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鍵技術(shù)之一。從ＭＰＥＧ ２解復用、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標準）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。

筆者所設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解復用前的標準碼流，即傳送碼流。這部分主要由一片ＶＥＳ１８２０芯片完成。

解復用和中央處理器（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微處理器用于解復用，即傳輸解復用子系統(tǒng)；（２）ＡＲＭ７０３＿ｔ Ｈｏｓｔ負責操作系統(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總線及其外設接口；（４）連接各種外設的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，將相應的數(shù)據(jù)傳給視頻、音頻、電文、應用信息等隊列（位于外部ＤＲＡＭ中），并支持ＣＡＳ（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｌ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍ）管理、丟失包檢測、ＰＣＲ恢復、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。當有相同隊列號時，內(nèi)存控制器將：（１）區(qū)分相關隊列頭指針；（２）將數(shù)據(jù)寫入頭指針所指的ＤＲＡＭ位置；（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／解復用單元可同時處理３２ ＰＩｄｓ（Ｐａｃｋｅｔ ＰＩＤｓ），支持運輸包及其凈負荷數(shù)據(jù)、ＰＥＳ包及其凈負荷數(shù)據(jù)，輸出程序流小包。

傳輸／解復用處理器和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，通過設置ＲＩＳＣ控制寄存器停止位暫停運行傳輸／解復用處理器，代碼寫入ＲＩＳＣ ＳＲＡＭ，恢復停止位；（２）如果ＲＩＳＣ在運行，先停止打包器，再停止ＲＩＳＣ（設置停止位），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，在本設計中，Ａ／Ｖ操作模式寄存器設置如下：

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解碼相關的所有數(shù)字信號處理任務，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。微處理器控制設置寄存器以及響應中斷，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ＶＣＤＢ到達上限標志時，ＭＣＢ發(fā)生上限標志中斷，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低于下限標志，微控制器恢復傳輸數(shù)據(jù)。當ＶＣＤＢ到達下限標志時，ＭＣＢ產(chǎn)生下限標志中斷。

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（復制前一幀的相應宏塊），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從碼流中獲取ＰＣＲ（程序參考時鐘）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)流作為同步基準時，ＳＣＲ作為標準時鐘，視頻和音頻的ＰＴＳ和ＳＣＲ進行比較。當ＰＴＳ和ＳＣＲ的差大于顯示時間時，產(chǎn)生同步信號，跳過或重復當前單元（視頻為１幀，音頻為２×３２樣本／通道）。這是機頂盒的默認模式。

（２）以音頻流作為同步基準時，音頻的ＰＴＳ作為標準時鐘。視頻ＰＴＳ與音頻ＰＴＳ作比較，當這二個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中各個寄存器的設置，ＶＥＳ２７００對各個外設的控制和協(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，寄存器的當前值，以及軟件的執(zhí)行情況。