（信号与信息处理专业论文）sdtv信源解码器硬盘录像和音频软件系统的研究与实现.pdf

中文摘要 伴随着电视广播的全面数字化，数宁电视产业这一新兴产、i k 已经 引起，。泛的关注。各国家根据自己的国情，己分别制定出由模拟电视 向数字电视过渡的方案和产业目标。在目前数字与模拟电视并存的吲 期，数字电视机顶盒将成为这个时期的推动数字电视产业发展的主要 产品。 术沦文曰的是研制出具有硬盘录像功能的有线传输标准清晰度 数守电视机顶盒。其中信源解码器设计基于s t 公司推出的标准清晰 度数宁电视单片解决方案。主要使用s t i 5 5 1 8 m p e g 2 解码芯片完成视 频、音频解码和系统控制。软件方面采用s t 公司的s t l i t e o s 2 0 实 h l f 操作系统以及s t a p i 软件开发包。本论文详细介绍厂系统的软件改 引、音频模块和硬盘录像功能的实现。 s t i 5 5 1 8 内嵌j ，a t a p i 接口，可以实现信源解码器l j 硬撤的无缝 连接。通过硬盘可以录制数字电视节目，实现数宁电视录像机的功能。 s t i 5 5 1 8 把传输流送入解复用模块进行拆包成为p e s 包。在进行录像 州p e s 包数据通过芯片内的d m a 传送到a t a p i 接口输出，通过驱动软 什的控制把数据写入硬盘。硬盘上建立了专用的文件系统。在录制协 1 的同时芯片町以从硬盘读出数据并进行解码。这样就可以实现1 ，日 吲时录放及时移录像功能。 s t i 5 5 1 8 支持多种音频格式，可最多输出六个声道p c m 旨频信l 扎 并具有p r ol o g i c 解码、虚拟环绕声等后处理功能。通过o s d 菜单控 制叮以实现音频功能的设置。 在论文 _ 作期间，通过软件编写和测试最终实现了数 _ ! ，讥机顺 盒爵频控制和数字硬盘录像机的基本功能。 天键侧：数字电视硬盘录像机机顶盒实时操作系统 a b s t r a c t wl t ht h e d i g i t a l i z a t i o n o fm o d e r nb 1 o a d c a sl jr i g i 丌v ( d i g it a 1 1 1 e 1e v ls io n ) i n d u s t r yis g a i n i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nm a n yc ( ) 【m t o s 。l ( 、c o r d in 龉t ot h e i ro w nc o n d i t i o n sh a v es e tu ptz a n s i t l or 1 【) rc 1j f ! c l ，h a r k l in d u s t r yo b j e c t s d t vs e t t o p b o xi sa n i m p o r t a n tp r o d u c t d r iv 1n g y l 、v in dl i s t f vu n d e rc u r r e n ta r va n d d t vc o e x i s t e n c ep e f i o d t his ( s s e r t a tl o na i r e sa tt h ed o v e l o p m e n to fs d t v ( s t a n d a r d1 ) c f initio n 1 v ) s e tt o db o xw i t ht h ed i s kv i d e er e c o r d e rf u n ( ；1io n t h ew h o led e si 9 1 1 isb a s e do rs7 r m i c r o e l e c t r o n i c s ss d r v s i n g l cc h i p s o l u t l o n 【tl i s c s s i 、i5 5 1 8t 0i n d l e m e n tv i d e o a u d i o d e c o d i n g a n d s y 7 s t e m c o n t f 0 1 t h e s o f t w a r ep l a t f o r miss t m i c r e e l e c t r o n i c s ss t l i t e 0 s 2 0y e l l l lim eo s kr l d s i p i p a c k e lt h is ( 1 is s e r t a t i o nf u l l ys t u d i c st h es o f t w a r ed o s ig n ，a u d lo ( 】( j u lea n dh a r dd is kr e c o r d e ri m p l e m e n t a t i o n e m b e d d e dw i t ha t a p iir l t e f f a c e s t j5 5 1 8i m p l e m e n t ss e a r n lc “、_ c o i i t i c ( ；1i 0 i l i e i w 0 0 1 c h i pa n d l a r dd is k d i g it a lv i d e or e c o r d i n g i sp e i1 ( ) fr i l e ( 1h vh a r d d is ks t j5 5 1 hl l s e s d e m u l t i p l e xm o d u l e t o d e c o m p o s e i 、s1r i + np e s w 1 1 ( 、r i r c c o d l n g d a t al np b sa r eo u t p u t t e dt oa t a p tl r o u g h d b l an n da icw r i t t c n n t od is kw j t ha u d io v i ( 1 e of jles y s t e md r l v e rb ys o f t w a t l e 一_ 1 w 【e ，t h e 、 c h i ) c o u l df e a ( 1d a t af r o md i s ka n dd e c o d et h e m t h e s ec 。i i i ( 1 眦、f l m t r r l 、r “ 1ir i l e r e c o d l n ga n d ti m e s h i f t i n g s t i5 5 1 8c o u l ds u p p o r tm a n ya u d i of o r m a t s ，h a v ea tm o s l6 mc h a n r l e lh a n dh a v ep r o l o g i cd e c o d in ga n dt r u s u r r o u n dp o s tp r o c e s sa b l1 1t 】e sa u d i o c ur l t f 0 1is p e r f o r m e d b yo s dm e n u aj ls t ba u d i oc e n t r e a n dd i g i t a lv i d e od i s kr e c o d e r f 、l h i c t jo n sa r e u c c o m p l i s h e d a n dt e s t e db ys o f t w a r ep r o g r a m m i n g k e yw o r d s ：d ig i t a l t e l e v i s i o n ，h a r dd i s kv i d e c r e c o r d er 1 ，s o t l 、o p b o x 刖、o s 独创性声明 小人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜进彳的研究1 一作和取得的 _ i ) | 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，沦文中不包含其他人已经发表 或撰q 过的研究成果，也不包含为获得鑫奎盘鲎或其他教育机构的学付或证 1 5 f r x t 过l 疗, f ? ；f 4 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已任论文中 作j 明确的说明并表示了谢意。 学位沦文作者签名： 瓣 签字 _ _ = 期：2 # 吩 年，月2 4 i 学位论文版权使用授权书 奉学位论文作者完全了解墨凌盘堂有关保斟、使用学位论文的规定。 特授权坠垄玉生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆 索并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向罔家有天m 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密厉适用本授权说明) 导师签名 黝 签字闩期：& 哕4 ：j j 彤 第一章绪论 1 1 数字电视概述 第一章绪论 近几年随着计算机技术、集成电路技术、数字信号处理技术以及通信技术的 发展，数字电视技术也随之快速发展。数字电视是继黑白电视和彩色电视后的第 三代电视。数字电视包括标准清晰度电视( s d t v ) 和高清晰度电视( h d t v ) 。标准 清晰度电视的图像和伴音质量都比目前模拟电视有较大提高，图像的解析度相当 于d v d 的图像水平。并且其频道利用率高，在目前一路模拟电视的信道内可以 同时传输4 套( 或更多) 标准清晰度节目。高清晰度电视画面可提供相当于标准清 晰度电视画面5 倍的信息量，因此具有更高的图像分辨率和清晰度。高清晰度电 视的图像格式最高解析度为1 9 2 0 x 1 0 8 0 即最高显示是目前模拟电视画面清晰度 的2 3 倍。高清晰度电视采用1 6 ：9 的图像模式，而不是传统的4 ：3 模式，标 准清晰度电视则采用兼容1 6 ：9 和4 ：3 模式由电视台最终确定广播的模式。与 模拟电视相比数字电视有以下优点： ( 1 ) 图像质量高。使用效果不受传输、转播影响，在接收端可达到发射端的水 平。 ( 2 ) 音频质量高。支持5 1 声道的数字环绕声节目源，可以通过电视节目获得 家庭影院效果。 ( 3 ) 抗干扰。数字视频不受干扰、增益、相位错误和串音的影响。同等传输条 件下的抗干扰能力明显优于模拟电视。 ( 4 ) 传输效率高。进行地面方式发送时，原每个模拟电视信道可播放h d t v 或4 套s d t v ，有线电视网中的一个模拟通道可播8 1 0 套s d t v 。 ( 5 ) 可以兼容现有模拟电视。通过在普通电视机前加装数字电视机顶盒即可接 收数字电视节目，电视台的电视节目制作设备也可部分沿用。 ( 6 ) 提供全新的多业务用途。普通的模拟电视只能是电视台按预定的节目表播 放节目，用户只能被动地接收。数字电视网与电信网及计算机网相结合，实现三 网融合，不仅使信息源更为丰富，还可增加用户与各种信息提供源之间的交互性， 实现用户自由点播节目、自由选取网上的各种信息。可以提供多种数据业务服务， 使电视机可以真正融入到信息网络中去。可以实现多种新的功能，例如，家长可 对电视节目选择设定密码，以防止未成年人收看限制级节目等。 第一章绪论 1 2 数字电视技术的发展现状 1 2 1 国际上数字电视技术的发尉1 m 】 日本的高清晰度电视起步较早，1 9 7 2 年就向c c i r 提出h d t v 的提案，首 先开发了1 1 2 5 行高清晰度电视系统。1 9 8 8 年又用高清晰度电视成功地对汉城奥 运会进行了实况转播。日本在高清晰度电视传输方面使用专用的卫星通道单独传 送高清晰度电视节目的方法，使用被称为多重亚取样编码( m u s e ) 的传输方式， 基本上是模拟传输。从1 9 8 4 年实验播出，1 9 9 5 年正式试播，目前每天已有1 4 小时的节目。 起先欧洲不甘心全部h d t v 市场由日本独占。设计了一条从m a c 到 h d m a c 的逐步过渡到h d t v 的道路，但m a c 和h d m a c 也都是模拟传输。 最终不得不因美国先进的数字方案而放弃h d m a c 转而推动d v b 。由德国通信 部建议成立了欧洲开发小组，由1 7 0 多个组织共同开发全数字电视系统，包括地 面广播、卫星广播和有线电视传输的数字标准清晰度( s d ) 电视和高清晰度( h d ) 电视。并于1 9 9 3 年9 月创建了数字视频广播项目( d v b ) 。欧洲一直认为h d t v 的市场尚远，因此当前致力于数字标准清晰度电视的研究开发。相继出台了卫星 数字电视广播传输标准( d v b s ) 、有线数字电视广播传输标准( d v b c ) 和地 面数字电视广播传输标准( d v b t ) 。欧洲的策略是：利用s d t v 在目前便于普 及的优势，抢占数字电视的世界市场，加速在全世界普及d v b 标准，以此来与 美国的数字电视标准相抗衡。 同日本和欧洲相比，美国在h d t v 的研究方面起步较晚，但却是发展最快的。 尽管美国曾支持过日本推出的1 1 2 5 行h d t v 规格作为统一的世界标准，但当意 识到h d t v 潜在的巨大市场之后，美国加速了这方面的研究，并从一开始就采 用全数字化的方案。美国在1 9 9 1 1 9 9 2 年对五种建议的h d t v 地面广播制式进行 了测试，由于被测试的各种全数字制式在技术和经济上的优劣没有显著的差别， 为了取长补短，同时统一国内市场，其中四个数字系统的提出者于1 9 9 3 年5 月 组成了“大联盟”( g a ) ，合作提出了一个统一的标准。1 9 9 5 年4 月a t s c 通过了 “a t s c 数字电视标准”，同年8 月g a 样机研制成功，1 0 月“a t s c 数字电视标准” 被提交给f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月2 6 日f c c 终于批准了该标准。1 9 9 7 年4 月f c c 宣布：以4 月7 日为起点，1 8 个月内有2 2 座电视台转为数字电视播出； 2 4 个月内，四大商业电视网在全美十大城市进行数字电视播出( 其中三大电视 网播出数字h d t v ) ：3 0 个月内有1 7 0 0 个电视台在3 0 个城市转为数字电视：最 终计划在2 0 0 6 年取消模拟电视的播出。 当前世界上基本形成了两种数字广播电视系统标准：哥十是美国的a t s c 系 第一章绪论 统，一种是欧洲的d v b 系统，两者的图像编码都采用m p e g 。2 标准，系统结构 也很相似。声音编码上，a t s c 采用a c 3 压缩技术而d v b 则采用m p e g 一2 的 声音压缩标准。 1 2 2 我国数字电视的发展现状【3 我国对数字电视的跟踪研究从2 0 世纪8 0 年代末就已经开始了。在“八五”期 间，国务院组织成立了国家高清晰度电视研究开发协调领导小组，国家科委组织 成立了h d t v 发展战略专家组，组织实施了“八五”国家重点科技攻关项目“高清 晰度电视技术研究”，对数字高清晰度电视进行了理论研究和计算机模拟。1 9 9 5 年，经国家高清晰度电视研究开发协调领导小组批淮，成立了国家高清晰度电视 ( h d t v ) 研究总体组。1 9 9 6 年7 月，由总体组负责，组织实施了“九五”国家重大 科技产业工程项目“高清晰度电视功能样机的系统研究和开发工程”。经总体组和 全国多所大学、研究所以及企业的共同努力，于1 9 9 8 年6 月，成功地研制出了 我国第一台数字高清晰度电视功能样机系统，1 9 9 8 年9 月，利用该功能样机系 统在北京由c c t v 进行了开路演示，取得了很好的效果。在1 9 9 9 年1 0 月1 日， 中华人民共和国建国5 0 周年之际，对天安门广场的国庆大典进行了现场直播， 获得了成功。目前我国中央电视台和众多省市、地方电视台都已实现了电视节目 的数字卫星传输，电视台的发送和接收设备正在逐步实现数字化。国家广电总局 在十五规划和2 0 1 0 年远景规划中提出：我国将在卫星和有线电视中采用国际通 用的d v b 标准而在2 0 0 3 年完成具有我国自主知识产权的地面数字电视广播 标准制定工作，并在2 0 0 5 年全面推进地面数字电视广播。我们相信随着我国 申办2 0 0 8 年奥运会的成功，为我国数字电视和高清晰度电视的发展提供了难得 的机遇，数字电视发展前景广阔。 l _ 3 数字电视机顶盒技术的发展状况 数字电视机顶盒是信息家电之一，它是一种能够让用户在现有模拟电视上， 观看数字电视节目，进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费业电子产 品。根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒又分为数字卫星机顶盒、地面数字电 视机顶盒和有线数字电视机顶盒三种。 数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具有多种广播和 交互式多媒体应用功能，如：( 1 ) 电子节目指南( e p g ) 。用户可以通过该功能 看到个或多个频道甚至所有频道近期将播放的电视节目预告表：( 2 ) 高速数据 广播。能给用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、新闻等各种消息：( 3 ) 因 特网接入和电子邮件。数字电视机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现 第一章绪论 因特网接入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子邮件。( 5 ) 有条件接收。有条件接收的核心是加扰和加密，数字机顶盒通过有条件接收系统 实现付费电视。( 6 ) 数字个人录像机( p v r ) 。通过硬盘实现数字电视节目的录 制和播放。 目前国外的很多芯片生产商对于标准清晰度的数字电视机顶盒系统已有较 成熟的解决方案，相应芯片的研制也已达到了比较完善的阶段。比如s t 公司的 s t i 5 5 0 0 、s t i 5 5 1 8 、s t i 5 5 1 4 方案，l s il o g i c 公司的s c 2 0 0 5 、a v i a 9 6 0 0 方案， b r o a d c o m 公司的b m c 7 1 1 0 等。另外中间件技术和有条件接收技术也不断的更 新、完善。 1 4 本论文的主要任务 本课题采用s t 公司的s t i 5 5 1 8 单片解决方案，目标是实现具有硬盘录像功 能的标准清晰度有线接收数字电视机顶盒。本课题的主要任务按照功能要求可以 按表1 - 1 来划分。 表1 1 课题任务划分表 功能模块功能任务描述 信道解码板设计信道q a m 解调电路 硬件信源解码板设计s t i 5 5 1 8 信源解码电路 控制面板设计控制面板电路实现红外接收和控制按键 视频解码使用视频解码的驱动软件编写应用程序 音频解码使用音频解码的驱动软件编写应用程序 系统解复用编写解复用相关的应用程序 软件 信道解调编写信道解调的控制程序 节目管理编写节目库管理程序 o s d 控制菜单实现o s d 控制界面 硬盘录像机控制编写硬盘录像机的功能程序 其他f l a s h 、e 2 p r o m 、r s 2 3 2 、红外接收软件、有条 件接收等硬件的控制软件 本课题主要完成表中的音频解码模块和硬盘录像机模块的软件工作。具体内 容是： 1 全面、深入地学习m p e g 一2 的系统和音频标准，熟悉掌握标准中的 各项技术规定和术语。 2 深入学习a t a p i 的接口标准，掌握硬盘控制的基本原理。掌握硬盘 第一章绪论 文件系统的基础知识。 3 仔细阅读s t i 5 5 1 8 的技术手册，掌握芯片的基本功能结构。 4 研究o s 2 0 实时操作系统的原理和应用，掌握实时操作系统的编程方 法。 5 熟悉s t i 5 5 1 8 的s t a p i 软件包的程序和软件手册，了解软件框架，掌 握软件的编程方法。 6 调试音频应用程序和完成音频的基本控制功能，编写硬盘录像机的应 用程序实现数字电视节目的播放、录像、时移录像功能，同时实现硬 盘节目的更名、删除等节目管理功能 7 掌握软件的调试方法，并且结合硬件最终完成功能样机。 第二章m p e g 标准简介 2 1m p e g 一2 概述 第二章m p e g 标准简介 m p e g 为m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p 的缩写，可译为活动图像专家组。 m p e g 2 是由m p e g 开发的第2 个标准。按计划于1 9 9 4 年1 1 月正式确定为国 际标准，m p e g 2 是”活动图像及有关声音的通用编码”( g e n e r i cc o d i n go f m o v i n g p i c t u r e sa s s o c i a t e da u d i o ) 标准。m p e g - 2 标准制定始于1 9 9 0 年7 月。m p e g 为 制定m p e g 2 经常与有关国际组织，如i s o 、i e c 、i t u t 、i t u r 等开会协调， 并注意到了与m p e g 1 的兼容性。国际电联的无线电通信部f q ( i t u r ) 从广播电 视方面提出的不同需求构成了m p e g 一2 的类等级( p r o f i l e l e v e l ) 概念的基础。 i t u r 在m p e g 2 的质量检验、测试方面做了大量工作。按计划在1 9 9 4 年1 1 月的新加坡会议上，批准为国际标准i s o i e c1 3 8 1 8 。 初期的m p e g 2 标准的基本要求有两条：其一是视频图像格式采用7 2 0 * 4 8 0 像素，其二是传输码率为4 - l o m b p s 。另外要求m p e g 2 兼容m p e g 1 标准，以 便充分发挥设备兼容能力和降低价格。随着大量提案的涌入，m p e g 2 也被寄予 了更高的期望。人们希望它能囊括视频通信的各种领域，例如包括多点电视会议、 异步传输模式网络视频通信、嵌入式标准电视等。这样，就要求编码输出码流的 句法能够适应上述各种要求，而且要求解码器能识别并解出各种等级的原图像。 这就要求有一种能够区分图像等级的编码器和解码器。另外也要把美国和欧洲不 同的h d t v 方案都包括进去。 m p e g 一2 标准主要有：系统、视频、音频、数字存储媒体的指令和控制、实 时接口等。 为了适应广播、通信、计算机和家电视听工业的广阔需求以及不同的数字电 视体系，i s o i e c1 3 8 1 8 2 ( 即m p e g 2 视频部分) 制定了5 类，4 个等级。类 等级的组合将给出2 0 种不同规格，但并非所有组合都有实际意义。下面四种技 术规范比较重要； m p m l ，主类主级。用于标准清晰度数字电视。 s p m l ，简单类主级。用于数字有线电视和数字录像机。 m p h l ，主类高级。用于全数字h d t v 。美国的a t v 采用。 s s p h 1 4 4 0 ，空问可分级类高1 4 4 0 级。用于h d t v 。 第二章m p e g 标准简介 2 2m p e g 一2 系统层标准4 i s o i e c1 3 8 1 8 - 1 定义了m p e g - 2 系统层编码方法，主要用于支持把按 i s o i e c1 3 8 1 8 2 ，i s o i e c1 3 8 1 8 3 编码的视频、音频及压缩数据复用在一起。 它定义了两种复用的码流格式；节目流( p r o g r a ms t r e a m ) 和传送流( t r a n s p o r t s t r e a m ) 。 节目流有点类似于m p e g 一1 ，它是由一个或多个p e s 包组成，在节目流中的 各个包要具有相同的时间基准，节目流包的大小是可变的，节目流通常用于基本 无误码的环境下，如：交互式多媒体应用等。 传送流每个包的长度为1 8 8 个字节，其中包头的长度为4 个字节。由于传送 流主要用于较易出现误码的环境，因此在其构成中加入一些说明传输方面的标志 符。传送包的第一个字节为包同步，便于信道解码器的同步。误码指示和加扰控 制告诉解码器，传输过程中是否有不可纠正的误码和信号是否被加扰。传送流是 复用后形成的，所以在一个传送流中会有多个码流，包识别符( p i d ) 是解码器 识别各种节目码流的识别标志。各种节目码流经过复用，在传送流中是相互交叉 的。节目参考时钟( p c r ) 是解码器的定时基准。 m p e g 一2 中定义了节目特定信息( p s i ) ，用于解码器的自动设置。p s i 由4 个表组成，它们是节目相关表( p a t ) 、节日映射表( p m t ) 、条件接收表( c a t ) 和网络信息表( n i t ) 。p a t 表说明传送流中有多少节目及其相应p m t 表的p i d ： p m t 表说明一个节目中有多少种码流及其各自的p i d ；c a t 表说明码流是否加 密，解码器利用c a t 表寻找加密控制信息( e c m ) 和加密管理信息( e m m ) ： n i t 表说明提供节目的网络信息。在m p e g 2 的p s i 基础上，d v b 经过扩充形 成d v b 的业务信息( s i ) 标准。 m p e g 2 的系统层提供了有效的系统同步措施。在传输流中m p e g 主要使用 了三个参数：节目参考时钟( p c r ) 、显示时间标记( p t s ) 和解码时间标记( d t s ) 来保证视频、音频和辅助数据之间的同步。p c r 是编码器系统时钟的一个定格， 它被周期性地插入到m p e g 地输出比特流中。在解码器p c r 被提取出来，各解 码器用p c r 来更新内部时钟。每个节目只有一个p c r 。p t s 和d t s 也是编码器 系统时钟某时刻的值，它们通常和某个编码单元相联系( 如视频序列中某个图象 显示或解码的丌始位置) 。p t s 和d t s 规定了数据在解码器中的预定显示时间和 解码时间。 在此需要特别指出的是，虽然我们在谈论m p e g 一2 的编码、复用规则，但实 际上m p e g 2 制订的是解码器的标准。因为，m p e g 2 标准只定义码流的语义和 句法，编码器和复用器的具体的实现算法是由生产厂家自行设计的。因此无论是 第二章m p e g 标准简介 谁提供的编码器和复用器，解码器只要是符合规范的，就能够进行正确的接收。 图2 1 为m p e g 2 标准中的解码器示意图。 图2 1m p e g 2 解码器示意框图 2 3m p e g 2 音频标型5 】 2 3 1m p e g 音频标准的发展 频 频 m p e g 当初只研究了视频方式的标准化，但考虑到欧洲要进行的数字音频广 播等，对音频编码也同时进行了标准化。1 9 9 3 年，m p e g 视频标准化和音频的 国际标准化同时完成。标准化的m p e g 音频格式可将原信号信息量压缩到1 6 以下。现在m p e g 音频和m p e g 视频一起已成为v c d 、c d - i 、多媒体、p c 的 必备功能。与此同时，m p e g 音频在加拿大和欧洲还用于数字音频广播标准等， 获得了很大的成功，现已得到广泛应用。 m p e g 音频将输入信号分割成3 2 个子带，根据听觉心理模型适当地进行比 特分配，由此即可用1 2 8 k b p s 3 8 4 k b p s 的比特率将立体声音频信号编码。根据 用途不同还准备了层i 、层i i 、层i 三个层( 编码模式) ，层i i _ 是最常用的。 m p e g 2 音频是在m p e g 音频基础上为用于h d t v 和高质量数字音频广播 而增加了必要功能的一种方式，与m p e g 音频具有很好的互换性。它和m p e g 一2 视频是并行开发的，1 9 9 4 年1 1 月完成了国际标准( i s ) 。 2 3 2m p e g 音频压缩原理 在m p e g 音频压缩中，按照复杂程度规定了三种模式即层i 、层i i 、层i i i 。 层i 典型的码流为每通道1 9 2 k b i t s ，用于v c d 等应用。层u 即称掩蔽模式，通 用子带集成编码与多路复用，典型的码流为每通道1 2 8k b i t s ，广泛应用于数字 音频广播、数字演播室等数字音频专业的制作、交流、存储和传送。层i i i 是综 合于层i i 和a s p e c ( a d a p t i v es p e c t r a lp e r c e p t u a le n t r o p yc o d i n g 自适应频谱感知 第二章m p e g 标准简介 码) 的优点提出的混合压缩技术，m p 3 的复杂度相对较高，编码不利于实时， 典型码流为6 4k b i t s ，在低码率下有高品质的音质，所以成为网上音源的宠儿。 m p e g 音频的压缩技术方案是子带压缩，子带分割的实现是通过时频映射， 采用多相正交分解滤波器组将数字化的宽带音频信号分成3 2 个子带：同时，信 号通过f f t 运算进行频谱分析；子带信号与频谱同步计算，得出对各子带的掩 蔽特性，由于掩蔽特性的存在，减少了对量化比特率的要求，不同子带分配不同 的量化比特数，但对于各子带而言，是线性量化。加上c r c 校验码，得到标准 的m p e g 码流。在解码端，只要解帧，予带样值解码，最后进行频一时映射还 原，最后输出标准p c m 码流。m p e g 音频编码器和解码器的方框图如图2 2 ， 2 3 所示： 图2 2m p e g 音频编码器框图 厂一厂 厂一 笔黼j 嘴淞解一一髓岬螨桶l 一13 2 种瞥漱器p ! + 图2 3m p e g 音频解码器框图 第三章数字电视机顶盒结构 第三章数字电视机顶盒结构 3 1 数字电视机顶盒的结构特点 数字电视机顶盒从其结构上讲大体上可以分成两部分：信道部分和信源解码 部分。信道部分即前端，负责对数字电视信号进行解调接收和信道解码，针对不 同的信道编码可以配以不同的信道解调解码器。目前，信道部分主要有三种，即 卫星、有线和地面传输。在d v b 标准中卫星传输采用q p s k 方式调制，有线传 输采用q a m 方式调制，地面传输则采用c o f d m 方式。信源解码部分也称后端， 它主要完成从t s 流输入到解码后的音、视频输出之间的所有功能，包括传输流 解复用、音频解码和视频解码等，是机顶盒的核心部分。 数字电视机顶盒的主要功能是完成对数字电视信号的接收，具体讲就是把从 信道传输过来的调制信号，通过机顶盒前端的高频头和信道解码芯片完成解调和 信道解码，解出传输流( t s ) 数据。然后通过后端进行解复用分出音、视频基 本流，再经过音、视频解码，输出解码后的数字视频和数字音频信号。最后通过 视频后处理单元和d a 转换器形成p a l 、n t s c 或s e c a m 制式的模拟电视信号 和模拟音频信号，送入显示器显示和播放。除了完成主要功能外，机顶盒还可以 通过硬件和软件的功能扩展实现w e b 浏览，交互业务以及个人数字录像机功能。 3 2s t 公司s t i 5 5 1 8 方案的特点和结构 s t 公司的s t i 5 5 1 8 标准清晰度数字电视机顶盒方案具有以下几个优点： 1 技术相对成熟。s t i 5 5 1 8 是以s t i 5 5 0 0 为基础而开发的新一代数字电 视解码芯片，再此之前s t i 5 5 0 0 已经在数字机顶盒市场上得到了广泛 的应用。s t i 5 5 1 8 继承了前一代产品的所有特点，而且还增加了杜比 数字音频和m p 3 解码功能，以及硬盘接口。 2 单片解决方案。s t i 5 5 1 8 方案核心芯片只有s t i 5 5 1 8 ，它可以完成包 括系统控制、解复用、视频解码、音频解码、视频后处理在内的全部 功能。因而系统开发的难度和成本都相对减小。 3 s t 公司提供完善的嵌入式实时操作系统s t l i t e o s 2 0 和强大的s t a p i 软件包，这些方便的开发工具提高了开发速度。 4 外部接口完善。芯片提供了多个可编程i o 口( p i o ) 、u a r t 口、智 能卡接口、1 2 c 总线、a t a p i 接口、红外接收发送接l _ _ = | 、i e e e l 3 9 4 第三章数字电视机项盒结构 等，这些接口方便了机顶盒功能的实现。 s t i 5 5 1 8 是采用s t 2 0 内核的3 2 位c p u ，具有4 k b 内部s r a m ，2 k b 的指 令c a c h e 和2 k b 的数据c a c h e 。其音频解码器可以支持杜比5 1 声道和m p e g 2 的音频解码，以及m p 3 解码。视频解码器最高可以支持m p e g 2m p ( 国m l 的解 码。 s t i 5 5 1 8 有线数字电视机顶盒方案的工作过程是这样的：首先，前端在c p u 的控制下( 通过1 2 c 总线) 把高频头调谐到某个数字频道，通过前端的q a m 解 调芯片s t v 0 2 9 7 进行q a m 解调，解出数字电视的传输流( t s 流) 数据，连同 一些标志信号一起，通过一个接口传送到后端的信源解码器；然后，传输流数据 进入s t i 5 5 1 8 ，通过解复用功能模块分出传输流中的音视频基本流，分别送往音 频解码器和视频解码器或解码器的缓存区。同时，提取出码流中的p c r 信息， 用于时钟恢复。通过解复用分出的音频基本流通过芯片内的音频解码器的解码输 出音频的p c m 信号，经过音频数模变换后输出最多六个声道的模拟音频信号， 或直接输出s p d i f 信号；视频基本流在s d r a m 的配合下经过视频解码器的处 理之后输出解码后的亮度和色差数字信号，通过视频后处理电路处理，输出r 、 g 、b 或y 、p r 、p b 视频分量信号；另外，视频解码器输出的信号还可以通过一 个n t s c p a l 视频编码器，编码输出n t s c 或p a l 制的模拟电视信号( c v b s 和y c ) ；机顶盒的软件固化在f l a s h 里，开机后程序被调到s d r a m 中运行； 系统与用户的接1 5 是前面板和o s d 菜单。前面板具有按键和红外遥控器接收装 置。用户观看o s d 菜单上的信息，通过按键或遥控器操作，前面板接收到信息 并传送到c p u 中，由c p u 控制实现具体功能。 3 3 本课题的数字机顶盒结构 本课题所研制的有线数字电视机顶盒主要以s t 公司的s t i 5 5 1 8 方案的开发 平台为基础，最大程度实现s t i 5 5 1 8 的全部功能。从硬件方面比参考电路主要增 加了如下两个功能模块： ( 1 )加入硬盘接口电路，实现硬盘录像机的功能：由于s t i 5 5 1 8 提供了 与硬盘存储器的无缝连接接1 2 1 ，因此可以很容易实现硬盘的连接。 这样把节目流存入硬盘就能实现数字电视节目的录制和播放。并且 由于硬盘不同于磁带的线性存储的特点，它可以进行非线性存取。 凼而硬盘录像机还可以实现时移录像( t i m e s h i f t i n g ) 的功能。 ( 2 )有条件接收模块：有条件接收就是对视频、音频和数据等信息加密、 传输并为合法用户接收、解密的过程。有条件接收主要应用于付费 电视的传输。这就必须在机顶盒上增加有条件接收功能。有条件接 第三章数字电视机顶盒结构 收从硬件上讲主要有两种接口方式，一种是智能卡方式，另一种是 c i ( 公共接口) 方式。s t i 5 5 1 8 本身提供了智能卡接口，这个接口 只需连接到读卡器电路上。对于c i 方式则通过s t v 0 7 0 0 c i 控制芯 片来实现。 图3 1 表叫了本设计中信源解码器硬件平台的基本结构框架： r s 2 3 2 接1 ：3 | _ 视频输出ll 音频输出 可塾 s t 2 3 2 | 视频后处理i | 音频d a c 单片机顶盒解码芯片 s t i5 5 1 8 j t a g 8 馏叻l 前面板接口 m p e g s d r a m 6 4 m b i t s d r a m g 划6 4 m b i t ( 可选) 图3 1 本设计中机顶盒结构框图 3 4 数字电视机顶盒的软件系统6 】 f l a s h 3 2 m b i t 硬盘 数字电视机顶盒具有复杂的软件系统。在一定意义上讲，就是一个复杂计 算机系统，因此操作系统是必不可少的。相对通常意义上的计算机操作系统，数 字电视机顶盒操作系统应具有更高的稳定性和实时性。机顶盒采用的操作系统都 是实时嵌入式操作系统，目前常用的机顶盒操作系统主要有s t l i t e 0 s 2 0 ， v x w o r k s ，p s o s y s t e m ，w i n d o w s c e 等。s t i 5 5 1 8 采用s t l i t e 0 s 2 0 作为数字机 顶盒的操作系统。s t l i t e 0 s 2 0 是一种高效率的实时多任务操作系统，适用于所 有s t 2 0 微处理器。操作系统内核对于芯片内核都进行了重新实现，这样就充分 利用了芯片本身的特性，从而为s t 2 0 开发的嵌入式系统提供了高效的多任务环 境，包括任务管理、内存管理、消息队列服务、信号灯服务、时钟和定刚器管理、 第三章数字电视机顶盒结构 中断实现服务等内容。两大主要软件部件运行于数字电视机顶盒目标硬件之上， 它们分别是s t l i t e 0 s 2 0 操作系统和应用程序代码。此两部分经过链接可生成可 执行软件，将它下载到数字电视机顶盒上，便完成了数字电视机顶盒的软件构造 工作。 s t 公司提供了基于s t i 5 5 x x 系列芯片的s t a p i ( s t a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 软件包。用户可以通过s t a p i 进行应用程序的开发，这样会缩短开发 的周期。同时s t a p i 可以支持s t i 5 5 1 8 的下一代芯片，这样应用程序就可以很方 便地移植到新一代芯片上。s t a p i 还提供了面向中间件的接口，通过这些接口可 以使应用程序方便地与o p e n t v 、l i b e r a t e 、m e d i a l t i g h w a y 等中间件程序结合实 现更加丰富的功能。解码器的整体软件结构如图3 2 所示： 图3 2 软件层次图 从图中可以看到，软件整体上从下至上可以分为四层：s t l i t e o s 2 0 实时操 作系统层、硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 、s t a p i 硬件驱动层、应用程 序层。下面具体描述一下各个层的功能： 一、s t l i t e o s 2 0 实时操作系统层： 在机顶盒一类的实时系统中，由于c p u 要同时对音频解码、视频解码、解 复用等多个方面的事件进行处理，其中既有通信问题，又有同步等问题，使用一 个简单的单线程的处理方式是很困难的。因而在处理实时系统时，多任务多线程 的方式被广泛采用。应用程序可以被分割成多个相对独立的任务，它们共享系统 资源，如c p u 时间、内存和系统设备等。来自外部设备的事件可以通过中断通 知系统。s t l i t e o s 2 0 实时操作系统核能够提供的复杂的多任务服务如下： 多个任务之间的同步和通信可以通过信号灯( s e m a p h o r e ) 和消息队列 来实现； 事件处理以中断的方式进行，并通过信号灯与任务通信； 任务所需内存的分配，既可以通过操作系统来管理，也可以由用户自 己管理： 第三章数字电视机顶盒结构 任务可以被分配不同的优先级，并根据优先级进行调度： 提供时间函数，用于实现时间计算、延迟等操作。 实时操作系统层作为所有上层程序代码运行的基础，可以进行多任务调度、 系统资源管理、中断处理、通信操作和同步处理等。 二、硬件抽象层： 硬件抽象层是与硬件联系最紧密的软件层，它主要完成通过读写各个模块 的专用寄存器实现最底层的控制。硬件抽象层可以面向不同的硬件平台，通过硬 件抽象层可以实现上层软件与不同硬件平台的结合，为上层的应用软件提供更广 的应用范围。硬件抽象层本身包含了多种芯片的底层控制，通过在编程时参数的 设置来选择应用的芯片。因而使用在s t i 5 5 1 8 上的驱动程序可以很容易地移植到 下一代芯片( 例如s t i 5 5 1 4 ) 上，而无需做很大的修改。 三、s t a p i 硬件驱动层： 硬件驱动层主要是针对不同的硬件功能模块，提供相应的驱动程序。它主 要包括以下几个部分： 1 接口模块：包括了s t u a r t 、s t l 2 c 、s t s m a r t c a r d 、s t a t a p i 、 s t c l k r v 等，分别实现r s 2 3 2 串口控制、1 2 c 控制、智能卡驱动、硬盘 驱动、时钟恢复。 2 系统控制模块：包含s t b o o t 、s t p i o 、p t i 、s t a v m e m 分别对系统 启动、p i o 设置、传输流的解复用及系统内存管理进行控制。 3 音频处理模块：s t a u d 实现对不同格式的音频流的解码、后处理等控 制。 4 视频解码模块：s t v i d 实现基本解码的控制。 5 视频后处理模块：s t d e n c 将视频信号编码成n t s c p a l s c e a m 制式 的电视信号。s t v o u t 和s t v t g 实现视频信号的输出和同步信号的产 生。 6 非易失性存储器控制模块：s t f l a s h 、s t e 2 p 实现f l a s h 和e 2 p r o m 的初始化、读写、擦除等功能。 7 硬盘文件系统模块：s t a v f s 实现硬盘上数据