ATSC制數(shù)字電視機(jī)頂盒研究

系統(tǒng)全面地闡述了有線數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)所涉及的技術(shù)以及ATSC系統(tǒng)的構(gòu)成，并針對(duì)ATSC終端接收設(shè)備機(jī)頂盒，在工作原理、模塊構(gòu)成和關(guān)鍵技術(shù)方面作了較為詳細(xì)的介紹。
??? 關(guān)鍵詞：機(jī)頂盒，模塊構(gòu)成，關(guān)鍵技術(shù)

1 引 言
　　隨著科技進(jìn)步及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，廣播電視進(jìn)入了從模擬廣播到數(shù)字廣播的過渡階段。自從歐洲率先于20世紀(jì)80年代提出數(shù)字視頻廣播的概念之后，歐美國家的企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)用了近8年的時(shí)間完成了數(shù)字視頻廣播技術(shù)的研發(fā)以及標(biāo)準(zhǔn)的制定，極大地推動(dòng)了數(shù)字電視的發(fā)展。美國于1995年通過了ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。歐洲制定了包括DVB－T在內(nèi)的一體化數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，目前側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視。日本從模擬高清晰度電視研究轉(zhuǎn)向數(shù)字電視之后，確立了ISDB－T的地面廣播標(biāo)準(zhǔn)。三種標(biāo)準(zhǔn)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(qū)別是信道調(diào)制和傳輸方式的不同。因此，三種制式接收機(jī)的不兼容主要在于接收機(jī)信道解調(diào)模塊。

　　圖1表示了數(shù)字電視廣播和接收系統(tǒng)基本原理。從內(nèi)容上分為信源部分和信道部分；從結(jié)構(gòu)上分為發(fā)送端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和接收端。發(fā)送端包括信源編碼（音視頻編碼）、業(yè)務(wù)復(fù)用、信道編碼和調(diào)制。傳輸網(wǎng)絡(luò)既可以是地面廣播，也可以是有線電視和衛(wèi)星接收。調(diào)制信號(hào)到達(dá)接收端，先進(jìn)行信道解調(diào)形成基帶TS流，然后進(jìn)行解復(fù)用，形成音視頻PES／ES（Packet EssentialStream／EssentialStream）流分別解碼，最后輸出音頻和視頻信號(hào)。
2　ATSC電視制式簡介
　　ATSC的英文全稱是Advanced TelevisionSystems Committee（美國高級(jí)電視業(yè)務(wù)顧問委員會(huì)）。該委員會(huì)于1995年9月15日正式通過ATSC數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn)。ATSC制信源編碼采用MPEG－2視頻壓縮和AC－3音頻壓縮；信道編碼采用格形編碼殘留邊帶（VSB）調(diào)制，提供了兩種模式：地面廣播模式（8VSB）和高數(shù)據(jù)率模式（16VSB）。隨著多媒體傳輸業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)移動(dòng)接收的需要，近來又計(jì)劃增加2VSB的移動(dòng)接收模式。下面從信源部分和信道部分來作介紹。
2．1　信源編碼與解碼
　　由于數(shù)字化的HDTV原始視頻數(shù)據(jù)量非常大，碼率高達(dá)1Gbps以上。為了能在一個(gè)6MHz頻道帶寬內(nèi)廣播HDTV信號(hào)，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(jí)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(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償，幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)編碼，離散余弦變換（DCT）編碼和熵編碼等算法，壓縮率可達(dá)30～50倍，但其代價(jià)是MPEG－2壓縮算法運(yùn)算量極大。AC－3有5＋1聲道編碼，可以復(fù)用成TS流。信源解碼是編碼的逆過程，包括TS的解復(fù)用和音視頻ES的解壓縮，整個(gè)過程符合MPEG－2和AC－3的解壓縮語法。HDTV解碼運(yùn)算量相對(duì)較低，是壓縮編碼運(yùn)算量的十分之一。
2．2　信道調(diào)制與解調(diào)
　　以地面廣播8VSB模式為例，信道調(diào)制與解調(diào)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(diào)制單元。信道編碼過程包括數(shù)據(jù)隨機(jī)處理、RS糾錯(cuò)編碼、卷積交織、格狀編碼、同步信號(hào)插入，形成符號(hào)率為10．76Msym／s的8電位符號(hào)流（八種電位：±7V，±5V，±3V，±1V）。然后進(jìn)行模擬處理，插入導(dǎo)頻，預(yù)均衡和單邊帶調(diào)制，最后送到發(fā)射機(jī)。接收端：射頻RF經(jīng)調(diào)諧器鎖定，形成中頻IF輸出，A／D變換后逐級(jí)進(jìn)行8VSB信道解調(diào)處理，完成解調(diào)后輸出碼率為19．39Mbps的TS流。8VSB傳輸模式的參數(shù)如表1所示。

　　對(duì)TS流進(jìn)行信道編碼，要經(jīng)過以下處理：首先，TS包中187個(gè)字節(jié)和一個(gè)偽隨機(jī)序列按比特位異或運(yùn)算（TS包長度為188個(gè)字節(jié)，同步頭0x47沒有進(jìn)行異或和RS編碼），使TS流數(shù)據(jù)隨機(jī)化，碼率仍然是19．39Mbps。隨機(jī)化后數(shù)據(jù)送入t＝10（207，187）的RS編碼器，每個(gè)TS包增加20校驗(yàn)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(dāng)于4ms的突發(fā)干擾。在格狀編碼之前還通過一個(gè)12符號(hào)交織器。格狀編碼采用2／3模式，即每兩個(gè)比特輸入形成3比特輸出，此時(shí)碼率升為35．28Mbps。映射處理將每3比特?cái)?shù)據(jù)映射到一個(gè)8電位符號(hào)，每個(gè)符號(hào)相當(dāng)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(shù)據(jù)幀。每一數(shù)據(jù)幀包括兩個(gè)數(shù)據(jù)場；每一數(shù)據(jù)場由313個(gè)數(shù)據(jù)段組成，其中第一個(gè)數(shù)據(jù)段作為該場的同步；每個(gè)數(shù)據(jù)段又由832個(gè)8電位符號(hào)組成，其中開始4個(gè)符號(hào)作為該段的同步。于是形成了符號(hào)率為10．76Msym／s的數(shù)據(jù)流，由于一個(gè)符號(hào)表示2bit，所以比特率相當(dāng)于21．52Mbps，除去同步開銷和檢錯(cuò)冗余，凈比特率為19．28Mbps。
3　機(jī)頂盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1　數(shù)字電視機(jī)頂盒系統(tǒng)構(gòu)成
　　ATSC制機(jī)頂盒系統(tǒng)可分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊：前端信道解調(diào)和后端信源解碼。前端和后端接口的數(shù)據(jù)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(diào)，并輸出TS流；后端部分實(shí)現(xiàn)TS流的解復(fù)用，并將視頻和音頻的ES／PES流分別送入相應(yīng)的音視頻解碼器，最終輸出視頻和音頻信號(hào)。系統(tǒng)的整體控制部分由后端的主控CPU負(fù)責(zé)，包括I2C總線、前端的信道解調(diào)、TS流解復(fù)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(jī)頂盒的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

3．2　前端解調(diào)模塊設(shè)計(jì)
??? （1）調(diào)諧器（Tuner）
　　調(diào)諧器通過I2C總線來控制，完成高頻調(diào)諧并輸出中頻信號(hào)。有些調(diào)諧器沒有I2C總線，而是由3根控制線來設(shè)置調(diào)諧參數(shù)，此時(shí)，要求機(jī)頂盒的主控芯片帶有一定數(shù)量的編程端口。另外，信道解調(diào)器根據(jù)中頻信號(hào)幅度，通過AGC信號(hào)來調(diào)節(jié)調(diào)諧器輸出的中頻信號(hào)幅度，使其穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。中頻信號(hào)輸出幅度通常較小，需要經(jīng)過中頻放大器，然后送入8VSB解調(diào)器。
??? （2）信道解調(diào)器
　　8VSB解調(diào)器收到中頻信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后逐級(jí)進(jìn)行解調(diào)。信道解調(diào)器可以直接對(duì)輸入44MHz中頻信號(hào)進(jìn)行A／D采樣，提供AGC信號(hào)調(diào)節(jié)中頻信號(hào)增益。正常工作狀態(tài)下，解調(diào)芯片先通過非相關(guān)AGC模式使中頻信號(hào)幅度在A／D采樣范圍之內(nèi)，接著進(jìn)行載波鎖定和同步信號(hào)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)同步后，相關(guān)AGC模式進(jìn)一步細(xì)調(diào)中頻信號(hào)幅度，然后依次進(jìn)行NTSC（National Television System Committee）同頻干擾濾波、信號(hào)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(jī)）等步驟，最后輸出TS碼流。實(shí)際解調(diào)的每一步都可以通過內(nèi)部寄存器來跟蹤。解調(diào)過程中各階段信號(hào)的實(shí)際性能，如鎖定狀態(tài)、信噪比、誤碼率等可以由解調(diào)芯片內(nèi)部的寄存器指示。
3．3　后端解碼模塊設(shè)計(jì)
??? （1）主控CPU
　　主控CPU實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的各種控制功能，同時(shí)完成TS流解復(fù)接。一方面，主控CPU解析來自前端送入的TS流，提取相關(guān)的PSI（Program Specific Information）表，并利用PID（Packet Identifier）過濾器來分離音視頻ES或PES流，實(shí)現(xiàn)TS流解復(fù)用。另一方面，主控CPU管理多個(gè)進(jìn)程，如視頻解碼、音頻解碼、紅外遙控、鍵盤響應(yīng)、前端解調(diào)和TS解復(fù)用等，控制著接收機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的視頻實(shí)時(shí)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)。視頻解碼時(shí)，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、量化矩陣等控制參數(shù)，然后將參數(shù)寫入解碼器的控制寄存器。而幀以下的，涉及大運(yùn)算量的視頻解碼，主要通過視頻解碼器的硬件解碼單元實(shí)現(xiàn)。視頻解碼器支持ATSC制中的所有18種格式及其中的某些格式轉(zhuǎn)換，它既可以輸出8bit的標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻信號(hào)，也可以輸出24bit高清晰度視頻信號(hào)。它還支持OSD（On－Screen Display），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MPEG－2和AC－3的音頻解碼器完成，不需要外部存儲(chǔ)器。解碼過程中，主控CPU可以通過8bit數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸入，具有3路雙聲道PCM數(shù)據(jù)串行輸出接口和一個(gè)S／PDIF數(shù)字音頻輸入口。
3．4　機(jī)頂盒解碼流程分析
　　數(shù)字電視機(jī)頂盒的源程序裝載于FLASH ROM內(nèi)。加電啟動(dòng)后，各芯片進(jìn)行上電復(fù)位，主控CPU從FLASHROM內(nèi)加載并運(yùn)行程序。程序首先完成軟硬件初始化，包括時(shí)鐘初始化、系統(tǒng)內(nèi)存初始化、前端解調(diào)初始化以及音視頻解碼寄存器初始化等，并建立多個(gè)工作進(jìn)程。多進(jìn)程模式使主控CPU能同時(shí)處理多個(gè)工作流程，還可以進(jìn)行進(jìn)程間的通訊控制。
　　系統(tǒng)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(yīng)遙控器指令，通過I2C總線設(shè)置調(diào)諧器，使調(diào)諧器輸出中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)信道解調(diào)器處理后，輸出TS流。主控CPU內(nèi)PID過濾器實(shí)現(xiàn)TS流解復(fù)接，將相關(guān)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(hào)。TS流中的節(jié)目信息經(jīng)過解析并存儲(chǔ)，用戶通過OSD查詢菜單，了解相關(guān)的節(jié)目信息。對(duì)于多節(jié)目復(fù)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(gè)具體節(jié)目。
3．5　機(jī)頂盒接收性能
　　ATSC制頻道帶寬為6MHz，可以傳送固定比特率19．39Mbps的數(shù)字電視節(jié)目，節(jié)目可以是單個(gè)高清晰度電視，也可以由4～5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視節(jié)目復(fù)用而成，符號(hào)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，只需設(shè)定頻道參數(shù)。如果全頻道范圍內(nèi)接收，也只需從頻道2到頻道69逐個(gè)搜索。
　　限于條件，實(shí)驗(yàn)過程中采用閉路接收的方式，由碼流發(fā)生器輸出8VSB調(diào)制信號(hào)，載波頻率為473MHz（14頻道），信號(hào)直接通過一段電纜送到機(jī)頂盒的RF輸入端。主控CPU通過設(shè)定頻道參數(shù)，可在2s內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻道鎖定和8VSB解調(diào)，在4～5s內(nèi)（包括8VSB解調(diào)和信源解碼）完成節(jié)目的解析和音視頻解碼，對(duì)于無節(jié)目的頻道0．5s內(nèi)可判定。實(shí)際接收信號(hào)的信噪比要求高于16dB，否則，接收機(jī)無法解調(diào)或解碼時(shí)存在一定的誤碼。
4　結(jié)束語
　　有線數(shù)字視頻廣播使得高清晰度電視與數(shù)據(jù)廣播得到了飛速的發(fā)展，并加快了有線電視網(wǎng)中雙向業(yè)務(wù)及利用電視機(jī)連接因特網(wǎng)的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而為家庭提供了高質(zhì)量音畫的廣播業(yè)務(wù)和高速的因特網(wǎng)接入。在充分發(fā)揮數(shù)字視頻技術(shù)和有線電視網(wǎng)絡(luò)各自優(yōu)勢(shì)的前提下，不斷地協(xié)調(diào)發(fā)展，ATSC技術(shù)走入尋常百姓家指日可待。
　　如果說電視機(jī)的出現(xiàn)是20世紀(jì)人類娛樂業(yè)最重要的發(fā)明，那么我們可以斷言，數(shù)字視頻廣播技術(shù)將成為21世紀(jì)人類娛樂業(yè)的又一里程碑。數(shù)字電視也將隨著業(yè)務(wù)和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展逐漸走向成熟。未來的數(shù)字電視機(jī)頂盒不但會(huì)在已知的領(lǐng)域內(nèi)功能更趨完善，也將在未知的領(lǐng)域里開拓更廣闊的空間。 1　許　波．有線數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)綜述．2002中國國際有線電視技術(shù)研討會(huì)，北京，2002
2　張茂明．三種數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的比較．中國有線電視導(dǎo)航，2003（2）
3　武振蘇．有線電視數(shù)字機(jī)頂盒技術(shù)．有線電視技術(shù)，2002（19～21）