國(guó)標(biāo)數(shù)字電視測(cè)量接收機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)作為數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的終端設(shè)備得到了越來(lái)越廣泛的重視。現(xiàn)階段市面上的接收機(jī)大多缺少測(cè)量工作模式參數(shù)的功能，無(wú)法滿足國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)以及廠家或機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試的要求，這種情況下就提出了同時(shí)具備數(shù)字電視接收與測(cè)試功能的接收機(jī)需求。這種接收機(jī)在不同的地理環(huán)境下進(jìn)行數(shù)字電視信號(hào)測(cè)量時(shí)，能夠獲得更加準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，不但為接收機(jī)性能檢測(cè)提供便利，同時(shí)也為不同地理環(huán)境信號(hào)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的地面數(shù)字電視測(cè)量接收機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[1-2]，主要介紹了設(shè)計(jì)中采用的VMI三層架構(gòu),并對(duì)于地面數(shù)字電視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)工作模式參數(shù)監(jiān)測(cè)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(guò)靈活的模塊化設(shè)計(jì)，完成了包括測(cè)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(shí)際測(cè)量中提出的應(yīng)用需求。

2 測(cè)量接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述[1，3-5]

國(guó)標(biāo)數(shù)字電視測(cè)量接收機(jī)系統(tǒng)（見(jiàn)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(guò)地面調(diào)諧器Tuner和信道解調(diào)芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)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(fù)責(zé)對(duì)發(fā)送來(lái)的TS數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析、處理，并對(duì)得到的視音頻數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)I2C總線完成數(shù)據(jù)命令交互。信源解碼部分會(huì)通過(guò)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(shí)也通過(guò)I2C總線向信道解調(diào)芯片讀取國(guó)標(biāo)接收機(jī)的工作模式參數(shù)。國(guó)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(zhǎng)度等。

圖1 測(cè)量接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

接收機(jī)信源解碼板采用ARM內(nèi)核處理芯片，可同時(shí)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(kāi)發(fā)平臺(tái)[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(yùn)行環(huán)境。

3 測(cè)量接收機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

國(guó)標(biāo)數(shù)字電視測(cè)量接收機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)量接收機(jī)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(jì)。

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(chǔ) （PSI Database）、設(shè)備訪問(wèn)控制獨(dú)立接口（Device Porting API）、MiniGUI應(yīng)用運(yùn)行平臺(tái)等多個(gè)子模塊。

3）軟件開(kāi)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(duì)象，提供具有獨(dú)立性、完備性、基礎(chǔ)性的設(shè)備訪問(wèn)控制接口，同時(shí)對(duì)于功能進(jìn)行分類，為上層提供靈活、便利的應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口。

層次化的模塊劃分在實(shí)際的開(kāi)發(fā)過(guò)程中更有利于代碼的修改與維護(hù)，保證了各模塊的獨(dú)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(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

國(guó)標(biāo)數(shù)字電視測(cè)量接收機(jī)系統(tǒng)軟件完成了碼流分析處理和國(guó)標(biāo)工作模式參數(shù)測(cè)量于一體的功能。通過(guò)軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制并監(jiān)測(cè)信道解調(diào)部分，設(shè)置或采集信號(hào)的工作模式參數(shù)，提供了非常便利的測(cè)量方法。

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

運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)工作參數(shù)監(jiān)測(cè)線程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道解調(diào)處理芯片LGS8G52中各寄存器的狀態(tài)，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)設(shè)備訪問(wèn)控制獨(dú)立接口中Tuner Control控制模塊完成對(duì)于解調(diào)部分操作的所有功能。測(cè)量接收機(jī)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(shí)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(hào)，Tuner及解調(diào)芯片對(duì)于信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，將所獲得的國(guó)標(biāo)工作模式參數(shù)存入指定寄存器，通過(guò)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(gè)工作模式參數(shù)監(jiān)測(cè)處理流程如圖3所示：開(kāi)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(dòng)監(jiān)測(cè)模式-自動(dòng)監(jiān)測(cè)-設(shè)置成手動(dòng)監(jiān)測(cè)模式-結(jié)束。通過(guò)調(diào)用函數(shù)tuner_set_params啟動(dòng)監(jiān)測(cè)處理流程，自動(dòng)監(jiān)測(cè)中系統(tǒng)會(huì)對(duì)于國(guó)標(biāo)每一種工作模式進(jìn)行匹配，以確定當(dāng)前接收信號(hào)解調(diào)碼流的工作模式，若匹配成功則把對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)工作模式參數(shù)存入寄存器中。整個(gè)過(guò)程軟件系統(tǒng)對(duì)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(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)操作的。軟件系統(tǒng)會(huì)在這一過(guò)程中把解碼芯片寄存器中的國(guó)標(biāo)工作模式參數(shù)保存到對(duì)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(cè)到的工作模式參數(shù)顯示到接收機(jī)液晶屏上。

圖3 國(guó)標(biāo)工作模式參數(shù)監(jiān)測(cè)流程圖

4.2 節(jié)目專用信息分析

測(cè)量接收機(jī)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(gè)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(guò)程中，為了重建原來(lái)的ES，就要追蹤從不同ES來(lái)的TS包及其PID，因此，在MPEG-2 TS碼流中必須包含為測(cè)量接收機(jī)提供選擇控制的專用信息，以此來(lái)幫助接收端有選擇地解碼。MEPG-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量接收機(jī)主要是針對(duì)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(jìn)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(chǔ)模塊包含著對(duì)于節(jié)目專用信息PSI的分析、篩選及存儲(chǔ)。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中又將每一種類的節(jié)目專用信息PSI（如PAT，PMT）作為一個(gè)獨(dú)立的小模塊處理。主程序在初始化過(guò)程中就已經(jīng)啟動(dòng)了節(jié)目專用控制信息PSI線程DBManager，線程DBManager會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)于TS包中的內(nèi)容進(jìn)行分析，獲取有用的信息，并將得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地嵌入式Linux文件系統(tǒng)中，當(dāng)需要的時(shí)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(jī)交互接口設(shè)計(jì)

測(cè)量接收機(jī)軟件系統(tǒng)人機(jī)交互接口采用兩種控制方式，一種通過(guò)測(cè)量接收機(jī)前面板液晶顯示器控制按鈕進(jìn)行操作，另一種通過(guò)紅外線遙控器進(jìn)行操作。操作過(guò)程中系統(tǒng)調(diào)用檢測(cè)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(guò)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(jī)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用MiniGUI的GUI庫(kù)，整個(gè)GUI設(shè)計(jì)主要是通過(guò)狀態(tài)機(jī)形式完成。系統(tǒng)首先調(diào)用GUI函數(shù)進(jìn)入系統(tǒng)界面，然后轉(zhuǎn)入狀態(tài)循環(huán)，每一個(gè)主要功能關(guān)聯(lián)著一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，通過(guò)功能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到不同狀態(tài)。測(cè)量接收機(jī)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(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測(cè)試，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境：連接PEONY MDW1697AS型HDTV信號(hào)發(fā)生器、北航BHTBT-02數(shù)字電視地面廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制器、國(guó)標(biāo)測(cè)量接收機(jī)和高清數(shù)字電視，并啟動(dòng)設(shè)備。信號(hào)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(guò)調(diào)制將產(chǎn)生的RF射頻信號(hào)輸出給測(cè)量接收機(jī)，接收機(jī)通過(guò)對(duì)信號(hào)解調(diào)解碼顯示高清（或標(biāo)清）電視節(jié)目。通過(guò)不斷更改調(diào)制器國(guó)標(biāo)工作模式參數(shù)及中心頻率檢測(cè)測(cè)量接收機(jī)的接收情況。由于國(guó)標(biāo)工作模式較多，選擇一些常用的國(guó)標(biāo)工作模式進(jìn)行檢測(cè)。

6 小結(jié)

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和不斷完善，國(guó)標(biāo)數(shù)字電視測(cè)量接收機(jī)軟件系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)了功能驗(yàn)證，并已應(yīng)用于某型國(guó)標(biāo)數(shù)字電視測(cè)量接收機(jī)的整體設(shè)計(jì)和制作中。國(guó)標(biāo)數(shù)字電視測(cè)量接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)，可以滿足國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)以及廠家或機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試的應(yīng)用需求，為在不同地區(qū)進(jìn)行單頻網(wǎng)和數(shù)字電視信號(hào)性能參數(shù)測(cè)試提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

表1 國(guó)標(biāo)工作模式參數(shù)測(cè)試結(jié)果

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