通信學論文-ATSC制數字電視機頂盒研究.doc

通信學論文-ATSC制數字電視機頂盒研究摘要：本文概述了數字電視廣播原理，對ATSC制作了較詳細的介紹。在此基礎上，進一步闡述了作者實現的ATSC制數字電視機頂盒系統設計。1引言在信息技術的推動下，廣播電視進入從模擬廣播到數字廣播的過渡階段。美國，歐洲，澳大利亞，日本，新加坡等相繼確定了本國的數字電視廣播標準。隨著視頻壓縮技術的深入研究，九十年代初出現了一系列視頻壓縮標準，其中尤以MPEG-2影響圈較大；同時隨著集成電路制造技術的進步，許多芯片廠商相繼推出了相應專用芯片，這些都極大地推動了數字電視的發(fā)展。美國于1995年通過了ATSC數字電視標準。歐洲制定了包括DVB-T在內的一體化數字電視廣播標準，目前側重于標準清晰度數字電視。日本從模擬高清晰度電視研究轉向數字電視之后，確立了ISDB-T的地面廣播標準。三種標準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/50場隔行，最大的區(qū)別是信道調制和傳輸方式的不同。因此三種制式接收機的不兼容主要在接收機信道解調模塊。圖1表示了數字電視廣播和接收系統基本原理。從內容上分為信源部分和信道部分；從結構上分為發(fā)送端，傳輸網絡和接收端。發(fā)送端包括信源編碼（音視頻編碼），業(yè)務復用，信道編碼和調制。傳輸網絡既可以是地面廣播，也可以是有線電視和衛(wèi)星接收。調制信號到達接收端，先進行信道解調形成基帶TS流，然后進行解復用，形成音視頻PESES流分別解碼，最后輸出音頻和視頻信號。2ATSC電視制式簡介ATSC的英文全稱是AdvancedTelevisionSystemsCommittee（美國高級電視業(yè)務顧問委員會）。該委員會于1995年9月15日正式通過ATSC數字電視國家標準。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調制，提供了兩種模式：地面廣播模式（8VSB）和高數據率模式（16VSB）。隨著多媒體傳輸業(yè)務的不斷發(fā)展，為了適應移動接收的需要，近來又計劃增加2VSB的移動接收模式。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字化的HDTV原始視頻數據量非常大，碼率高達1Gbps以上。為了能在一個6M頻道帶寬內廣播HDTV信號，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視頻壓縮采用了運動估計和補償，幀內預測和幀間預測編碼，DCT變換編碼和熵編碼等算法，壓縮率可達3050倍。付出的代價是MPEG-2壓縮算法運算量極大。AC3有51聲道編碼，可以復用成TS流。信源解碼是編碼的逆過程，包括TS的解復用和音視頻ES的解壓縮，整個過程符合MPEG2和AC3的解壓縮語法。HDTV解碼運算量相對較低，是壓縮編碼運算量的十分之一。2.2信道調制與解調以地面廣播8VSB模式為例，信道調制與解調原理如圖2所示。發(fā)送端：碼率為19.39Mbps的TS流輸入到信道調制單元。信道編碼過程包括數據隨機處理，RS糾錯編碼，卷積交織，格狀編碼，同步信號插入，形成符號率為10.76Msym/s的8電位符號流（八種電位：7V，5V，3V，1V）。然后進行模擬處理，插入導頻，預均衡和單邊帶調制，最后送到發(fā)射機。接收端：射頻RF經調諧器鎖定，形成中頻IF輸出，AD變換后逐級進行8VSB信道解調處理，完成解調后輸出碼率為19.39Mbps的TS流。8VSB傳輸模式的參數如表1所示。對TS流進行信道編碼，要經過如下處理：首先TS包中187個字節(jié)和一個偽隨機序列按比特位異或運算（TS包長度為188個字節(jié)，同步頭0x47沒有進行異或和RS編碼），使TS流數據隨機化，碼率仍然是19.39Mbps。隨機化后數據送入t=10（207，187）的RS編碼器，每個TS包增加20校驗字節(jié)，包長度為208字節(jié)，碼率上升為21.52Mbps。然后又通過（208，52）的卷積交織器，可以抵御長度相當于4ms的突發(fā)干擾。在格狀編碼之前還通過一個12符號交織器。格狀編碼采用23模式，即每兩個比特輸入形成3比特輸出，此時碼率升為3528Mbps。映射處理將每3比特數據映射到一個8電位符號，每個符號相當于映射前的3比特，格狀編碼前的2比特。插入段同步，場同步后，便組裝成為數據幀。每一數據幀包括兩個數據場；每一數據場由313個數據段組成，其中第一個數據段作為該場的同步；每個數據段又由832個8電位符號組成，其中開始四個符號作為該段的同步。于是形成了符號率為1076Msyms的數據流，由于一個符號表示兩比特，所以比特率相當于對2152Mbps，除去同步開銷和檢錯冗余，凈比特率為1928Mbs。3機頂盒系統設計31數字電視機頂盒系統構成ATSC制機頂盒系統可分為兩個相對獨立的模塊：前端信道解調和后端信源解碼。前端和后端接口的數據格式是TS碼流。前端部分主要完成高頻下變換和8VSB信道解調，并輸出TS流；后端部分實現TS流的解復用，并將視頻和音頻的ES/PES流分別送入相應的音視頻解碼器，最終輸出視頻和音頻信號。系統的整體控制部分由后端的主控CPU負責，包括I2c總線，前端的信道解調，TS流解復用，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制機頂盒的系統設計框圖。32前端解調模塊設計（1）調諧器（Tuner）調諧器通過I2c總線來控制，完成高頻調諧并輸出中頻信號。有些調諧器沒有I2c總線，而是由3根控制線來設置調諧參數，此時要求機頂盒的主控芯片帶有一定數量的PIO編程端口。另外，信道解調器根據中頻信號幅度，通過AGC信號來調節(jié)調諧器輸出的中頻信號幅度，使其穩(wěn)定在一定的范圍之內。中頻信號輸出幅度通常較小，需要經過中頻放大器，然后送入8VSB解調器。（2）信道解調器8VSB解調器收到中頻信號后，對其進行模數轉換，然后逐級進行解調。信道解調器可以直接對輸入44MHz中頻信號進行A/D采樣，提供AGC信號調節(jié)中頻信號增益。正常工作狀態(tài)下，解調芯片先通過非相關AGC模式使中頻信號幅度在A/D采樣范圍之內；接著進行載波鎖定和同步信號恢復；實現同步后，相關AGC模式進一步細調中頻信號幅度。然后依次進行NTSC同頻干擾濾波、信號均衡、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）等步驟，最后輸出TS碼流。實際解調的每一步都可以通過內部寄存器來跟蹤。解調過程中各階段信號的實際性能，如鎖定狀態(tài)，信噪比，誤碼率等可以由解調芯片內部的寄存器指示。33后端解碼模塊設計（1）主控CPU主控CPU實現操作系統的各種控制功能，同時完成TS流解復接。一方面，主控CPU解析來自前端送入的TS流，提取相關的PSI表，并利用PID過濾器來分離音視頻ES或PES流，實現TS流解復用。另一方面，主控CPU管理多個進程，如視頻解碼、音頻解碼、紅外遙控、鍵盤響應、前端解調和TS解復用等，控制著接收機的解碼全過程。（2）視頻解碼器視頻解碼器完成符合MPEG2壓縮標準的視頻實時解碼，包括MPHL格式。解碼器外接128Mbits的SDRAM，用于解碼過程中的數據存儲。視頻解碼時，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，然后將參數寫入解碼器的控制寄存器。而幀以下的，涉及大運算量的視頻解碼，主要通過視頻解碼器的硬件解碼單元實現。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換，它既可以輸出8-bit的標準清晰度視頻信號，也可以輸出24-bit高清晰度視頻信號。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，不需要外部存儲器。解碼過程中，主控CPU可以通過8bit數據接口或者通過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多種音頻數據輸入，具有三路雙聲道PCM數據串行輸出接口和一個SPDIF數字音頻輸入口。34機頂盒解碼流程分析數字電視機頂盒的源程序裝載于FLASHROM內。加電啟動后，各芯片進行上電復位，主控CPU從FLASHROM內加載并運行程序。程序首先完成軟硬件初始化，包括時鐘初始化，系統內存初始化，前端解調初始化以及音視頻解碼寄存器初始化等，并建立多個工作進程。多進程模式使主控CPU能同時處理多個工作流程，還可以進行進程間的通訊控制。系統完成初始化后，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響應遙控器指令，通過I2C總線設置調諧器，使調諧器輸出中頻信號。中頻信號經信道解調器處理后，輸出TS流。主控CPU內PID過濾器實現TS流解復接，將相關的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。TS流中的節(jié)目信息經過解析并存儲，用戶通過OSD查詢菜單，了解相關的節(jié)目信息。對于多節(jié)目復合的TS流，用戶還可以通過節(jié)目指南EPG指定收看TS流中的某個具體節(jié)目。35機頂盒接收性能ATSC制頻道帶寬為6MHz，可以傳送19.39Mbps固定比特率的數字電視節(jié)目，節(jié)目可以是單個高清晰度電視，也可以由4-5個標準清晰度電視節(jié)目復用而成，符號率為固定的10.76Msym/s，因此ATSC制廣播電視的頻道搜索比DVB簡單，只要設定頻道參數。如果全頻道范圍內接收，也只需從頻道2到頻道69逐個搜索。限于條件，實驗過程中采用閉路接收的方式，由碼流發(fā)生器輸出8VSB調制信號，載波頻率為473MHz（14頻道），信號直接通過一段電纜送到機頂盒的RF輸入端。主控CPU通過設定頻道參數，可在2秒內實現頻道鎖定和8VSB解調，在45秒內（包括8V