ATSC制數(shù)字電視機頂盒研究

1 引 言
　　隨著科技進步及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，廣播電視進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

構(gòu)用了近8年的時間完成了數(shù)字視頻廣播技術(shù)的研發(fā)以及標準的制定，極大地推動了數(shù)字電視的發(fā)展。美國于1995年通過了ATSC數(shù)字電視標準。歐洲制定了包括DVB－T在內(nèi)的一體化

數(shù)字電視廣播標準，目前側(cè)重于標準清晰度數(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(qū)別是信道調(diào)制和傳輸方式的不同。因此，三種制式接收機的不兼容主要在于接收機信

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)絡和接收端。發(fā)送端包括信源編碼（音視頻編碼）、業(yè)務復用

、信道編碼和調(diào)制。傳輸網(wǎng)絡既可以是地面廣播，也可以是有線電視和衛(wèi)星接收。調(diào)制信號到達接收端，先進行信道解調(diào)形成基帶TS流，然后進行解復用，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。
2　ATSC電視制式簡介
　　ATSC的英文全稱是Advanced TelevisionSystems Committee（美國高級電視業(yè)務顧問委員會）。該委員會于1995年9月15日正式通過ATSC數(shù)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)務的

不斷發(fā)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。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1Gbps以上。為了能在一個6MHz頻道帶寬內(nèi)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(nèi)預測和幀間預測編碼，離散余弦變換（DCT）編碼和熵編碼等算法，壓縮率可達30～50倍，但其代價是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(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(diào)制，最后送

到發(fā)射機。接收端：射頻RF經(jīng)調(diào)諧器鎖定，形成中頻IF輸出，A／D變換后逐級進行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TS流進行信道編碼，要經(jīng)過以下處理：首先，TS包中187個字節(jié)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(jié)，同步頭0x47沒有進行異或和RS編碼），使TS流

數(shù)據(jù)隨機化，碼率仍然是19．39Mbps。隨機化后數(shù)據(jù)送入t＝10（207，187）的RS編碼器，每個TS包增加20校驗字節(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，可以抵御長度相當于4ms的突發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀。每一數(shù)據(jù)幀包括

兩個數(shù)據(jù)場；每一數(shù)據(jù)場由313個數(shù)據(jù)段組成，其中第一個數(shù)據(jù)段作為該場的同步；每個數(shù)據(jù)段又由832個8電位符號組成，其中開始4個符號作為該段的同步。于是形成了符號率為

10．76Msym／s的數(shù)據(jù)流，由于一個符號表示2bit，所以比特率相當于21．52Mbps，除去同步開銷和檢錯冗余，凈比特率為19．28Mbps。
3　機頂盒系統(tǒng)設計
3．1　數(shù)字電視機頂盒系統(tǒng)構(gòu)成
　　ATSC制機頂盒系統(tǒng)可分為兩個相對獨立的模塊：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；后端部分實現(xiàn)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(tǒng)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(diào)、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。圖3表示了ATSC制機頂盒的系統(tǒng)設計框圖。

3．2　前端解調(diào)模塊設計
    （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。有些調(diào)諧器沒有I2C總線，而是由3根控制線來設置調(diào)諧參數(shù)，此時，要求機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)中頻信號幅度，通過AGC信號來調(diào)節(jié)調(diào)諧器輸出的中頻信號幅度，使其穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。中頻信號輸出幅度通常較小，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)器收到中頻信號后，對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后逐級進行解調(diào)。信道解調(diào)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(diào)節(jié)中頻信號增益。正常工作狀

態(tài)下，解調(diào)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(nèi)，接著進行載波鎖定和同步信號恢復，實現(xiàn)同步后，相關AGC模式進一步細調(diào)中頻信號幅度，然后依次進

行NTSC（National Television System Committee）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(diào)的每一步都可以通過內(nèi)部寄存器來跟蹤。解調(diào)過程中各階段信號的實際性能，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　后端解碼模塊設計
    （1）主控CPU
　　主控CPU實現(xiàn)操作系統(tǒng)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（Program Specific Information）表，并利用PID

（Packet Identifier）過濾器來分離音視頻ES或PES流，實現(xiàn)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(diào)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(shù)據(jù)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(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的標準清晰度視頻信號，也可以輸出24bit高清晰度視頻信號。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S／PDIF數(shù)字音頻輸入口。
3．4　機頂盒解碼流程分析
　　數(shù)字電視機頂盒的源程序裝載于FLASH ROM內(nèi)。加電啟動后，各芯片進行上電復位，主控CPU從FLASHROM內(nèi)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(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(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響應遙控器指令，通過I2C總線設置調(diào)諧器，使調(diào)諧器輸出中頻信號。中頻信號經(jīng)信道解調(diào)

器處理后，輸出TS流。主控CPU內(nèi)PID過濾器實現(xiàn)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(jié)目信息經(jīng)過解析并存儲，用戶通過

OSD查詢菜單，了解相關的節(jié)目信息。對于多節(jié)目復合的TS流，用戶還可以通過節(jié)目指南EPG指定收看TS流中的某個具體節(jié)目。
3．5　機頂盒接收性能
　　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)目可以是單個高清晰度電視，也可以由4～5個標準清晰度電視節(jié)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，只需設定頻道參數(shù)。如果全頻道范圍內(nèi)接收，也只需從頻道2到頻道69逐個搜索。
　　限于條件，實驗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，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(shù)，可在2s內(nèi)實現(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，對于無節(jié)目的頻道0．5s內(nèi)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(diào)或解碼時存在一定的誤碼。
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)務及利用電視機連接因特網(wǎng)的業(yè)務實現(xiàn)，進而為家庭提供了高質(zhì)量音畫的廣

播業(yè)務和高速的因特網(wǎng)接入。在充分發(fā)揮數(shù)字視頻技術(shù)和有線電視網(wǎng)絡各自優(yōu)勢的前提下，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。
　　如果說電視機的出現(xiàn)是20世紀人類娛樂業(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世紀人類娛樂業(yè)的又一里程碑。數(shù)字電視也將隨著業(yè)務和技術(shù)的進一

步發(fā)展逐漸走向成熟。未來的數(shù)字電視機頂盒不但會在已知的領域內(nèi)功能更趨完善，也將在未知的領域里開拓更廣闊的空間。