數(shù)字高清晰度電視(High Definition Television)簡稱HDTV，是繼黑白電視和彩色電視之后的第三代電視系統(tǒng),。其圖像細(xì)膩逼真,，質(zhì)量與35 mm電影相當(dāng)，再配以環(huán)繞音響,，使收視效果大幅度提高,。它將成為21世紀(jì)的主要電視產(chǎn)品,，具有潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益。因此,，日,、歐、美等發(fā)達(dá)國家都相繼投入了大量人力,、物力來開發(fā)HDTV系統(tǒng),。我國從1996年啟動(dòng)國家重大產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目HDTV功能樣機(jī)系統(tǒng)研究開發(fā)工程,。
1 MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)簡介以及數(shù)字電視功能分析
MPEG（Motion pictures expert group）譯為運(yùn)動(dòng)圖像專家組,，他是在ISO的召集下,，為數(shù)字視頻和音頻制定壓縮標(biāo)準(zhǔn)的專家組,。該組織于1994年推出MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)分為4個(gè)文件,，分別是：
系統(tǒng)層（System,ISO13818-1）描述視頻,，音頻的數(shù)據(jù)復(fù)用方式和視頻，音頻同步方式,。
視頻壓縮層（Video,，ISO13818-2）描述數(shù)字視頻編碼方式和解碼過程。
音頻壓縮層（Audio,ISO13818-3）描述數(shù)字音頻編碼方式和解碼過程。
一致
性（Conformance,ISO13818-4）說明測試編碼碼流的過程,，檢驗(yàn)是否符合前3個(gè)文件的規(guī)定,。
MPEG-2運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音通用國際標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字音/視頻領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。在MPEG-2中，定義了兩種形式的碼流，即傳輸流（TS）和節(jié)目流(PS),。節(jié)目流一般用于相對無錯(cuò)的環(huán)境中,，如交互式多媒體業(yè)務(wù)，其長度是可變的,。傳輸流則用于有錯(cuò)誤的環(huán)境中,，如數(shù)字電視的地面廣播傳輸，其分組長度固定為188 b。傳輸流和節(jié)目流都是編碼后的基本數(shù)據(jù)流（ES）按照一定的格式打包后形成PES包,，再加上一些系統(tǒng)級信息而構(gòu)成,。碼流的形成過程可以用圖1來表示。其中,，采樣得到的視頻數(shù)據(jù)流和音頻數(shù)據(jù)流經(jīng)過編碼器后，成為MPEG-2 基本流（ES）,，再通過打包，成為包化ES流（PES）,再經(jīng)過傳輸復(fù)用器,，將音頻PES，視頻PES,以及其他的數(shù)據(jù)和控制信息,，轉(zhuǎn)換成MPEG2傳輸流（TS）.TS流經(jīng)過信道編碼和調(diào)制之后，發(fā)送到信道中,。在接收端，正好相反,，經(jīng)過解調(diào),，信道解碼和前向糾錯(cuò)之后,，再通過傳輸解復(fù)用器,，分別輸出視頻PES流，音頻PES流,，以及數(shù)據(jù)和控制信息，再通過視頻解碼器和音頻解碼器后,，分別送入DTV顯示系統(tǒng)和音頻播放系統(tǒng),。
2 關(guān)于傳輸流以及傳輸流中幾個(gè)重要概念
傳輸流TS包的結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
傳輸流由一道或多道節(jié)目組成,，每道節(jié)目由一個(gè)或多個(gè)原始流和一些其他流復(fù)合在一起，包括視頻流,，音頻流,，節(jié)目特殊信息流和其他數(shù)據(jù)包。
首先介紹視頻和音頻PES流是如何轉(zhuǎn)換成TS流的,。PES流是由視頻或音頻基本流分別打包處理后形成的PES包系列，PES包的長度是不定的,。每個(gè)PES包的包頭攜帶了：
流標(biāo)識(SID)由同一個(gè)ES經(jīng)打包處理后得到的PES,，其流標(biāo)識相同。
顯示時(shí)間戳（PTS）用于視頻和音頻之間的同步控制,，它指示對解碼后視頻和音頻播放的適當(dāng)時(shí)刻,。
解碼時(shí)間戳（DTS）用于視頻基本流解碼器和音頻基本流解碼器的同步控制，它指示對視頻和音頻基本流解碼的適當(dāng)時(shí)刻基本流的速率控制信息,。
由于TS包長固定為188 b,，所以在打包時(shí)，PES包長若大于188 b,則對其進(jìn)行分段處理,，因?yàn)镻ES是放在TS包的有效載荷區(qū)進(jìn)行傳送的,，所以分段后每段大小為184 b,不足184 b的加上適應(yīng)字段構(gòu)成184 b，有沒有適應(yīng)字段則由包頭中的適應(yīng)字段控制來指示,。每段加上TS包頭就形成一個(gè)TS包,。
TS包包頭中各字段含義如下：
同步字節(jié)指示一個(gè)TS包的開始。
傳輸錯(cuò)誤指示表示該傳輸包在傳輸過程中有無錯(cuò)誤,。
有效傳輸開始指示若有效載荷區(qū)傳輸?shù)氖莵碜訮ES包的數(shù)據(jù),則有效傳輸開始指示表示有效載荷區(qū)的第一字節(jié)是否為被分段的PES包的起首字節(jié),。若有效載荷區(qū)傳輸?shù)氖莵碜怨?jié)目特殊信息的數(shù)據(jù)，則有效傳輸開始指示表示載荷區(qū)第一字節(jié)是否是PSI數(shù)據(jù)起首字節(jié)的位置指針,。
傳輸優(yōu)先指示表示的是具有相同的PID的傳輸包的優(yōu)先級,。
連續(xù)計(jì)數(shù)器PID相同的傳輸包的計(jì)數(shù)。
此外,，在TS包包頭的調(diào)整字段中,，有一個(gè)重要的域PCR,即節(jié)目時(shí)鐘基準(zhǔn),。它以固定的頻率插入包頭。在解碼端,，正是根據(jù)PCR來恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘的,。 PSI信息使用4個(gè)表來定義碼流的結(jié)構(gòu)，分別為節(jié)目關(guān)聯(lián)表（PAT）,、節(jié)目映射表(PMT),、條件接收表（CAT）和網(wǎng)絡(luò)信息表（NIT）。其中,，最重要的表信息是PAT和PMT,。PAT是PSI信息的根，其PID是0,，表中列出了傳送碼流中所有節(jié)目的節(jié)目映射表的PID,，PMT表中列出與該節(jié)目有關(guān)的所有基本碼流，如視頻,、音頻和PCR及有關(guān)信息的PID,。除PAT表包的PID永遠(yuǎn)是0外，還有兩種包的PID是預(yù)留的：
?、倏瞻?，用來作碼流填充，PID是8191,。
?、贑AT包，PID值是1,。所有PSI信息必須以一定的頻率發(fā)送,，每秒鐘至少要發(fā)送20次。
3 信道解復(fù)用器的原理
信道解復(fù)用器位于信道調(diào)制前端,，它對輸入TS流進(jìn)行處理以適應(yīng)該信道要求,，基于MPEG-2的實(shí)時(shí)TS流信道解復(fù)用器的原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)包括碼流輸入接口,、PCR校正模塊,、PSI分析和重新生成模塊及用戶接口等部分。
碼流輸入接口支持ASI（異步串行接口）和SPI（同步并行接口）兩種輸入格式,。輸入信號經(jīng)過接口電平轉(zhuǎn)換,，變?yōu)椴⑿蠺TL電平信號。輸入TS流的最大數(shù)據(jù)率可達(dá)120 Mb／s,，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩路獨(dú)立的TS流輸出,，它們各自的數(shù)據(jù)率分別由CLOCK1和CLOCK2時(shí)鐘決定。其取值范圍從1.5 Mb／s到120 Mb／s,。
系統(tǒng)中核心部分為2片FPGA和1片DSP,，其中1片F(xiàn)PGA主要完成PID過濾和PCR延時(shí)補(bǔ)償,，另外1片負(fù)責(zé)用戶接口。而DSP則負(fù)責(zé)分析TS流,，根據(jù)用
戶設(shè)定分路,，并生成新的PAT及PMT數(shù)據(jù)包。CLOCK1和CLOCK2來自后端信道調(diào)制器的時(shí)鐘,，輸入的單路多節(jié)目TS流的內(nèi)容將根據(jù)用戶的設(shè)定被分別分配到TS1和TS2,，輸出碼率分別決定于CLOCK1和CLOCK2。DSP前端和后端的FIFO消除了輸入輸出碼率不同所帶來的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,。27 MHz的本地時(shí)鐘用來補(bǔ)償輸入TS流的PCR在系統(tǒng)中所產(chǎn)生的延時(shí),。用戶接口通過一雙口RAM與系統(tǒng)交換相關(guān)的設(shè)定信息。下面對系統(tǒng)的幾個(gè)重要部分說明如下：
3.1 碼流分析
信道解復(fù)用器系統(tǒng)進(jìn)入正常狀態(tài)工作前要完成用戶參數(shù)設(shè)定,，用戶最關(guān)心的參數(shù)是輸入TS流中所含節(jié)目類型,、PID號、碼率等信息,。系統(tǒng)首先會(huì)對輸入的TS進(jìn)行分析,，從中提取出所有的節(jié)目信息，并且計(jì)算出不同類型數(shù)據(jù)包的碼率,。用戶根據(jù)這些分析結(jié)果可以了解到目前輸入TS流的所有基本信息,。
3.2 用戶設(shè)定
根據(jù)用戶的實(shí)際需要，輸入TS流的節(jié)目內(nèi)容可以分別被指定分配到兩個(gè)輸出通道,，并且允許同一個(gè)節(jié)目同時(shí)被分配到兩個(gè)通道，用戶也被允許修改PID號,。比如：輸入為一個(gè)22 Mb／s的TS流,，包含3個(gè)節(jié)目，每個(gè)節(jié)目又包含多個(gè)視頻,、音頻等數(shù)據(jù)流,。假如目前用戶有兩個(gè)輸出信道，一個(gè)為829 Mb／s,，另一個(gè)為2356 Mb／s,，并且用戶打算將輸入碼流中的節(jié)目1分配到信道1，節(jié)目2和3分配到信道2,。用戶則可根據(jù)需要做相應(yīng)的設(shè)定,，解復(fù)用器系統(tǒng)將根據(jù)用戶的設(shè)定來分別為輸出TS1和TS2生成新的PAT和PMT并且將相應(yīng)的視頻、音頻等數(shù)據(jù)包分配到相應(yīng)的通道,。用戶選擇節(jié)目時(shí)也可以只選擇該節(jié)目中的部分?jǐn)?shù)據(jù)流,。比如某個(gè)節(jié)目包含4個(gè)視頻流，而用戶只對其中的兩個(gè)視頻流感興趣,，那么用戶在設(shè)定時(shí)可以只選擇需要的視頻流,，在系統(tǒng)進(jìn)入正常工作時(shí),，未被選中的數(shù)據(jù)流將被自動(dòng)過濾。
3.3 PCR補(bǔ)償
PCR是TS流的重要部分,，它的精度決定了解碼端恢復(fù)時(shí)鐘的精度,，直接關(guān)系到解碼器是否能正常的工作。輸入TS流中各節(jié)目的數(shù)據(jù)包從進(jìn)來到出去會(huì)在信道解復(fù)用器的FIFO內(nèi)產(chǎn)生一定的延時(shí),，如果不對其PCR做相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償,，其輸出TS流的PCR誤差將有可能遠(yuǎn)大于協(xié)議所規(guī)定的±500 ns的誤差范圍，從而導(dǎo)致解碼不正常,。假定某個(gè)PCR在T1時(shí)刻進(jìn)入信道解復(fù)用器,，在T2時(shí)刻從解復(fù)用器輸出，則該時(shí)刻的PCR值將被替換為PCR′,。
PCR′ = PCR +(T2-T1)
延時(shí)補(bǔ)償運(yùn)算中所用到的時(shí)間標(biāo)記T1,、T2是由本地27 MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)所得，由于碼流在解復(fù)用器內(nèi)的停留時(shí)間并不會(huì)太大,，所以用本地27MHz記錄延時(shí)帶來的累積誤差很小,。
3.4 用戶接口
對于解復(fù)用器后端的信道調(diào)制器來說，最關(guān)心的是如何從信道解復(fù)用器中得到節(jié)目信息,，以及如何將所選節(jié)目分配到TS1和TS2上,。這些信息是通過用戶接口進(jìn)行交換的。
考慮到本系統(tǒng)需交換的信息較多,，這里采用一容量較大的16位地址的雙端口RAM（DPRAM）,，作為信道調(diào)制器和解復(fù)用器交換信息的平臺。信道解復(fù)用器在對輸入TS流進(jìn)行分析后,，將所提取的各種節(jié)目信息放在雙口RAM的相應(yīng)地址中,，以供信道調(diào)制器讀取和修改。解復(fù)用器根據(jù)調(diào)制器送入的讀寫信號及相關(guān)數(shù)據(jù)和地址信息,，由FPGA電路實(shí)現(xiàn)取指和譯碼,，將調(diào)制器所需信息從DPRAM的相應(yīng)地址中取出并送給信道調(diào)制器，或?qū)⑿诺勒{(diào)制器修改后的信息從DPRAM的相應(yīng)地址中取出,。