有线数字电视传输技术中可编程器件的应用初探

2015-02-28乐新宇

西部广播电视 2015年20期

关键词：信道编码码流传输技术

乐新宇

（作者单位：龙川县广播电视台）

有线数字电视传输技术中可编程器件的应用初探

乐新宇

（作者单位：龙川县广播电视台）

数字化是现阶段信息社会发展的先进技术。其中，数字视频技术被广泛应用于通信、多媒体、广播电视等各个行业，特别是应用在有线数字电视领域。而以MPEG-2标准为基础的数字电视加快了广播电视、计算机以及通信三合一的发展进程。文章在对有线数字电视传输技术中大规模可编程器件的应用进行介绍，并以DMB-T信道编码调制单元为例，具体介绍可编程器件在有线数字电视传输中的应用。

有线数字电视；传输技术；可编程器件

1　数字电视的特征

第一，抗干扰能力强。模拟电视信号在传输中受地面广播状况的干扰较为严重，其电视效果佳。而由于数字信号的基本信号只有高、低两种电平。因此，及时波形受到干扰产生了失真问题，只需要对信号波形进行再生，就不会影响图片和声音质量。第二，图象品质高。与模拟制电视相比，数字电视对可能出现的误码具有纠错能力，并采用二进制纠错技术，基本不会出现画面失真的问题。发送端编码器质量水平的高低决定了电视用户的图像和音质质量。第三，数字电视能够对各种算法模型进行不同要求的压缩，编码数字信号便于存储和读取，数字操作方便。第四，数字电视设备发射功率较低、利用率高，具有调整设备运行、处理设备故障等显著优势。第五，数字电视频谱资源利用率高。每套数字电视节目经数码压缩编码后所占的频带宽度较窄，可向用户播送4～6套分辨率。第六，数字电视适用于特殊专业。数字电视适宜在军事领域、保密系统以及收费电视等特殊业务场合应用。这是由于其容易实施加密、解密等各种技术处理。

2　大规模可编程器件和FPGA 设计方法

2.1可编程器件

随着集成电路的发展，现阶段可编程器件被广泛应用在硬件的逻辑设计中，可编程器件从20世纪70年代发展至今已有几十年发展历史，并由开始的1200个可利用门，发展到现在的几百万门的FPGA（现场可编程门阵列）芯片。目前，生产FPGA芯片的公司很多，最为关键的是Altera公司，生产的FPGA芯片种类和型号繁多，其具有由逻辑功能块排成阵列，并经过可编程的连通资源将这些逻辑功能块进行链接的共同特点，能够满足不同的设计要求。典型的FPGA通常包含三类基本资源：可编程互连资源、可编程输入和输出块，以及可编程逻辑功能块。可编程互连资源由各个长度的连线线段和一些连接开关组成，其发挥自己的功用将可编程逻辑快、可编程输入、可编程输出模块进行连接，从而形成具有特定功能的电路；可编程输入和输出模块是连接口，主要分布在逻辑单元的阵列四周，能够实现外部管脚和芯片的内部逻辑；可编程逻辑模块由多个逻辑功能模块规则地排成一个阵列结构，分布在整个芯片上，是实现用户功能的基本单元。另外，由于半导体技术工艺的发展，除上述3种资源外，目前，大规模可编程器件还包括其他成分。FPGA中包含存储器、数字时钟处理单元、数学运算单元、多电平标准兼容的I/O接口、特殊功能模块、微处理器等。这些功能模块通过软件编程能够根据系统需要对资源进行调整，从而发挥出系统资源的不同功能。FPGA不仅具有开发周期短、使用软件少的特点，而且能解决电路系统小型化、低耗能、高可靠性的问题，在现代数字系统设计中占居重要地位。

2.2FPGA 设计方法

半导体技术和计算机技术的发展促使数字系统设计方法和理念发生了深刻改变，增加了数字系统的复杂性以及快速提高了DA设计方法与工具的水平。在集成电路发展初期，设计是在晶体管级上进行的，集成度不高，设计人员在进行版图设计时主要利用CAD工具，第一代集成电路的设计方法就是如此。后来，半导体工艺得到改进，出现了自动局工布具，集成电路的设计实现了更高层次的发展，集成电路的自动工具系统形成，这是第二代集成电路设计方法。直到20世纪90年代，出现了第三代EDA方法和工具，电路设计工作实现了抽象级的发展，即FPGA设计方法。

3　基于有线数字电视传输技术的DVB标准和MPEG-2 标准

3.1基于有线数字电视传输技术的DVB 标准

有线数字电视传输技术的实现需要了解DVB标准和MPEG-2标准，下图是基于DVB框架的MPEG-2传输流系统。由上文介绍可知，有线数字电视主要依据MPEG-2标准的图像压缩技术和DVB标准的信道编码技术对图片和声音进行压缩，其标准是DVB-C业务，形成一种编码速度较低的节目流。通过几路这种节目流之间的变换和复用，能够实现较高的成码率，并实现有效率的传输。主要由以下几部分共同构成DVB标准。

3.1.1基带处理

基带处理包括压缩处理视频、声音信号的方法以及码流。由于MPEG-2标准具有突出的优越性，DVB标准主要采用了MPEG-2标准中关于声音、图像以及系统的部分标准，形成了DVB的ES和TS。另外，DVB标准在TS中还定义了很多辅助信息，能够帮助人们选择节目、了解节目的有关信息。

3.1.2有线数字电视DVB传输标准

DVB-C是有线数字电视的广播系统。其主要是在CATV网中，对DVB规范中规定使用QAM调制方式，电视信号在同线内的传输受外界干扰很少，在不同的传输状态下可以采用不同的调制频率，对于传输距离较远、噪音较大的系统，可以采用较低的调制速率；反之，则采用较高的调制速率。对于来自不同媒体的信号，其数据结构包括同步字节的MPEG-2传输层，在CATV前端，经过复用器复用之后，对DVB传输流进行了处理性概括，在进入QAM调制器之后，会调制一种已经被压缩的数字电视节目电视信号，经过上变频器后达到CATV网所需的频段。

3.2基于有线数字电视传输技术的MPEG-2标准

MPEG-2标准是指活动图像以及其伴音的通用编码，MPEG-2标准不仅具有逐行扫描的规定，也有隔行扫描的规定，MPEG-2标准近几年得到了完善，并获得了广泛应用，如DTV、DVB和HDTV。现阶段，MPEG-2标准主要体现在以下几个方面。

第一，视频部分。其视频压缩技术和视频流的结构与MPEG-1基本一致，主要采用视频编解码的方法。第二，音频部分。其主要是指与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编解码方法。第三，系统部分。其是一种音频和数据基本码流的合成传输码流和节目码流方式，主要对多个视频进行描述，能够实现多路视频、音频以及数据应用，还对数据流对物理层的适配进行了规定。第四，一致性测试部分。主要对编码码流是否符合MPEG-2的码流的方法。第五，参考软件部分。主要对MPEG-2的前三部分软件的实现方法进行描述。

4　DMB-T信道编码调制单元

数字通信的目的是将有效可靠的信息从信源传送到信宿，并实现准确无误的信宿接收。但是，信道中的噪音会对传输的信息产生影响，在一定程度上会降低信息传输的可靠性和安全性。因此，有线数字电视通信系统设计的一个关键问题就是有效克服各种噪声在信道中对所要传输信息的干扰，从而有效减少信息传输的差错，提升信息的可靠性。但这种构造良好通信信道的想法受客观条件的限制没有实现，而是通过有关人员对信道编码证明后，以信道编码的形式来克服信息传输的问题。信道编码定理主要是指，假设每一类信道都存在一定的信道容量C，即是信道的最大极限传输能力，当实际传输速率R〈C时，就会出现一种以所要求的最小的差错概率形式来实现可靠通信的信道编码。

大规模可编程器适合数字电视广播发展研究，数字电视广播的研究在1999年以后使用了Altera公司的多种在当时最新、最大规模芯片，为促进DMB-T系统的发展提供了指导。以DMB-T发射机的信道编码调制单元为例，文章具体介绍了其应用于大规模可编程器件的过程。信道编码的调制板系统时钟主要由外部输入，并利用全局时钟的功能，全局分配敏感的定时外部系统时钟和单频网的参考时间，从而保证信号在各个功能单元内一致延时。SPI LVDS接口的MPEG-2码流由这个信道编码的调制板输入，并由其真实的接口完成，实现了信道编码的调制板不再需要额外的LVDS接口芯片。同时，由于其接口器件适应电平的能力良好，所以可直接通过计算机的并口控制内部各个寄存器，从而实现各种功能。

DMB-T系统对时域交织和字节交织两种模式同时提供支持。其中，时域交织需要使用外部的SDRAM，在读写时SDRAM还要使用倍频时钟。Stratix器件的内部建构简化了时钟的倍频，只需要信道编码调制板输出带有I和Q的基带数字，确保其接口电平为LVDS，利用器件就能够实现LVDSIO。与时域相反，字节交织能够直接使用Stratix器件内部的存储器资源，所需的存储器资源较小。另外，现阶段的信道编码调制板已经能够完成DMB-T的多个版本的发射程序调试，并实现了便捷的功能模式。