有線數字電視傳輸技術中可編程器件的應用初探

樂新宇

（作者單位：龍川縣廣播電視臺）

有線數字電視傳輸技術中可編程器件的應用初探

樂新宇

（作者單位：龍川縣廣播電視臺）

數字化是現階段信息社會發展的先進技術。其中，數字視頻技術被廣泛應用于通信、多媒體、廣播電視等各個行業，特別是應用在有線數字電視領域。而以MPEG-2標準為基礎的數字電視加快了廣播電視、計算機以及通信三合一的發展進程。文章在對有線數字電視傳輸技術中大規模可編程器件的應用進行介紹，并以DMB-T信道編碼調制單元為例，具體介紹可編程器件在有線數字電視傳輸中的應用。

有線數字電視；傳輸技術；可編程器件

1　數字電視的特征

第一，抗干擾能力強。模擬電視信號在傳輸中受地面廣播狀況的干擾較為嚴重，其電視效果佳。而由于數字信號的基本信號只有高、低兩種電平。因此，及時波形受到干擾產生了失真問題，只需要對信號波形進行再生，就不會影響圖片和聲音質量。第二，圖象品質高。與模擬制電視相比，數字電視對可能出現的誤碼具有糾錯能力，并采用二進制糾錯技術，基本不會出現畫面失真的問題。發送端編碼器質量水平的高低決定了電視用戶的圖像和音質質量。第三，數字電視能夠對各種算法模型進行不同要求的壓縮，編碼數字信號便于存儲和讀取，數字操作方便。第四，數字電視設備發射功率較低、利用率高，具有調整設備運行、處理設備故障等顯著優勢。第五，數字電視頻譜資源利用率高。每套數字電視節目經數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，數字電視適用于特殊專業。數字電視適宜在軍事領域、保密系統以及收費電視等特殊業務場合應用。這是由于其容易實施加密、解密等各種技術處理。

2　大規模可編程器件和FPGA 設計方法

2.1可編程器件

隨著集成電路的發展，現階段可編程器件被廣泛應用在硬件的邏輯設計中，可編程器件從20世紀70年代發展至今已有幾十年發展歷史，并由開始的1200個可利用門，發展到現在的幾百萬門的FPGA（現場可編程門陣列）芯片。目前，生產FPGA芯片的公司很多，最為關鍵的是Altera公司，生產的FPGA芯片種類和型號繁多，其具有由邏輯功能塊排成陣列，并經過可編程的連通資源將這些邏輯功能塊進行鏈接的共同特點，能夠滿足不同的設計要求。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。可編程互連資源由各個長度的連線線段和一些連接開關組成，其發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，能夠實現外部管腳和芯片的內部邏輯；可編程邏輯模塊由多個邏輯功能模塊規則地排成一個陣列結構，分布在整個芯片上，是實現用戶功能的基本單元。另外，由于半導體技術工藝的發展，除上述3種資源外，目前，大規模可編程器件還包括其他成分。FPGA中包含存儲器、數字時鐘處理單元、數學運算單元、多電平標準兼容的I/O接口、特殊功能模塊、微處理器等。這些功能模塊通過軟件編程能夠根據系統需要對資源進行調整，從而發揮出系統資源的不同功能。FPGA不僅具有開發周期短、使用軟件少的特點，而且能解決電路系統小型化、低耗能、高可靠性的問題，在現代數字系統設計中占居重要地位。

2.2FPGA 設計方法

半導體技術和計算機技術的發展促使數字系統設計方法和理念發生了深刻改變，增加了數字系統的復雜性以及快速提高了DA設計方法與工具的水平。在集成電路發展初期，設計是在晶體管級上進行的，集成度不高，設計人員在進行版圖設計時主要利用CAD工具，第一代集成電路的設計方法就是如此。后來，半導體工藝得到改進，出現了自動局工布具，集成電路的設計實現了更高層次的發展，集成電路的自動工具系統形成，這是第二代集成電路設計方法。直到20世紀90年代，出現了第三代EDA方法和工具，電路設計工作實現了抽象級的發展，即FPGA設計方法。

3　基于有線數字電視傳輸技術的DVB標準和MPEG-2 標準

3.1基于有線數字電視傳輸技術的DVB 標準

有線數字電視傳輸技術的實現需要了解DVB標準和MPEG-2標準，下圖是基于DVB框架的MPEG-2傳輸流系統。由上文介紹可知，有線數字電視主要依據MPEG-2標準的圖像壓縮技術和DVB標準的信道編碼技術對圖片和聲音進行壓縮，其標準是DVB-C業務，形成一種編碼速度較低的節目流。通過幾路這種節目流之間的變換和復用，能夠實現較高的成碼率，并實現有效率的傳輸。主要由以下幾部分共同構成DVB標準。

3.1.1基帶處理

基帶處理包括壓縮處理視頻、聲音信號的方法以及碼流。由于MPEG-2標準具有突出的優越性，DVB標準主要采用了MPEG-2標準中關于聲音、圖像以及系統的部分標準，形成了DVB的ES和TS。另外，DVB標準在TS中還定義了很多輔助信息，能夠幫助人們選擇節目、了解節目的有關信息。

3.1.2有線數字電視DVB傳輸標準

DVB-C是有線數字電視的廣播系統。其主要是在CATV網中，對DVB規范中規定使用QAM調制方式，電視信號在同線內的傳輸受外界干擾很少，在不同的傳輸狀態下可以采用不同的調制頻率，對于傳輸距離較遠、噪音較大的系統，可以采用較低的調制速率；反之，則采用較高的調制速率。對于來自不同媒體的信號，其數據結構包括同步字節的MPEG-2傳輸層，在CATV前端，經過復用器復用之后，對DVB傳輸流進行了處理性概括，在進入QAM調制器之后，會調制一種已經被壓縮的數字電視節目電視信號，經過上變頻器后達到CATV網所需的頻段。

3.2基于有線數字電視傳輸技術的MPEG-2標準

MPEG-2標準是指活動圖像以及其伴音的通用編碼，MPEG-2標準不僅具有逐行掃描的規定，也有隔行掃描的規定，MPEG-2標準近幾年得到了完善，并獲得了廣泛應用，如DTV、DVB和HDTV。現階段，MPEG-2標準主要體現在以下幾個方面。

第一，視頻部分。其視頻壓縮技術和視頻流的結構與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音頻標準反向兼容的音頻編解碼方法。第三，系統部分。其是一種音頻和數據基本碼流的合成傳輸碼流和節目碼流方式，主要對多個視頻進行描述，能夠實現多路視頻、音頻以及數據應用，還對數據流對物理層的適配進行了規定。第四，一致性測試部分。主要對編碼碼流是否符合MPEG-2的碼流的方法。第五，參考軟件部分。主要對MPEG-2的前三部分軟件的實現方法進行描述。

4　DMB-T信道編碼調制單元

數字通信的目的是將有效可靠的信息從信源傳送到信宿，并實現準確無誤的信宿接收。但是，信道中的噪音會對傳輸的信息產生影響，在一定程度上會降低信息傳輸的可靠性和安全性。因此，有線數字電視通信系統設計的一個關鍵問題就是有效克服各種噪聲在信道中對所要傳輸信息的干擾，從而有效減少信息傳輸的差錯，提升信息的可靠性。但這種構造良好通信信道的想法受客觀條件的限制沒有實現，而是通過有關人員對信道編碼證明后，以信道編碼的形式來克服信息傳輸的問題。信道編碼定理主要是指，假設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，當實際傳輸速率R〈C時，就會出現一種以所要求的最小的差錯概率形式來實現可靠通信的信道編碼。

大規模可編程器適合數字電視廣播發展研究，數字電視廣播的研究在1999年以后使用了Altera公司的多種在當時最新、最大規模芯片，為促進DMB-T系統的發展提供了指導。以DMB-T發射機的信道編碼調制單元為例，文章具體介紹了其應用于大規模可編程器件的過程。信道編碼的調制板系統時鐘主要由外部輸入，并利用全局時鐘的功能，全局分配敏感的定時外部系統時鐘和單頻網的參考時間，從而保證信號在各個功能單元內一致延時。SPI LVDS接口的MPEG-2碼流由這個信道編碼的調制板輸入，并由其真實的接口完成，實現了信道編碼的調制板不再需要額外的LVDS接口芯片。同時，由于其接口器件適應電平的能力良好，所以可直接通過計算機的并口控制內部各個寄存器，從而實現各種功能。

DMB-T系統對時域交織和字節交織兩種模式同時提供支持。其中，時域交織需要使用外部的SDRAM，在讀寫時SDRAM還要使用倍頻時鐘。Stratix器件的內部建構簡化了時鐘的倍頻，只需要信道編碼調制板輸出帶有I和Q的基帶數字，確保其接口電平為LVDS，利用器件就能夠實現LVDSIO。與時域相反，字節交織能夠直接使用Stratix器件內部的存儲器資源，所需的存儲器資源較小。另外，現階段的信道編碼調制板已經能夠完成DMB-T的多個版本的發射程序調試，并實現了便捷的功能模式。

5　結語

中國有線數字電視、半導體技術的不斷發展，使大規模的可編程器件功能不斷提高，可編程器件在一些對成本要求不高、對在線升級要求較低的應用中發揮著越來越重要的作用。因此，有關人員要著重利用新科技，加強有線數字電視傳輸技術中可編程器件的應用，從而實現我國有線數字電視傳播的穩定、快速發展。

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