有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)中可編程器件的應(yīng)用初探

樂(lè)新宇

（作者單位：龍川縣廣播電視臺(tái)）

有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)中可編程器件的應(yīng)用初探

樂(lè)新宇

（作者單位：龍川縣廣播電視臺(tái)）

數(shù)字化是現(xiàn)階段信息社會(huì)發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)。其中，數(shù)字視頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于通信、多媒體、廣播電視等各個(gè)行業(yè)，特別是應(yīng)用在有線數(shù)字電視領(lǐng)域。而以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的數(shù)字電視加快了廣播電視、計(jì)算機(jī)以及通信三合一的發(fā)展進(jìn)程。文章在對(duì)有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)中大規(guī)?？删幊唐骷膽?yīng)用進(jìn)行介紹，并以DMB-T信道編碼調(diào)制單元為例，具體介紹可編程器件在有線數(shù)字電視傳輸中的應(yīng)用。

有線數(shù)字電視；傳輸技術(shù)；可編程器件

1　數(shù)字電視的特征

第一，抗干擾能力強(qiáng)。模擬電視信號(hào)在傳輸中受地面廣播狀況的干擾較為嚴(yán)重，其電視效果佳。而由于數(shù)字信號(hào)的基本信號(hào)只有高、低兩種電平。因此，及時(shí)波形受到干擾產(chǎn)生了失真問(wèn)題，只需要對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行再生，就不會(huì)影響圖片和聲音質(zhì)量。第二，圖象品質(zhì)高。與模擬制電視相比，數(shù)字電視對(duì)可能出現(xiàn)的誤碼具有糾錯(cuò)能力，并采用二進(jìn)制糾錯(cuò)技術(shù)，基本不會(huì)出現(xiàn)畫面失真的問(wèn)題。發(fā)送端編碼器質(zhì)量水平的高低決定了電視用戶的圖像和音質(zhì)質(zhì)量。第三，數(shù)字電視能夠?qū)Ω鞣N算法模型進(jìn)行不同要求的壓縮，編碼數(shù)字信號(hào)便于存儲(chǔ)和讀取，數(shù)字操作方便。第四，數(shù)字電視設(shè)備發(fā)射功率較低、利用率高，具有調(diào)整設(shè)備運(yùn)行、處理設(shè)備故障等顯著優(yōu)勢(shì)。第五，數(shù)字電視頻譜資源利用率高。每套數(shù)字電視節(jié)目經(jīng)數(shù)碼壓縮編碼后所占的頻帶寬度較窄，可向用戶播送4～6套分辨率。第六，數(shù)字電視適用于特殊專業(yè)。數(shù)字電視適宜在軍事領(lǐng)域、保密系統(tǒng)以及收費(fèi)電視等特殊業(yè)務(wù)場(chǎng)合應(yīng)用。這是由于其容易實(shí)施加密、解密等各種技術(shù)處理。

2　大規(guī)?？删幊唐骷虵PGA 設(shè)計(jì)方法

2.1可編程器件

隨著集成電路的發(fā)展，現(xiàn)階段可編程器件被廣泛應(yīng)用在硬件的邏輯設(shè)計(jì)中，可編程器件從20世紀(jì)70年代發(fā)展至今已有幾十年發(fā)展歷史，并由開(kāi)始的1200個(gè)可利用門，發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬(wàn)門的FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）芯片。目前，生產(chǎn)FPGA芯片的公司很多，最為關(guān)鍵的是Altera公司，生產(chǎn)的FPGA芯片種類和型號(hào)繁多，其具有由邏輯功能塊排成陣列，并經(jīng)過(guò)可編程的連通資源將這些邏輯功能塊進(jìn)行鏈接的共同特點(diǎn)，能夠滿足不同的設(shè)計(jì)要求。典型的FPGA通常包含三類基本資源：可編程互連資源、可編程輸入和輸出塊，以及可編程邏輯功能塊?？删幊袒ミB資源由各個(gè)長(zhǎng)度的連線線段和一些連接開(kāi)關(guān)組成，其發(fā)揮自己的功用將可編程邏輯快、可編程輸入、可編程輸出模塊進(jìn)行連接，從而形成具有特定功能的電路；可編程輸入和輸出模塊是連接口，主要分布在邏輯單元的陣列四周，能夠?qū)崿F(xiàn)外部管腳和芯片的內(nèi)部邏輯；可編程邏輯模塊由多個(gè)邏輯功能模塊規(guī)則地排成一個(gè)陣列結(jié)構(gòu)，分布在整個(gè)芯片上，是實(shí)現(xiàn)用戶功能的基本單元。另外，由于半導(dǎo)體技術(shù)工藝的發(fā)展，除上述3種資源外，目前，大規(guī)?？删幊唐骷€包括其他成分。FPGA中包含存儲(chǔ)器、數(shù)字時(shí)鐘處理單元、數(shù)學(xué)運(yùn)算單元、多電平標(biāo)準(zhǔn)兼容的I/O接口、特殊功能模塊、微處理器等。這些功能模塊通過(guò)軟件編程能夠根據(jù)系統(tǒng)需要對(duì)資源進(jìn)行調(diào)整，從而發(fā)揮出系統(tǒng)資源的不同功能。FPGA不僅具有開(kāi)發(fā)周期短、使用軟件少的特點(diǎn)，而且能解決電路系統(tǒng)小型化、低耗能、高可靠性的問(wèn)題，在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占居重要地位。

2.2FPGA 設(shè)計(jì)方法

半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促使數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和理念發(fā)生了深刻改變，增加了數(shù)字系統(tǒng)的復(fù)雜性以及快速提高了DA設(shè)計(jì)方法與工具的水平。在集成電路發(fā)展初期，設(shè)計(jì)是在晶體管級(jí)上進(jìn)行的，集成度不高，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)時(shí)主要利用CAD工具，第一代集成電路的設(shè)計(jì)方法就是如此。后來(lái)，半導(dǎo)體工藝得到改進(jìn)，出現(xiàn)了自動(dòng)局工布具，集成電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更高層次的發(fā)展，集成電路的自動(dòng)工具系統(tǒng)形成，這是第二代集成電路設(shè)計(jì)方法。直到20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了第三代EDA方法和工具，電路設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)了抽象級(jí)的發(fā)展，即FPGA設(shè)計(jì)方法。

3　基于有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)的DVB標(biāo)準(zhǔn)和MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)

3.1基于有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)的DVB 標(biāo)準(zhǔn)

有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要了解DVB標(biāo)準(zhǔn)和MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，下圖是基于DVB框架的MPEG-2傳輸流系統(tǒng)。由上文介紹可知，有線數(shù)字電視主要依據(jù)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮技術(shù)和DVB標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼技術(shù)對(duì)圖片和聲音進(jìn)行壓縮，其標(biāo)準(zhǔn)是DVB-C業(yè)務(wù)，形成一種編碼速度較低的節(jié)目流。通過(guò)幾路這種節(jié)目流之間的變換和復(fù)用，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的成碼率，并實(shí)現(xiàn)有效率的傳輸。主要由以下幾部分共同構(gòu)成DVB標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1基帶處理

基帶處理包括壓縮處理視頻、聲音信號(hào)的方法以及碼流。由于MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)具有突出的優(yōu)越性，DVB標(biāo)準(zhǔn)主要采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于聲音、圖像以及系統(tǒng)的部分標(biāo)準(zhǔn)，形成了DVB的ES和TS。另外，DVB標(biāo)準(zhǔn)在TS中還定義了很多輔助信息，能夠幫助人們選擇節(jié)目、了解節(jié)目的有關(guān)信息。

3.1.2有線數(shù)字電視DVB傳輸標(biāo)準(zhǔn)

DVB-C是有線數(shù)字電視的廣播系統(tǒng)。其主要是在CATV網(wǎng)中，對(duì)DVB規(guī)范中規(guī)定使用QAM調(diào)制方式，電視信號(hào)在同線內(nèi)的傳輸受外界干擾很少，在不同的傳輸狀態(tài)下可以采用不同的調(diào)制頻率，對(duì)于傳輸距離較遠(yuǎn)、噪音較大的系統(tǒng)，可以采用較低的調(diào)制速率；反之，則采用較高的調(diào)制速率。對(duì)于來(lái)自不同媒體的信號(hào)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括同步字節(jié)的MPEG-2傳輸層，在CATV前端，經(jīng)過(guò)復(fù)用器復(fù)用之后，對(duì)DVB傳輸流進(jìn)行了處理性概括，在進(jìn)入QAM調(diào)制器之后，會(huì)調(diào)制一種已經(jīng)被壓縮的數(shù)字電視節(jié)目電視信號(hào)，經(jīng)過(guò)上變頻器后達(dá)到CATV網(wǎng)所需的頻段。

3.2基于有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是指活動(dòng)圖像以及其伴音的通用編碼，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)不僅具有逐行掃描的規(guī)定，也有隔行掃描的規(guī)定，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)近幾年得到了完善，并獲得了廣泛應(yīng)用，如DTV、DVB和HDTV?，F(xiàn)階段，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，視頻部分。其視頻壓縮技術(shù)和視頻流的結(jié)構(gòu)與MPEG-1基本一致，主要采用視頻編解碼的方法。第二，音頻部分。其主要是指與MPEG-1音頻標(biāo)準(zhǔn)反向兼容的音頻編解碼方法。第三，系統(tǒng)部分。其是一種音頻和數(shù)據(jù)基本碼流的合成傳輸碼流和節(jié)目碼流方式，主要對(duì)多個(gè)視頻進(jìn)行描述，能夠?qū)崿F(xiàn)多路視頻、音頻以及數(shù)據(jù)應(yīng)用，還對(duì)數(shù)據(jù)流對(duì)物理層的適配進(jìn)行了規(guī)定。第四，一致性測(cè)試部分。主要對(duì)編碼碼流是否符合MPEG-2的碼流的方法。第五，參考軟件部分。主要對(duì)MPEG-2的前三部分軟件的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行描述。

4　DMB-T信道編碼調(diào)制單元

數(shù)字通信的目的是將有效可靠的信息從信源傳送到信宿，并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)誤的信宿接收。但是，信道中的噪音會(huì)對(duì)傳輸?shù)男畔a(chǎn)生影響，在一定程度上會(huì)降低信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩?。因此，有線數(shù)字電視通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是有效克服各種噪聲在信道中對(duì)所要傳輸信息的干擾，從而有效減少信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)，提升信息的可靠性。但這種構(gòu)造良好通信信道的想法受客觀條件的限制沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)有關(guān)人員對(duì)信道編碼證明后，以信道編碼的形式來(lái)克服信息傳輸?shù)膯?wèn)題。信道編碼定理主要是指，假設(shè)每一類信道都存在一定的信道容量C，即是信道的最大極限傳輸能力，當(dāng)實(shí)際傳輸速率R〈C時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一種以所要求的最小的差錯(cuò)概率形式來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠通信的信道編碼。

大規(guī)模可編程器適合數(shù)字電視廣播發(fā)展研究，數(shù)字電視廣播的研究在1999年以后使用了Altera公司的多種在當(dāng)時(shí)最新、最大規(guī)模芯片，為促進(jìn)DMB-T系統(tǒng)的發(fā)展提供了指導(dǎo)。以DMB-T發(fā)射機(jī)的信道編碼調(diào)制單元為例，文章具體介紹了其應(yīng)用于大規(guī)?？删幊唐骷倪^(guò)程。信道編碼的調(diào)制板系統(tǒng)時(shí)鐘主要由外部輸入，并利用全局時(shí)鐘的功能，全局分配敏感的定時(shí)外部系統(tǒng)時(shí)鐘和單頻網(wǎng)的參考時(shí)間，從而保證信號(hào)在各個(gè)功能單元內(nèi)一致延時(shí)。SPI LVDS接口的MPEG-2碼流由這個(gè)信道編碼的調(diào)制板輸入，并由其真實(shí)的接口完成，實(shí)現(xiàn)了信道編碼的調(diào)制板不再需要額外的LVDS接口芯片。同時(shí)，由于其接口器件適應(yīng)電平的能力良好，所以可直接通過(guò)計(jì)算機(jī)的并口控制內(nèi)部各個(gè)寄存器，從而實(shí)現(xiàn)各種功能。

DMB-T系統(tǒng)對(duì)時(shí)域交織和字節(jié)交織兩種模式同時(shí)提供支持。其中，時(shí)域交織需要使用外部的SDRAM，在讀寫時(shí)SDRAM還要使用倍頻時(shí)鐘。Stratix器件的內(nèi)部建構(gòu)簡(jiǎn)化了時(shí)鐘的倍頻，只需要信道編碼調(diào)制板輸出帶有I和Q的基帶數(shù)字，確保其接口電平為L(zhǎng)VDS，利用器件就能夠?qū)崿F(xiàn)LVDSIO。與時(shí)域相反，字節(jié)交織能夠直接使用Stratix器件內(nèi)部的存儲(chǔ)器資源，所需的存儲(chǔ)器資源較小。另外，現(xiàn)階段的信道編碼調(diào)制板已經(jīng)能夠完成DMB-T的多個(gè)版本的發(fā)射程序調(diào)試，并實(shí)現(xiàn)了便捷的功能模式。

5　結(jié)語(yǔ)

中國(guó)有線數(shù)字電視、半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，使大規(guī)模的可編程器件功能不斷提高，可編程器件在一些對(duì)成本要求不高、對(duì)在線升級(jí)要求較低的應(yīng)用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。因此，有關(guān)人員要著重利用新科技，加強(qiáng)有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)中可編程器件的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)我國(guó)有線數(shù)字電視傳播的穩(wěn)定、快速發(fā)展。

［1］鐘玉琢，王琪.MPEG-2運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及MPEG的新進(jìn)展［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［2］付國(guó)映，趙利，陳文全，等.MPEG-2傳輸流復(fù)用器中編碼模型的研究［J］.電視技術(shù)，2003（10）.

［3］徐蕾，徐重陽(yáng)，鄭立新，等.基于MPEG-2文件的合并［J］.有線電視技術(shù)，2003（4）.

［4］王金礎(chǔ)，葉瑋，余松煜.HDTV視頻編碼系統(tǒng)的同步信息設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2003（3）.

［5］武學(xué)斌，薛永林.用于DVB-S2的LDPC編碼器設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2007（8）.

樂(lè)新宇（1974-），男，廣東龍川人，本科，工程師。研究方向：廣播電視技術(shù)。