CN100568870C - 一种通用串行数据双向传输接口系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通用串行数据双向传输接口(UTI)，包括设备端口和外接模块端及其支持两者连接的协议。设备端至少包括一个与USB机械结构规范兼容的物理接口，一个接口协议识别转换单元，一个USB数据协议处理单元，一个MPEG TS传输流协议处理单元；设备端识别转换单元一端连接到物理接口，另一端分别连接到其余2个单元。外接模块端至少包括一个与USB机械结构规范兼容的、与设备端UTI物理接口相匹配的UTI物理接口和符合USB和/或TS数据流规范的数据处理和/或存储单元。

Description

一种通用串行数据双向传输接口系统
技术领域
本发明涉及一种通用串行数据双向传输接口(简称UTI，Universal Transfer Interface)，尤其涉及与数字电视相关的设备与外部业务应用模块之间的定义、通讯协议、数据传输和处理的接口。
背景技术
串行数据双向传输接口已有许多类型，目前性能较优且应用较广的是USB2.0。USB端口已成为所有PC的标准配置，并出现了许多USB设备包括可移动设备等。USB接口主要有如下几个特点：
·易于扩充多个外围设备；
·成本低，支持高速480Mbps、中速12Mbps、低速1.5Mbps数据传输模式；
·对音频和视频等实时数据传输充分支持；
·协议灵活，综合了同步和异步数据传输；
·兼容不同类型设备，即插即用；
·提供一个标准接口，多种用途；
·其物理接口适用于不通过电缆直接插接USB便携外设。
USB体系结构支持4种最基本类型的数据传送：
①控制传送主要用于在连接时刻配置一个端口；
②批量数据传送批量数据集中传输，有错误检测和重发，占用带宽可变；
③中断数据传送用于实时但可靠的数据传送，如回显或反馈响应；
④同步数据传送数据流实时传送，可容忍偶尔错误
尽管从原理上说USB2.0可以传输任何数据，但是由于其特定的接口定义和数据传输协议，在一些数据传输应用中不太合适或很不方便。USB2.0有3种固定总线带宽，对于双向同步实时传输，它需要用2个管道分别作为输入、输出，虽然在每帧可传输固定字节数的数据，但数据并不是以其实际的固定速率来传输，而是以共享总线固有速率如480Mbps突发传输，这对要求恒定匀速传输来说不合适，至少需要增加缓冲来平滑数据速率，并且增加了源数据时钟恢复或锁相的难度；USB2.0接口采用输入、输出事务和表头以及固定速率帧结构和同步、标识字段定义等方式，如果用以封装传输要求特定同步传输数据包结构的数据流，则非但不能兼容之，反而由于数据包结构不匹配，使传输效率下降。例如，在数字视频、音频传输中常用的国际标准MPEG-2(Motion PictureExperts Group)中传输流(TS，Transport Stream)的包结构、同步、节目标识(PID)及调整域(Adaptation Field)字段定义都很完备，同时MPEG-2TS要求以平稳速率来传输处理，所以直接用USB2.0协议来传输MPEG-2TS数据流不是一种好的方法。
MPEG-2TS数据传输也有几种常用接口，如同步并行接口(SPI)和异步串行接口(ASI)。SPI包括包同步、数据有效、时钟和8位数据，SPI在外部连接是多采用低电压差分信号(LVDS)对驱动，物理接口为DB25。这种接口连接复杂且占用空间较大，但接口协议简单；ASI是采用PECL驱动数据信号，物理接口为BNC同轴连接，基准时钟为27MHz，其速率可达270Mbps，接收端时钟需要与发送端锁相。这两种接口都是只能单向传输的，如果要双向同时传输，必须再增加一个反向接口；并且它们主要作为TS传输的专用接口，对于其它非TS结构的尤其是异步数据如控制命令等信息的传送，也不合适。
欧洲标准(EN50221)公共接口(CI，Common Interface)和美国标准(SCTE DVS295)主机配置点HOST-POD(Point ofDeployment)接口，都采用PCMCIA(Personal Computer MemoryCard International Association，个人计算机存储卡国际协会)或称PC卡接口来传输TS数据，其与TS输入、输出有关的信号定义与SPI类似，相当于二个分别作输入和输出的SPI，此外CI和HOST-POD都有控制命令的8bit异步I/O接口，可与TS传输同时进行，以便于接口连接的两端之间的互相通讯和互操作。这对于许多与MPEG-2TS有关的业务处理如数字电视有条件接收等是非常需要的。但是采用PCMCIA接口双向传输TS及相互通讯，接口关系复杂、物理接口成本较高、传输速率相对不是很高，并且这两种接口都是为特定业务应用专门规定的，没有通用性，不能连接特定业务以外的其它设备。
总之，对于某些需要一种连接简便、成本较低的通用接口进行MPEG-2TS高速双向传输、并且也能够进行其它通用数据或命令通讯的应用，上述几种接口都不能令人满意，都有这样那样的缺陷。
为了适应日益增长的MPEG-2TS相关业务尤其是数字电视的发展和未来新的数字设备要求具备通用数据通信接口的趋势，需要一种既能够兼容某种通用接口功能、又能够满足MPEG-2TS实时应用的接口和接口协议。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服前述几种接口的缺陷、同时符合数据通信接口通用性和MPEG-2TS业务专用性要求的通用数据传输接口，即本发明的接口一方面与现有某些常用通用接口兼容，以便连接多种类型的外设、便于功能扩展和多样化，另一方面它又比较适于MPEG-2TS业务处理的特点。基于连接简便、成本较低、应用广泛等原则，确定USB2.0为本发明兼容的通用接口。
本发明为一种用于双向串行数据传输的接口(以下简称UTI，Universal Transport Interface)，包括设备端和外接模块端及其支持两者连接的协议。设备端至少包括一个与USB机械结构规范兼容的物理接口，一个接口协议识别转换单元，一个USB数据协议处理单元和一个MPEG TS传输流协议处理单元。接口协议识别转换单元的一端连接到设备端的UTI物理接口，另一端分别连接上述另二个单元，如图3所示。
所说的设备端通常是其宿主机的一部分，宿主机泛指数据和/或多媒体处理和/或显示等设备，如电视接收机、机顶盒、计算机、游戏机、多媒体服务器等设备。
按本发明接口的外接模块端包括至少一个与USB机械结构规范兼容的、与设备端UTI物理接口相匹配的UTI物理接口，和一个符合USB和或TS数据流规范的数据处理和/或存储单元，如图4所示。
设备端和外接模块端连接的物理接口推荐使用USB Series″A″插座和插头，如图5、图6所示(详见Universal Serial BusSpecification Revision 2.0，Chapter 6-Mechanical)，设备端用Series″A″插座，外接模块端用Series″A″插头。
UTI物理接口的信号定义和电气特性可以有二种，一种沿用USB2.0规范，除电源和地线外，数据为双向差分对信号D+和D-，如图1所示(详见Universal Serial Bus Specification Revision2.0，Chapter 7-Electrical)；另一种为自定义，电源和地线与USB相同，数据为相互独立的一个输入PECL信号Din和一个输出PECL信号Dout，如图2所示，这种电气接口更适合TS双向传输。
这二种电气接口可以单独使用，也可以混合使用。单独使用时，USB电气接口适合独立的USB数据流或包含TS数据流的USB数据流的传输，自定义(UTI)电气接口适合独立TS数据流或包含USB数据流的TS数据流的传输。
混合使用时，设备端中识别转换单元能够识别外接模块端是哪种电气接口，可以采用机械结构方法，即在设备端UTI接口插座内增加一个触点或开关装置，但必须保证普通USB插头能正常插入而不会接触到此触点或开关装置；在专用的TS数据流外接模块端的接口插头内也增加一个与之相匹配的触点或能压合开关装置的销子，并使之不能插入普通USB插座，而只能插入此混合方式的设备端UTI物理接口中。这样，当专用的TS数据流外接模块端插入时，设备端UTI物理接口由触点或开关的接合，就可以判定其为TS数据流外接模块，当其拔出时，触点或开关自动断开，恢复缺省状态即USB电气接口。或者，设备端接口插座内的开关装置保证普通USB插座插入时能够使开关结合，其拔出时开关自动断开，恢复缺省状态为自定义UTI电气接口，专用的TS数据流外接模块端的接口插头插入时接触不到开关。
混合使用时，设备端UTI物理接口识别方式也可以采用电气识别的方法，即其缺省为自定义电气接口，同过数据握手交换来判定，如握手成功为自定义UTI电气接口，否则为USB2.0电气接口，其识别方法流程的一个实施例如图7和图8所示。
在确定电气接口后，设备端中识别转换单元进行数据协议识别和转换。
对于USB电气接口，基本采用USB2.0协议层，USB数据当然可以正常传输和处理。在USB2.0高速模式下，采用同步传输类型来传输TS数据。这时，MPEG-2TS被分割装载到USB2.0数据信息包中，但TS包不能断裂，数据信息包中包含的每个TS包必须是完整的，数据信息包的字节数是TS包长即188的整数倍，也即N×188×8bits(＜8192)，其一个实施例如图9所示。在发送TS时，TS包转载到USB2.0数据信息包中，可与一般USB数据包复用后送至USB2.0收发器，而从收发器接收的数据流经过USB协议处理后获得USB数据信息包，对其进行检测，能够检测到TS特征的作为TS输入，否则为一般USB数据。实施例如图10。此外，也可以在USB2.0设备构建(Device Framework)中增加TS为一种特定类型(Class)。
对于自定义UTI电气接口，首先采用MPEG-2TS协议传输，TS数据当然可以正常输入和输出。USB数据所有包被分割后作为TS的净荷(Payload)被分散打包到TS包中，实施例如图11所示。包含USB数据的TS包的PID采用MPEG-2的保留定义作为其特定标识，这样USB数据打成TS包后可与一般MPEG-2TS数据复用输出到Dout，而从Din输入的数据通过检测有USB数据标识的特定PID的TS包，提取其净荷并即得到USB数据，实施例如图12所示。
按本发明的一个优选实施方案，接口协议识别转换单元上的所说另一端还连接一个控制信息处理单元，如图3。该控制信息用于实现外接模块端与设备端和/或设备端宿主机间的互操作，该控制信息包含在TS数据流或USB数据流中。所说的互操作包括但不限于外接模块的即插即用，资源管理与分配，信息显示的格式及方式的定义，通讯速率设定等控制功能。控制信息是设备端与外接模块端通讯的异步数据。USB数据流传输异步数据，可以采用USB2.0控制传输或中断传输类型来进行控制信息的传输，这时控制信息作为USB传输的数据信息包。对于同步传输的TS数据流，控制信息采用MPEG-2 DSM-CC协议，作为私有数据的一种类型，被复用到TS数据流中。另一种方法是把控制信息作为TS数据流中的空包插入或替换原来的空包，并且在载有控制信息的“空包”PID之后加入控制信息的标识，这样既不影响正常TS数据处理和不改变TS净载荷的传输速率，又能够传输和提取控制信息，具体方法见图20。
设备端的MPEG-2TS是从本地存储设备或外连网络中获得的，可以包括经过或未经数字电视有条件接收(ConditionalAccess，CA)系统加扰加密的数据流、用户授权管理信息EMM(Entitlement Management Messages)、授权控制信息ECM(Entitlement Control Messages)、电子节目指南EPG(Electronic Program Guide)和软件加载等信息。这些信息都作为同步高速TS数据由设备端向外接模块发送，经过外接模块处理后的TS数据再实时或非实时送回给设备端，设备端可对处理后的TS进行存储或处理，包括MPEG-2TS解码输出等。外接模块端的数据存储和/或处理单元包括CA系统解扰解密处理、PSI/SI解析、EMM、ECM提取和解密，算法加载和选择、密钥和用户信息管理等处理功能。
外接模块与设备端和/或设备端宿主机之间的控制信息用于外接模块与二者的通讯和互操作，包括外接模块的即插即用，资源管理与分配，信息显示的格式及方式的定义、媒体信息管理。即插即用以设备管理方式实现，规定设备信息、状态信息和控制命令等数据结构。
媒体信息管理需要根据媒体类型和相应数据或文件格式来处理，包括版权信息、数据版权保护(防拷贝)功能等。
上述外接模块与设备端和/或设备端宿主机之间数据传输和处理的功能构成和相互关系如图17所示，其中设备端的宿主机以数字电视接收机为例，外接模块以条件接收模块为例。
外接模块端的数据处理和/或存储单元包括音频、视频或其它数据的TS数据流存储、处理和播放等功能，如图14所示。存储方式为硬盘或光盘或其它非易失存储器如FLASH等。媒体数据处理和播放则可由模块内的处理器软件或专用硬件来完成。
外接模块端还可以包括一个或多个用于连接其它设备的物理接口及相应的接口协议处理单元，包括以太网、PSTN、Cablemodern、XDSL、无线局域网(IEEE802.11X)、地面/有线/卫星数字电视射频接口等，和/或通用数据接口如USB、IEEE1394、RS232-C、PCMCIA、PCI、ASI、SPI、SM、CF、SmartCard(ISO7816)、红外遥控器接口，和/或数字/模拟音视频接口等，如图13所示。
外接模块具有支持带有回传信道的CA系统操作的功能，即外接模块需要返回到业务服务商的有关授权认证信息可以通过控制信息通道送给设备端，再由设备端返回通道送给服务商，外接模块也可以自带返回通道将授权认证信息送给服务商，实施例如图15所示。
附图说明
图1.为一个USB电气接口的图示
图2.为一个自定义电气接口的图示
图3.为一个设备端接口构成的图示
图4.为一个外接模块端接口构成的图示
图5.为一个USB A类插头机械机构的图示
图6.为一个USB A类插座机械机构的图示
图7.为一个设备端电气接口识别方法的图示
图8.为一个TS外接模块端电气接口识别初始化操作的图示
图9.为一个MPEG-2TS装载入USB2.0数据信息包结构的图示
图10.为一个MPEG-2TS数据用USB协议传输的图示
图11.为一个USB数据封装在MPEG-2TS包中结构的图示
图12.为一个USB数据用MPEG-2TS协议传输的图示
图13.为一个外接模块具有其它通信接口及协议的图示
图14.为一个外接模块功能为TS数据存储、播放的图示
图15.为一个外接模块支持具有回传通道CA系统的图示
图16.为一个外接独立CA模块基本结构的图示
图17.为一个具有UTI的数字电视接收机及外接独立CA模块内功能单元的图示
图18.为一个TS数据并/串转换的图示
图19.为一个TS数据串/并转换的图示
图20.为一个控制信息插入TS流及检测方法的图示
图21.为一个具有UTI的数字电视接收机系统基本结构的图示
图22.为一个数字媒体录放机实现方案原理框图
具体实施方案
实施例1具有UTI接口的数字电视接收机机卡分离及独立条件接收模块方案
以具有UTI接口的数字电视接收机机卡分离及独立条件接收模块方案为第一个实施例来具体说明本发明。
具有本发明通用串行数据双向传输接口(UTI)的有条件接收数字电视接收机包括UTI物理接口、TS/USB协议处理、控制信息处理、TS数据流输入输出处理、TS解码及AUDIO、VIDEOS输出等单元；独立CA模块包括TS解复用、数据解密、解扰、智能卡接口、控制信息处理等单元，如图21所示。独立CA模块对输入TS进行解复用，根据用户命令选择节目并解析码流，得到相关的PSI及EMM和ECM，并用智能卡中的用户密钥依次解密EMM和ECM得到CW，然后用CW对所选择的节目数据进行解扰运算。解密和解扰运算的算法及记账模式和一些资源信息如显示格式等都可以通过控制信息来更新。
设备端UTI物理接口为混合方式，采用电气识别的方法，即其缺省为自定义电气接口，同过数据握手交换来判定，如约定识别位串为某个32位数(如0xb81fff55)，由设备端在Dout连续多次(如3～5次)发出，自定义电气接口的TS外接模块端在连续多次(如3～5次)在Dout收到此识别位串后初始化，并在Din连续多次(如3～5次)发出关联位串(如0x47e000aa)，设备端在连续多次(如3～5次)在Din得到此关联位串，则认定外接模块端为自定义电气接口，识别结束，进入自定义电气接口正常工作状态。如果设备端未能连续多次(如3～5次)在Din得到此关联位串，则认定外接模块端为USB电气接口，并使设备端也切换为USB电气接口，识别结束，进入USB电气接口正常工作状态。这个识别过程如图7、图8所示。
双向串行TS数据还要转换为并行数据，如图18、图19所示，其中BCLK为本地字节时钟，在输出时并/串转换时串行时钟应为BCLK的8或10倍频(10倍频还须8B/10B变换)，在输入时串/并转换时应采用BCLK的8或10倍频(10倍频还须8B/10B变换)与从串行数据中提取恢复的时钟锁相来产生串行时钟。
控制信息处理采用空包替换的方法将控制信息插入到TS数据流中，对于MPEG-2解码或数据解扰处理等，TS空包(PID为1FFF)总是被过滤掉，因此不会受影响，而控制信息处理则可检测所有空包，将其中有控制信息的标识的空包记录并提取其有效数据存储下来，即获得控制信息数据，供接收机和CA模块的CPU根据控制信息协议进行相应的操作。具体方法见图20。
控制信息协议与条件接收相关的操作参考EN50221(DVB-CI)中命令接口的应用层相关协议内容。
控制信息中有关媒体数据管理如播放方式、交互操作等采用MPEG-2DSM-CC协议，即
Figure C0314409300141
其中控制信息DSM-CC协议的control()和ack()字段重新定义为：
Control {Control_ID；
         Control_Lenghth；
       Control_Datas；
      }
Ack{ACk_ID；
    CMD_Lenghth；
    CMD_Datas；
}
独立CA模块的即插即用信息定义为如下数据结构：
设备更新信息：
Device_Info{Device_ID；Device_Type；Vendor_ID；Servi
            ce_ID；Service_Type；Resource_Type；}
当外接模块插入UTI接口时，由接收机主机自动检测；当外接模块取出时，由主机自动删除。
设备状态信息格式：
Decice_Statu {Statu_ID；Statu
_Lenghth；Statu_Datas}
设备控制命令格式：
Decice_Command {CMD_ID；CMD_Lenghth；CMD_Datas
}
对于条件接收，为保证兼容性，资源管理可采用与DVB-CI兼容的方式，包括用户信息、显示、和操作信息等。资源信息的数据结构如下：
resource_identifier(){
             resource_id_type
             if(resource_id_type！＝3){
                    resource_class
                    resource_type
                    resource_version
             }
             else{
                    private_resource_definer
                    private_resource_identity
             }
}
数字电视接收机中的TS I/O处理主要是把信道接收解调或本地存储的TS数据流送给MPEG-2解码器或外部CA模块，未加扰或经CA模块解扰后的数据由MPEG-2解码器处理并输出视频、音频信号，加扰数据或其它MPEG-2解码器不能处理的数据送给外部CA模块处理。
CPU除了对MPEG-2解码等系统运行的管理外，还负责对控制信息协议的处理及相关的操作等。
独立CA模块包括UTI接口、TS解复用、PSI/SI解析、EMM、ECM解密、数据解扰单元、智能卡接口等。如图16。
其中：
①UTI接口采用电气识别的自定义电气接口
②PSI/SI提取和TS解复用通过数据过滤器(FILTER)完成；
③EMM、ECM用CAS解密算法解密；
④数据解扰可以执行公用算法，也可以执行CAS特定算法；
⑤智能卡只存储用户个人资料、用户分配密钥和账单等。
解密算法处理和智能卡接口管理由模块内的CPU负责，此CPU还负责与接收机内CPU之间的控制信息协议处理及相应的操作等。控制信息在TS数据流中的传输及TS数据并串转换等的方法与接收机端类似。
实施方案2便携式数字媒体录放机
以便携式数字媒体录放机为第二个实施例来具体说明本发明。
具有本发明通用串行数据双向传输接口UTI的便携式数字媒体录放机包括UTI物理接口、TS流协议转换处理单元、数字媒体硬盘、CPU控制单元、CSS媒体流加密模块及人机接口等部分组成，如图22。便携式数字媒体录放机作为本方面的外接模块通过UTI物理接口与宿主机(数字电视接收机或机顶盒或计算机)中的设备端相连接。待存储的数字TS媒体流(可包括Mpeg-2、Mpeg-4、MP3等格式的数字音视频和其它格式的数据的TS流)经过UTI接口至TS流协议转换处理单元，经过CSS加密(防盗版)后，转换成IDE硬盘接口数据格式，按节目和时间顺序存入数字媒体硬盘。反之，待重放的上述数字TS媒体流，按节目表和时间顺序检索后通过TS流协议转换处理单元将IDE格式的数据转换回UTI格式的TS码流包，传送回设备端，由设备端的接口协议转换单元转换成宿主机接收的格式播放。控制CPU用于处理与设备端和宿主机间的控制信息，如节目定位、时间统计、检索、加注和快/慢进退控制等信息。控制CPU还与人机接口相连接，人机接口包括各种开关(诸如存储、播放、快慢进退、检索、电源、加锁等)和红外遥控传感器、各种指示灯等。

Claims (10)

1.一种通用串行数据双向传输接口系统UTI，包括设备端和外接模块端及其支持两者连接的协议，设备端至少包括一个与USB机械结构规范兼容的物理接口、一个接口协议识别转换单元、一个USB数据传输协议处理单元、一个MPEG TS传输流协议处理单元；接口协议识别转换单元的一端连接到物理接口，另一端分别连接到上述USB数据传输协议处理单元和MPEG TS传输流协议处理单元；
所述外接模块端至少包括一个与USB机械结构规范兼容的、与设备端UTI物理接口相匹配的UTI物理接口，和符合USB和/或TS数据流规范的数据处理和/或存储单元；
所述接口协议识别转换单元根据所述物理接口中的触点或开关装置的状态，而决定把数据传输给USB数据传输协议处理单元还是MPEG TS传输流协议处理单元。
2.按权利要求1的接口系统，其特征在于，设备端中的接口协议识别转换单元所处理的数据结构为USB数据流或TS数据流，或包含TS数据流的USB数据流，或包含USB数据流的TS数据流，或同时包含相互独立的USB数据流和TS数据流，该单元对这些数据自动识别和转换，并支持带电即插即用。
3.按权利要求1的接口系统，其特征在于，所说的接口协议识别转换单元上的另一端还连接一个控制信息处理单元，该控制信息用于实现外接模块端与设备端和/或设备端的宿主机间的互操作，该控制信息包含在TS数据流或USB数据流中。
4.按权利要求3的接口系统，设备端的MPEG TS传输流包括经过或未经过条件接收CA系统加扰加密编码的数据流、授权管理信息EMM、授权控制信息ECM、电子节目指南EPG和LOADER信息。
5.按权利要求3的接口系统，其特征在于，所说的互操作包括外接模块的即插即用、资源管理与分配、信息显示的格式及方式的定义、通讯速率的设定、媒体信息的管理。
6.按权利要求1或3的接口系统，其特征在于，外接模块端的数据处理和/或存储单元包括条件接收CA系统解扰解密处理、PSI/SI解析、授权管理信息EMM、授权控制信息ECM提取和解密、算法加载和选择、密钥和用户信息管理处理功能。
7.按权利要求1或3的接口系统，其特征在于，外接模块端的数据处理和/或存储单元包括音频、视频或其它数据的TS数据流处理、存储和播放功能。
8.按权利要求1或3的接口系统，其特征在于，外接模块端还包括一个或多个用于连接其它设备的物理接口及相应的接口协议处理单元。
9.按权利要求8的接口系统，其特征在于，所说的物理接口包括以太网、PSTN、Cable modern、XDSL、无线局域网(IEEE802.11)、地面/有线/卫星数字电视射频接口、USB、IEEE1394、RS232-C、PCMCIA、PCI、异步串行接口ASI、同步并行接口SPI、SM、CF、SmartCard(ISO7816)、红外遥控器接口和数字/模拟音视频接口。
10.按权利要求6的接口系统，其特征在于，外接模块具有支持带有回传信道的条件接收CA系统操作的功能。
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