国标数字电视测量接收机软件系统设计

王 超，张晓林

（北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100083）

1 引言

随着数字电视的发展，数字电视接收机作为数字电视广播系统的终端设备得到了越来越广泛的重视。现阶段市面上的接收机大多缺少测量工作模式参数的功能，无法满足国家级实验以及厂家或机构标准性能测试的要求，这种情况下就提出了同时具备数字电视接收与测试功能的接收机需求。这种接收机在不同的地理环境下进行数字电视信号测量时，能够获得更加准确的技术参数，不但为接收机性能检测提供便利，同时也为不同地理环境信号分布图的绘制提供了良好的数据支持。

笔者介绍了符合国家标准的地面数字电视测量接收机软件系统的设计方案[1-2]，主要介绍了设计中采用的VMI三层架构,并对于地面数字电视国家标准工作模式参数监测流程和节目专用信息码流分析方法作了介绍。该软件系统通过灵活的模块化设计，完成了包括测量工作模式参数及码流分析于一体的系统功能，满足了在实际测量中提出的应用需求。

2 测量接收机系统结构概述[1，3-5]

国标数字电视测量接收机系统（见图1）主要包括两部分：信道解调部分和信源解码部分。信道解调部分通过地面调谐器Tuner和信道解调芯片对信号进行处理产生TS码流。信源解码部分包括处理器和解码器，负责对发送来的TS数据流进行分析、处理，并对得到的视音频数据进行解码、输出到显示终端。信道解调与信源解码部分之间通过I2C总线完成数据命令交互。信源解码部分会通过I2C总线向信道解调芯片设置接收数据参数，同时也通过I2C总线向信道解调芯片读取国标接收机的工作模式参数。国标工作模式参数主要包括FEC码率、交织模式、载波模式、导频模式、帧头旋转模式、帧头长度等。

图1 测量接收机整体结构图

接收机信源解码板采用ARM内核处理芯片，可同时支持MPEG-2和H.264解码，并添加相关的嵌入式外围设备和各种通信接口。软件方面采用嵌入式Linux+MiniGUI作为软件系统开发平台[6]。U-boot引导程序与嵌入式Linux内核、BusyBox文件系统共同组成了嵌入式系统的基本运行环境。

3 测量接收机软件系统设计方案

国标数字电视测量接收机软件系统设计采用VMI（Virtual Machine Interface）三层结构，软件系统划分为系统界面、逻辑模型、底层接口三层，层次更加清晰，便于代码的修改与模块的更新，如图2所示。

图2 测量接收机软件结构框图

1）应用界面层（App&UI Layer），即以上提到的系统界面层，主要涉及软件系统总体架构及界面设计。

2）中间层（Middle Layer），即以上提到的逻辑模型，主要涉及系统数据处理逻辑，具有承上启下的作用，包括系统数据管理（Data Management）、节目专用信息数据存储 （PSI Database）、设备访问控制独立接口（Device Porting API）、MiniGUI应用运行平台等多个子模块。

3）软件开发应用层（SDK API Layer），即上面提到的底层接口，主要涉及软件系统底层设备交互接口，作为底层硬件功能抽象层，以硬件功能为对象，提供具有独立性、完备性、基础性的设备访问控制接口，同时对于功能进行分类，为上层提供灵活、便利的应用开发接口。

层次化的模块划分在实际的开发过程中更有利于代码的修改与维护，保证了各模块的独立性，提高了模块内部及模块之间高内聚低耦合的特性。

4 系统设计关键技术分析

国标数字电视测量接收机系统软件完成了码流分析处理和国标工作模式参数测量于一体的功能。通过软件系统实时控制并监测信道解调部分，设置或采集信号的工作模式参数，提供了非常便利的测量方法。

4.1 地面数字电视国标工作模式参数监测

运行时系统启动工作参数监测线程，实时监测信道解调处理芯片LGS8G52中各寄存器的状态，通过调用系统设备访问控制独立接口中Tuner Control控制模块完成对于解调部分操作的所有功能。测量接收机信道解调部分和信源解码部分间的通信由I2C总线控制，信源方面同时控制信道解调处理芯片，设置频率接收该中心频率下的射频信号，Tuner及解调芯片对于信号进行解调处理，将所获得的国标工作模式参数存入指定寄存器，通过I2C总线读寄存器获得相应工作模式参数内容。

软件系统部分整个工作模式参数监测处理流程如图3所示：开始-建立连接-设置MPEG格式-选择ADC类型-选择调谐器类型-初始化调谐器-设置频率-设置自动监测模式-自动监测-设置成手动监测模式-结束。通过调用函数tuner_set_params启动监测处理流程，自动监测中系统会对于国标每一种工作模式进行匹配，以确定当前接收信号解调码流的工作模式，若匹配成功则把对应的国标工作模式参数存入寄存器中。整个过程软件系统对于Tuner及解调芯片的基本操作都是调用底层的I2C接口进行相应的读写操作的。软件系统会在这一过程中把解码芯片寄存器中的国标工作模式参数保存到对应的系统变量中，并调用LCDDrawWindow液晶显示函数将监测到的工作模式参数显示到接收机液晶屏上。

图3 国标工作模式参数监测流程图

4.2 节目专用信息分析

测量接收机信源部分接收的是TS码流，一般TS码流都是由视频PES、音频PES以及辅助数据复用构成，如果一个电视频道内传输多套电视节目，则可以称为多路节目的双层复用。在信源解码过程中，为了重建原来的ES，就要追踪从不同ES来的TS包及其PID，因此，在MPEG-2 TS码流中必须包含为测量接收机提供选择控制的专用信息，以此来帮助接收端有选择地解码。MEPG-2系统标准中定义了节目专用信息PSI（Program Specific Information），这是TS码流中非常重要的组成部分。本测量接收机主要是针对PSI信息中的节目关联表PAT（Program Association Table）和节目映射表 PMT（Program Mapping Table）进行处理。

正如前述系统软件结构所介绍的，软件中间层节目专用信息数据存储模块包含着对于节目专用信息PSI的分析、筛选及存储。由于系统的复杂性，在实现过程中又将每一种类的节目专用信息PSI（如PAT，PMT）作为一个独立的小模块处理。主程序在初始化过程中就已经启动了节目专用控制信息PSI线程DBManager，线程DBManager会实时监测和控制与节目信息相关的各类模块。正如图4中所示，线程DBManager控制着节目关联表PAT处理模块和节目映射表PMT处理模块，对于TS包中的内容进行分析，获取有用的信息，并将得到的数据存储在本地嵌入式Linux文件系统中，当需要的时候再去调用[6]。

图4 节目专用信息分析处理结构图

4.3 人机交互接口设计

测量接收机软件系统人机交互接口采用两种控制方式，一种通过测量接收机前面板液晶显示器控制按钮进行操作，另一种通过红外线遥控器进行操作。操作过程中系统调用检测按键的函数SetKeyMap，参数包括按键索引值KeyIndex和键值KeyValue。液晶显示器控制按钮和红外遥控按钮通过索引值KeyIndex与系统状态键值KeyValue相互关联，控制系统状态的转换。

接收机软件系统开发采用MiniGUI的GUI库，整个GUI设计主要是通过状态机形式完成。系统首先调用GUI函数进入系统界面，然后转入状态循环，每一个主要功能关联着一个系统状态，通过功能的转换系统会自动切换到不同状态。测量接收机主要包括数字电视显示、主选单、节目搜索、频率设置等基本基本功能。

5 系统测试

在实验室条件下进行测试，搭建实验环境：连接PEONY MDW1697AS型HDTV信号发生器、北航BHTBT-02数字电视地面广播传输标准调制器、国标测量接收机和高清数字电视，并启动设备。信号发生器产生高清（或标清）MPEG-2 TS码流输入至调制器，调制器经过调制将产生的RF射频信号输出给测量接收机，接收机通过对信号解调解码显示高清（或标清）电视节目。通过不断更改调制器国标工作模式参数及中心频率检测测量接收机的接收情况。由于国标工作模式较多，选择一些常用的国标工作模式进行检测。

6 小结

经过多次测试和不断完善，国标数字电视测量接收机软件系统已经通过了功能验证，并已应用于某型国标数字电视测量接收机的整体设计和制作中。国标数字电视测量接收机的实现，可以满足国家级实验以及厂家或机构标准性能测试的应用需求，为在不同地区进行单频网和数字电视信号性能参数测试提供了更加准确的数据支持。

表1 国标工作模式参数测试结果

[1]张晓林.数字电视设计原理[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]杨林,杨知行,吴佑寿.一种新的地面数字多媒体/电视广播传输系统[J].电视技术，2002（1）：12-16.

[3]刘欣，张晓林.国标数字电视测量接收机前端的设计与实现[J].电视技术，2008，32（10）：32-34.

[4]路程，张晓林.一种数字电视接收质量测试方法及实现[J].电视技术，2009，33（7）：93-95.

[5]陈清荣.基于USB2.0接口的数字电视TS流接收器设计[D].成都：电子科技大学,2007.

[6]张晓林.嵌入式系统技术[M].北京：高等教育出版社，2008.