一種基于PC機的數(shù)字電視接收系統(tǒng)

引言

隨著計算機技術、數(shù)字處理及圖像壓縮技術等高科技迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)電視走進了數(shù)字電視的新時期。（數(shù)字電視—指從節(jié)目攝制、制作、編輯、存儲、發(fā)射、傳輸，到信號接收、處理、顯示等全過程完全數(shù)字化的電視系統(tǒng)。）

伴隨著電視廣播的全面數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，數(shù)字電視信號不僅可由“機頂盒+電視機”的模式接收，而且也可以在PC機上直接收看。

本文闡述和分析了用PC機接收數(shù)字電視信號的實際意義和發(fā)展趨勢，并給出一個基于PC機的數(shù)字電視接收系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

1. 國外主要技術標準及我國數(shù)字電視標準化現(xiàn)狀

1.1  國外數(shù)字電視技術標準

目前國際上數(shù)字電視主要有三種標準[1] ：

1）歐洲ETSI的DVB（Digital Video Broadcasting 數(shù)字視頻廣播）；

DVB是將數(shù)字視頻、音頻和多媒體數(shù)據(jù)信號編碼為MPEG-2視頻、音頻及多媒體信號，經(jīng)過復用為信源輸出信號。可分別饋送至DVB-S/C/T信道。DVB家族三成員：

1、  用于衛(wèi)星數(shù)字電視廣播的DVB-S

衛(wèi)星信道的特點是：可用頻帶寬、功率受限、干擾大、信噪比低。所以要求采用可靠性高的信號調(diào)制方式，并要求有較強的信號糾錯能力，對帶寬要求不是特別高。因此DVB-S采用前向糾錯(FEC)(包括Viterbi編碼、交織、RS編碼及加擾等電路)、正交移相鍵控(QPSK)調(diào)制的信道處理方式，然后發(fā)送給衛(wèi)星鏈路；接收時進行相反的處理。DVB-S標準已為全球所認同。

2、  用于有線(同軸電纜)數(shù)字電視廣播的DVB-C

有線信道的特點是：信噪比高、頻帶資源窄、存在回波和非線性失真。這就要求DVB-C采用帶寬窄、頻帶利用率高、抗干擾能力較強的調(diào)制方式。同時，由于信道信噪比高、誤碼率較低，對糾錯能力要求不很高，因此,DVB-C的信道部分采用RS碼、卷積碼交織和正交幅度調(diào)制(QAM)技術。DVB-C為歐洲、澳大利亞、北美、南美等一些國家接受。
    3、用于地面數(shù)字電視廣播的DVB-T

地面廣播的特點是：地形復雜、存在時變衰落和多徑干擾、信噪比較低，而且要支持移動接收。因此，DVB-T采用前向糾錯(FEC)(包括內(nèi)碼交織、內(nèi)碼Viterbi編碼、外碼交織、外碼RS編碼)和能有效消除多徑干擾的正交頻分復用(COFDM)以及格雷碼映射4/16/64QAM調(diào)制等技術進行信道處理。然后在原來用于模擬的6MHz、7MHz和8MHz頻帶內(nèi)發(fā)送數(shù)字電視節(jié)目。DVB-T發(fā)送的比特率是可變的。數(shù)字電視地面廣播DVB-T已在歐洲、澳大利亞、新加坡進行了廣泛的測試試驗并得到認可[2]。

2)日本DiBEG的ISDB-T（Integrated Services Digital Broadcasting 綜合業(yè)務數(shù)字廣播），源于DVB；

3)美國先進電視委員會ATSC（Advanced Television System Committee 先進電視制式委員會）的DTV。

ATSC的DTV是一種地面數(shù)字電視廣播標準，與DVB-T形成競爭，已在澳大利亞、新加坡等國家與DVB-T進行對比試驗。目前接受該標準的國家和地區(qū)有美國、加拿大、墨西哥、阿根廷、韓國、臺灣等。另外，北美地區(qū)在衛(wèi)星數(shù)字電視廣播方面接受DVB-S、DSS(休斯數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng))標準；在有線數(shù)字電視廣播方面接受OpenCable(美國CableLabs制定的數(shù)字有線標準，該標準接受ATSC制式以及國際電訊聯(lián)盟（ITU）的ITU-TJ83的用于電視、聲音和數(shù)據(jù)服務的有線數(shù)字多節(jié)目制式)。 ATSC系統(tǒng)由信源編碼和壓縮、業(yè)務復用和傳送、射頻/傳輸3個子系統(tǒng)組成。信源編碼和壓縮可分別用于視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)。在HDTV系統(tǒng)中，視頻編碼使用MPEG-2視頻碼流語法，音頻編碼采用杜比AC-3數(shù)字音頻壓縮標準。業(yè)務復用和傳輸子系統(tǒng)是將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)從各自的數(shù)據(jù)流分組中打包并復用為一個單一數(shù)據(jù)流，該子系統(tǒng)采用MPEG-2傳送碼流語法。傳送中充分考慮了各種數(shù)字媒體和計算機接口間的互操作性。射頻/傳輸子系統(tǒng)完成信道編碼和調(diào)制。接收是發(fā)送的逆過程[3]。

1.2  我國數(shù)字電視標準化現(xiàn)狀

1999 年我國開始實施數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)化專項，第二年成立了全國數(shù)字電視標準委員會，中國數(shù)字電視標準制訂工作正式啟動。信息產(chǎn)業(yè)部和國家廣電總局也都為此成立了專門的標準制訂專家組，進行國內(nèi)外數(shù)字電視標準的整理和研究工作。

目前，在數(shù)字電視地面標準方案中，風頭最勁的兩派分別是以清華為首的、采用多載波調(diào)制技術的DMB-T（即“北派”），及以上海交大為核心的采用單載波調(diào)制技術的ADTB-T（“南派”）。2004 年11 月以來，清華和上海交大都進行了地面?zhèn)鬏數(shù)膶嶒?，均獲得了成功。更令人興奮的是，2005 年1月22 日，基于清華大學DMB-T 制的中國第一塊擁有完全自主知識產(chǎn)權的“中視一號”數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斝酒趶偷┐髮W問世，這被稱為“中國數(shù)字電視百萬門級專用集成電路自主設計和制造技術的重大突破”。2006年9月，我國數(shù)字電視地面無線傳輸?shù)募夹g標準業(yè)已通過，來年即將正式實施。

2.    用PC機接收數(shù)字電視信號的意義和發(fā)展趨勢

2.1   用PC機接收數(shù)字電視信號的意義

個人計算機（PC）在數(shù)字電視的發(fā)展中扮演這一個重要的角色。巨大的使用量（超過3.5億臺）、公開的技術標準和低廉的成本。用PC實現(xiàn)數(shù)字電視的接收比用“機頂盒+電視機“的接收模式更具有互動性和隨意性，用戶可以通過實時點播，根據(jù)自己的喜好不受限制地收看自己想看的節(jié)目。PC的顯視器具有百萬像素的分辨率，已經(jīng)完全可以顯示高清晰度電視（HDTV）圖像。另外，在PC平臺上開發(fā)HDTV的花費也相當?shù)?。通過PC實現(xiàn)數(shù)字電視的接收比單獨購買昂貴的數(shù)字電視接收裝置要便宜與實用，使其對消費者更具有吸引力。

另外，由于計算機網(wǎng)絡使用的是TCP/IP協(xié)議，用戶還可以非常容易地將電視服務和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、電子郵件、以及多種在線咨詢、娛樂、教育及商務功能結(jié)合在一起。

2.2  發(fā)展趨勢

我國數(shù)字電視歷經(jīng)數(shù)年的研究已經(jīng)獲得長足的發(fā)展，并獲得了國家、政策的全力支持。目前，相關部門已經(jīng)為數(shù)字電視的發(fā)展設置了時間段：2008年數(shù)字奧運，2015年最后期限。

現(xiàn)在許多用戶已經(jīng)使用模擬的電視卡在PC機上觀看電視節(jié)目。這表明電視和PC的結(jié)合已經(jīng)具有相當大的市場份額。在過去的幾年，基于PC機的模擬電視接收卡市場有著穩(wěn)定的發(fā)展。由于其豐富的視覺感受和交互式數(shù)據(jù)增值服務，DTVPC卡以成為比現(xiàn)今的PC機模擬電視接收卡更引人矚目的一種解決方案。當“電影式的”娛樂項目與PC機的實時交互性相結(jié)合的時候，數(shù)字電視的觀感效果比模擬電視有了相當大的增強。一個購買模擬電視卡的潛在用戶，將會更加愿意多投入些資金購買這種既支持模擬電視又支持數(shù)字電視的合成板卡，以避免冒很快就被淘汰的“機頂盒+模擬電視機”的風險。而且，消費者也可以在考慮花費大量資金為室內(nèi)添置一臺高清晰度電視機之前，嘗試在PC監(jiān)視器上感受高清晰度電視的良好效果。廣電公司在DTVPC卡的安裝使用有了一定基礎的同時，也有信心制作更多的數(shù)字電視節(jié)目內(nèi)容，這將從總體上推動了數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

最近幾年，網(wǎng)絡電視（IPTV）發(fā)展迅速，它作為一種新的媒體，覆蓋了廣播、電視、報紙、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等五大媒體。它是綜合了信息技術，網(wǎng)絡技術，計算機技術發(fā)展起來的。目前，我國的數(shù)字電視和網(wǎng)絡電視的發(fā)展開始進入快速軌道，政府正在加大推進力度?？梢哉f，正確處理好傳統(tǒng)數(shù)字電視和現(xiàn)在的網(wǎng)絡電視之間的關系，解決網(wǎng)絡電視的版權、各方利益的問題，讓廣大用戶能夠在自家的PC電腦上收看到高質(zhì)量的數(shù)字電視節(jié)目，是業(yè)內(nèi)目前需要解決的問題和行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。

3． 基于PC機的數(shù)字電視接收系統(tǒng)（DTVPC）

3.1  DTVPC解決方案

DTVPC解決方案必須滿足以下要求才能被消費者廣泛接受：

· 單一板卡方案可以同時完成實際的HDTV和傳統(tǒng)模擬電視的接收；

· 安裝簡單、方便；

· 可以被大眾消費市場接受的價格；

· 支持PC屏幕顯示格式。

數(shù)字電視接收卡還必須支持多級同步顯視器和普通的PC顯示分辨率，如1024×768，800×600和640×480。如果這種板卡除了支持ATSC和NTSC節(jié)目外，還支持DVD回放，那么它對消費者的使用價值又將得到極大的提高。

圖1是基于PCI接口的DTVPC卡的一種技術方案。這個接收卡上有16MB容量的SDRAM存儲器，用于支持實際的HDTV顯示格式（可以到720P和1080I）。DTV卡與圖形子系統(tǒng)之間通過一條模擬回環(huán)電纜連接，它將圖形顯示卡的RGB視頻數(shù)據(jù)和水平、垂直同步信號引入接收卡中。模擬開關在DTVPC和圖形顯示卡中進行選擇。DTVPC解碼器可以被編程來控制這個模擬開關。當解碼器的視頻輸出被選擇時，不管引入的視頻格式如何，都可以在PC機的屏幕上全屏顯示HDTV廣播節(jié)目。

這種方案還允許在圖形桌面上以視頻窗口的形式來顯示。解碼器可以同步輸出與CCIR 601數(shù)字視頻兼容的高清晰度模擬視頻。CCIR 601 視頻數(shù)據(jù)通過PCI總線的視頻接口端口（VIP）送入圖形卡的視頻抓取端口，圖形卡將傳來的視頻數(shù)據(jù)覆蓋到顯示圖形頂部的一個視頻窗口中，觀看者可以選擇全屏的HDTV輸入方式，也可以在PC上進行其他工作的同時，從一個視頻窗口中觀看數(shù)字電視節(jié)目。

圖1 DTVPC解決方案

 3.2  DTVPC解決方案的基本功能

目前在“機頂盒+電視機”模式中的所有優(yōu)點，都可以在DTVPC方案下實現(xiàn)。此方案的主要功能有：

· 多播（multicast）接收：在同一個電視臺發(fā)送多套節(jié)目時特別有用，觀看者將有機會選擇他們想看的節(jié)目或者同時收看所有的節(jié)目。

· 記錄和回放（record/playback）：這項功能和錄像機或者錄音機的功能相同，使用PC機的硬盤驅(qū)動器，使觀看者將有可能收到的內(nèi)容保存下來供以后觀看。

·暫停和時間切換（pause/time shift）：這項功能與錄像機或錄音機不同的是觀看者有機會在實況廣播進行的同時對其暫停，然后重新開始。

· 數(shù)據(jù)廣播：單從技術上看，數(shù)字電視廣播只是一連串簡單的連續(xù)數(shù)據(jù)流，它可以發(fā)送圖片、聲音、多媒體游戲等多種與所看電視節(jié)目相關的內(nèi)容，使觀看者的體驗更具有個性化。

· 交互式電視：實時交互性使觀看者可以在MTV廣播的同時購買音樂CD，或參與游戲節(jié)目的競爭[4]。

DTVPC卡在交互式電視市場中將成為一種理想的構(gòu)件。這是由于大多數(shù)的PC已經(jīng)具有實現(xiàn)交互式電視所必須的最重要的功能——為觀看者提供反饋的機制?，F(xiàn)在大多數(shù)PC機都與因特網(wǎng)連接，使觀看者隨時可向服務提供商發(fā)送點播等控制信息。

3.3  DTVPC解決方案的技術特點

DTVPC解決方案的核心是解碼器。解碼器的實現(xiàn)有三種基本方法：軟件解碼、硬件解碼和硬件輔助+軟件解碼。

1.軟件解碼將所有的處理工作都交了PC機的CPU。這種方法CPU的負擔很重，對CPU的性能要求很高。一塊PⅢ750MHz的CPU加上高性能的圖形芯片僅僅可以實現(xiàn)對480P的數(shù)字電視碼流的解碼，如果對HDTV格式的碼流進行軟件解碼，僅解碼部分就需要CPU高達1GHz的處理能力。

2.硬件解碼使用專用的DTV解碼芯片，這種方案不依賴CPU或圖形芯片即可完成DTV碼流的解碼，對CPU帶寬的消耗非常小，可以在絕大多數(shù)的PC上使用，但板卡成本較高。

3．本方案采用硬件輔助+軟件解碼的方法。它由三部分組成：接收卡、高性能的CPU和圖形芯片。其中，接收卡包括一個數(shù)字電視調(diào)諧器和8-VSB解調(diào)器，負責接收DTV廣播信號并傳送給CPU。CPU對傳送來的信號進行分離，并使用軟件算法對數(shù)字電視碼流解碼。圖形芯片中集成的運動補償電路和反余弦變換（IDCT）邏輯可以幫助CPU完成部分工作。這種處理方案在CPU性能和板卡成本之間有較好的折中。一塊PIII 550 MHz的CPU和一塊高性能的圖形芯片就可以對1080I格式的數(shù)字電視碼流解碼。

 4．  結(jié)束語

本文在闡述了數(shù)字電視技術現(xiàn)狀和DTVPC系統(tǒng)技術特點和技術要求的基礎上，結(jié)合目前的技術水平，擬定了一個DTVPC系統(tǒng)的初步方案，采用硬件輔助加軟件解碼的方法，使PC機CPU的性能要求和板卡成本之間獲得了較好折中。但因為DTVPC系統(tǒng)的技術還在不斷發(fā)展中，該方案能否投入商用，還有待進一步完善和檢驗。