基于TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)圖片播放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘要】本文重點(diǎn)介紹了DAB數(shù)字音頻廣播TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一種應(yīng)用，在TFT顯示屏幕中顯示的圖片或文字可以通過文中提出的圖片播放系統(tǒng)成功地轉(zhuǎn)化，并在帶有VGA接口的LCD屏幕上顯示。該系統(tǒng)主要是在DAB基帶芯片中讀取數(shù)據(jù)，以STM32F103作為TPEG數(shù)據(jù)解碼和JPEG圖片解碼的芯片。通過后期測(cè)試證明該系統(tǒng)解碼速度快、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字音頻廣播；STM32；TPEG；VGA；JPEG圖片

1.引言

DAB（Digital Audio Broadcasting，數(shù)字音頻廣播）是以數(shù)字技術(shù)為手段，移動(dòng)、固定或便攜式接收機(jī)來接收由廣播機(jī)構(gòu)發(fā)出的高質(zhì)量的聲音節(jié)目（其音質(zhì)可達(dá)CD質(zhì)量）和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的技術(shù)體系[1]。隨著DAB技術(shù)的快速發(fā)展及推廣，市場(chǎng)對(duì)數(shù)字音頻廣播的需求會(huì)越來大，對(duì)其應(yīng)用要求也越來越高，對(duì)多樣化服務(wù)的要求也越來越高，比如圖片、文字信息等等。

TPEG（Transport Protocol Expert Group）協(xié)議是由歐洲廣播聯(lián)盟（EBU-European Broadcasting Union）交通旅游信息（TTI-Traffic and Travel Information）計(jì)劃小組于1997年制定的[2]。TPEG協(xié)議可以以數(shù)字音頻廣播為傳輸媒介，是實(shí)時(shí)傳送交通信息和旅游信息的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它能以文字或圖片的形式全天候提供交通、天氣等資訊。TPEG協(xié)議已被納入DAB標(biāo)準(zhǔn)之中，作為DAB的一項(xiàng)重要業(yè)務(wù)應(yīng)用。本文主要對(duì)基于TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)圖片播放系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在STM32芯片中進(jìn)行TPEG數(shù)據(jù)解碼，及JPEG解碼，最后通過VGA驅(qū)動(dòng)模塊將解碼數(shù)據(jù)輸送到LCD顯示屏上進(jìn)行顯示。

2.圖片播放系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

本文設(shè)計(jì)的基于TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)圖片播放系統(tǒng)是數(shù)字廣播Tpeg數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的一個(gè)擴(kuò)展，相比于以前的系統(tǒng)有了很大的改進(jìn)，該系統(tǒng)可以將Tpeg數(shù)據(jù)中的圖片數(shù)據(jù)解碼后在帶有VGA接口的LCD顯示屏上進(jìn)行顯示。由于系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)使它得到了更加廣泛的應(yīng)用，如電子相框、電子廣告牌等。同時(shí)該系統(tǒng)具有解碼速度快、穩(wěn)定性高、成本低、效果好、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

該系統(tǒng)主要由五大模塊構(gòu)成，它們分別是RF芯片、基帶解碼芯片、flash存儲(chǔ)芯片（4M）、MCU（STM32f103）、VGA驅(qū)動(dòng)模塊。RF芯片主要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，基帶芯片負(fù)責(zé)信源解碼和信道解碼，MCU（STM32f103）負(fù)責(zé)Jpeg數(shù)據(jù)解碼與Tpeg數(shù)據(jù)解碼，flash芯片主要是存儲(chǔ)Tpeg數(shù)據(jù)與解碼前后的圖片數(shù)據(jù)，VGA驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將解碼過后的圖片數(shù)據(jù)送入LCD顯示屏進(jìn)行顯示。

2.2 系統(tǒng)的主要硬件模塊介紹

2.2.1 基帶解碼芯片

中頻信號(hào)經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換得到一個(gè)8位并行數(shù)字信號(hào)后傳給基帶芯片，基帶芯片對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行基帶解碼。基帶解碼主要包括對(duì)DAB的信道解碼和信源解碼。同時(shí)基帶芯片可以將解碼后的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)直接輸出，以供音頻類節(jié)目的應(yīng)用。

2.2.2 STM32f103處理器

該處理器是內(nèi)核為32位的Cortex-M3處理器，最高工作頻率為72MHz，具有512KB的閃存程序存儲(chǔ)器和64KB的SRAM內(nèi)核具有突出的中斷處理能力，且其實(shí)時(shí)性高，系統(tǒng)存儲(chǔ)要求低。由于該處理器具有很強(qiáng)的處理性能，使得整個(gè)系統(tǒng)的功耗和成本得到了很大程度的降低，是系統(tǒng)中非常重要的一部分。

2.2.3 flash存儲(chǔ)芯片

FLASH存儲(chǔ)器又稱閃存，它結(jié)合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程（EEPROM）的性能，還不會(huì)斷電丟失數(shù)據(jù)同時(shí)可以快速讀取數(shù)據(jù)（NVRAM的優(yōu)勢(shì)）。本系統(tǒng)使用它主要就是存取TPEG數(shù)據(jù)與解碼前后的圖片數(shù)據(jù)。

2.2.4 VGA驅(qū)動(dòng)模塊

本模塊是整個(gè)系統(tǒng)的最后一個(gè)部分，它直接和帶VGA接口的LCD顯示屏連接。它的作用是在FSMC的作用下將解碼后的RGB圖片數(shù)據(jù)輸送到LCD顯示屏上顯示。

3.圖片播放系統(tǒng)的軟件開發(fā)

3.1 系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境

該系統(tǒng)的軟件部分主要分兩個(gè)模塊，Tpeg數(shù)據(jù)的解碼和Jpeg圖片的解碼。

本文對(duì)接收終端的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了嵌入式軟件開發(fā)中常用Keil uVision4開發(fā)平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用了C語言作為程序的開發(fā)語言，J-link作為本系統(tǒng)軟件的調(diào)試工具和程序的下載工具，同時(shí)采用SWD作為系統(tǒng)調(diào)試接口和下載方式。

3.2 Tpeg數(shù)據(jù)解碼

Tpeg數(shù)據(jù)解碼程序主要是根據(jù)TPEG協(xié)議來編寫的，在發(fā)送DAB數(shù)據(jù)前要把相關(guān)的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行TPEG編碼，而這個(gè)是完全按照它的協(xié)議來進(jìn)行的。

本文的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的解碼過程如下：數(shù)字音頻廣播以DAB傳輸幀的形式傳輸TPEG節(jié)目數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)獲得DAB節(jié)目數(shù)據(jù)后，首先對(duì)其進(jìn)行FIC解碼，根據(jù)FIC解碼結(jié)果，可以得出該DAB信號(hào)中是否有TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，確定TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)所占用的子信道位置，并從中獲取TPEG節(jié)目數(shù)據(jù)；之后該系統(tǒng)對(duì)TPEG節(jié)目數(shù)據(jù)依次進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層解碼、封裝層解碼和應(yīng)用層解碼；最終可以獲得我們需要的原圖片數(shù)據(jù)。TPEG業(yè)務(wù)的解碼流程圖如圖2所示。

圖2 TPEG解碼系統(tǒng)框圖

為了確保TPEG業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在接收過程中具有較高的安全性和較好的準(zhǔn)確性，TPEG數(shù)據(jù)幀在編碼過程中，可采用以下三個(gè)技術(shù)：一是對(duì)TPEG數(shù)據(jù)幀使用同步技術(shù)；二是對(duì)TPEG數(shù)據(jù)使用差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)；三是對(duì)TPEG數(shù)據(jù)使用加密技術(shù)。

3.3 JPEG圖片數(shù)據(jù)解碼

3.3.1 JPEG解碼器原理

本文提出的Jpeg解碼器是運(yùn)用了Huffman解碼來實(shí)現(xiàn)的。解碼的整體框架如圖3所示。

圖3 解碼框圖

在Jpeg解碼開始前，我們已經(jīng)把圖片數(shù)據(jù)在Tpeg解碼時(shí)已經(jīng)分離出來了，并且把數(shù)據(jù)存入了flash存儲(chǔ)芯片。

如圖3所示，首先從flash芯片中讀取圖片的信息頭，主要包括需要的圖像識(shí)別碼、Huffman表，量化表，圖片的高、寬，采樣因子等解碼需要的信息。然后，對(duì)圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行Humffman解碼、反量化、反離散余弦變換（IDCT）、轉(zhuǎn)換圖片數(shù)據(jù)。最后，將解碼后的圖片數(shù)據(jù)經(jīng)過VGA驅(qū)動(dòng)模塊送入到LCD顯示屏進(jìn)行顯示。

在進(jìn)行TPEG數(shù)據(jù)解碼后得到JPEG圖片數(shù)據(jù)，接下來將是圖片數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作。圖片數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是按照很多數(shù)據(jù)塊進(jìn)行的，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊分為8×8像素。數(shù)據(jù)和像素點(diǎn)是按照從左到右、從上到下的順序存儲(chǔ)的。JPEG利用Huffman亮度表和色度表分別對(duì)圖片的亮度和色度進(jìn)行解碼。解碼中需要注意的是，解碼出的直流分量DC_nr是校正值，而不是真正的DC_nr值，在加上后一個(gè)MCU解碼出來的DC_nr值才是真正直流分量。AC_nr分量解碼出來就是真正的值。用亮度和色度量化矩陣對(duì)他們進(jìn)行反量化，公式如下[3]：

量化后8×8的矩陣中，數(shù)據(jù)時(shí)按照“Z”形進(jìn)行排列的，所以要進(jìn)行反Zig-zag變換[4]。根據(jù)編碼要求，對(duì)圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行正向離散余弦變換。解碼用IDCT進(jìn)行反變換，即從頻域向時(shí)域變換。其中，反向離散余弦變換公式為：

進(jìn)行RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，我們可以注意到轉(zhuǎn)換結(jié)果，它支持的RGB范圍是（0，255），如果轉(zhuǎn)換的結(jié)果不在這個(gè)范圍內(nèi)，小于0就設(shè)置為0，大于255就設(shè)置為255。

3.3.2 反離散余弦變換

反離散余弦變換其實(shí)就是離散余弦變換的逆過程。下面主要介紹離散余弦變換DCT：

離散余弦變換是傅里葉變換的一種特殊情況。它作為一種重要的分析工具，被廣泛的應(yīng)用到離散信號(hào)頻域分析中，并作為一種編碼工具在數(shù)字圖像中得到了廣泛的應(yīng)用。離散余弦變換矩陣與圖像內(nèi)容是沒有關(guān)系的，它對(duì)所有圖像采用固定的變換矩陣，具有以下特點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜度適中、可離散性、快速算法等。

離散余弦變換的基函數(shù)為：

該公式為一個(gè)實(shí)數(shù)變換，最低頻率系數(shù)為DC系數(shù)，它作為信號(hào)的平均值，其他的變換系數(shù)稱為AC系數(shù)，與不同的頻率相對(duì)應(yīng)。

4.整個(gè)系統(tǒng)的解碼結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向分析

本文的整個(gè)系統(tǒng)其實(shí)是一個(gè)接收解碼端，它首先接受DAB信號(hào)，在信號(hào)進(jìn)入到基帶芯片后進(jìn)行信源解碼與信道解碼，成功后把數(shù)據(jù)傳入到MCU進(jìn)行TPEG解碼，從中解碼出圖片數(shù)據(jù)并存入flash存儲(chǔ)器中，然后MCU再取JPEG數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，數(shù)據(jù)再次存入flash芯片，F(xiàn)SMC控制VGA模塊從存儲(chǔ)器中取數(shù)據(jù)送入到LCD顯示屏顯示。數(shù)據(jù)流向如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流向

4.2 解碼結(jié)果

在發(fā)送端我們是將一張像素為1024× 768，大小為230KB的圖片進(jìn)行TPEG編碼，最終生成了tdc格式的文件，大小為280KB。因?yàn)樵谶M(jìn)行JPEG解碼后生成的RGB數(shù)據(jù)是會(huì)比原來的原圖片數(shù)據(jù)大很多的，而本文中使用的flash存儲(chǔ)芯片大小為4M，完全可以裝下所有的數(shù)據(jù)。

在整個(gè)系統(tǒng)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)間上的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果是在從接受到信號(hào)到JPEG解碼完成需要大約13s，而接上VGA模塊到LCD上顯示整個(gè)過程用了大約36s的時(shí)間。在圖片顯示的效果上幾乎和原圖片效果一樣。具體解碼前原圖片如圖5所示。解碼后在LCD上顯示的圖片效果如圖6所示。

5.結(jié)論

本文提出了數(shù)字廣播TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的JPEG圖像解碼的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并且整個(gè)系統(tǒng)能夠成功在LCD顯示屏是顯示圖片。該系統(tǒng)可以作為宣傳的工具或電子廣告牌使用。它作為新的數(shù)字廣播的TPEG數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，具有非常大的實(shí)用價(jià)值。隨著數(shù)字廣播的不斷推廣，該客戶群體也在不斷增加，該系統(tǒng)將會(huì)有很廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)，該系統(tǒng)作為新一代的解碼系統(tǒng)具有較高的研究與應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

萬運(yùn)龍，男，碩士研究生，主要研究方向：軟件開發(fā)與嵌入式程序設(shè)計(jì)。

陳忠勝，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式程序設(shè)計(jì)。