 f l e x l 0 k 5 0 v 芯片，其逻辑门数为5 0 ，0 0 0 门，总的r a m 为2 0 ，4 8 0 b i t s 。主要功 能模块用a h d l 硬件描述语言实现。图3 5 给出了控制端口读写时序图。为方便 用户对信道解复用器的操作，规定了其接口通信的具体规约： 一、控制端口地址分配 地址分配表见表3 1 。当通过用户控制端口对信道解复用器上的d p r a m 中 的某一段连续地址进行操作时，仅需要设置首地址即可连续进行双口r a m 的读 写操作。 表3 1 控制端口地址分配 地址 定义 0 双口r a m 低8 位地址 l 双口r m 高8 位地址 2 双口r a m8 位数据写 3 双口r a m8 位数据读 5 t s 输入口设置 1 0 复位端口 二、双端口r a m 地址分配 1 0 到4 0 9 5 字节用于存放各p e s 流的基本信息，格式为a s c i i 码，每个p e s 流 基本信息分配6 4 字节空间，顺序定义如下 字节定义内容备注 0 4 = 仃目号5 位数字当节目号为全】时表示 当前位置以下数据无效 5 p c r l 位字符，有效值为p 或空字符( a s c i i 一 码0 ) 表示包含p c r 或不包含p c r 。 6 属性1 位字符，有效债为v 、a 、d 或m ，分别 表示v i d e o 、a u d i o 、d a t a 或p m t 表 7 1 2原始p l d 6 位数字，0 x x x x x l3 18新p i d6 位数字0 x x x x x默认值为原始p | d ，可山 信道调制器修改 1 9选择 1 字节数字( 北a s c i i 码) ，0 表示不用，l默认值为0 ，可山信道调 表示分配到t s 流l ，2 表示分配到t s 流2 ，制器修改 3 表示t s 流1 和t s 流2 都可分配 2 0 2 4码率5 位数字 码率的单位为k b p s 2 5 6 3保留 数字高清晰度电视控制系统的敬计与实现 其中，若发现节目号为f f f f f f f f f f ( 十六进制) ，表示p e s 流基本信息结 束，从当前位置到4 0 9 5 字节问的数据无效。 2 、4 0 9 6 字节到4 1 0 5 字节用于存放分配给t s 流1 及t s 流2 的p e s 流的总码率， 格式为a s c i i 码，定义如下： 字节定义内容备注 4 0 9 6 4 1 0 0t s 流l 的总码率5 位数字 码率的单位为k b p s 4 l0 1 4 1 0 5t s 流2 的总码率 5 位数字 码率的单位为k b p s 其中，码率值约每秒刷新一次。 3 地址3 f 0 0 到3 f f e 用于存放通信信息，格式为二进制码，定义如下 字1 ，定义内容备注 3 f 0 0 般口r a m1 字节标记信道复用器将该标记置为5 5 表示已完成对双口r a m 的操 j 状态 作。信道调制器将该标记置为a a 表示已完成对双口r a m 的操作。 3 f 0j 开始l 作1 字节标记信道调制器将该标记置为1 表示已完成设置，信道复用器 可以开始工作。信道复用器开始工作后将该标记清0 。 3 f f e般口r a m 对该地址的写操作表示终【e 对双口r a m 的操作，控制权交 控制位 给对方。 三、读、写操作时序要求 1 读操作 信道调制器首先提供稳定的地址，然后读信号有效，信道解复用器在读信号 的下降沿将数据送到数据总线，信道调制器在读信号的上升沿锁存数据。信道解 复j 丰| 器中的双口r a m 地址在读信号的上升沿自动加一。 2 写操作 信道渊制器首先提供稳定的地址，然后写信号有效，信道调制器在写信号的 下降沿将数据送到数据总线，信道解复用器在写信号的上升沿锁存数据。信道解 复用器中的双口r a m 地址在写信号的上升沿自动加一。 通过对d p r a m 的操作，信道解复用器根据信道调制器对节目的选择及传输 数据率的要求对输入t s 流及其码率进行相应的处理，从而按所设定的要求进行 工作。 第三章基丁m p e g 一2 的信道解复用器接口设计 3 48 9 c 5 5 与信道解复用器的通信设计 由解复用器控制端口地址分配表可知：外部控制器只需提供四根地址线就能 访问其所有的控制端口，并且双端口r a m 的1 6 位地址可以分为高八位和低八位 两次写入。因此本信道调制器控制系统利用8 9 c 5 5 中的四根地址线、八位数据总 线及相关控制信号，设计了一种简单、可靠的控制电路，如图3 6 所示。因为单 片机的数据总线和低八位地址总线都由p o 口提供，为时分复用方式，所以为保 存地址信息，需# t - ) j l l 地址锁存器，一般由a l e 正脉冲信号的下降沿控制锁存时刻。 此控制电路通过双向数据缓冲器对解复用器中的双口r a m 的相应地址进行 读写操作，双向数据缓冲器由片选2 信号选通，其方向由地址线a 4 控制。由于 解复用器有自动地址加一机制，因此仅需要设置首地址即可连续对双口r a m 进 行读写操作。图中的读、写控制信号是由片选1 信号分别与单片机自o r d 、w r 信号相或得到，这种方法能保证只有当片选信号低选通且单片机发生读、写操作 时，才产生个有效的低脉冲控制信号对双口r a m 进行读、写操作，从而保证 了电路的可靠性。图中的片选l 和片选2 信号都由地址译码器产生。 图3 6 对信道解复h 器读写控制电路 这样，根据信道解复用器用户接口规约，利用本控制方法就能方便可靠地从 中读出p e s 流信息并在l c d 卜显示，然后根据需要，通过键盘选择所需节目、 分配节目优先级、修改p i d 号等，并反馈至解复用器双口r a m 的相应地址，使 之按所选要求进行工作。图3 7 给出了信道解复用器软件设计流程图，其c ，f a ) 为解复用器总体软件流程图，( b ) 为信道调制器与信道解复用器通信的软什流程 图。 6 数字高清晰度电视控制系统的设计与实现 设置0 x 0 5 地址，选 择码流输入方式 写0 x 3 f f e 地址。将 控制权交解复用器 凄取o x 3 f 0 0 地址 依次读取p e s 流信 息并在l c i ) 上显示 7 连续读 卜、 n 题竺! 步一 ! 设置节目并 写回i ) p r a m 写0 x a a 至0 * 3 f 0 0 地址 及o x 0 1 至0 x 3 f 0 1 地址 写0 x j f f e 地址 写0 x o a 地址 复位解复用器 ( a ) 解复用器总体软件流程( b ) 与解复用器用户接口通信软件流程 图3 7 解复用器软件敬计流程图 誊 第四章信道调制器控制系统的设计与实现 l 7 第四章信道调制器控制系统的设计与实现 从码流发生器出来的t s 流经信道解复用器处理后，送入信道调制器。t s 流 数据经过编码调制，然后由i f f t 变换实现正交频分复用，最后再经中频调制及 放大，将基带信号调制到中频载波上。调制器的工作模式则完全由控制系统决定， 控制系统完成对l c d 显屏、键盘、编码调制电路f p g a 、存储器件的控制及中频 调制器的配置，并可与p c 机进行串口通信，以实现对系统的远程控制。 4 1 对l c d 显屏的控制 l c d 显屏是本控制系统的重要组成部分。所有的参数在l c d 上显示，并可 通过键盘设置。键盘与8 9 c 5 5 的p 1 口5 条i o 线相连，构成2 x3 阵列形式，共 六个键，分别为上、下、左、右、取消和确认键，通过键盘扫描程序查询足否有 键按下，如有键按下，则转到相应的处理程序，执行其按键功能。 由于本传输方案需显示的参数较多，有从解复用器中读出的p e s 流信息、系 统参数以及一些状态信息，并结合外观、性能等因素，本系统选用了精电蓬远公 司的q p y d 型液晶显示控制器，它能控制8 色彩色单屏结构6 4 0 * 3 * 4 8 0 点阵s t n 液晶显示模块。l c d 上每行可显示4 0 个1 6 1 6 点阵的汉字，共3 0 行。 q p y d 型液晶显示控制器中有统一的指令码，其格式如图4 1 。t 户可通过此 指令列显示存储器进行操作控制。 d 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1d 0 图41q p y d 指令码格式 其中：c a l ，c a 0 组合功能为内部寄存器通道的选择，功能如表4 1 所示 表41 内部寄存器通道选择 c a lc a 0 功能 o0 显示地址低8 位寄存器 ol 显示地址高8 位寄存器 】o 显示数据读写通道 ll 关闭所有通道及寄存器 1 8 数字高清晰度电视控制系统的设计与实现 a 1 6 ：为显示地址第1 7 位( 最高位) 。 d s p ：为显示控制位。当该位设置为l 时，控制器的d i s p 端置为高电平，控制 液晶显示模块的d i s p 端为高，即开显示状态；当设置为0 时，控制器的 d i s p 端置为低电平，控制液晶显示模块的d i s p 端为低，即关显示状态。 x ：表示未用位，一般设为0 。 控制器管理1 2 8 k 的显示存储器，显示起始地址同定为0 0 0 0 h 。外部控制器 可对显示存储器进行实时的读写操作。控制器对显示数据的操作使用的是修改写 方式，即在读显示存储器当前地址单元内容时，显示地址不变；而在向显示存储 器当前地址单元写入数据时，显示地址加一。 q p y d 的控制方式有直接访问和间接访问两种方式，这里利用8 9 c 5 5 的数据 总线和控制信号直接采用i o 设备访问方式控制q p y d 显示控制器。其接口电路 如图4 2 所示。其中，c sl c d 信号为片选信号，由译码器产生，当访问q p y d 控制器地址时选通该信号。 8 9 c 5 5q p y d c s l c i l 一 + 5 v ( j n d - - - - - - - - - r 图42 直接访问方式接口电路 在l c d 上彩色实现的方法是：一个像素点由三位数据控制，分别代表r 、g 、 b ，共8 种颜色。由于单色显示为8 点字节，故彩色上扩展为8 点，3 字节，即显 示存储器空间被扩展为单色的3 倍。因此地址指针计算要求以3 的倍数为基，以 保证彩色设置的一致性。 当然，要在显屏上显示汉字，还要用到字库芯片。由于所用二级汉字字库芯 片的容量为4 6 4 k 字节，而8 9 c 5 5 的外部数据r a m 寻址最大范围为6 4 k 字节， 因此采用p l 口的2 根口线作为扩展地址线，使寻址范围达到4 6 4 k ，通过控制 接口，将相应汉字显示在l c d 显屏上。写1 6 + 1 6 点阵汉字的子程序见附录a 。 第四章信道调制器控制系统的设计与实现 1 9 4 2 与编码调制电路f p g a 的通信 编码模块和谱形成模块是实现b d b t 传输方案编码调制电路的关键部分， 根据所设参数的不同，有不同的信道传输方式。这些参数有：高优先级码率、低 优先级码率、调制制度、保护间隔、分层信息及传输模式等。由于8 9 c 5 5 单片机 为t t l 电平，而实现编码及谱形成的f p g a 芯片为l 、7 t t l ( 低压t t l ) 电平故 两者不能直接进行数据交换，而应采用相应的电平转换措施。本方案采用电平转 换芯片分别实现读、写数据的电平转换，并利用片选技术实现单片机与f p g a 各 模块的数据传输，使控制方便、可靠。 本方案对信道编码和调制模块的系统传输参数经过拼装处理，组合成总共只 有4 个字节的内容进行传输，这4 个字节的系统传输参数依次为：编码调制部分 的3 字节参数和i f f t 部分的1 字节参数。表4 2 表4 5 给出了各个字节数据的比 特分配，需要指出的是，表4 5 中的d 3 位，即i f f t 输出控制比特，对中频调制 器的配置特别重要，这将在中频调制器控制部分加以说明。 图4 3 系统参数传输控制电路 考虑到需传输的字节数较少，本方案设计了一种利用片选信号控制的方法与 f p g a 进行通信。图4 3 给出了这部分控制电路的实现框图。图中的w r c 1 、 w r c 2 、w r - c 3 和w r f f t 分别为上述4 个字节的写片选信号，而r d c 1 、r d c 2 、 r d c 3 和r d f f t 则分别为它们各自的读片选信号。f 面以写操作为例，配明在 共用一条数据总线的情况下，本方案设计的电路是如何实现控制功能的：将写数 据操作的四个写片选信号相与后作为写缓冲器即写电平转换芯片的控制信号，同 时这四个片选信号经电平转换处理后也送入f p g a 电路。当单片机进行写操作 即有一写片选信号选通时，则产生一低脉冲，就可使写电平转换芯片打开并将该 字节数据送入f p g a 电