DVB_C機頂盒中的視頻信號處理

摘要：機頂盒是交互式電視的關(guān)鍵技術(shù)之一。從ＭＰＥＧ ２解復(fù)用、視頻編解碼、視頻輸出、視頻與音頻的同步等方面介紹了ＤＶＢ＿Ｃ ＳＴＢ中的視頻信號處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字機頂盒 同步 交互式電視（ＩＴＶ）

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，通信技術(shù)、計算機技術(shù)、電視技術(shù)已進(jìn)入了相互結(jié)合的新時代。方興未艾的交互式電視（ＩＴＶ）正是這種結(jié)合的具體體現(xiàn)。所謂交互式電視，是一種受觀眾控制的電視，在節(jié)目間和節(jié)目內(nèi)觀眾能夠作出選擇和決定，是一種非對稱雙工形式的新型電視技術(shù)。數(shù)字機頂盒是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為ＩＴＶ系統(tǒng)中的用戶終端，它是普通電視與寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。通過ＳＴＢ，用戶可在普通電視機上收看高清晰度（如ＭＰＥＧ ２標(biāo)準(zhǔn)）的圖象；并且足不出戶，就可享受到視頻點播、家庭購物等一系列誘人的服務(wù)。

筆者所設(shè)計的是用于有線電視的機頂盒，主要功能是將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬電視信號，使得在模擬電視向數(shù)字電視的過渡期間，模擬電視機能夠接收到數(shù)字電視節(jié)目；并在此基礎(chǔ)上增加了視頻點播、火線接口（ＩＥＥＥ １３９４）等功能。機頂盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為視頻信號處理與音頻信號處理兩大部分。其中，視頻信號處理包括兩部分：（１）視頻信號自身解復(fù)用、解碼和格式轉(zhuǎn)換的處理；（２）視頻信號與音頻信號的同步。

１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖１是筆者所設(shè)計的機頂盒的功能模塊框圖。

系統(tǒng)選用了ＶＬＳＩ公司的開發(fā)平臺：ＶＥＳ２７６１評估板以及ＪｕｍｐＳｔａｒｔ ＡＲＭ ３．３ａ開發(fā)軟件。

前端部分接收有線電視電纜輸出的信號，進(jìn)行頻率變換、ＱＡＭ解碼、解交織、解ＲＳ碼、解擾等處理后，輸出ＭＰＥＧ ２解復(fù)用前的標(biāo)準(zhǔn)碼流，即傳送碼流。這部分主要由一片ＶＥＳ１８２０芯片完成。

解復(fù)用和中央處理器（主控ＣＰＵ）集成在一片芯片ＶＥＳ２７００上。ＭＰＥＧ ２傳送碼流被解復(fù)用為系統(tǒng)流、視頻流和音頻流三個部分。ＶＥＳ２７００還提供ＩＥＥＥ １３９４、ＩＥＥＥ １２８４、ＲＳ２３２、Ｍｏｄｅｍ、Ｉ２Ｃ、智能卡和紅外通信等接口。

芯片ＶＥＳ６１００需要一片外部的ＳＤＲＡＭ（至少２ＭＢ），就可以作為一個ＭＰＥＧ ２（ＭＰ＠ＭＬ或者ＭＰ＠ＳＬ）解碼系統(tǒng)工作，并將解碼后的數(shù)據(jù)流分音頻信號和視頻信號輸出。音頻信號再經(jīng)過ＰＣＭ解碼、放大，可以直接作為揚聲器的輸入信號。經(jīng)機頂盒輸出的信號可以符合各種格式，如：ＲＧＢ、Ｓｖｉｄｅｏ、復(fù)合視頻信號等，也可以是各種電視制式：ＮＴＳＣ、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ等。ＶＥＳ６１００同時實現(xiàn)ＯＳＤ（屏幕菜單顯示）功能。

在上行信道，用戶所發(fā)出的信息，例如選擇的電視劇片名信息經(jīng)過調(diào)制——通常是ＱＰＳＫ調(diào)制（ＱＰＳＫ抗干擾能力強）后，發(fā)送到電視臺。

２ 解復(fù)用單元

ＶＥＳ２７００包括兩個獨立的微處理器：（１）用戶化的ＲＩＳＣ微處理器用于解復(fù)用，即傳輸解復(fù)用子系統(tǒng)；（２）ＡＲＭ７０３＿ｔ Ｈｏｓｔ負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)和ＯＳＤ，控制Ｉ／Ｏ操作等。這兩個處理器并行工作，無資源競爭。ＡＲＭ７０３的４Ｋ字節(jié)Ｃａｃｈｅ，可以用單指令周期訪問部分代碼。高級的內(nèi)存管理機制保證代碼，如實時操作系統(tǒng)，保存在Ｃａｃｈｅ中。

ＶＥＳ２７００擁有４條獨立高速總線，以防止瓶頸。４條總線分別為：（１）信道數(shù)據(jù)輸入總線；（２）連接ＤＲＡＭ控制器的總線；（３）ＡＲＭ７０３＿ｔ Ｈｏｓｔ總線，這條總線與Ｉ／Ｏ總線及其外設(shè)接口；（４）連接各種外設(shè)的Ｉ／Ｏ總線。

ＶＥＳ２７００提供專用硬件來支持多種軟件功能，例如，ＣＲＣ校驗、傳輸濾波、ＩＲ控制等功能。ＡＲＭ７０３＿ｔ微處理器提供的庫可實現(xiàn)軟件Ｍｏｄｅｍ功能。

傳輸／解復(fù)用子系統(tǒng)采用了用戶化、高性能的ＲＩＳＣ處理器，它有自己專用的１２８Ｂ指令ＳＲＡＭ和５１２Ｂ數(shù)據(jù)ＳＲＡＭ，以６０Ｍｂ／ｓ的速率處理ＭＰＥＧ２傳輸碼流、ＰＥＳ，并解析成ＭＰＥＧ２包，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給視頻、音頻、電文、應(yīng)用信息等隊列（位于外部ＤＲＡＭ中），并支持ＣＡＳ（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｌ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍ）管理、丟失包檢測、ＰＣＲ恢復(fù)、視頻和音頻的同步等功能。統(tǒng)一的內(nèi)存結(jié)構(gòu)滿足了傳輸／解復(fù)用子系統(tǒng)和ＡＲＭ７０３的需要。ＲＩＳＣ支持３２種不同隊列。內(nèi)存控制器通過隊頭、隊尾指針來管理每個隊列。ＭＰＥＧ ２解碼器（ＶＥＳ６１００）從這些隊列中讀取數(shù)據(jù)。

視頻隊列操作模型：為了將視頻數(shù)據(jù)寫入視頻隊列，ＲＩＳＣ將“０”隊列號及有效數(shù)據(jù)寫入ＤＲＡＭ 緩存。當(dāng)有相同隊列號時，內(nèi)存控制器將：（１）區(qū)分相關(guān)隊列頭指針；（２）將數(shù)據(jù)寫入頭指針?biāo)傅模模遥粒臀恢?；（３）更新頭指針。

在系統(tǒng)初始化時，ＡＲＭ７０３－ｔ從外部存儲器（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）下載微碼到片內(nèi)雙口ＳＲＡＭ。ＲＩＳＣ以４０．５ＭＨｚ的時鐘速率執(zhí)行ＳＲＡＭ中的微碼。傳輸／解復(fù)用單元可同時處理３２ ＰＩｄｓ（Ｐａｃｋｅｔ ＰＩＤｓ），支持運輸包及其凈負(fù)荷數(shù)據(jù)、ＰＥＳ包及其凈負(fù)荷數(shù)據(jù)，輸出程序流小包。

傳輸／解復(fù)用處理器和ＡＲＭ７０３－ｔ共享２個存儲器，用于存儲代碼和數(shù)據(jù)表。ＲＩＳＣ指令ＲＡＭ（Ｉ－ＲＡＭ）占用起始的１．２５ＫＢ地址空間，ＡＲＭ７０３對Ｉ－ＲＡＭ可讀寫而傳輸／解復(fù)用處理器 ＲＩＳＣ對Ｉ－ＲＡＭ只可讀不可寫。ＲＩＳＣ數(shù)據(jù)ＲＡＭ（Ｄ－ＲＡＭ）占５１２Ｂ。Ｄ－ＲＡＭ是雙口訪問存儲器，可被ＲＩＳＣ和ＡＲＭ７０３讀寫。這２個ＲＡＭ映射到ＡＲＭ７０３和ＲＩＳＣ的地址空間。

代碼和數(shù)據(jù)按下列步驟下載：

（１）啟動后，通過設(shè)置ＲＩＳＣ控制寄存器停止位暫停運行傳輸／解復(fù)用處理器，代碼寫入ＲＩＳＣ ＳＲＡＭ，恢復(fù)停止位；（２）如果ＲＩＳＣ在運行，先停止打包器，再停止ＲＩＳＣ（設(shè)置停止位），然后將新代碼寫入ＲＩＳＣ ＳＲＡＭ。

３ ＭＰＥＧ Ａ／Ｖ解碼器接口

ＶＥＳ６１００需要外部ＳＤＲＡＭ才能工作，最多支持３２Ｍｂｉｔ ＳＤＲＡＭ，其大小決定于分辨率和操作模式的需要，同時支持復(fù)合視頻、Ｓ端子、立體聲、模擬和數(shù)字ＩＥＣ９５８音頻輸出。ＶＥＳ２７００的Ａ／Ｖ操作模式中，視頻和音頻可以選擇為串行或并行。

系統(tǒng)中采用了串行視頻串行音頻模式，因為此時與外設(shè)接口最為方便，而ＯＳＤ的帶寬最大。根據(jù)所選擇的模式，在本設(shè)計中，Ａ／Ｖ操作模式寄存器設(shè)置如下：

０ｘ１Ｃ＝０ｘ１８００

０ｘ５０＝０ｘ００４０

０ｘ７０＝０ｘ００４２

ＶＥＳ２７００與ＶＥＳ６１００的連接如圖２所示。

４ ＶＥＳ６１００對視頻信號的處理

ＶＥＳ６１００芯片是一種ＭＰＥＧ２解碼器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示。

該芯片包括３個子系統(tǒng)：

·ＭＰＥＧ１／２音／視頻解碼器；

·ＯＳＤ子系統(tǒng)；

·ＮＴＳＣ／ＰＡＬ／ＳＥＣＡＭ 編碼器。

其中與視頻信號密切相關(guān)的模塊如下：

視／音頻流處理器ＶＡＳＰ

ＶＡＳＰ解碼視頻和音頻數(shù)據(jù)。在視頻模式，ＶＡＳＰ按照ＭＰＥＧ１／２語法，從視頻流中有層次地解出定長碼和變長碼，然后將這些碼翻譯成指令和數(shù)據(jù)（８×８ｂｉｔ ＤＣＴ數(shù)據(jù)塊），傳送給ＭＳＰ。ＶＡＳＰ也執(zhí)行錯誤檢測和掩蔽以及解碼系數(shù)的反量化。

ＭＰＥＧ信號處理器ＭＳＰ

作為ＶＡＳＰ的從屬單元，ＭＳＰ接收反量化系數(shù)及ＶＡＳＰ的一系列指令，執(zhí)行與ＭＰＥＧ１／２解碼相關(guān)的所有數(shù)字信號處理任務(wù)，包括：

·ＩＤＣＴ（反ＤＣＴ變換）；

·二維半象素濾波計算；

·塊重建算法和運動補償。

ＭＳＰ的輸出是４:２:０格式的象素數(shù)據(jù)，存儲在外部ＳＤＲＡＭ中，供顯示之用。

視頻圖象處理器ＶＧＰ

ＶＧＰ對已完成解碼的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如４:２:０視頻格式轉(zhuǎn)換成４：２：２視頻格式。它還執(zhí)行圖象重疊、ＯＳＤ等功能。

ＶＥＳ６１００作為微處理器（ＶＥＳ２７００）的一個從設(shè)備工作。上電后，ＶＥＳ２７００初始化ＶＥＳ６１００和可編程寄存器，傳輸壓縮視／音頻數(shù)據(jù)到串口或８位寬并口。然后，ＶＥＳ６１００在解碼模式下獨立地處理壓縮視頻流。微處理器控制設(shè)置寄存器以及響應(yīng)中斷，可通過讀取狀態(tài)寄存器獲?。郑牛樱叮保埃暗倪\行狀態(tài)。

４.１ 視頻輸入

ＭＣＢ（內(nèi)存控制器與微控制器接口）將壓縮視頻流從片內(nèi)ＣＤＩＦ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｄａｔａ Ｉｎｐｕｔ ＦＩＦＯ）傳送到ＶＣＤＢ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｄａｔａ Ｂｕｆｆｅｒ，位于ＳＤＲＡＭ中）。當(dāng)ＶＣＤＢ到達(dá)上限標(biāo)志時，ＭＣＢ發(fā)生上限標(biāo)志中斷，微處理器停止數(shù)據(jù)傳輸。ＭＣＢ將壓縮視頻數(shù)據(jù)傳給ＶＡＳＰ。當(dāng)ＶＡＳＰ處理壓縮數(shù)據(jù)時，ＭＣＢ從ＶＣＤＢ中讀入數(shù)據(jù)并將它寫入ＣＤＯＦ（壓縮數(shù)據(jù)輸出隊列）。如果ＶＣＤＢ低于下限標(biāo)志，微控制器恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)ＶＣＤＢ到達(dá)下限標(biāo)志時，ＭＣＢ產(chǎn)生下限標(biāo)志中斷。

４.２ ＰＥＳ解析過程

在視頻解碼器提取頭部信息之前，包括ＰＴＳ（顯示時間標(biāo)簽）、ＳＣＲ（系統(tǒng)參考時鐘）、壓縮視頻數(shù)據(jù)流，ＰＥＳ層數(shù)據(jù)解析模塊已經(jīng)完成定位。這個塊由微處理器的解碼控制寄存器控制。如果ＰＥＳ層解碼模式無效，壓縮數(shù)據(jù)直接存放到ＳＤＲＡＭ。

４.３ 起始碼搜索

待匹配的塊起始碼位于ＶＡＳＰ的前端，對壓縮數(shù)據(jù)流一字節(jié)一字節(jié)地處理。當(dāng)微處理器要求起始碼匹配時，起始碼匹配邏輯開始搜索起始碼，直到匹配成功。典型的起始碼包括序列起始碼、組起始碼和圖象起始碼。起始碼搜索分為兩種：塊搜索與非塊搜索。在非塊搜索中，即使找到了起始碼，視頻解碼器仍然繼續(xù)解碼；在塊搜索中，一旦發(fā)現(xiàn)起始碼便停止解碼過程。當(dāng)需要快速解碼，例如信道切換模式或靜止圖象捕捉模式時，采用序列起始碼搜索方式。

４.４ 視頻解碼

ＶＡＳＰ和ＭＳＰ執(zhí)行ＭＰＥＧ１／２解碼操作，包括ＶＬＣ解碼、反量化、半象素濾波、塊重建、將重建塊寫入ＳＤＲＡＭ幀存中。解碼必須與顯示同步。

ＶＥＳ６１００的一般解碼過程如表１所示。處于同一列中的事件同時處理。由表可見，解碼順序與顯示順序并不一致。

表1 VES6100的一般解碼過程

４.５ 視頻輸出

ＭＣＢ將存儲在ＳＤＲＡＭ中的顯示幀傳送到視頻處理器。視頻處理器將４：２：０的解碼格式轉(zhuǎn)換成ＮＴＳＣ／ＰＡＬ ＣＣＩＲ６０１格式。

４.６ 視頻流錯誤掩蔽

ＶＥＳ６１００能檢測出視頻流中的下列錯誤：

·非法語法；

·８×８塊中，系數(shù)數(shù)目大于６４；

·數(shù)據(jù)流中的誤碼；

·宏塊序號錯。

ＶＥＳ６１００一旦檢測出這些錯誤，便采取掩蔽措施重建宏塊（復(fù)制前一幀的相應(yīng)宏塊），直到檢測到下一個片（ｓｌｉｃｅ）起始碼或圖象起始碼。如果壓縮數(shù)據(jù)流中有掩蔽矢量，它將作為重建宏塊的參考，否則利用０值運動矢量。如果宏塊序號錯誤，ＶＥＳ６１００丟棄數(shù)據(jù)直至檢測到圖象起始碼，繼續(xù)正常解碼。

５ 音頻和視頻的同步

實現(xiàn)視頻和音頻同步的基本思想是從解碼端恢復(fù)出一個與編碼端一致的時鐘。而視頻的ＰＴＳ和音頻的ＰＴＳ是基于同一時基的，所以，若視頻ＰＴＳ與系統(tǒng)時鐘同步，音頻ＰＴＳ也與時鐘同步的話，則視頻和音頻就同步。

ＶＥＳ６１００從碼流中獲?。校茫遥ǔ绦騾⒖紩r鐘）信息，并用它們調(diào)整解碼端的一個２７ＭＨｚ的壓控晶振，得到與編碼端一致的系統(tǒng)時鐘。這個時鐘被３００分頻后，作為一個９０ｋＨｚ的局部計數(shù)器的工作頻率，并用得到的第一個ＰＴＳ值作為這個計數(shù)器的初始值，在輸出圖象和聲音時，這個計數(shù)器的值表示了當(dāng)前幀的實際輸出時間。這個時間可與期望的輸出時間（ＰＴＳ）相比，判斷是否同步，確定同步措施。

ＶＥＳ６１００有兩種音頻和視頻同步模式：自動模式和手動模式。這兩種同步模式都由內(nèi)存控制塊管理。同步算法基于ＭＣＢ中的ＳＣＲ（系統(tǒng)參考時鐘）和ＰＴＳ兩個參量。ＳＣＲ與ＰＣＲ類似，也是將比特流本身的時序編碼的時間標(biāo)簽，也可從同一道程序的視頻和音頻ＰＴＳ值所用的共同時間基點推出。三個相關(guān)的寄存器是：ＰＴＳ＿ａｕｄｉｏ、ＰＴＳ＿ｖｉｄｅｏ和ＳＣＲ，每個３３位長，其中ＳＣＲ可作為９０ｋＨｚ下的一個計數(shù)器使用。

自動模式又分為兩種：

（１）以系統(tǒng)流作為同步基準(zhǔn)時，ＳＣＲ作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘，視頻和音頻的ＰＴＳ和ＳＣＲ進(jìn)行比較。當(dāng)ＰＴＳ和ＳＣＲ的差大于顯示時間時，產(chǎn)生同步信號，跳過或重復(fù)當(dāng)前單元（視頻為１幀，音頻為２×３２樣本／通道）。這是機頂盒的默認(rèn)模式。

（２）以音頻流作為同步基準(zhǔn)時，音頻的ＰＴＳ作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘。視頻ＰＴＳ與音頻ＰＴＳ作比較，當(dāng)這二個ＰＴＳ之差超過一幀圖象的顯示時間時，產(chǎn)生視頻同步信號。

手動模式：在這種模式下，音頻和視頻解碼自由運行，直到微處理器發(fā)出ｓｋｉｐ／ｒｅｐｅａｔ命令或提供音頻ＰＴＳ和視頻ＰＴＳ以及ＰＣＲ時，才停止工作。

自動模式和手動模式的不同點在于ＰＴＳ的來源。在自動模式下，ＰＴＳ從ＭＰＥＧ ２碼流中提取出來或來自于外部時鐘；在手動模式下，微處理器提供ＰＴＳ。

６ 軟件設(shè)計

軟件的編程用ＡＲＭ公司的ＡＲＭ ＡＮＳＩ Ｃ語言結(jié)合ＡＲＭ匯編語言來完成。主要包括ＶＥＳ６１００和ＶＥＳ２７００中各個寄存器的設(shè)置，ＶＥＳ２７００對各個外設(shè)的控制和協(xié)調(diào)，ＯＳＤ的編寫，大部分功能可以利用ＡＰＩ函數(shù)來實現(xiàn)。軟件的調(diào)試可以通過ＪＴＡＧ口進(jìn)行，將硬件電路板與計算機連接起來，便可以在屏幕上觀察到存儲器的分配情況，寄存器的當(dāng)前值，以及軟件的執(zhí)行情況。