通信學(xué)論文-ATSC制數(shù)字電視機(jī)頂盒研究.doc

通信學(xué)論文-ATSC制數(shù)字電視機(jī)頂盒研究摘要：本文概述了數(shù)字電視廣播原理，對(duì)ATSC制作了較詳細(xì)的介紹。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述了作者實(shí)現(xiàn)的ATSC制數(shù)字電視機(jī)頂盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1引言在信息技術(shù)的推動(dòng)下，廣播電視進(jìn)入從模擬廣播到數(shù)字廣播的過渡階段。美國(guó)，歐洲，澳大利亞，日本，新加坡等相繼確定了本國(guó)的數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)。隨著視頻壓縮技術(shù)的深入研究，九十年代初出現(xiàn)了一系列視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其中尤以MPEG-2影響圈較大；同時(shí)隨著集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，許多芯片廠商相繼推出了相應(yīng)專用芯片，這些都極大地推動(dòng)了數(shù)字電視的發(fā)展。美國(guó)于1995年通過了ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。歐洲制定了包括DVB-T在內(nèi)的一體化數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，目前側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視。日本從模擬高清晰度電視研究轉(zhuǎn)向數(shù)字電視之后，確立了ISDB-T的地面廣播標(biāo)準(zhǔn)。三種標(biāo)準(zhǔn)在信源編碼方面相似，都采用MPEG-2視頻壓縮，高清晰度電視圖像常用格式為19201080，每秒60場(chǎng)/50場(chǎng)隔行，最大的區(qū)別是信道調(diào)制和傳輸方式的不同。因此三種制式接收機(jī)的不兼容主要在接收機(jī)信道解調(diào)模塊。圖1表示了數(shù)字電視廣播和接收系統(tǒng)基本原理。從內(nèi)容上分為信源部分和信道部分；從結(jié)構(gòu)上分為發(fā)送端，傳輸網(wǎng)絡(luò)和接收端。發(fā)送端包括信源編碼（音視頻編碼），業(yè)務(wù)復(fù)用，信道編碼和調(diào)制。傳輸網(wǎng)絡(luò)既可以是地面廣播，也可以是有線電視和衛(wèi)星接收。調(diào)制信號(hào)到達(dá)接收端，先進(jìn)行信道解調(diào)形成基帶TS流，然后進(jìn)行解復(fù)用，形成音視頻PESES流分別解碼，最后輸出音頻和視頻信號(hào)。2ATSC電視制式簡(jiǎn)介ATSC的英文全稱是AdvancedTelevisionSystemsCommittee（美國(guó)高級(jí)電視業(yè)務(wù)顧問委員會(huì)）。該委員會(huì)于1995年9月15日正式通過ATSC數(shù)字電視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。ATSC制信源編碼采用MPEG-2視頻壓縮和AC3音頻壓縮；信道編碼采用VSB調(diào)制，提供了兩種模式：地面廣播模式（8VSB）和高數(shù)據(jù)率模式（16VSB）。隨著多媒體傳輸業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)移動(dòng)接收的需要，近來又計(jì)劃增加2VSB的移動(dòng)接收模式。下面從信源部分和信道部分來作介紹：21信源編碼與解碼由于數(shù)字化的HDTV原始視頻數(shù)據(jù)量非常大，碼率高達(dá)1Gbps以上。為了能在一個(gè)6M頻道帶寬內(nèi)廣播HDTV信號(hào)，必須采用壓縮比很高的視頻壓縮算法。ATSC制采用MPEG2視頻壓縮。MPEG2視頻壓縮格式分為4級(jí)5類，從低分辨率圖像到高清晰度視頻有十幾種格式，其中MPHL格式完全符合HDTV廣播需要。MPEG2視頻壓縮采用了運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償，幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)編碼，DCT變換編碼和熵編碼等算法，壓縮率可達(dá)3050倍。付出的代價(jià)是MPEG-2壓縮算法運(yùn)算量極大。AC3有51聲道編碼，可以復(fù)用成TS流。信源解碼是編碼的逆過程，包括TS的解復(fù)用和音視頻ES的解壓縮，整個(gè)過程符合MPEG2和AC3的解壓縮語法。HDTV解碼運(yùn)算量相對(duì)較低，是壓縮編碼運(yùn)算量的十分之一。2.2信道調(diào)制與解調(diào)以地面廣播8VSB模式為例，信道調(diào)制與解調(diào)原理如圖2所示。發(fā)送端：碼率為19.39Mbps的TS流輸入到信道調(diào)制單元。信道編碼過程包括數(shù)據(jù)隨機(jī)處理，RS糾錯(cuò)編碼，卷積交織，格狀編碼，同步信號(hào)插入，形成符號(hào)率為10.76Msym/s的8電位符號(hào)流（八種電位：7V，5V，3V，1V）。然后進(jìn)行模擬處理，插入導(dǎo)頻，預(yù)均衡和單邊帶調(diào)制，最后送到發(fā)射機(jī)。接收端：射頻RF經(jīng)調(diào)諧器鎖定，形成中頻IF輸出，AD變換后逐級(jí)進(jìn)行8VSB信道解調(diào)處理，完成解調(diào)后輸出碼率為19.39Mbps的TS流。8VSB傳輸模式的參數(shù)如表1所示。對(duì)TS流進(jìn)行信道編碼，要經(jīng)過如下處理：首先TS包中187個(gè)字節(jié)和一個(gè)偽隨機(jī)序列按比特位異或運(yùn)算（TS包長(zhǎng)度為188個(gè)字節(jié)，同步頭0x47沒有進(jìn)行異或和RS編碼），使TS流數(shù)據(jù)隨機(jī)化，碼率仍然是19.39Mbps。隨機(jī)化后數(shù)據(jù)送入t=10（207，187）的RS編碼器，每個(gè)TS包增加20校驗(yàn)字節(jié)，包長(zhǎng)度為208字節(jié)，碼率上升為21.52Mbps。然后又通過（208，52）的卷積交織器，可以抵御長(zhǎng)度相當(dāng)于4ms的突發(fā)干擾。在格狀編碼之前還通過一個(gè)12符號(hào)交織器。格狀編碼采用23模式，即每?jī)蓚€(gè)比特輸入形成3比特輸出，此時(shí)碼率升為3528Mbps。映射處理將每3比特?cái)?shù)據(jù)映射到一個(gè)8電位符號(hào)，每個(gè)符號(hào)相當(dāng)于映射前的3比特，格狀編碼前的2比特。插入段同步，場(chǎng)同步后，便組裝成為數(shù)據(jù)幀。每一數(shù)據(jù)幀包括兩個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)；每一數(shù)據(jù)場(chǎng)由313個(gè)數(shù)據(jù)段組成，其中第一個(gè)數(shù)據(jù)段作為該場(chǎng)的同步；每個(gè)數(shù)據(jù)段又由832個(gè)8電位符號(hào)組成，其中開始四個(gè)符號(hào)作為該段的同步。于是形成了符號(hào)率為1076Msyms的數(shù)據(jù)流，由于一個(gè)符號(hào)表示兩比特，所以比特率相當(dāng)于對(duì)2152Mbps，除去同步開銷和檢錯(cuò)冗余，凈比特率為1928Mbs。3機(jī)頂盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)31數(shù)字電視機(jī)頂盒系統(tǒng)構(gòu)成ATSC制機(jī)頂盒系統(tǒng)可分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊：前端信道解調(diào)和后端信源解碼。前端和后端接口的數(shù)據(jù)格式是TS碼流。前端部分主要完成高頻下變換和8VSB信道解調(diào)，并輸出TS流；后端部分實(shí)現(xiàn)TS流的解復(fù)用，并將視頻和音頻的ES/PES流分別送入相應(yīng)的音視頻解碼器，最終輸出視頻和音頻信號(hào)。系統(tǒng)的整體控制部分由后端的主控CPU負(fù)責(zé)，包括I2c總線，前端的信道解調(diào)，TS流解復(fù)用，音頻解碼和視頻解碼，以及遙控器和鍵盤等流程控制。圖3表示了ATSC制機(jī)頂盒的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。32前端解調(diào)模塊設(shè)計(jì)（1）調(diào)諧器（Tuner）調(diào)諧器通過I2c總線來控制，完成高頻調(diào)諧并輸出中頻信號(hào)。有些調(diào)諧器沒有I2c總線，而是由3根控制線來設(shè)置調(diào)諧參數(shù)，此時(shí)要求機(jī)頂盒的主控芯片帶有一定數(shù)量的PIO編程端口。另外，信道解調(diào)器根據(jù)中頻信號(hào)幅度，通過AGC信號(hào)來調(diào)節(jié)調(diào)諧器輸出的中頻信號(hào)幅度，使其穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。中頻信號(hào)輸出幅度通常較小，需要經(jīng)過中頻放大器，然后送入8VSB解調(diào)器。（2）信道解調(diào)器8VSB解調(diào)器收到中頻信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后逐級(jí)進(jìn)行解調(diào)。信道解調(diào)器可以直接對(duì)輸入44MHz中頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，提供AGC信號(hào)調(diào)節(jié)中頻信號(hào)增益。正常工作狀態(tài)下，解調(diào)芯片先通過非相關(guān)AGC模式使中頻信號(hào)幅度在A/D采樣范圍之內(nèi)；接著進(jìn)行載波鎖定和同步信號(hào)恢復(fù)；實(shí)現(xiàn)同步后，相關(guān)AGC模式進(jìn)一步細(xì)調(diào)中頻信號(hào)幅度。然后依次進(jìn)行NTSC同頻干擾濾波、信號(hào)均衡、9相位跟蹤鎖定以及FEC處理（包括格狀解碼、去卷積交織、RS解碼和去隨機(jī)）等步驟，最后輸出TS碼流。實(shí)際解調(diào)的每一步都可以通過內(nèi)部寄存器來跟蹤。解調(diào)過程中各階段信號(hào)的實(shí)際性能，如鎖定狀態(tài)，信噪比，誤碼率等可以由解調(diào)芯片內(nèi)部的寄存器指示。33后端解碼模塊設(shè)計(jì)（1）主控CPU主控CPU實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的各種控制功能，同時(shí)完成TS流解復(fù)接。一方面，主控CPU解析來自前端送入的TS流，提取相關(guān)的PSI表，并利用PID過濾器來分離音視頻ES或PES流，實(shí)現(xiàn)TS流解復(fù)用。另一方面，主控CPU管理多個(gè)進(jìn)程，如視頻解碼、音頻解碼、紅外遙控、鍵盤響應(yīng)、前端解調(diào)和TS解復(fù)用等，控制著接收機(jī)的解碼全過程。（2）視頻解碼器視頻解碼器完成符合MPEG2壓縮標(biāo)準(zhǔn)的視頻實(shí)時(shí)解碼，包括MPHL格式。解碼器外接128Mbits的SDRAM，用于解碼過程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。視頻解碼時(shí)，主控CPU解析ES流或PES流幀以上高層語法，提取圖片尺寸，比特率，量化距陣等控制參數(shù)，然后將參數(shù)寫入解碼器的控制寄存器。而幀以下的，涉及大運(yùn)算量的視頻解碼，主要通過視頻解碼器的硬件解碼單元實(shí)現(xiàn)。視頻解碼器支持ATSC制中的所有十八種格式及其中的某些格式轉(zhuǎn)換，它既可以輸出8-bit的標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻信號(hào)，也可以輸出24-bit高清晰度視頻信號(hào)。它還支持OSD，通過節(jié)目信息和頻道選擇的顯示，使用戶具有本地信息交互功能。（3）音頻解碼器音頻解碼由單片兼容MPEG2和AC3的音頻解碼器完成，不需要外部存儲(chǔ)器。解碼過程中，主控CPU可以通過8bit數(shù)據(jù)接口或者通過I2c接口來控制音頻解碼器。音頻解碼器可接收MPEG1，MPEG2，AC-3和PCM多種音頻數(shù)據(jù)輸入，具有三路雙聲道PCM數(shù)據(jù)串行輸出接口和一個(gè)SPDIF數(shù)字音頻輸入口。34機(jī)頂盒解碼流程分析數(shù)字電視機(jī)頂盒的源程序裝載于FLASHROM內(nèi)。加電啟動(dòng)后，各芯片進(jìn)行上電復(fù)位，主控CPU從FLASHROM內(nèi)加載并運(yùn)行程序。程序首先完成軟硬件初始化，包括時(shí)鐘初始化，系統(tǒng)內(nèi)存初始化，前端解調(diào)初始化以及音視頻解碼寄存器初始化等，并建立多個(gè)工作進(jìn)程。多進(jìn)程模式使主控CPU能同時(shí)處理多個(gè)工作流程，還可以進(jìn)行進(jìn)程間的通訊控制。系統(tǒng)完成初始化后，用戶通過遙控器選擇頻道，頻道選擇界面通過OSD顯示。主控CPU響應(yīng)遙控器指令，通過I2C總線設(shè)置調(diào)諧器，使調(diào)諧器輸出中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)信道解調(diào)器處理后，輸出TS流。主控CPU內(nèi)PID過濾器實(shí)現(xiàn)TS流解復(fù)接，將相關(guān)的ES或PES流分別送入音視頻解碼器，最終輸出音頻和視頻信號(hào)。TS流中的節(jié)目信息經(jīng)過解析并存儲(chǔ)，用戶通過OSD查詢菜單，了解相關(guān)的節(jié)目信息。對(duì)于多節(jié)目復(fù)合的TS流，用戶還可以通過節(jié)目指南EPG指定收看TS流中的某個(gè)具體節(jié)目。35機(jī)頂盒接收性能ATSC制頻道帶寬為6MHz，可以傳送19.39Mbps固定比特率的數(shù)字電視節(jié)目，節(jié)目可以是單個(gè)高清晰度電視，也可以由4-5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視節(jié)目復(fù)用而成，符號(hào)率為固定的10.76Msym/s，因此ATSC制廣播電視的頻道搜索比DVB簡(jiǎn)單，只要設(shè)定頻道參數(shù)。如果全頻道范圍內(nèi)接收，也只需從頻道2到頻道69逐個(gè)搜索。限于條件，實(shí)驗(yàn)過程中采用閉路接收的方式，由碼流發(fā)生器輸出8VSB調(diào)制信號(hào)，載波頻率為473MHz（14頻道），信號(hào)直接通過一段電纜送到機(jī)頂盒的RF輸入端。主控CPU通過設(shè)定頻道參數(shù)，可在2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻道鎖定和8VSB解調(diào)，在45秒內(nèi)（包括8V