ATSC制数字电视机顶盒研究

来源:岁月联盟 作者:黄德球 薛永林 李 时间:2010-08-21

摘要:本文概述了数字电视广播原理,对ATSC制作了较详细的介绍。在此基础上,进一步阐述了作者实现的ATSC制数字电视机顶盒系统设计。
  1 引言
  在信息技术的推动下,广播电视进入从模拟广播到数字广播的过渡阶段。美国,欧洲,澳大利亚,日本,新加坡等相继确定了本国的数字电视广播标准。
  随着视频压缩技术的深入研究,九十年代初出现了一系列视频压缩标准,其中尤以MPEG-2影响圈较大;同时随着集成电路制造技术的进步,许多芯片厂商相继推出了相应专用芯片,这些都极大地推动了数字电视的。美国于1995年通过了ATSC数字电视标准。欧洲制定了包括DVB-T在内的一体化数字电视广播标准,目前侧重于标准清晰度数字电视。日本从模拟高清晰度电视研究转向数字电视之后,确立了ISDB-T的地面广播标准。三种标准在信源编码方面相似,都采用MPEG-2视频压缩,高清晰度电视图像常用格式为1920×1080,每秒60场/50场隔行,最大的区别是信道调制和传输方式的不同。因此三种制式接收机的不兼容主要在接收机信道解调模块。
 

  图1表示了数字电视广播和接收系统基本原理。从内容上分为信源部分和信道部分;从结构上分为发送端,传输和接收端。发送端包括信源编码(音视频编码),业务复用,信道编码和调制。传输网络既可以是地面广播,也可以是有线电视和卫星接收。调制信号到达接收端,先进行信道解调形成基带TS流,然后进行解复用,形成音视频PES/ES流分别解码,最后输出音频和视频信号。

  2 ATSC电视制式简介
  ATSC的全称是Advanced Television Systems Committee(美国高级电视业务顾问委员会)。该委员会于1995年9月15日正式通过ATSC数字电视国家标准。ATSC制信源编码采用MPEG-2视频压缩和AC-3音频压缩;信道编码采用VSB调制,提供了两种模式:地面广播模式(8VSB)和高数据率模式(16VSB)。随着多媒体传输业务的不断发展,为了适应移动接收的需要,近来又计划增加2VSB的移动接收模式。下面从信源部分和信道部分来作介绍:

 2.1 信源编码与解码
  由于数字化的HDTV原始视频数据量非常大,码率高达1Gbps以上。为了能在一个6M频道带宽内广播HDTV信号,必须采用压缩比很高的视频压缩算法。ATSC制采用MPEG—2视频压缩。MPEG—2视频压缩格式分为4级 5类,从低分辨率图像到高清晰度视频有十几种格式,其中 MP@ HL格式完全符合 HDTV广播需要。MPEG-2视频压缩采用了运动估计和补偿,帧内预测和帧间预测编码,DCT变换编码和熵编码等算法,压缩率可达 30-50倍。付出的代价是 MPEG-2压缩算法运算量极大。AC—3有 5+1声道编码,可以复用成TS流。信源解码是编码的逆过程,包括TS的解复用和音视频ES的解压缩,整个过程符合MPEG-2和AC—3的解压缩语法。HDTV解码运算量相对较低,是压缩编码运算量的十分之一。
  2.2 信道调制与解调
 

  以地面广播8VSB模式为例,信道调制与解调原理如图2所示。发送端:码率为19.39Mbps的TS流输入到信道调制单元。信道编码过程包括数据随机处理,RS纠错编码,卷积交织,格状编码,同步信号插入,形成符号率为10.76Msym/s的8电位符号流(八种电位:±7V,±5V,±3V,±1V)。然后进行模拟处理,插入导频,预均衡和单边带调制,最后送到发射机。接收端:射频RF经调谐器锁定,形成中频IF输出,A/D变换后逐级进行8VSB信道解调处理,完成解调后输出码率为19.39Mbps的TS流。8VSB传输模式的参数如表1所示。
 

  对TS流进行信道编码,要经过如下处理:首先TS包中187个字节和一个伪随机序列按比特位异或运算(TS包长度为188个字节,同步头0x47没有进行异或和RS编码),使TS流数据随机化,码率仍然是19.39Mbps。随机化后数据送入 t=10(207,187)的 RS编码器,每个TS包增加 20校验字节,包长度为 208字节,码率上升为21.52Mbps。然后又通过(208,52)的卷积交织器,可以抵御长度相当于4ms的突发干扰。在格状编码之前还通过一个12符号交织器。格状编码采用2/3模式,即每两个比特输入形成3比特输出,此时码率升为35.28Mbps。映射处理将每 3比特数据映射到一个 8电位符号,每个符号相当于映射前的 3比特,格状编码前的2比特。插入段同步,场同步后,便组装成为数据帧。每一数据帧包括两个数据场;每一数据场由313个数据段组成,其中第一个数据段作为该场的同步;每个数据段又由832个8电位符号组成,其中开始四个符号作为该段的同步。于是形成了符号率为10.76Msym/s的数据流,由于一个符号表示两比特,所以比特率相当于对21.52Mbps,除去同步开销和检错冗余,净比特率为19.28Mbs。

  3 机顶盒系统设计
  3.1 数字电视机顶盒系统构成
  ATSC制机顶盒系统可分为两个相对独立的模块:前端信道解调和后端信源解码。前端和后端接口的数据格式是TS码流。前端部分主要完成高频下变换和8VSB信道解调,并输出TS流;后端部分实现TS流的解复用,并将视频和音频的ES/PES流分别送入相应的音视频解码器,最终输出视频和音频信号。系统的整体控制部分由后端的主控CPU负责,包括I2c总线,前端的信道解调,TS流解复用,音频解码和视频解码,以及遥控器和键盘等流程控制。图3表示了ATSC制机顶盒的系统设计框图。
 

3.2 前端解调模块设计
  (1)调谐器(Tuner)
  调谐器通过I2c总线来控制,完成高频调谐并输出中频信号。有些调谐器没有I2c总线,而是由3根控制线来设置调谐参数,此时要求机顶盒的主控芯片带有一定数量的PIO编程端口。另外,信道解调器根据中频信号幅度,通过AGC信号来调节调谐器输出的中频信号幅度,使其稳定在一定的范围之内。中频信号输出幅度通常较小,需要经过中频放大器,然后送入8VSB解调器。
  (2)信道解调器
  8VSB解调器收到中频信号后,对其进行模数转换,然后逐级进行解调。信道解调器可以直接对输入44MHz中频信号进行A/D采样,提供AGC信号调节中频信号增益。正常工作状态下,解调芯片先通过非相关AGC模式使中频信号幅度在A/D采样范围之内;接着进行载波锁定和同步信号恢复;实现同步后,相关AGC模式进一步细调中频信号幅度。然后依次进行NTSC同频干扰滤波、信号均衡、9相位跟踪锁定以及FEC处理(包括格状解码、去卷积交织、RS解码和去随机)等步骤,最后输出TS码流。实际解调的每一步都可以通过内部寄存器来跟踪。解调过程中各阶段信号的实际性能,如锁定状态,信噪比,误码率等可以由解调芯片内部的寄存器指示。
  3.3 后端解码模块设计
  (1)主控CPU
  主控CPU实现操作系统的各种控制功能,同时完成TS流解复接。一方面,主控CPU解析来自前端送入的TS流,提取相关的PSI表,并利用PID过滤器来分离音视频ES或PES流,实现TS流解复用。另一方面,主控CPU管理多个进程,如视频解码、音频解码、红外遥控、键盘响应、前端解调和TS解复用等,控制着接收机的解码全过程。
  (2)视频解码器
  视频解码器完成符合 MPEG-2压缩标准的视频实时解码,包括 MP@HL格式。解码器外接128Mbits的SDRAM,用于解码过程中的数据存储。视频解码时,主控CPU解析ES流或PES流帧以上高层语法,提取图片尺寸,比特率,量化距阵等控制参数,然后将参数写入解码器的控制寄存器。而帧以下的,涉及大运算量的视频解码,主要通过视频解码器的硬件解码单元实现。视频解码器支持ATSC制中的所有十八种格式及其中的某些格式转换,它既可以输出8-bit的标准清晰度视频信号,也可以输出24-bit高清晰度视频信号。它还支持OSD,通过节目信息和频道选择的显示,使用户具有本地信息交互功能。
  (3)音频解码器
  音频解码由单片兼容 MPEG-2和 AC-3的音频解码器完成,不需要外部存储器。解码过程中,主控 CPU可以通过 8bit数据接口或者通过I2c接口来控制音频解码器。音频解码器可接收 MPEG-1,MPEG-2,AC-3和PCM多种音频数据输入,具有三路双声道PCM数据串行输出接口和一个S/PDIF数字音频输入口。
  3.4 机顶盒解码流程分析
  数字电视机顶盒的源程序装载于FLASH ROM内。加电启动后,各芯片进行上电复位,主控CPU从FLASH ROM内加载并运行程序。程序首先完成软硬件初始化,包括时钟初始化,系统内存初始化,前端解调初始化以及音视频解码寄存器初始化等,并建立多个工作进程。多进程模式使主控CPU能同时处理多个工作流程,还可以进行进程间的通讯控制。
  系统完成初始化后,用户通过遥控器选择频道,频道选择界面通过OSD显示。主控CPU响应遥控器指令,通过I2C总线设置调谐器,使调谐器输出中频信号。中频信号经信道解调器处理后,输出TS流。主控CPU内PID过滤器实现TS流解复接,将相关的ES或PES流分别送入音视频解码器,最终输出音频和视频信号。TS流中的节目信息经过解析并存储,用户通过OSD查询菜单,了解相关的节目信息。对于多节目复合的TS流,用户还可以通过节目指南EPG指定收看TS流中的某个具体节目。
  3.5 机顶盒接收性能
  ATSC制频道带宽为6MHz,可以传送19.39Mbps固定比特率的数字电视节目,节目可以是单个高清晰度电视,也可以由4-5个标准清晰度电视节目复用而成,符号率为固定的10.76Msym/s,因此ATSC制广播电视的频道搜索比DVB简单,只要设定频道参数。如果全频道范围内接收,也只需从频道2到频道69逐个搜索。
  限于条件,实验过程中采用闭路接收的方式,由码流发生器输出8VSB调制信号,载波频率为473MHz(14频道),信号直接通过一段电缆送到机顶盒的RF输入端。主控CPU通过设定频道参数,可在2秒内实现频道锁定和8VSB解调,在4-5秒内(包括8VSB解调和信源解码)完成节目的解析和音视频解码,对于无节目的频道0.5秒内可判定。实际接收信号的信噪比要求高于16dB,否则接收机无法解调或解码时存在一定的误码。
  4 结束语
  数字化进程使广播电视,机和通信之间的行业界线变得越来越模糊,三者既渗透又融合的特点将持续一段时间。在此背景下,数字电视也将随着业务和技术的进一步逐渐走向成熟。未来的数字电视机顶盒不但会在已知的领域功能更趋完善,也将在未知的领域里开拓更广阔的空间。