ATSC数字电视机顶盒研究atsc 第2页

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。

３.２前端解调模块设计

（１）调谐器

　　　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） 视频解码器

 　　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

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。

    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