ATSC制數字電視機頂盒研究
瀏覽:797 發布日期:2015-9-19 07:28

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1920×1080,每秒60場/50場隔行,最大的區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。
  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;從結構上分為發送端,傳輸網絡和接收端。發送端包括信源編碼(音視頻編碼),業務復用,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PES/ES流分別解碼,最后輸出音頻和視頻信號。

  2 ATSC電視制式簡介
  ATSC的英文全稱是Advanced Television Systems Committee(美國高級電視業務顧問委員會)。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AC-3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)。隨著多媒體傳輸業務的不斷發展,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。

 2.1 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MPEG—2視頻壓縮。MPEG—2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 MP@ HL格式完全符合 HDTV廣播需要。MPEG-2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 30-50倍。付出的代價是 MPEG-2壓縮算法運算量極大。AC—3有 5+1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MPEG-2和AC—3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,最后送到發射機。接收端:射頻RF經調諧器鎖定,形成中頻IF輸出,A/D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。
  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,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,包長度為 208字節,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2/3模式,即每兩個比特輸入形成3比特輸出,此時碼率升為35.28Mbps。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10.76Msym/s的數據流,由于一個符號表示兩比特,所以比特率相當于對21.52Mbps,除去同步開銷和檢錯冗余,凈比特率為19.28Mbs。

  3 機頂盒系統設計
  3.1 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。

3.2 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信號來調節調諧器輸出的中頻信號幅度,使其穩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信號調節中頻信號增益。正常工作狀態下,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,信噪比,誤碼率等可以由解調芯片內部的寄存器指示。
  3.3 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 MPEG-2壓縮標準的視頻實時解碼,包括 MP@HL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 MPEG-2和 AC-3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 MPEG-1,MPEG-2,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S/PDIF數字音頻輸入口。
  3.4 機頂盒解碼流程分析
  數字電視機頂盒的源程序裝載于FLASH ROM內。加電啟動后,各芯片進行上電復位,主控CPU從FLASH ROM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,了解相關的節目信息。對于多節目復合的TS流,用戶還可以通過節目指南EPG指定收看TS流中的某個具體節目。
  3.5 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目,節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4-5秒內(包括8VSB解調和信源解碼)完成節目的解析和音視頻解碼,對于無節目的頻道0.5秒內可判定。實際接收信號的信噪比要求高于16dB,否則接收機無法解調或解碼時存在一定的誤碼。
  4 結束語
  數字化進程使廣播電視,計算機網絡和通信之間的行業界線變得越來越模糊,三者既滲透又融合的特點將持續一段時間。在此背景下,數字電視也將隨著業務和技術的進一步發展逐漸走向成熟。未來的數字電視機頂盒不但會在已知的領域功能更趨完善,也將在未知的領域里開拓更廣闊的空間。 不錯的科普資料 謝謝作者,好東西啊! 非常不錯,支持一下,頂頂 但ATSC制在中國好像很少用

微信搜索關注公眾號“衛星參數網”,獨家內幕新聞!

衛星參數網公眾號
日本乱人伦av天堂在线