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1、ATSC 制数字电视机顶盒研究摘要：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-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 发展 。美国于 1995 年通过了 ATSC 数字电视标准。欧洲制定了包括 DVB-T
2、 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 19201080，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 网络 和接收端。发送端包括信源编码，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。
3、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PESES 流分别解码，最后输出音频和视频信号。 ATSC 电视制式简介 ATSC 的 英文 全称是 Advanced Television Systems Committee。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：地面广播模式和高数据率模式。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
4、来作介绍： 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 MPEG2 视频压缩。MPEG2 视频压缩格式分为4 级类，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。MPEG2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 050 倍。付出的代价是 MPEG-2 压缩算法运算量极大。AC3 有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
5、 TS 的解复用和音视频 ES 的解压缩，整个过程符合 MPEG2 和 AC3 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。 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/s 的 8 电位符号流。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，AD 变换后逐级进行 8VSB 信道解调处理，完成解调后输出码率为的 TS 流。8
6、VSB 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，使TS 流数据随机化，码率仍然是。随机化后数据送入 t=10的 RS 编码器，每个 TS 包增加 0 校验字节，包长度为 08字节，码率上升为。然后又通过的卷积交织器，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 23 模式，即每两个比特输入形成 3 比特输出，此时码率升为 3528Mbps。映射处理将每比特数据映射到一个电位符号，每个符号相当于映射前的比特，格状编码前的 2 比特。插入段同步，场同步后
7、，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1076Msym 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 2152Mbps，除去同步开销和检错冗余，净比特率为 1928Mbs。 机顶盒系统设计 31 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
8、 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。 前端解调模块设计 调谐器 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
9、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。 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
10、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后端解码模块设计 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。视频解码器 视频解码器完成符合 MPEG2 压缩标准的视频实时解码，包括 MPHL 格式。解码器外接 128Mbit
11、s 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。 音频解码器 音频解码由单片兼容 MPEG2 和 AC3 的音频解码器完成，不需要外部存储器。解码过程中，
12、主控 CPU 可以通过 bit 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 MPEG1，MPEG2，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 SPDIF 数字音频输入口。 3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
13、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机顶盒接收性能 ATSC 制频道带宽为 6MHz，可以传送固定比特率的数字电视节
14、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/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，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 45 秒内完成节目的解析和音视频解码，对于无节目的频道 05 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， 计算 机 网络 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 发展 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。
