國標(biāo)數(shù)字電視測量接收機軟件系統(tǒng)設(shè)計

王 超，張曉林

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

隨著數(shù)字電視的發(fā)展，數(shù)字電視接收機作為數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的終端設(shè)備得到了越來越廣泛的重視?，F(xiàn)階段市面上的接收機大多缺少測量工作模式參數(shù)的功能，無法滿足國家級實驗以及廠家或機構(gòu)標(biāo)準性能測試的要求，這種情況下就提出了同時具備數(shù)字電視接收與測試功能的接收機需求。這種接收機在不同的地理環(huán)境下進行數(shù)字電視信號測量時，能夠獲得更加準確的技術(shù)參數(shù)，不但為接收機性能檢測提供便利，同時也為不同地理環(huán)境信號分布圖的繪制提供了良好的數(shù)據(jù)支持。

筆者介紹了符合國家標(biāo)準的地面數(shù)字電視測量接收機軟件系統(tǒng)的設(shè)計方案[1-2]，主要介紹了設(shè)計中采用的VMI三層架構(gòu),并對于地面數(shù)字電視國家標(biāo)準工作模式參數(shù)監(jiān)測流程和節(jié)目專用信息碼流分析方法作了介紹。該軟件系統(tǒng)通過靈活的模塊化設(shè)計，完成了包括測量工作模式參數(shù)及碼流分析于一體的系統(tǒng)功能，滿足了在實際測量中提出的應(yīng)用需求。

2 測量接收機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述[1，3-5]

國標(biāo)數(shù)字電視測量接收機系統(tǒng)（見圖1）主要包括兩部分：信道解調(diào)部分和信源解碼部分。信道解調(diào)部分通過地面調(diào)諧器Tuner和信道解調(diào)芯片對信號進行處理產(chǎn)生TS碼流。信源解碼部分包括處理器和解碼器，負責(zé)對發(fā)送來的TS數(shù)據(jù)流進行分析、處理，并對得到的視音頻數(shù)據(jù)進行解碼、輸出到顯示終端。信道解調(diào)與信源解碼部分之間通過I2C總線完成數(shù)據(jù)命令交互。信源解碼部分會通過I2C總線向信道解調(diào)芯片設(shè)置接收數(shù)據(jù)參數(shù)，同時也通過I2C總線向信道解調(diào)芯片讀取國標(biāo)接收機的工作模式參數(shù)。國標(biāo)工作模式參數(shù)主要包括FEC碼率、交織模式、載波模式、導(dǎo)頻模式、幀頭旋轉(zhuǎn)模式、幀頭長度等。

圖1 測量接收機整體結(jié)構(gòu)圖

接收機信源解碼板采用ARM內(nèi)核處理芯片，可同時支持MPEG-2和H.264解碼，并添加相關(guān)的嵌入式外圍設(shè)備和各種通信接口。軟件方面采用嵌入式Linux+MiniGUI作為軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺[6]。U-boot引導(dǎo)程序與嵌入式Linux內(nèi)核、BusyBox文件系統(tǒng)共同組成了嵌入式系統(tǒng)的基本運行環(huán)境。

3 測量接收機軟件系統(tǒng)設(shè)計方案

國標(biāo)數(shù)字電視測量接收機軟件系統(tǒng)設(shè)計采用VMI（Virtual Machine Interface）三層結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)界面、邏輯模型、底層接口三層，層次更加清晰，便于代碼的修改與模塊的更新，如圖2所示。

圖2 測量接收機軟件結(jié)構(gòu)框圖

1）應(yīng)用界面層（App&UI Layer），即以上提到的系統(tǒng)界面層，主要涉及軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)及界面設(shè)計。

2）中間層（Middle Layer），即以上提到的邏輯模型，主要涉及系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理邏輯，具有承上啟下的作用，包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理（Data Management）、節(jié)目專用信息數(shù)據(jù)存儲 （PSI Database）、設(shè)備訪問控制獨立接口（Device Porting API）、MiniGUI應(yīng)用運行平臺等多個子模塊。

3）軟件開發(fā)應(yīng)用層（SDK API Layer），即上面提到的底層接口，主要涉及軟件系統(tǒng)底層設(shè)備交互接口，作為底層硬件功能抽象層，以硬件功能為對象，提供具有獨立性、完備性、基礎(chǔ)性的設(shè)備訪問控制接口，同時對于功能進行分類，為上層提供靈活、便利的應(yīng)用開發(fā)接口。

層次化的模塊劃分在實際的開發(fā)過程中更有利于代碼的修改與維護，保證了各模塊的獨立性，提高了模塊內(nèi)部及模塊之間高內(nèi)聚低耦合的特性。

4 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

國標(biāo)數(shù)字電視測量接收機系統(tǒng)軟件完成了碼流分析處理和國標(biāo)工作模式參數(shù)測量于一體的功能。通過軟件系統(tǒng)實時控制并監(jiān)測信道解調(diào)部分，設(shè)置或采集信號的工作模式參數(shù)，提供了非常便利的測量方法。

4.1 地面數(shù)字電視國標(biāo)工作模式參數(shù)監(jiān)測

運行時系統(tǒng)啟動工作參數(shù)監(jiān)測線程，實時監(jiān)測信道解調(diào)處理芯片LGS8G52中各寄存器的狀態(tài)，通過調(diào)用系統(tǒng)設(shè)備訪問控制獨立接口中Tuner Control控制模塊完成對于解調(diào)部分操作的所有功能。測量接收機信道解調(diào)部分和信源解碼部分間的通信由I2C總線控制，信源方面同時控制信道解調(diào)處理芯片，設(shè)置頻率接收該中心頻率下的射頻信號，Tuner及解調(diào)芯片對于信號進行解調(diào)處理，將所獲得的國標(biāo)工作模式參數(shù)存入指定寄存器，通過I2C總線讀寄存器獲得相應(yīng)工作模式參數(shù)內(nèi)容。

軟件系統(tǒng)部分整個工作模式參數(shù)監(jiān)測處理流程如圖3所示：開始-建立連接-設(shè)置MPEG格式-選擇ADC類型-選擇調(diào)諧器類型-初始化調(diào)諧器-設(shè)置頻率-設(shè)置自動監(jiān)測模式-自動監(jiān)測-設(shè)置成手動監(jiān)測模式-結(jié)束。通過調(diào)用函數(shù)tuner_set_params啟動監(jiān)測處理流程，自動監(jiān)測中系統(tǒng)會對于國標(biāo)每一種工作模式進行匹配，以確定當(dāng)前接收信號解調(diào)碼流的工作模式，若匹配成功則把對應(yīng)的國標(biāo)工作模式參數(shù)存入寄存器中。整個過程軟件系統(tǒng)對于Tuner及解調(diào)芯片的基本操作都是調(diào)用底層的I2C接口進行相應(yīng)的讀寫操作的。軟件系統(tǒng)會在這一過程中把解碼芯片寄存器中的國標(biāo)工作模式參數(shù)保存到對應(yīng)的系統(tǒng)變量中，并調(diào)用LCDDrawWindow液晶顯示函數(shù)將監(jiān)測到的工作模式參數(shù)顯示到接收機液晶屏上。

圖3 國標(biāo)工作模式參數(shù)監(jiān)測流程圖

4.2 節(jié)目專用信息分析

測量接收機信源部分接收的是TS碼流，一般TS碼流都是由視頻PES、音頻PES以及輔助數(shù)據(jù)復(fù)用構(gòu)成，如果一個電視頻道內(nèi)傳輸多套電視節(jié)目，則可以稱為多路節(jié)目的雙層復(fù)用。在信源解碼過程中，為了重建原來的ES，就要追蹤從不同ES來的TS包及其PID，因此，在MPEG-2 TS碼流中必須包含為測量接收機提供選擇控制的專用信息，以此來幫助接收端有選擇地解碼。MEPG-2系統(tǒng)標(biāo)準中定義了節(jié)目專用信息PSI（Program Specific Information），這是TS碼流中非常重要的組成部分。本測量接收機主要是針對PSI信息中的節(jié)目關(guān)聯(lián)表PAT（Program Association Table）和節(jié)目映射表 PMT（Program Mapping Table）進行處理。

正如前述系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)所介紹的，軟件中間層節(jié)目專用信息數(shù)據(jù)存儲模塊包含著對于節(jié)目專用信息PSI的分析、篩選及存儲。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，在實現(xiàn)過程中又將每一種類的節(jié)目專用信息PSI（如PAT，PMT）作為一個獨立的小模塊處理。主程序在初始化過程中就已經(jīng)啟動了節(jié)目專用控制信息PSI線程DBManager，線程DBManager會實時監(jiān)測和控制與節(jié)目信息相關(guān)的各類模塊。正如圖4中所示，線程DBManager控制著節(jié)目關(guān)聯(lián)表PAT處理模塊和節(jié)目映射表PMT處理模塊，對于TS包中的內(nèi)容進行分析，獲取有用的信息，并將得到的數(shù)據(jù)存儲在本地嵌入式Linux文件系統(tǒng)中，當(dāng)需要的時候再去調(diào)用[6]。

圖4 節(jié)目專用信息分析處理結(jié)構(gòu)圖

4.3 人機交互接口設(shè)計

測量接收機軟件系統(tǒng)人機交互接口采用兩種控制方式，一種通過測量接收機前面板液晶顯示器控制按鈕進行操作，另一種通過紅外線遙控器進行操作。操作過程中系統(tǒng)調(diào)用檢測按鍵的函數(shù)SetKeyMap，參數(shù)包括按鍵索引值KeyIndex和鍵值KeyValue。液晶顯示器控制按鈕和紅外遙控按鈕通過索引值KeyIndex與系統(tǒng)狀態(tài)鍵值KeyValue相互關(guān)聯(lián)，控制系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

接收機軟件系統(tǒng)開發(fā)采用MiniGUI的GUI庫，整個GUI設(shè)計主要是通過狀態(tài)機形式完成。系統(tǒng)首先調(diào)用GUI函數(shù)進入系統(tǒng)界面，然后轉(zhuǎn)入狀態(tài)循環(huán)，每一個主要功能關(guān)聯(lián)著一個系統(tǒng)狀態(tài)，通過功能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)會自動切換到不同狀態(tài)。測量接收機主要包括數(shù)字電視顯示、主選單、節(jié)目搜索、頻率設(shè)置等基本基本功能。

5 系統(tǒng)測試

在實驗室條件下進行測試，搭建實驗環(huán)境：連接PEONY MDW1697AS型HDTV信號發(fā)生器、北航BHTBT-02數(shù)字電視地面廣播傳輸標(biāo)準調(diào)制器、國標(biāo)測量接收機和高清數(shù)字電視，并啟動設(shè)備。信號發(fā)生器產(chǎn)生高清（或標(biāo)清）MPEG-2 TS碼流輸入至調(diào)制器，調(diào)制器經(jīng)過調(diào)制將產(chǎn)生的RF射頻信號輸出給測量接收機，接收機通過對信號解調(diào)解碼顯示高清（或標(biāo)清）電視節(jié)目。通過不斷更改調(diào)制器國標(biāo)工作模式參數(shù)及中心頻率檢測測量接收機的接收情況。由于國標(biāo)工作模式較多，選擇一些常用的國標(biāo)工作模式進行檢測。

6 小結(jié)

經(jīng)過多次測試和不斷完善，國標(biāo)數(shù)字電視測量接收機軟件系統(tǒng)已經(jīng)通過了功能驗證，并已應(yīng)用于某型國標(biāo)數(shù)字電視測量接收機的整體設(shè)計和制作中。國標(biāo)數(shù)字電視測量接收機的實現(xiàn)，可以滿足國家級實驗以及廠家或機構(gòu)標(biāo)準性能測試的應(yīng)用需求，為在不同地區(qū)進行單頻網(wǎng)和數(shù)字電視信號性能參數(shù)測試提供了更加準確的數(shù)據(jù)支持。

表1 國標(biāo)工作模式參數(shù)測試結(jié)果

[1]張曉林.數(shù)字電視設(shè)計原理[M].北京：高等教育出版社，2008.

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