ATSC制数字电视机顶盒研究

系统全面地阐述了有线数字视频广播系统所涉及的技术以及ATSC系统的构成，并针对ATSC终端接收设备机顶盒，在工作原理、模块构成和关键技术方面作了较为详细的介绍。
    关键词：机顶盒，模块构成，关键技术

1 引 言
　　随着科技进步及数字技术的发展，广播电视进入了从模拟广播到数字广播的过渡阶段。自从欧洲率先于20世纪80年代提出数字视频广播的概念之后，欧美国家的企业和研发机构用了近8年的时间完成了数字视频广播技术的研发以及标准的制定，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于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（Packet EssentialStream／EssentialStream）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 TelevisionSystems 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；信道编码采用格形编码残留边带（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6MHz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，离散余弦变换（DCT）编码和熵编码等算法，压缩率可达30～50倍，但其代价是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，要经过以下处理：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4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2bit，所以比特率相当于21．52Mbps，除去同步开销和检错冗余，净比特率为19．28Mbps。
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（National Television System Committee）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（Program Specific Information）表，并利用PID（Packet Identifier）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、量化矩阵等控制参数，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18种格式及其中的某些格式转换，它既可以输出8bit的标准清晰度视频信号，也可以输出24bit高清晰度视频信号。它还支持OSD（On－Screen Display），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3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FLASHROM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，可以传送固定比特率19．39Mbps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，只需设定频道参数。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2s内实现频道锁定和8VSB解调，在4～5s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0．5s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
　　有线数字视频广播使得高清晰度电视与数据广播得到了飞速的发展，并加快了有线电视网中双向业务及利用电视机连接因特网的业务实现，进而为家庭提供了高质量音画的广播业务和高速的因特网接入。在充分发挥数字视频技术和有线电视网络各自优势的前提下，不断地协调发展，ATSC技术走入寻常百姓家指日可待。
　　如果说电视机的出现是20世纪人类娱乐业最重要的发明，那么我们可以断言，数字视频广播技术将成为21世纪人类娱乐业的又一里程碑。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内功能更趋完善，也将在未知的领域里开拓更广阔的空间。

参考文献

1　许　波．有线数字视频广播系统综述．2002中国国际有线电视技术研讨会，北京，2002
2　张茂明．三种数字电视标准的比较．中国有线电视导航，2003（2）
3　武振苏．有线电视数字机顶盒技术．有线电视技术，2002（19～21）