??? 摘? 要: 介紹了以ST20TP4為主控制芯片,控制Sti4600和Sti7000進行音、視頻解碼" title="視頻解碼">視頻解碼的HDTV 信源解碼器" title="信源解碼器">信源解碼器。ST20TP4同時還負(fù)責(zé)對前端或LVDS板輸入的TS流進行解復(fù)用" title="復(fù)用">復(fù)用。重點闡明基于32bit微控制器的HDTV信源解碼器的硬件設(shè)計和軟件編程。 ?

??? 關(guān)鍵詞: HDTV? 信源解碼器? PSI信息

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??? 科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展使廣播電視進入了由彩色電視向高清晰度" title="高清晰度">高清晰度電視HDTV(High-Definition Television)跨越的過渡時代。隨著HDTV在全球的興起以及數(shù)字技術(shù)的日趨成熟,音/視頻產(chǎn)品數(shù)字化、高清晰度化已成為未來家電視聽產(chǎn)品的大趨勢。HDTV采用了國際上流行的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2規(guī)定了數(shù)字圖像的音、視頻編解碼算法以及傳送的碼流應(yīng)該符合的語法和語義,而其編解碼算法又參考了聽覺心理模型和視覺心理模型。HDTV的圖像格式為1920×1080i,傳輸碼率高達20Mbps,同時采用視頻壓縮技術(shù)可使HDTV的每一幀包含更多的信息,大大提高了圖像的清晰度。HDTV在音頻壓縮方面采用了數(shù)字音頻的編碼和壓縮技術(shù)?，F(xiàn)有的數(shù)字音頻編碼壓縮方案有MPEG-2、Dolby AC-3和美國AT&T的MPAC以及歐洲的MIX。它們都能實現(xiàn)5.1聲道,即三個前面的聲道(L、C、右聲道R)、兩個環(huán)繞聲道(左環(huán)繞聲道Ls、右環(huán)繞聲道Rs)和一個低音效果聲道LFE,使聲音效果可以達到家庭影院的音響效果。HDTV聲光效果上的優(yōu)勢,注定它的發(fā)展有著技術(shù)和市場的雙重必然性。為了適應(yīng)當(dāng)前電視市場的過渡時期,需要一種即能接收數(shù)字電視信號,又能解碼輸出用于顯示的中間設(shè)備——機頂盒,充當(dāng)電視臺信號與用戶顯示設(shè)備之間的橋梁。機頂盒是隨著數(shù)字電視廣播的發(fā)展而出現(xiàn)的,同時也必然隨著數(shù)字電視廣播的發(fā)展而不斷發(fā)展。本文論述的信源解碼器則是機頂盒的關(guān)鍵部件。?

1 總體方案?

??? 根據(jù)本課題的任務(wù)和內(nèi)容,選擇了ST公司的數(shù)字高清晰度電視機頂盒系統(tǒng)解決方案,即ST20+Sti7000+Sti4600的三片方案。該方案采用ST20-TP4作為系統(tǒng)的主控制芯片,它負(fù)責(zé)將前端或LVDS板輸入的TS流解復(fù)用,同時負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)音、視頻解碼控制。為了配合ST20TP4的運行,需要配備一定數(shù)量的DRAM來提供運行程序的存儲空間,并存儲TS流、解復(fù)用后的音、視頻PES流數(shù)據(jù)等。TS流經(jīng)ST20TP4解復(fù)用后分兩路輸出:一路是解復(fù)用后的音頻PES流,這路信號將被送入Sti4600進行音頻解碼,解碼后的數(shù)字信號再通過DAC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號輸出;另一路解復(fù)用后的視頻PES流將送入Sti7000進行視頻解碼和格式變換。Sti7000所配的SDRAM用來緩存PES流、解碼幀、顯示幀、參考幀及OSD數(shù)據(jù)。解碼后的圖像以4:4:4的高清晰度格式送入視頻DAC電路進行D/A變換。另外,為了配合實際需求,視頻模擬輸出要求兼容VGA(R,G,B,Hs,Vs)和Y,Pr,Pb兩種接口。其中,Y,Pr,Pb信號要帶有三電平或兩電平同步信號。?

2 硬件設(shè)計?

??? 硬件電路設(shè)計以ST20TP4為核心展開,依據(jù)主控制芯片的總線結(jié)構(gòu)規(guī)劃視頻接口、音頻接口以及各類存儲器。ST20TP4有一個32位帶符號的2的補碼地址空間。按32位地址尋址,總的地址空間大小為4G字節(jié)。(所謂“帶符號的2的補碼地址空間”是指該空間地址排列是由底部MixInt#80000000向下增長至#FFFFFFFF,接著是#00000000然后增長到MaxInt#7FFFFFFF)。整個尋址空間分為四個區(qū)(每區(qū)1G字節(jié)),由地址A31、A30決定。?

??? 需要注意:3區(qū)(A31A30=01 #40000000～#7FFFFFFF)為外部存儲器空間。外部存儲器接口(EMI)把它又分為4組,不同的外部存儲器和外部設(shè)備可以映射到其中。這4組中組0、組1和組3是通用存儲器組,每一個都可以通過有關(guān)寄存器的設(shè)置來選擇時序;組0和組1可以選擇DRAM型或SRAM型器件,組3僅支持SRAM型器件。EMI組2(#60000000～#6FFFFFFF)指定與MPEG音視頻解碼芯片接口。它提供4個選通信號:兩個MPEG解碼器IC的片選notCS0-1;兩個解碼器壓縮數(shù)據(jù)選通信號notCDSTRB0-1。其中notCS0-1用來請求一個MPEG解碼器寄存器存取周期,而notCDSTRB0-1用來請求壓縮數(shù)據(jù)寫周期。這4個選通信號有效與否取決于組2的地址范圍,也就是說可以依靠地址來區(qū)分不同的MPEG解碼器及同一MPEG解碼器的寄存器和壓縮數(shù)據(jù)接收FIFO。此外,為了與各種速度的MPEG解碼器件接口,當(dāng)選擇不同地址時,notCS0-1可以有不同的時序(可分別插入1～4個等待狀態(tài))。?

3 軟件編程?

??? 在機頂盒這種實時系統(tǒng)中,由于CPU要同時對解復(fù)用、視頻解碼、音頻解碼等多個方面的事件進行處理,其中既有通信問題,又有同步等問題。因而有必要采取多任務(wù)多進程實時操作系統(tǒng)的方式。應(yīng)用程序可以被分割成多個相對獨立的任務(wù)共享系統(tǒng)資源。本課題軟件開發(fā)中使用的實時操作系統(tǒng)是ST公司的STLite/OS20。該操作系統(tǒng)已提供的內(nèi)容包括:較完整的實時操作系統(tǒng)軟件、部分硬件驅(qū)動和部分testtool命令。能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括:各種接口功能,如I2C、UART等;MPEG和AC-3音頻解碼、MPEG視頻解碼和顯示、基本流解復(fù)用、section濾波、OSD測試功能、時鐘恢復(fù)和SD輸出等。具體如圖1所示。?

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??? 需要開發(fā)的部分主要有:新增加和變動的硬件模塊的驅(qū)動、前端或LVDS輸入的控制、節(jié)目操作和管理模塊軟件的開發(fā)。節(jié)目操作的軟件開發(fā)中,節(jié)目信息的獲取、分析、保存和更新及節(jié)目數(shù)據(jù)庫的操作是非常關(guān)鍵的部分,這是因為:一方面,它與前端或LVDS輸入模塊、解復(fù)用模塊、音、視頻解碼模塊等硬件驅(qū)動層都有很大的聯(lián)系;另一方面,要實現(xiàn)機頂盒的音、視頻解碼功能,就必須從碼流中找到所有基本流的PID,需要對節(jié)目特定信息(PSI)進行提取和分析。?

??? PSI(Program Specific Information)節(jié)目特殊信息包含了解碼器端解復(fù)用所需要的數(shù)據(jù)。在MPEG-2系統(tǒng)層標(biāo)準(zhǔn)中,每路數(shù)字節(jié)目都包含一個或多個基本流,每個基本流都分配了一個PID值作為標(biāo)記。節(jié)目、基本流或其中的部分內(nèi)容可能會被加密,但是PSI信息作為解碼的前提是不會被加密的。?

??? 傳輸流中的PSI信息可以分成四種表的結(jié)構(gòu),每種表又可以分成多個section。這四種表分別為:節(jié)目組合表PAT(Program Association Table)、節(jié)目映射表PMT(Program Map Table)、有條件接收表CAT(Conditional Access Table)和網(wǎng)絡(luò)信息表NIT(Network Information Table)。PAT包含了所有的節(jié)目號及其相關(guān)PMT的PID值;PMT給出PAT表中列出的所有節(jié)目的基本流PID信息;CAT的任務(wù)在于準(zhǔn)備解密數(shù)據(jù)組用的信息(加密系統(tǒng)的標(biāo)識、存取權(quán)的分配及各碼序的發(fā)送);NIT可以傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和頻帶、轉(zhuǎn)發(fā)信號、通帶寬度等參數(shù),MPEG對此表的內(nèi)容沒有做詳細(xì)規(guī)定。每個TS流中都應(yīng)該有PAT表,因為所有PMT和NIT表的PID值都在PAT表中給出,PAT的PID固定為0x0000,當(dāng)PAT表內(nèi)容更新時,表中的版本號version_number會增1。當(dāng)TS流中有一個或多個基本流被加擾,則需要在TS流里傳送一個PID值固定為 0x0001的CAT,提供有關(guān)加擾了的流的信息。PMT也是TS流中所必需的表,它包含了各個節(jié)目的基本流PID信息,這是解復(fù)用必不可少的,PMT的PID在PAT中給出。NIT表在TS流里不是必需的,它的內(nèi)容屬于私有數(shù)據(jù)表(private),如果TS流里存在NIT表,則它的PID值由PAT的內(nèi)容提供,且TS流中應(yīng)包含若干個private section。ISO/IEC 13818-1 MPEG-2系統(tǒng)層標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于PSI信息定義了四個section結(jié)構(gòu),分別代表四個表的信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)" title="數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)">數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這四個 section 結(jié)構(gòu)分別為:Program Association Section、Conditional Access Section、Transport Stream Program Map Section和Private Section。對各表信息的分析實際是對這些section結(jié)構(gòu)的內(nèi)容進行分析。?

??? 對符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的傳輸流進行音、視頻解碼前必須先經(jīng)過解復(fù)用分出音、視頻基本流。為了可以解復(fù)用分出音、視頻基本流,首先要分析PSI表的各 Section并從中提取基本流PID信息。尋找基本流PID主要對PAT和PMT兩個表進行處理。這兩個表與基本流PID的關(guān)系可以用圖2表示。?

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??? 解復(fù)用的過程是這樣的:首先,得到完整的PAT表,根據(jù)PAT的Section結(jié)構(gòu)找到所有的節(jié)目號和各節(jié)目號所對應(yīng)的PMT PID;然后,分別對PAT中列出的每一個節(jié)目進行如下操作:根據(jù)該節(jié)目的PMT PID得到PMT表中對應(yīng)節(jié)目號的Section,按照PMT Section的結(jié)構(gòu)進行分析,進而找到所有該節(jié)目的基本流PID值加以保存。?

??? 下面以加入新頻道為例,簡要介紹分析PAT和PMT得到解復(fù)用所需的各基本流PID信息的過程。首先,系統(tǒng)會發(fā)來一個消息,要求分析最新版本的PAT,調(diào)用相應(yīng)函數(shù)(PSI_ProcessForPAT)得到PAT后,調(diào)用PAT分析函數(shù)(如圖3)得到各節(jié)目對應(yīng)的PMT表的信息,并將信息存入指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中;然后此任務(wù)向系統(tǒng)發(fā)一個消息,通知系統(tǒng)PAT分析完畢;接著,按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中各PMT的PID,系統(tǒng)會依次向本任務(wù)發(fā)送要求分析各PMT表的消息。本任務(wù)在調(diào)用相應(yīng)函數(shù)(PSI_ProcessForPMT)得到所需PMT表后調(diào)用分析PMT表的函數(shù) (如圖3)進行分析,得到各個基本流信息的PID,并將信息存入指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存,發(fā)送消息通知系統(tǒng)PMT分析完畢;最后,如果需要,系統(tǒng)會發(fā)消息要求分析其他PSI信息,分析過程類似。?

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??? 得到各基本流信息的PID后,要選擇此頻道的哪一個節(jié)目,只要調(diào)用驅(qū)動程序提供的pti_set_pid(pid)和pti_set_pcr_pid(pcr_pid)分別設(shè)置節(jié)目相對應(yīng)的音視頻PID和PCR_PID就可以驅(qū)動硬件解碼了。?

參考文獻?

1 ST20-TP4 Programmable Transport for?High Defination Applications. preliminary data,SGS-THOMSON,August 1998?

2 ST20 Embedded Toolset R1.6.2 User?Manual.SGS-THOMSON,August 1998?

3 STLite/OS20 Real-Time Kernel Reference Manual. SGS-THOMSON, July?1998?

4 丁藝芳,張文俊.數(shù)字化進程中的機頂盒.電視技術(shù),1999;(5)?

5 譚浩強.C程序設(shè)計.北京:清華大學(xué)出版社,1991