基于SAA6752的MPEG-2的編碼系統(tǒng)

摘要：介紹了PHILIPS公司的第二代實(shí)時(shí)MPEG-2編碼芯片SAA6752的主要功能及性能特點(diǎn)，提出了一種基于SAA6752的MPEG-2編碼系統(tǒng)，并且對(duì)該編碼系統(tǒng)的硬件框圖和軟件編程進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明。關(guān)鍵詞：SAA6752 MPEG-2編碼系統(tǒng) 數(shù)字電視世界范圍內(nèi)得到了非常迅速的發(fā)展，電視廣播的全部流程，即從節(jié)目的提攝、制作、傳輸?shù)讲宄龅日谥鸩綄?shí)現(xiàn)數(shù)字化。MPEG視頻/音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，解決了電視信號(hào)數(shù)字化后信息量過大而信道帶寬有限的問題；數(shù)字視頻硬件產(chǎn)品的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了各種數(shù)字視頻產(chǎn)品的推出，給觀眾帶來(lái)了高品質(zhì)的畫面和音響效果。這一切，都預(yù)示著電視廣播全面步入了數(shù)字化的時(shí)代。 目前世界上的數(shù)字電視系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)有歐洲的DVB系統(tǒng)、美國(guó)的ATSC系統(tǒng)和日本的ISDB系統(tǒng)。這幾種系統(tǒng)在視頻壓縮上都采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)[2]，我國(guó)也正在積極地制定自己的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹PHILIPS公司生產(chǎn)的芯片SAA6752，它能在開發(fā)歐洲D(zhuǎn)VB標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)數(shù)字電視和DVD的前端系統(tǒng)的產(chǎn)品過程中，實(shí)現(xiàn)MPEG-2編碼。 1 SAA6752的主要特點(diǎn) SAA6752又稱為EMPRESS，是PHILIPS公司第二代實(shí)時(shí)MPEG-2編碼芯片。它將音頻、視頻編碼和復(fù)用集成在一個(gè)芯片中，具有很強(qiáng)的功能，外部只需加入簡(jiǎn)單的相關(guān)芯片就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)編碼系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)成本。同時(shí)，所有的視頻、音頻壓縮算法都運(yùn)行在EMPRESS的內(nèi)部MIPS處理器上，編碼軟件都已固化在芯片中，無(wú)需額外的軟件開發(fā)，系統(tǒng)主控芯片通過I2C總線就可以設(shè)定必要的編碼參數(shù)。此外，由于它較好地解決了視頻編碼中的主要問題——噪音過濾和運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，所以可以在低碼率情況下實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)視頻編碼，從而達(dá)到在存儲(chǔ)介質(zhì)上可以存儲(chǔ)更多視頻和音頻信息的目的。 該芯片主要提供以下功能[1]： (1)視頻壓縮 %26;#183;實(shí)時(shí)MPEG-2編碼（符合MP@ML） %26;#183;支持分辨率：D1、2/3D1、1/2D1和SIF %26;#183;在所有模式下支持IPB、IP和I幀編碼 %26;#183;支持的碼率：1.5～25Mbps(對(duì)于只有I幀編碼) 1.5～15Mbps（對(duì)于只有IP幀編碼） 1.5～15Mbps（對(duì)于只有IPB幀編碼） %26;#183;支持CBR(Constant Bi Rate)和VBR（Variable Bit Rate） %26;#183;具有可編程的GOP（Grup of Picture）結(jié)構(gòu) (2)音頻壓縮 %26;#183;AC-3音頻編碼：碼率為256kbps或385kbps %26;#183;MPEG-1 Layer2音頻編碼（16或20位）：碼率為256kbps或384kbps （3）系統(tǒng)復(fù)用 %26;#183;符合MPEG系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（ISO 13818-1）的視頻和音頻流的復(fù)用 %26;#183;產(chǎn)生和輸出符合DVD、D-VHS和DVB標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-2傳輸流（TS）、MPEG-2節(jié)目流（PS）、打包的基本流（PES）和基本流（ES） %26;#183;產(chǎn)生和插入MPEG時(shí)間標(biāo)記（PTS/DTS/SCR/PCR）2 基于SAA6752的MPEG-2編碼系統(tǒng) 2.1 系統(tǒng)框圖 因?yàn)镾AA6752沒有片內(nèi)CPU，為了實(shí)現(xiàn)編碼功能，所以必須由一個(gè)片外CPU對(duì)其進(jìn)行控制。而對(duì)SAA6752的所有控制（例如碼率控制、PS流和TS流輸出等）均是通過I2C總線[3]完成的，因而非常簡(jiǎn)單。圖1給出了基于SAA6752的MPEG-2編碼系統(tǒng)的方框圖。 該編碼系統(tǒng)主要分為視頻輸入部分、音頻輸入/輸出部分、EMPRESS部分、復(fù)位部分、輸出接口、電源部分以及I2C和UART接口。 2.1.1 視頻輸入部分 視頻輸入部分提供兩路模擬輸入接口，一路為CVBS信號(hào)，另一路為YC信號(hào)。該部分可以由PHILIPS SAA7114完成，對(duì)其所有的控制均通過I2C總線完成。 2.1.2 音頻輸入/輸出部分 由于EMPRESS提供了音頻I2S接口，該部分主要完成模擬擬音頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻12S信號(hào)的功能。 2.1.3 EMPRESS部分 由于SAA6752采用多個(gè)處理器模塊，各個(gè)處理器和控制模塊之間相互獨(dú)立，所以模塊之間的數(shù)據(jù)傳送主要通過FIFO存儲(chǔ)器或外部SDRAM來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用16Mbit或64Mbit SDRAM。EMPRESS SAA6752可以產(chǎn)生打包的基本流，其碼流可以根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)定，一種是對(duì)應(yīng)于DVD格式的PES流，其碼詣可變的；另一種是對(duì)應(yīng)于TS的PES流，其碼率是恒定的。 2.1.4 復(fù)位部分 該系統(tǒng)提供兩種復(fù)位方式：一種是硬復(fù)位；另一種是利用I2C控制軟件實(shí)現(xiàn)軟復(fù)位。 2.1.5 輸出接口部分 該系統(tǒng)提供兩種TS并行輸出接口：一種是TTL接口；另一種是標(biāo)準(zhǔn)LVDS接口。 2.2 軟件編程 為了控制EMPRESS的編碼，I2C接口線被用來(lái)將該系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制EMPRESS芯片的目的，同時(shí)初始化SAA7114。所有的相關(guān)操作均是通過I2C總線訪問寄存器實(shí)現(xiàn)的。在I2C控制軟件中，需要確定EMPRESS和SAA7114的I2C讀寫地址。 EMPRESS的I2C讀寫地址： （1）當(dāng)EMPRESS的I2C選擇信號(hào)為低時(shí)，其I2C寫地址為40H，讀地址為41H。 （2）當(dāng)EMPRESS的I2C選擇信號(hào)為高時(shí)，其I2C寫地址為42H，讀地址為43H。 SAA7114的I2C讀寫地址： (1)當(dāng)SAA7114的I2C選擇信號(hào)為低時(shí)，其I2C寫地址為40H，讀地址為41H。 （2）當(dāng)SAA7114的I2C選擇信號(hào)為高時(shí)，其I2C寫地址為42H,讀地址為43H。 為了防止EMPRESST和SAA7114的I2C地址發(fā)生沖突，將EMPRESS的I2C選擇信號(hào)設(shè)置為低電平，則EMPRESS的I2C寫地址定義為40H；將SAA7114的I2C選擇信號(hào)設(shè)置為高電平，則SAA7114的I2C寫地址定義為42H。 控制軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下的I2C接口函數(shù)： (1)Void I2C_Read_One_Byte（int address,int subaddress,int value） 該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)給定寄存器一個(gè)字節(jié)的讀取，address確定需要訪問的芯片，subaddress確定需要訪問的寄存器，value為返回寄存器值。 (2)I2C_Write_One_Byte(int address,int subaddress,int value) 該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)給定寄存器一個(gè)字節(jié)的寫入，address確定需要訪問的芯片，subaddress確定需要訪問的寄存器，value為要寫入寄存器值。 (3)I2C_Read_Muiti_Bytes(int address,int subaddress,int count,int *buffer) 該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)給定寄存器多個(gè)字節(jié)的讀取，address確定需要訪問的芯片，subaddress確定需要訪問的寄存器，buffer為返回多個(gè)寄存器值。 (4)I2C_Write_Multi_Bytes(int address,int subaddress,int count,int *buffer) 該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)給定寄存器多個(gè)字節(jié)的寫入，address確定需要訪問的芯片，subaddress確定需要訪問的寄存器，buffer為要寫入多個(gè)寄存器值。 通過調(diào)用這些函數(shù)，就可由I2C接口為EMPRESS和SAA7114的片內(nèi)寄存器進(jìn)行設(shè)置。 使用I2C控制軟件，可以任意修改參數(shù)（PID、碼率等）產(chǎn)生和輸出所需要的TS、PS、PES、ES流。在設(shè)定輸出碼率為5～9Mbit/s時(shí)，可以得到較高品質(zhì)的視頻圖像。 SAA6752采用噪聲過濾和運(yùn)動(dòng)估計(jì)技術(shù)，使得基于SAA6752的MPEG-2編碼系統(tǒng)在低碼率壓縮情況下，對(duì)于有干擾的輸入信號(hào)仍能提供高質(zhì)量編碼效果。這特別適合于以較低碼率壓縮的作用，例如DVD視頻刻錄和個(gè)人視頻刻錄（Personal Video Recording）。 在保證高編碼質(zhì)量的同時(shí)，基于SAA6752的MPEG-2編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用該芯片設(shè)計(jì)MPEG-2編碼系統(tǒng)時(shí)，只需在外圍添加視頻模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、音頻模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和外部SDRAM，普通的模擬視頻和音頻信號(hào)就可以被壓縮成高質(zhì)量的MPEG-2視頻流和MPEG-1 layer2或AC-3音頻流，復(fù)用成為PS或TS，提供給存儲(chǔ)或廣播媒介。由于所有的視頻和音頻編碼算法和軟件都是運(yùn)行在片內(nèi)處理器中，因而只需較少的系統(tǒng)控制資源。而主控芯片只要通過I2C總線設(shè)置編碼參數(shù)即可，無(wú)需用戶具有較多的MPEG編碼經(jīng)驗(yàn)或投入過多的設(shè)計(jì)成本，縮短了設(shè)計(jì)周期。 因此，用SAA6752設(shè)計(jì)低成本高品質(zhì)的編碼系統(tǒng)，可以被廣泛應(yīng)用于新的消費(fèi)類數(shù)字視頻產(chǎn)品中。