关于ATSC制数字电视机顶盒的研究

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数字电视的发展趋势
    从1994年开播卫星数字电视，到1998年底开播地面数字电视广播，数字电视已经实现了全面启动。到1999年底，全球约有2500万台卫星数字电视机顶盒，700万台有线网数字机顶盒和40万台地面数字电视机顶盒和接收机，主要分布于欧洲、美国和日本。
    美国计划于2006年在全美范围内实现电视节目的数字化传输，日本则将在2011年实现所有电视节目的数字化，德国媒体管理局计划在2006年前关闭所有的地面模拟电视传送。我国的数字电视技术正在加紧实施“三步”战略步伐：2003年完成地面数字电视标准的制定，在大城市开播数字电视；2005年，卫星传输全部实现数字化；2010年，地面电视基本实现数字化，普及数字电视接收机（机顶盒）；2015年，中国电视广播全面实现数字化，完成模拟向数字的过渡。
    目前，世界各国正面临着从模拟电视向数字电视的演进变革，与通信领域的模拟技术向数字技术演进的历程一样，在用户需求和科学技术进步的巨大拉动下，数字电视技术日趋成熟，在不断为人们提供更高质量、更多功能和更个性化的音视频节目的同时，逐渐成为电视系统的主流。未来的数字电视将是一个全方位的宽带网络系统，从各个层面影响现代人类的社会生活，其触角将遍及社会的政治、经济、文化和生活等各个领域。

关于ATSC制数字电视机顶盒的研究

    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-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，传输网络和接收端。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的英文全称是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，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。

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