1　引言

　　在信息技術(shù)的推動下,，廣播電視進入從模擬廣播到數(shù)字廣播的過渡階段。美國,，歐洲,，澳大利亞，日本,，新加坡等相繼確定了本國的數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn),。

　　隨著視頻壓縮技術(shù)的深入研究，九十年代初出現(xiàn)了一系列視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),，其中尤以MPEG-2影響圈較大,；同時隨著集成電路制造技術(shù)的進步，許多芯片廠商相繼推出了相應(yīng)專用芯片,，這些都極大地推動了數(shù)字電視的發(fā)展,。美國于1995年通過了ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。歐洲制定了包括DVB-T在內(nèi)的一體化數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn),，目前側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視,。日本從模擬高清晰度電視研究轉(zhuǎn)向數(shù)字電視之后，確立了ISDB-T的地面廣播標(biāo)準(zhǔn),。三種標(biāo)準(zhǔn)在信源編碼方面相似,，都采用MPEG-2視頻壓縮，高清晰度電視圖像常用格式為1920×1080,，每秒60場/50場隔行,，最大的區(qū)別是信道調(diào)制和傳輸方式的不同。因此三種制式接收機的不兼容主要在接收機信道解調(diào)模塊,。

　　圖1表示了數(shù)字電視廣播和接收系統(tǒng)基本原理,。從內(nèi)容上分為信源部分和信道部分；從結(jié)構(gòu)上分為發(fā)送端,，傳輸網(wǎng)絡(luò)和接收端,。發(fā)送端包括信源編碼（音視頻編碼），業(yè)務(wù)復(fù)用,，信道編碼和調(diào)制,。傳輸網(wǎng)絡(luò)既可以是地面廣播，也可以是有線電視和衛(wèi)星接收,。調(diào)制信號到達(dá)接收端,，先進行信道解調(diào)形成基帶TS流,，然后進行解復(fù)用，形成音視頻PES／ES流分別解碼,，最后輸出音頻和視頻信號,。

　　2　ATSC電視制式簡介

　　ATSC的英文全稱是Advanced Television Systems Committee（美國高級電視業(yè)務(wù)顧問委員會）。該委員會于1995年9月15日正式通過ATSC數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn),。ATSC制信源編碼采用MPEG -2視頻壓縮和AC－3音頻壓縮,；信道編碼采用VSB調(diào)制，提供了兩種模式：地面廣播模式（8VSB）和高數(shù)據(jù)率模式（16VSB）,。隨著多媒體傳輸業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展,，為了適應(yīng)移動接收的需要，近來又計劃增加2VSB的移動接收模式,。下面從信源部分和信道部分來作介紹：

　　1　引言

　　在信息技術(shù)的推動下,，廣播電視進入從模擬廣播到數(shù)字廣播的過渡階段。美國,，歐洲,，澳大利亞，日本,，新加坡等相繼確定了本國的數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn),。

　　隨著視頻壓縮技術(shù)的深入研究，九十年代初出現(xiàn)了一系列視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn),，其中尤以MPEG-2影響圈較大,；同時隨著集成電路制造技術(shù)的進步，許多芯片廠商相繼推出了相應(yīng)專用芯片,，這些都極大地推動了數(shù)字電視的發(fā)展,。美國于1995年通過了ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。歐洲制定了包括DVB-T在內(nèi)的一體化數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn),，目前側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視,。日本從模擬高清晰度電視研究轉(zhuǎn)向數(shù)字電視之后，確立了ISDB-T的地面廣播標(biāo)準(zhǔn),。三種標(biāo)準(zhǔn)在信源編碼方面相似,，都采用MPEG-2視頻壓縮，高清晰度電視圖像常用格式為1920×1080,，每秒60場/50場隔行,，最大的區(qū)別是信道調(diào)制和傳輸方式的不同。因此三種制式接收機的不兼容主要在接收機信道解調(diào)模塊,。

　　圖1表示了數(shù)字電視廣播和接收系統(tǒng)基本原理,。從內(nèi)容上分為信源部分和信道部分；從結(jié)構(gòu)上分為發(fā)送端,，傳輸網(wǎng)絡(luò)和接收端,。發(fā)送端包括信源編碼（音視頻編碼）,，業(yè)務(wù)復(fù)用，信道編碼和調(diào)制,。傳輸網(wǎng)絡(luò)既可以是地面廣播,，也可以是有線電視和衛(wèi)星接收。調(diào)制信號到達(dá)接收端,，先進行信道解調(diào)形成基帶TS流，然后進行解復(fù)用,，形成音視頻PES／ES流分別解碼,，最后輸出音頻和視頻信號。

　　2　ATSC電視制式簡介

　　ATSC的英文全稱是Advanced Television Systems Committee（美國高級電視業(yè)務(wù)顧問委員會）,。該委員會于1995年9月15日正式通過ATSC數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn),。ATSC制信源編碼采用MPEG -2視頻壓縮和AC－3音頻壓縮；信道編碼采用VSB調(diào)制,，提供了兩種模式：地面廣播模式（8VSB）和高數(shù)據(jù)率模式（16VSB）,。隨著多媒體傳輸業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)移動接收的需要,，近來又計劃增加2VSB的移動接收模式,。下面從信源部分和信道部分來作介紹：

　　2．1　信源編碼與解碼

　　由于數(shù)字化的HDTV原始視頻數(shù)據(jù)量非常大，碼率高達(dá)1Gbps以上,。為了能在一個6M頻道帶寬內(nèi)廣播HDTV信號,，必須采用壓縮比很高的視頻壓縮算法。ATSC制采用MPEG—2視頻壓縮,。MPEG—2視頻壓縮格式分為4級 5類,，從低分辨率圖像到高清晰度視頻有十幾種格式，其中 MP＠ HL格式完全符合 HDTV廣播需要,。MPEG－2視頻壓縮采用了運動估計和補償,，幀內(nèi)預(yù)測和幀間預(yù)測編碼，DCT變換編碼和熵編碼等算法,，壓縮率可達(dá) 30－50倍,。付出的代價是 MPEG-2壓縮算法運算量極大。AC—3有 5＋1聲道編碼,，可以復(fù)用成TS流,。信源解碼是編碼的逆過程，包括TS的解復(fù)用和音視頻ES的解壓縮,，整個過程符合MPEG－2和AC—3的解壓縮語法,。HDTV解碼運算量相對較低，是壓縮編碼運算量的十分之一,。

　　2.2　信道調(diào)制與解調(diào)

　　以地面廣播8VSB模式為例,，信道調(diào)制與解調(diào)原理如圖2所示,。發(fā)送端：碼率為19.39Mbps的TS流輸入到信道調(diào)制單元。信道編碼過程包括數(shù)據(jù)隨機處理,，RS糾錯編碼,，卷積交織，格狀編碼,，同步信號插入,，形成符號率為10.76Msym/s的8電位符號流（八種電位：±7V，±5V,，±3V,，± 1V）。然后進行模擬處理,，插入導(dǎo)頻,，預(yù)均衡和單邊帶調(diào)制，最后送到發(fā)射機,。接收端：射頻RF經(jīng)調(diào)諧器鎖定,，形成中頻IF輸出，A／D變換后逐級進行 8VSB信道解調(diào)處理,，完成解調(diào)后輸出碼率為19.39Mbps的TS流,。8VSB傳輸模式的參數(shù)如表1所示。

　　對TS流進行信道編碼,，要經(jīng)過如下處理：首先TS包中187個字節(jié)和一個偽隨機序列按比特位異或運算（TS包長度為188個字節(jié),，同步頭0x47沒有進行異或和RS編碼），使TS流數(shù)據(jù)隨機化,，碼率仍然是19.39Mbps,。隨機化后數(shù)據(jù)送入 t=10（207，187）的 RS編碼器,，每個TS包增加 20校驗字節(jié),，包長度為 208字節(jié)，碼率上升為21.52Mbps,。然后又通過（208,，52）的卷積交織器，可以抵御長度相當(dāng)于4ms的突發(fā)干擾,。在格狀編碼之前還通過一個 12符號交織器,。格狀編碼采用2／3模式，即每兩個比特輸入形成3比特輸出,，此時碼率升為35．28Mbps,。映射處理將每 3比特數(shù)據(jù)映射到一個 8電位符號，每個符號相當(dāng)于映射前的 3比特，格狀編碼前的2比特,。插入段同步,，場同步后，便組裝成為數(shù)據(jù)幀,。每一數(shù)據(jù)幀包括兩個數(shù)據(jù)場,；每一數(shù)據(jù)場由313個數(shù)據(jù)段組成，其中第一個數(shù)據(jù)段作為該場的同步,；每個數(shù)據(jù)段又由832個8電位符號組成,，其中開始四個符號作為該段的同步。于是形成了符號率為10．76Msym／s的數(shù)據(jù)流,，由于一個符號表示兩比特,，所以比特率相當(dāng)于對21．52Mbps，除去同步開銷和檢錯冗余,，凈比特率為19．28Mbs。

　　3 機頂盒系統(tǒng)設(shè)計

　　3．1 數(shù)字電視機頂盒系統(tǒng)構(gòu)成

　　ATSC制機頂盒系統(tǒng)可分為兩個相對獨立的模塊：前端信道解調(diào)和后端信源解碼,。前端和后端接口的數(shù)據(jù)格式是TS碼流,。前端部分主要完成高頻下變換和 8VSB信道解調(diào)，并輸出TS流,；后端部分實現(xiàn)TS流的解復(fù)用,，并將視頻和音頻的ES/PES流分別送入相應(yīng)的音視頻解碼器，最終輸出視頻和音頻信號,。系統(tǒng)的整體控制部分由后端的主控CPU負(fù)責(zé),，包括I2c總線，前端的信道解調(diào),，TS流解復(fù)用,，音頻解碼和視頻解碼，以及遙控器和鍵盤等流程控制,。圖3表示了 ATSC制機頂盒的系統(tǒng)設(shè)計框圖,。

　　3．2 前端解調(diào)模塊設(shè)計

　　（1）調(diào)諧器（Tuner）

　　調(diào)諧器通過I2c總線來控制,，完成高頻調(diào)諧并輸出中頻信號,。有些調(diào)諧器沒有I2c總線，而是由3根控制線來設(shè)置調(diào)諧參數(shù),，此時要求機頂盒的主控芯片帶有一定數(shù)量的PIO編程端口,。另外，信道解調(diào)器根據(jù)中頻信號幅度,，通過AGC信號來調(diào)節(jié)調(diào)諧器輸出的中頻信號幅度,，使其穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。中頻信號輸出幅度通常較小，需要經(jīng)過中頻放大器,，然后送入8VSB解調(diào)器,。

　　（2）信道解調(diào)器

　　8VSB解調(diào)器收到中頻信號后,，對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，然后逐級進行解調(diào)。信道解調(diào)器可以直接對輸入44MHz中頻信號進行A/D采樣,，提供AGC信號調(diào)節(jié)中頻信號增益,。正常工作狀態(tài)下，解調(diào)芯片先通過非相關(guān)AGC模式使中頻信號幅度在A/D采樣范圍之內(nèi),；接著進行載波鎖定和同步信號恢復(fù),；實現(xiàn)同步后，相關(guān) AGC模式進一步細(xì)調(diào)中頻信號幅度,。然后依次進行NTSC同頻干擾濾波,、信號均衡、9相位跟蹤鎖定以及FEC處理（包括格狀解碼,、去卷積交織,、RS解碼和去隨機）等步驟，最后輸出TS碼流,。實際解調(diào)的每一步都可以通過內(nèi)部寄存器來跟蹤,。解調(diào)過程中各階段信號的實際性能，如鎖定狀態(tài),，信噪比,，誤碼率等可以由解調(diào)芯片內(nèi)部的寄存器指示。

　　3．3 后端解碼模塊設(shè)計

　?。?）主控CPU

　　主控CPU實現(xiàn)操作系統(tǒng)的各種控制功能,，同時完成TS流解復(fù)接。一方面,，主控CPU解析來自前端送入的TS流,，提取相關(guān)的PSI表，并利用PID過濾器來分離音視頻ES或PES流,，實現(xiàn)TS流解復(fù)用,。另一方面，主控CPU管理多個進程,，如視頻解碼,、音頻解碼、紅外遙控,、鍵盤響應(yīng),、前端解調(diào)和TS解復(fù)用等，控制著接收機的解碼全過程。

　?。?）視頻解碼器

　　視頻解碼器完成符合 MPEG－2壓縮標(biāo)準(zhǔn)的視頻實時解碼,，包括 MP＠HL格式。解碼器外接128Mbits的SDRAM,，用于解碼過程中的數(shù)據(jù)存儲,。視頻解碼時，主控CPU解析ES流或PES流幀以上高層語法,，提取圖片尺寸,，比特率，量化距陣等控制參數(shù),，然后將參數(shù)寫入解碼器的控制寄存器,。而幀以下的，涉及大運算量的視頻解碼,，主要通過視頻解碼器的硬件解碼單元實現(xiàn),。視頻解碼器支持ATSC制中的所有十八種格式及其中的某些格式轉(zhuǎn)換，它既可以輸出8-bit的標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻信號,，也可以輸出24-bit高清晰度視頻信號,。它還支持OSD，通過節(jié)目信息和頻道選擇的顯示,，使用戶具有本地信息交互功能,。

　?。?）音頻解碼器

　　音頻解碼由單片兼容 MPEG－2和 AC－3的音頻解碼器完成,，不需要外部存儲器。解碼過程中,，主控 CPU可以通過 8bit數(shù)據(jù)接口或者通過I2c接口來控制音頻解碼器,。音頻解碼器可接收 MPEG－1，MPEG－2,，AC-3和PCM多種音頻數(shù)據(jù)輸入,，具有三路雙聲道PCM數(shù)據(jù)串行輸出接口和一個S／PDIF數(shù)字音頻輸入口。

　　3．4 機頂盒解碼流程分

析

　　數(shù)字電視機頂盒的源程序裝載于FLASH ROM內(nèi),。加電啟動后,，各芯片進行上電復(fù)位，主控CPU從FLASH ROM內(nèi)加載并運行程序,。程序首先完成軟硬件初始化,，包括時鐘初始化，系統(tǒng)內(nèi)存初始化,，前端解調(diào)初始化以及音視頻解碼寄存器初始化等,，并建立多個工作進程。多進程模式使主控CPU能同時處理多個工作流程，還可以進行進程間的通訊控制,。

　　系統(tǒng)完成初始化后,，用戶通過遙控器選擇頻道，頻道選擇界面通過OSD顯示,。主控CPU響應(yīng)遙控器指令,，通過I2C總線設(shè)置調(diào)諧器，使調(diào)諧器輸出中頻信號,。中頻信號經(jīng)信道解調(diào)器處理后,，輸出TS流。主控CPU內(nèi)PID過濾器實現(xiàn)TS流解復(fù)接,，將相關(guān)的ES或PES流分別送入音視頻解碼器,，最終輸出音頻和視頻信號。TS流中的節(jié)目信息經(jīng)過解析并存儲,，用戶通過OSD查詢菜單,，了解相關(guān)的節(jié)目信息。對于多節(jié)目復(fù)合的TS流,，用戶還可以通過節(jié)目指南EPG指定收看TS流中的某個具體節(jié)目,。

　　3．5 機頂盒接收性能

　　ATSC制頻道帶寬為6MHz，可以傳送19.39Mbps固定比特率的數(shù)字電視節(jié)目,，節(jié)目可以是單個高清晰度電視,，也可以由4-5個標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視節(jié)目復(fù)用而成，符號率為固定的10.76Msym/s,，因此ATSC制廣播電視的頻道搜索比DVB簡單,，只要設(shè)定頻道參數(shù)。如果全頻道范圍內(nèi)接收,，也只需從頻道2到頻道69逐個搜索,。

　　限于條件，實驗過程中采用閉路接收的方式,，由碼流發(fā)生器輸出8VSB調(diào)制信號,，載波頻率為473MHz（14頻道），信號直接通過一段電纜送到機頂盒的RF輸入端,。主控CPU通過設(shè)定頻道參數(shù),，可在2秒內(nèi)實現(xiàn)頻道鎖定和8VSB 解調(diào)，在4－5秒內(nèi)（包括8VSB解調(diào)和信源解碼）完成節(jié)目的解析和音視頻解碼,，對于無節(jié)目的頻道0．5秒內(nèi)可判定,。實際接收信號的信噪比要求高于 16dB，否則接收機無法解調(diào)或解碼時存在一定的誤碼,。

　　4　結(jié)束語

　　數(shù)字化進程使廣播電視,，計算機網(wǎng)絡(luò)和通信之間的行業(yè)界線變得越來越模糊,，三者既滲透又融合的特點將持續(xù)一段時間。在此背景下,，數(shù)字電視也將隨著業(yè)務(wù)和技術(shù)的進一步發(fā)展逐漸走向成熟,。未來的數(shù)字電視機頂盒不但會在已知的領(lǐng)域功能更趨完善，也將在未知的領(lǐng)域里開拓更廣闊的空間,。