有线数字电视讲座第四讲-有线数字电视机顶盒-2.pdf

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1、中国有线电视 2004（21）CHINA CABLE TELEVISION实用连载有线数字电视讲座第四讲 有线数字电视的机顶盒（2）冯传岗，宋 茜（泰州市广播电视局，江苏 泰州 225321）中图分类号：TN949.197 文献标识码：E 文章编号：1007-7022（2004）21-0085-05（上接第 19/20 期）4 视频解码视频解码单元从输入基本分组数据流中恢复模拟视频信号，其中包括拆分数据包、解压缩、与有关业务同步、数模转换等处理过程。输出模拟信号至外部基带视频输出端口，以及输出到 RF 射频调制器（可选的）。（1）视频模块的主要功能视频压缩数据流的获取有两个来源：一个是从 TS

2、流里解复用出来的视频部分数据流；一个是从一段固定存储区里获得的一段视频流，如图 10 所示。图 10 视频解码示意图每个接收设备可能有多路视频流输入和输出，视频的输出均显示于视频层。视频解码模块能够接收的输入流格式a.MPEG-2 视频 PES 和 ES（Elementary Stream 基本流）；b.MEPG-1 视频流。主要实现功能a.选择不同的视频输入；b.视频解码控制；c.静止画面；d.画面的剪切、缩小与放大；e.画面位置调整；f.混合度调整；g.输出格式控制；h.同步效应。（2）视频解码过程视频解码器的原理如图 11 所示。来自码流解复用器的视频数据经过视频先进先出存储器的缓冲，进

3、入视频解码存储器。按照视频编码的逆过程，解码需要进行 Huffman 解码、反量化、IDCT（反余弦变换），得到原始帧图像 I 帧。然后根据 I 帧预测得到 P 帧，这中间需要运动矢量的结合；按照 I 帧、P 帧以及其他数据，获得双向帧 B 帧等等；经过对 GOP（图像组）显示顺序的重新排列，可以在存储器中获得原始图像的帧序列，送到显示区域。图像解码器的所有工作过程由内置的 RISC 处理器控制完成。图 11 视频解码器原理图视频解码器需要有芯片外部的存储器来保持压缩的视频数据和解压缩后的图像。解码过程中，视频解码器在支持 NTSC（720 480）或 PAL（720 576）4:2:0格式时

4、，最少需要有 2 MB 存储器。通常解码器58需要 4 MB 存储容量，以支持视频解码的基本功能，包括输入视频数据速率缓冲、帧图像缓存、用户数据缓存、VBI（Vertical Blanking Interval：场逆程图文广播）数据和 OSD（On Screen Display：在屏显示）数据缓存等。视频解码过程对存储器的要求见表 1。表 1 视频解码存储器需求表功能NTSCPAL-xMBPAL-2MB用户/参量数据512512512帧缓存1 601 2801 785 6001 633 024OSD 缓存65 53565 53565 535VBI 缓存000压缩视频缓存355 000380 0

5、00380 000总容量2 022 3282 231 6482 079 072图 13 节目基本流 PES 结构 视频解码模块必须保持视频解码与参考系统时钟同步。当视频流来源于解复用模块时，由于 MPEG-2 音视频流均分开为两个独立的基本节目流，且视频流中不同帧的顺序也需要重新排列，所以视频解码模块必须从包中提取 PTS 信息，使视频的播放与参考 STC（System Time Clock：系统时钟）同步，而 STC 又与从 TS 流中提取的 PCR 信息保持一致。系统通过对 PCR的控制来保证音视频播放的同步。编码器和解码器的时序模型如图 12所示，其中所有的数字化图像和音频采样进入编码器

6、，经一恒定的端到端延迟后，在解码器的输出端分别显示。视频和音频数据来样率在编码器和解码器中严格相等。图 12 编解码时序模型在图 12 的时序模型中，从编码器的输入到解码器的输出之间的延时将根据具体设备的缓冲区设置和设备能力而变化，因此表示音频和视频信息的编码数据在相应数据流中的相对位置不能表示同步信息。另外，编码器中音频和视频采样率差别很大，它们之间是否有严格的固定关系，还取决于数据流是节目流还是多路复用的传输流。编码器中有共同的系统时钟，此时钟可用来产生一种时间标记，便于指示音频和视频正确显示和保证解码时序的同步，同时也可以用来指示音视频采样时间和系统时钟的对应关系。在 MPEG-2 标准

7、中，指示音频和视频输出时间的时间标签称为展现时间标签（PTS）；指示解码时间的称为解码时间标签（DTS）；指示系统时钟值的称为系统参考时钟（PCR）。正是由于解码器采用两者共同的系统时钟，在解码器中按照系统参考时钟产生解码时间标签，才能保证编码和解码之间、视频和音频之间构成精确的同步。图 13 表示 MPEG-2 定义中的节目基本流 PES的形成元素，PES 是将节目基本流 ES 封号成数据包的形式，在有效数据（PES Packet Bytes）之前规定了 PES包识别符（Stream id），指示 PEG 包长度（PEG PacketLength），以及满足固定包长要求的填充字节（Steff

8、ingBytes）等。在可选的 PES 包头中，指定有关该 PES 的某些必要附加信息，而在可选域（Optional Fields）中，可以找到时间标签 PTS 或 DTS 信息。PTS 通过 33 位二进制数组成的字段表示在该包有效载荷数据中第一个单元在解码器中的预定展现时间。PTS 数值在系统时钟为 27MHz 时，采用 90 kHz 的频率周期为计数的最小时间单位，由式（5）规定：PTS（k）=system-clock-fer-qucncytpn（k）DIV300%233（5）其中 tpn（k）是展现单元 pn（k）的展现时间。与式（2）比较可见，在同一时刻，PTS 和 PCR-base

9、 具有相同的数值。（3）解码器中系统时钟的恢复在 MPEG-2 标准中，除了 PTS 和 DTS 字段外还有参考时钟标签。这些参考时钟标签为系统时钟的采样值，可用于编码器和解码器，在解码器中用来实现系统时钟恢复的控制，从而保证对所有解码器有足够的68冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（2）中国有线电视 2004 年第21 期精确度。在 MPEG-2 节目流中，参考时钟称为系统时钟参考（SCR），在传输流 TS 中，则以节目时钟参考 PCR出现，可以认为它们是同一种含义。如果解码器的时钟频率和编码器的时钟频率严格匹配，那么视频和音频的解码和展现将自动和编码器保持相同的速率，而端到端的延迟将为

10、常数。当编码器和解码器时钟匹配时，任何正确的 PCR 值可用来标定解码器系统时钟 STC，而且此后不需要进行更多的调整，解码器系统时钟将和编码器相同。但实际情况中，编码器自主系统时钟频率不与编码器的系统时钟完全匹配，解码器的系统时钟 STC 可以利用接收到的 PCR 值而跟踪编码器时钟，跟踪的实现可按图 14 所示来进行。图 14 使用锁相环的系统时钟恢复图 14 表示一种经典的锁相环电路，本讲图 6 也是根据这一原理实现的。当要求一个新的时间基点时，比如接收机切换频道，开始一个新的节目播放，解码器系统时钟 STC 被设置为接收到的 PCR 值，装入 STC 计数器，然后进行锁相环操作。锁相环

11、工作过程为，当每一个 PCR 到达解码器时，此值和 STC 的当前值比较，产生一个以 27 MHz 频率周期为最小单位表示的误差数 e，表示环路误差。e值序列送入低通滤波器并放大，输出为控制信号 f，来调整压控振荡器的瞬时频率，压控振荡器 VCO 输出27 MHz 左右的振荡信号，作为解码器的系统时钟频率。27 MHz 时钟送到计数器中产生当前的系统时钟STC，如图 8 中所示的结构，一部分是 27 MHz 时钟构成的精确部分（占低 9 位比特）；另一部分是该频率的1/300，即 90 kHz 的较粗略部分（占高 33 位比特），这部分将跟踪节目的展现时间标签 PTS 的变化。如果解码器收到的

12、 PCR 值和时序代表了编码器中恒定频率 STC 的瞬时正确采样，则误差项 e 在环路达到锁定状态后将变为一基本恒定值，同时 VCO 的频率瞬时值变化基本为零。在环路被锁定的过程中，VCO 频率的变化率，也就是频率抖动率能由低通滤波器和增益的设计而严格控制。通常 VCO 变化率按照解码器缓冲区的大小和延迟的限制而设计，以满足应用要求。（4）PCR 抖动如果传输网络或传输流经过多路复用，使数据从编码器或者存储系统到解码器的传送延迟发生了变化，这种变化可能引起 PCR 值和它被实际接收时的应有值之间产生差值，这就是所谓 PCR 抖动。解码器输入的时间抖动通过 PCR 值和它被收到的时间联合反映，假

13、设时间抖动由误差项 e 表示，非零的 e 导致 27 MHz 系统时钟发生变化。根据特殊的应用要求，恢复时钟的频率变化在解码器系统中可能接受，也可能不接受。例如在产生复合视频输出的精确时序解码器中，所恢复的时钟频率通常要产生复合视频采样时钟和彩色副载波；彩色副载波频率稳定性要求只能允许系统时钟频率有缓慢的调整。在这种情况下，PCR 的抖动量过大被认为是不能接受的，而且此情况不能通过加大数据缓冲区大小的办法来克服。传输流 TS 的多路复用或者再次复用改变了数据包的次序和相对时域位置，因此也改变了 PCR 的性质。PCR 时域位置的改变使原来正确的 PCR 值变为错误，因为通常它们的值不反映其本身

14、在一恒定延迟网络中被发送的时间。同样，具有正确 PCR 值的节目流或传输流的发送网络在数据流上增加了一可变延迟，却没有校正 PCR 值，这种效果又是一种 PCR 抖动，随时会影响解码器操作。（5）视频分量的重构解码器输出产生视频分量，时间精确度和稳定性的要求通常比复合视频的要求低。通常，频率容许值即为显示偏转电路系统所能够接受的值，而稳定容忍值由避免显示中可察觉图章错位的需要决定。具体操作过程如下。在同步起始点，如切换频道或发生错误执行恢复时，视频解码器从视频数据包 PES 中提取展现时间标签 PTS，与系统时钟 STC 进行比较，决定是否需要重新同步。当视频 PTS 与 STC 的比较结果不

15、超过允许范围时，解码器按正常操作输出图像；若超过允许范围，则解码器的图像输出根据误差的极性，或者重复当前图像，或者丢弃下一小 B 帧图像。当下一个图像不是 B帧图像时，丢弃 P 帧图像，而在没有 P 帧图像可丢弃的情况下，丢弃 I 帧图像。5 音频解码音频解码模块是用来控制音频解码，并输出到不同的声道中，其输出有两种：模拟输出和数字输出。模拟输出包括 5.1 声道输出（通过 6 个 RCA 接到音响喇78中国有线电视 2004 年第21 期 冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（2）叭上）和 2 声道立体声输出；数字输出采用 S/PDIF 格式输出编码的音频数据流或原始的音频数据流。（1）音

16、频解码器结构音频压缩数据流的获取有两个来源：一是从 TS 流里解复用出来的音频部分数据流；一是从一段固定存储区里保存的一段音频流，如图 15 所示。图 15 音频解码示意图PES 解析单元接收输入音频数据，其来源有两个，一个是来自解复用器的音频 PES 流，另一个是存放在存储器中的音频片段（Audio Clip）。PES 解析单元执行音频分组基本流 PES 或音频基本流 ES 数据包解析，并将数据送到外部音频缓存器。音频缓存区包含ES、PES 或 PCM（Pulse Coding Modulation：脉冲编码调制）数据，根据对不同声道解码器的要求，通常设置为4 64 kB 容量。循环冗余校验

17、码 CRC 单元在音频 DSP（数字音频处理器）控制下，检查输入 MPEG 比特流中的错误，决定是否对输入数据解码或者丢弃。主机接口是系统主控制 CPU（中央处理单元）下载音频解码器微码的通道。音频 DSP 作为内部专用DSP，执行音频解码和播放控制。DSP 功能灵活，通过主机接口下载的不同的音频解码器微码，来实现不同解码器的功能，如 MPEG 音频、AC-3（杜比 声频编码 3）或 AAC（先进音频编码）等不同解码算法。音频 DSP 将压缩的 MPEG 音频比特流转换成解压缩后的音频 PCM 数据，由 PCM 输出控制器送出。PCM 音频输出控制器提供 I2S 类型的输出接口给音频 D/A

18、转换器，输出模拟音频信号。同时也提供S/PDIF 格式（IEC 61937）的串行 PCM 数据，可提供与外部数字音响设备的接口。音频输出数据的两个缓存 Bank 用来包含解码后的音频 PCM 数据，它们作为交替切换的存储区域，分别对应音频 DSP 和 PCM 输出控制器。在解码过程中，一个接收解码后的数据，一个向 PCM 输出控制器发送数据，完成一个 Bank 的数据传递后，互相交换角色，以保持数据输出的连续性，如图 16 所示。音频解码器必须保持音频解码与系统参考时钟同步。当音频流来源于解复用模块时，音频解码器从包中提取 PTS 信息，使音频流的播放与参考系统时钟图 16 音频输出控制（S

19、TC）同步，而 STC 又与从 TS 流中提取的 PCR 信息保持一致。系统通过对 PTS 的跟踪，以保证音视频流播放的同步。（2）音频解码器要求音频解码器能够接收的输入流编码格式（不要求音频解码器全部支持下列格式）MPEG-2 Audio layer 1/2MEPG-1 Audio layer 1/2/3AC-3 audioDTS audioWAVE PCM对于可支持的音频编码格式，音频解码器应能实现自动识别。音频解码器的主要实现功能选择不同的音频输入（内存或 TS 流）；音频解码及播放控制；选择输出声道；产生 Beep；同步效应。6 图形处理器图形处理器单元产生图形及文字为用户提供图形操作

20、和显示界面并与活动视频或静止图片混合，产生模拟视频信号输出。STB 通常具有多层显示平面，如图 17 所示。背景层提供单一彩色显示平面；视频层用于活动图像的视频显示；静止图像层用来显示如 JPEG（联合图片专家组）、GIF、PNG（轻便型网络图形）等格式的图片；图形层用于产生文字和图形等用户界面；光标层作为用户操作的光标显示。图 17 图形显示的各种平面每个显示平面在存储器中对应一个独立的存储区域，STB 控制程序分别操作这些区域，相应地产生不同88冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（2）中国有线电视 2004 年第21 期的显示结果。事实上，对显示层面的划分是为了程序编写的方便，分层的结

21、果使显示控制和操作相互独立。各显示平面的图形最终产生图像的混合，对每个显示层的叠加和覆盖约定如下：属于上层平面的图像可以覆盖下层图像；每个显示平面都可以根据要求而具有显示/隐藏功能（背景层除外）。实际上，静止图像层和图形层地位是相同的，两者可以交换使用；不同点在于图像的覆盖特征。静止图像层和图形层是应用程序直接管理的显示平面，采用点阵控制方式显示，下面介绍图形层的要求。图形层可显示的最小图形面积为 4 点宽 2 点高，由于对应于电视的隔行扫描特征，该显示面积在一帧图像中实际为 4 4 点阵。图形层的最大显示面积应不小于720 点 288 行（对应于 PAL 格式，每帧图像显示面积为 720 5

22、76），或者不小于 720 点 240 行（对应 NTSC 格式，每帧图像显示面积为 720 480）。图形层主要用于应用程序可产生的在屏显示OSD（On Screen Display）图像，对不同的颜色显示分辨率要求提供两种显示模式：指定分辨率模式和直接彩色模式。指定分辨率模式提供 2 b、4 b 和 8 b，对应 4色、16 色和 256 色。直接彩色模式提供 16 b，即 64 k颜色。两种显示模式的图形数据存储方式不同，分别叙述如下：（1）指定分辨率模式指定 分 辨 率 模 式 下，一 个 显 示 区 域（DisplayRegion）数据由显示区数据头（Head）和点阵数据区构成，数据

23、头由指定区域坐标、区域范围、下一个区域地址、颜色分辨率和彩色查找表（Color Look-up Table）等要素组成，数据头后面是不同分辨率点阵数据的存储区。下一个区域地址指出下一个显示区域数据头的存储位置，采用这种方法使应用程序能根据不同用户界面设计要求而灵活改变下一个需要显示的图形区域，方便显示区域的转变。由于每个显示区域有独立的彩色查找表，因而每帧图像的分辨率实际要高于设定的显示分辨率。（2）直接彩色模式直接彩色模式的储存区见图 18。其中，Y 表示像素亮度值，U、V 分别表示像素色差值（即 Cr，Cb）。对4:2:2 格式，色差像素的行数与亮度像素相同，在水平方向，每两个亮度像素对应

24、一个色差采样点，这样，水平方向的亮度像素总数和两个色差像素总数相同。而对于 4:2:0 格式，每两行亮度像素，对应一行色差像素，水平方向则与 4:2:2 相同。为了产生较好的图像混合效果及方便编程，图形层与视频层具有以下模式。混合（Blending）模式图 18 直接彩色模式的数据存储区提供 64 个不同等级的图形层亮度显示方式，使图形层在与视频层混合时，图形层亮度可变。阴影（Shading）模式与混合模式效果类似，但此模式提供 64 个不同等级的视频显示亮度变化。区域填充（Tiling）模式将图形层的一个显示区域逐个复制，填充整个屏幕，提供一种镶嵌背景的效果，如图 19 所示。图 19 图形填充效果图形处理单元最后将五个显示层的图像数据叠加在一起，产生数字的分量视频信号，送往 NTSC/PAL 的DENC（数字视频编码器）。（未完待续）收稿日期：2003-11-1998中国有线电视 2004 年第21 期 冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（2）