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1、A T S C 制数字电视机顶盒研究 清华大学电子工程系黄德球薛永林李凤亭 摘要：本文概述了数字电视广播原理，对A T S C 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A T S C 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M P E G 一2 影响较大； 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的专用芯片，这些都极大地推动了数字电 视的发展。美国于1 9
2、9 5 年通过了A T S C 数字电视标准。欧洲制定了包括D V B 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I S D B T 的 地面广播标准。三种标准在信源编码方面相似，都采用M P E G 一2 视频压缩，高清晰度电视图像常用格式为 1 9 2 0 1 0 8 0 ，每秒6 0 场5 0 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，传输网络和接收端。发送端
3、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T s 流，然后进行解复 用，形成音视频P E S E S 流分别解码，最后输出音频和视频信号。 图1数字电视广播系统原理图 2A T S C 电视制式简介 A T S C 的英文全称是A d v a n c e dT e l e v i s i o nS y s t e m sC o m m i t t e e ( 美国高级电视业务顾问委员会) 。该委员会于 1 9 9 5 年9 月1 5 日正式通过A T S C 数字电视国家标准。A
4、T S C 制信源编码采用M P E G 一2 视频压缩和A C 一3 音 频压缩；信道编码采用V S B 调制，提供了两种模式：地面广播模式( 8 V S B ) 和高数据率模式( 1 6 V S B ) 。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2 V S B 的移动接收模式。下面从信源部分 和信道部分来作介绍： 2 0 0 1 年中国有线电视论坛4 3 口B 数字电视与数据广播 I I I I I 2 1 信源编码与解码 由于数字化的H D T V 原始视频数据量非常大，码率高达1 G b p s 以上。为了能在一个6 M 频道带宽内广播 H D T V 信
5、号，必须采用压缩比很高的视频压缩算法。A T S C 制采用M P E G 一2 视频压缩。M P E G 一2 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M P H L 格式完全符合H D T V 广播需 要。M P E G 一2 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，D C T 变换编码和熵编码等算法，压 缩率可达3 0 5 0 倍。付出的代价是M P E G 一2 压缩算法运算量极大。A C 一3 有5 + 1 声道编码，可以复用成T s 流。信源解码是编码的逆过程，包括T s 的解复用和音视频E s 的解压缩，整个过程符合M P E
6、G 一2 和A C 一3 的 解压缩语法。H D T V 解码运算量相对较低，是压缩编码运算量的十分之一。 图2信道调制与解调原理图 2 2 信道调制与解调 以地面广播8 V S B 模式为例，信道调制与解调原理如图2 所示。发送端：码率为1 9 3 9 M b p s 的T S 流输入到 信道调制单元。信道编码过程包括数据随机处理，R s 纠错编码，卷积交织，格状编码，同步信号插入，形成符号 率为1 0 7 6 M s y m s 的8 电位符号流( 八种电位：7 V ，5 V ，3 V ，1 V ) 。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R F 经
7、调谐器锁定，形成中频I F 输出，A D 变换后逐级进行 8 V S B 信道解调处理，完成解调后输出码率为1 9 3 9 M b p s 的T s 流。8 V S B 传输模式的参数如表1 所示。 对，I S 流进行信道编码，要经过如下处理：首先T S 包中18 7 个字节和一个伪随机序列按比特位异或运算 ( T s 包长度为1 8 8 个字节，同步头0 x 4 7 没有进行异或和R s 编码) ，使T s 流数据随机化，码率仍然是 1 9 3 9 M b p s 。随机化后数据送人t = 1 0 ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 的R s 编码器，每个T s 包增加2 0 校验字节，包长度
8、为2 0 8 字 节，码率上升为2 1 5 2 M b p s 。然后又通过( 2 0 8 ，5 2 ) 的卷积交织器，可以抵御长度相当于4 m s 的突发干扰。在格 状编码之前还通过一个1 2 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3 5 2 8 M b p s 。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3 1 3 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8 3 2 个8 电位符号组成
9、，其中开始四个符 号作为该段的同步。于是形成了符号率为1 0 7 6 M s y m s 的数据流，由于一个符号表示两比特，所以比特率相 当于2 1 5 2 M b p s ，除去同步开销和检错冗余，净比特率为1 9 2 8 M b s 。 3机顶盒系统设计 3 1数字电视机顶盒系统构成 A T S C 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T s 码流。前端部分主要完成高频下变换和8 V S B 信道解调，并输出T s 流；后端部分实现T s 流的解复 4 4 ( 第九届) 全国有线电视综合信g - 网学术研讨会 Y - 。秽l。 发一
10、撅嫩一 蔷竺二二=二=、B攮焉竺Hi 竺 一频入一 ；o ；、 选择器 、；rlmv一状码一信| ，llL m 硼f 一祷编一步 | | 积织一 卷交二=：H s 硒一 i 型= = H = = 舔帆礁一 一，。_l 嘲 里塑字电视与数据广播口 表18 V S B 传输模式的参数 - 融p 强f j * i 啊_ 默i 撼簖霉到啊_m 瓣鞠蹦搬删幽啊戤随瀛缫镧勰黼豳 倍道带宽 6 M h z 趣磁带宽1 1 5 符号率 1 0 7 6 M s y m s净数据率1 9 2 8 M b p s 格状F E C2 3R SF E C T = 1 0 ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 段长度 8 3
11、 2 个籀号帧艮度3 1 3 个段 导频功率0 3 d BC Nf - j 限1 4 。9 d B 用，并将视频和音频的E S P E S 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C P U 负责，包括1 2 c 总线，前端的信道解调，T s 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A T S C 制机顶盒的系统设计框图。 3 2前端解调模块设计 T 眦RH 信道8 V 解S B 渊器 P C 总线 燕控 C P U I r 。A S H R O 瓣 视频 解玛器 标清视频输出 黔鸸器l ! 羔叫D A = 二 r
12、_ 1 巍频输嫩 。怒恻变换 t 5 + 1 解鹳器lP C M 2 l F 一 图3A T S C 制数字电视机顶盒系统框图 ( 1 ) 调谐器( T u n e r ) 调谐器通过I c c 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P c 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P I O 编程端口。另外，信道解调器根据中频信号 幅度，通过A G C 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8 V S B 解调器。 ( 2 ) 信道解调器 8 V S B 解调
13、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 4 4 M H ：中频信号进行A D 采样，提供AG C 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 A G C 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A G C 模式进一步细调中频信号幅度。然后依次进行N T S C 同频干扰滤波、信号均衡、9 相位跟踪锁定以及F E C 处理 ( 包括格状解码、去卷积交织、R S 解码和去随机) 等步骤，最后输出T s 码流。实际解调的每一步都可通过内部 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
14、，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C P U 主控C P U 实现操作系统的各种控制功能，同时完成T s 流解复接。一方面，主控C P U 解析来自前端送入的 T S 流，提取相关的P S I 表，并利用P I D 过滤器来分离音视频E s 或P E S 流，实现T s 流解复用。另一方面，主控 C P U 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T S 解复用等，控制着接收机的解 码全过程。 2 0 0 1 年中国有线电视论坛4 5 口B 数字电视与数据广播 ( 2 ) 视频解码器 视频解码器完成符合M
15、P E G 一2 压缩标准的视频实时解码，包括M P H L 格式。解码器外接1 2 8 M b i t s 的 S D R A M ，用于解码过程中的数据存储。视频解码时，主控C P U 解析E S 流或P E S 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A T S C 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 一b i t 的标准清晰度视频信号，也可以输出2 4 b i t 高清晰度视频信号。它还支持 O S D ，通过节目信息
16、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M P E G 一2 和A C 一3 的音频解码器完成，不需要外部存储器。解码过程中，主控C P U 可以通过8 b i t 数据接口或者通过1 2 C 接口来控制音频解码器。音频解码器可接收M P E G 一1 ，M P E G 一2 ，A C 一3 和P C M 多种音频数据输入，具有三路双声道P C M 数据串行输出接口和一个S P D I F 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F L A S HR O M 内。加电启动后，各芯片进行上电复位，主控C P U 从F L A S H R O M 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
