高清數(shù)字電視機(jī)頂盒關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

沈振龍

【摘要】高清數(shù)字電視是21世紀(jì)最有前途的新興產(chǎn)業(yè)。我國(guó)政府也在積極推廣模擬到數(shù)字高清電視的過(guò)渡，社會(huì)財(cái)產(chǎn)達(dá)到4億單位。具有模擬電視和高清數(shù)字機(jī)頂盒的高清數(shù)字電視是中國(guó)從模擬電視到高清數(shù)字電視的過(guò)渡模式。雖然中國(guó)的高清數(shù)字電視機(jī)頂盒已經(jīng)發(fā)展了10多年，但對(duì)高清數(shù)字電視機(jī)頂盒的研究仍然具有當(dāng)今高清數(shù)字電視集成設(shè)備的實(shí)際意義。在此同時(shí)，4k高清數(shù)字電視機(jī)頂盒的發(fā)展可以加速多媒體處理器的發(fā)展。在此背景下，將詳細(xì)研究數(shù)字高清電視機(jī)頂盒的技術(shù)以及硬件和軟件設(shè)計(jì)。本白皮書介紹了4K芯片組數(shù)字高清電視機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)是數(shù)字高清電視機(jī)頂盒的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】高清4k;機(jī)頂盒

一、緒論

（一）超高清數(shù)字電視

（1）HDTV就是High Definition Television 的簡(jiǎn)稱，中文意思是"高清晰度電視"，源于DTV（Digital Television）"數(shù)字電視"技術(shù)，采用數(shù)字信號(hào)，擁有最佳的視頻、音頻效果。

（2）HDTV有三種顯示格式，分別是：720P（1280×720，非交錯(cuò)式，場(chǎng)頻為24、30或60），1080 i（1920×1080，交錯(cuò)式，場(chǎng)頻60），1080P（1920×1080，非交錯(cuò)式，場(chǎng)頻為24或30）。

（二）國(guó)內(nèi)、外高清數(shù)字電視的發(fā)展?fàn)顩r

（1）國(guó)內(nèi)高清數(shù)字電視的發(fā)展?fàn)顩r近些年來(lái)，中國(guó)高清數(shù)字電視市場(chǎng)發(fā)展迅速，全國(guó)廣電有線電視產(chǎn)業(yè)正在積極推動(dòng)廣超高清數(shù)字電視的普及和應(yīng)用。與此同時(shí)，全球互聯(lián)網(wǎng)電視市場(chǎng)發(fā)展迅速：美國(guó)寬帶互動(dòng)視頻服務(wù)市場(chǎng)幾年前進(jìn)入商業(yè)化階段并不斷發(fā)展。 并支持寬帶業(yè)務(wù)銷售額的20%。香港的電訊盈科寬帶用戶占香港所有用戶的三分之一，其中60%使用寬帶，相當(dāng)于每月30，000名用戶。

（2）國(guó)外高清數(shù)字電視發(fā)展?fàn)顩r

根據(jù)該計(jì)劃，到2007年底，高清數(shù)字電視和衛(wèi)星電視的最后一個(gè)模擬電視臺(tái)將覆蓋挪威人口100%。西班牙，荷蘭和瑞典等西歐國(guó)家也在推出高清數(shù)字電視服務(wù)。在美國(guó)，作為一個(gè)已經(jīng)開發(fā)出世界上高清數(shù)字電視的國(guó)家，不僅開發(fā)了高清數(shù)字藝術(shù)電視的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而且還實(shí)現(xiàn)了商業(yè)廣播。2004年，美國(guó)的有線電視家庭數(shù)量達(dá)到1.2億，電視接收高分辨率數(shù)字電視信號(hào)的家庭用戶數(shù)量達(dá)到99.5%。韓國(guó)的高清數(shù)字電視產(chǎn)品也使用了美國(guó)的ATSC標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)于2005年在全國(guó)發(fā)布，在此同時(shí)，韓國(guó)的政府在2009年前終止其模擬信號(hào)的傳輸和推廣，截止目前韓國(guó)數(shù)字電視的高清分布將達(dá)到95%。

（三）超高清數(shù)字電視機(jī)頂盒

（1）高清數(shù)字電視機(jī)頂盒的作用

高清電視是一種全球趨勢(shì)。 用于數(shù)字高清電視的機(jī)頂盒是用于數(shù)字高清電視的過(guò)渡產(chǎn)品。 這是運(yùn)用基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源以及寬帶特性的高清數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的終端。由于它一般被用戶放置在電視機(jī)上，因此通常被大家稱為機(jī)頂盒（STB）。HD HDTV機(jī)頂盒的主要功能是將接收到的數(shù)字電視信號(hào)轉(zhuǎn)換為高清模擬電視信號(hào)，以便用戶無(wú)需模擬電視即可接收高清數(shù)字電視節(jié)目改變。 這確保了現(xiàn)有的模擬電視可以接收高清數(shù)字電視節(jié)目。

（2）高清數(shù)字電視機(jī)頂盒的發(fā)展現(xiàn)狀

2003年，中國(guó)有大約120萬(wàn)個(gè)后投影和大約8萬(wàn)臺(tái)平板電視。 這些彩色電視的一般定義超過(guò)1000行。 大多數(shù)高端的電子管數(shù)字電視的分辨率也超過(guò)了1，000線。 這部分電視機(jī)本身是沒(méi)有數(shù)字。 信號(hào)的接收及交互式的應(yīng)用功能。 此外，這部分的用戶是精通時(shí)尚的高端用戶，為開發(fā)高分辨率，高清數(shù)字電視機(jī)頂盒提供商機(jī)。 機(jī)頂盒巨大的潛在市場(chǎng)引起了芯片制造商，CA制造商，中間件廠商，機(jī)頂盒制造商和投資者的熱情，而STB的競(jìng)爭(zhēng)也得到了充分發(fā)展。

二、高清4K數(shù)字電視機(jī)頂盒的基本工作原理和核心技術(shù)

（一）超高清數(shù)字電視機(jī)頂盒的工作基本原理。調(diào)諧模塊接收rf信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)镮F信號(hào)。

（二）4K超高清機(jī)頂盒技術(shù)介紹

4K，新一代好萊塢熱門歌曲的標(biāo)準(zhǔn)定義。 與您在家中看到的所謂HDTV（1080P，1920 x 1080分辨率）不同，它的分辨率為4096 x 2160，盡管它與傳統(tǒng)數(shù)字電影的2K分辨率（2048 x 1080分辨率）不同。 傳統(tǒng)的高清電視是一個(gè)207萬(wàn)像素的圖片，傳統(tǒng)的數(shù)字電影是一個(gè)221萬(wàn)像素的圖片，而4K電影是一個(gè)880萬(wàn)像素的高清圖片。

三、高清數(shù)字電視機(jī)頂盒的總體方案設(shè)計(jì)

（一）超高清數(shù)字電視機(jī)頂盒的方案設(shè)計(jì)

超高清數(shù)字電視機(jī)頂盒設(shè)計(jì)解決方案包括兩個(gè)基本組成部分：前端信號(hào)接收和后端信號(hào)處理。前端信號(hào)接收包括調(diào)諧器和信號(hào)解碼器。后端信號(hào)處理通常是單芯片源解碼器，其集成了MPEG-2解碼器和CPU。

目前，機(jī)頂盒芯片供應(yīng)商銷售低端到高端產(chǎn)品的源解碼器，但主要在中國(guó)市場(chǎng)銷售低成本芯片。典型產(chǎn)品有ST的STi5518B，LSI的AVIA-9700，富士通的SmartMPEG和海爾。愛(ài)國(guó)者Hi2016芯片。在這種低成本解碼器中，集成處理器時(shí)鐘通常具有小于150MHz的時(shí)鐘頻率并且沒(méi)有硬盤或USB接口。 LSI AViA-9700支持視頻解碼區(qū)域無(wú)限制的圖像疊加，允許制造商通過(guò)軟件控制圖像回放。它還提供PIG（畫中畫）功能。 AVIA-9700的一個(gè)特殊功能是2D圖形加速器，可以更好地再現(xiàn)動(dòng)畫。 ST的STi5518B具有成本效益，主要用于實(shí)現(xiàn)基本功能，如接收高清數(shù)字電視信號(hào)和接收庫(kù)存信息。

（二）機(jī)頂盒硬件模塊芯片的選擇

基于前面對(duì)超高清機(jī)頂盒的基本工作原理和結(jié)構(gòu)的分析以及整個(gè)模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框架，高清機(jī)頂盒設(shè)計(jì)一般可分為以下幾個(gè)內(nèi)容：信號(hào)解碼器模塊主要它包括信號(hào)接收，頻率轉(zhuǎn)換，解調(diào)，調(diào)諧和QAM解調(diào)。

（1）主控制模塊完成整個(gè)機(jī)頂盒的傳輸流解復(fù)用，MPEG-2解碼，視頻和音頻編碼以及它的通訊控制。

（2）一種存儲(chǔ)器模塊，用于儲(chǔ)存機(jī)頂盒的系統(tǒng)軟件，驅(qū)動(dòng)軟件，應(yīng)用程序，用戶信息和數(shù)據(jù)信息。

（3）解調(diào)系統(tǒng)：采用Intel公司的CE6210芯片，配合數(shù)字高頻頭的調(diào)諧。CE6210高度集成了實(shí)現(xiàn)解調(diào)所需要的各種功能，包括信道解碼、FEC和R-S解碼等功能，與Hi2016的芯片完全的兼容，提供標(biāo)準(zhǔn)的串行或并行數(shù)據(jù)流輸出。

四、超高清數(shù)字機(jī)頂盒的具體設(shè)計(jì)

（一）QAM信號(hào)解碼的具體設(shè)計(jì)方案

（1）解調(diào)數(shù)據(jù)流和頻率的關(guān)系。本文設(shè)計(jì)的高清機(jī)頂盒采用的是CE6210QAM解碼芯片和DCT7042調(diào)諧器。

源編碼器以MPEG-2的格式壓縮圖像和聲音，這顯著減少了數(shù)據(jù)量并且減少了所需的帶寬。冗余碼就是奇偶校驗(yàn)碼，允許前向糾錯(cuò)解碼器消除由于信號(hào)錯(cuò)誤而引起的傳輸錯(cuò)誤，由于傳輸信道中的大多數(shù)錯(cuò)誤都是由外部環(huán)境突然變化引起的，因此很多錯(cuò)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。由于冗余代碼可以糾正的錯(cuò)誤位非常的局限，所以必須重新排列原始代碼流的順序。插補(bǔ)器會(huì)自動(dòng)執(zhí)行此操作以避免傳輸過(guò)程中的突然錯(cuò)誤。內(nèi)插器將突發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換為一系列字節(jié)。該字節(jié)可以通過(guò)R-S前向糾錯(cuò)編碼來(lái)糾正。最后，QAM調(diào)制器模塊生成控制帶寬的波形信號(hào)，這可以在及其有限的帶寬線上無(wú)失真地的來(lái)傳輸，解調(diào)器與用于FEC解碼的集成信號(hào)解碼解決方案。通過(guò)有線信道發(fā)送的信號(hào)在編碼后被頻移。頻移期間頻率變化之間的關(guān)系。

8MHz@50～750MHz 8MHz@5～7.5MHz

QAM解調(diào)系統(tǒng)中頻率變化關(guān)系

數(shù)字化視頻編碼流（比特流）被發(fā)送到QAM調(diào)制發(fā)射機(jī)，其發(fā)送具有低IF的比特流， RF信號(hào)上變頻器限制帶寬信號(hào)調(diào)制。 適用在電纜線束傳輸頻譜。 載波頻率通常為50 MHz到750MHz。

（2）CE6210解調(diào)系統(tǒng)

ADC模塊是負(fù)責(zé)來(lái)自調(diào)諧器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)，QAM解調(diào)器模塊是負(fù)責(zé)從ADC模塊將轉(zhuǎn)變來(lái)的數(shù)字信號(hào)的QAM解調(diào)并且支持16-256的解調(diào)，前向糾錯(cuò)解碼器則是負(fù)責(zé)前向的糾錯(cuò)解碼。以下重點(diǎn)介紹QAM解調(diào)最重要的模塊。

（3）AGC控制模塊：AGC控制，高頻頭輸出到ADC。對(duì)于ADC，兩個(gè)參考電位之間的距離是很有限的，所以如果輸入信號(hào)誤差距離過(guò)大，則就會(huì)產(chǎn)生數(shù)字輸出結(jié)果錯(cuò)誤。類似信號(hào)的相位抖動(dòng)是由有線信號(hào)的時(shí)變特征，調(diào)諧器的寬帶濾波器，變頻電路和接收側(cè)的自適應(yīng)均衡器的噪聲引起的。

（二）主控模塊的具體設(shè)計(jì)

（1）Hi2016芯片介紹

Hi2016芯片集成了標(biāo)準(zhǔn)8051指令集和8位CPU兼容嵌入式解碼器，兼容Dells390尋址模式，MPEG-2傳輸流的解復(fù)用，解碼和音頻/視頻輸出轉(zhuǎn)換，以及完成并執(zhí)行其他模塊控制，通信任務(wù)。

SDRAM接口：將SDRAM拆分為不同的時(shí)隙，以生成所需的時(shí)序和SDRAM操作，音視頻解碼，播放等。

系統(tǒng)解碼和條件接收：接收串行TS或PS流，解析指定的基本流并將其存儲(chǔ)在硬件中的SDRAM中，并分析系統(tǒng)信息，如ECM和TELETEXT。

視頻解碼：系統(tǒng)解碼器分析視頻基本流，視頻解碼器執(zhí)行視頻解碼，數(shù)據(jù)矢量化，數(shù)據(jù)重構(gòu)，反余弦變換（ODCT），運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（MC），IDCT和MC數(shù)據(jù)合并。發(fā)送模塊以捕獲視頻數(shù)據(jù)（YUV格式）并將其存儲(chǔ)在SDRAM中。

音頻解碼：系統(tǒng)解碼器分析音頻基本流并將其發(fā)送到音頻解碼器。音頻數(shù)據(jù)（PCM格式）由音頻流解碼，數(shù)據(jù)被解量化，數(shù)據(jù)被重建，數(shù)據(jù)被過(guò)濾并且其他模塊被捕獲并存儲(chǔ)在SDRAM芯片中。

高清視頻播放：包括液晶電視機(jī)接口，播放數(shù)據(jù)生成和播放策略電路，支持水平擴(kuò)展，視頻和OSD數(shù)據(jù)混疊，播放調(diào)整等，以及PAL或NTSC電視數(shù)據(jù)的生成。

電視編碼器：將視頻的數(shù)字輸出格式轉(zhuǎn)換為模擬格式。

（2）主要控制模塊的解碼過(guò)程及分析

1）系統(tǒng)解碼過(guò)程

主控制模塊讀取MPEG-2傳輸流或者節(jié)目流，并將它們儲(chǔ)存在片外SDRAM芯片中。 音頻和視頻解碼器在解碼后從SDRAM芯片中讀取基本流。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中，音頻和視頻重放模塊從SDRAM讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2）視頻解碼過(guò)程

在系統(tǒng)解碼TS數(shù)據(jù)流之后，捕獲視頻基本流并將其儲(chǔ)存在視頻壓縮緩沖器中。 視頻解碼從視頻壓縮數(shù)據(jù)緩沖器捕獲壓縮數(shù)據(jù)，并執(zhí)行可變長(zhǎng)度碼解碼，反量化，反余弦變換和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，并且合并其數(shù)據(jù)以產(chǎn)生視頻圖像數(shù)據(jù)并且儲(chǔ)存在視頻圖像數(shù)據(jù)緩沖器中。 渲染模塊從視頻圖像數(shù)據(jù)緩沖器中提取視頻圖像數(shù)據(jù)，使OSD數(shù)據(jù)混疊，然后再根據(jù)液晶電視機(jī)接口發(fā)送視頻圖像。

五、結(jié)論

有線高清數(shù)字電視機(jī)頂盒需要更多工作。必須使用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)調(diào)試機(jī)頂盒硬件。但是，驅(qū)動(dòng)程序包含許多硬件，條件接收系統(tǒng)是高清數(shù)字電視系統(tǒng)的重要組成部分。付費(fèi)電視是高清數(shù)字電視廣告的常見(jiàn)形式。后續(xù)工作將包括基于此主題的軟件和條件接收系統(tǒng)。

硬件：CPU功能更強(qiáng)大，MPEG解碼器支持多個(gè)同步解碼程序，有線調(diào)制解調(diào)器速度更快，支持快速上網(wǎng)和電子郵件，并將網(wǎng)頁(yè)集成到視頻中。在使用方面，機(jī)頂盒支持其他應(yīng)用，如電子節(jié)目指南，按次付費(fèi)，數(shù)據(jù)傳輸，電子郵件，互聯(lián)網(wǎng)接入和視頻電話。? 高清數(shù)字電視正在迅速發(fā)展，高清數(shù)字電視服務(wù)正變得越來(lái)越多，對(duì)高清電視數(shù)字機(jī)頂盒的需求正在穩(wěn)步增長(zhǎng)。

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