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应用于视频点播系统的数字机顶盒

2006-06-06  昵称8442
 应用于视频点播系统的数字机顶盒
     陈成 刘小卫 刘卫忠 徐重阳
    
     [摘要]:现代通信正在向数字化、宽带化、智能化、综合化发展,数字技术的迅速发展已将CATV网、电话网及数据网紧密联系在一起,提供各种不同类型的信息服务,视频点播就是其中一种。本文介绍应用于视频点播系统中的数字机顶盒,包括机顶盒的关键技术、相关标准和具体实现方法。
    
     1、引言
    
     我国的CATV网已成为包括电话网、数据网在内的三大信息网络之一,其覆盖面之广,规模之庞大,可谓世界之最。目前,我国现有有线电视台2000余座,有线电视用户8000万以上,并正在以每年500万户的速度增长。现有的CATV网只限于模拟电视节目广播,有数百MHz的宽带资源尚未利用。开发与利用CATV网的宽带资源,实现交互/非交互数字视频与数据等多媒体信息服务已成为信息时代发展的急需,视频点播服务就是其中一种交互数字视频信息服务。作为视频点播系统的用户端接收设备,数字机顶盒得到迅速发展。
     数字机顶盒可能成为未来10年或更长时间计算机与消费电子产品的主流,因此包括IBM,ST,LSI,Philips,Sony在内的多家公司都进入该领域,一些国际或地区性组织纷纷制定相关标准及协议。本文将讨论应用于视频点播系统的数字机顶盒的关键技术和实现方法,并介绍相关标准及协议。 2、总体方案及相关标准
    
     用户根据主菜单选择节目后,数字机顶盒通过上行信道将用户的节目请求信息传送到中心控制系统,中心控制系统根据用户请求信息往CATV网络发送相应的节目。而后数字机顶盒接收CATV网络上的信号,完成下变频、解调、信道解码、解复用、解压缩、视频编码和音频DAC的功能,并将模拟视频/音频输出信号送到电视机,从而实现交互视频/数据信息服务。
     目前,最有影响的数字广播的标准有DVB,DSS以及大联盟DTV等,其中 DVB针对卫星广播、有线电视和地面广播的不同形式分为DVB-S,DVB-C和DVB-T。本方案采用与 DVB-C类似的标准,信源编码中视频采用MPEG-2标准,而音频采用MUSICAM标准,业务复用采用的是MPEG-2系统层规范,信道编码采用RS+交织方式,而调制方式则采用QAM调制。
     MPEG-2标准制定了通用的活动图像及其伴音的编码标准,它适应于各种应用,如存储媒体、分配传输和通信等。MPEG-2标准共有9项,数字机顶盒主要涉及其中3项: CD13818-1系统,规定了系统编码层的技术要求;CD13818-2视频,规定视频编码的技术要求;CD13818-3音频,规定音频编码的技术要求。MPEG-2视频标准最显著的特征之一是其通用性,即不依赖于特定的应用,这使MPEG-2成为目前广泛应用的视频压缩标准。MPEG-2音频标准是在MPEG-1基础上发展起来的多声道编码系统,它的第1,2层称为MUSICAM环绕声。MPEG-2系统层定义的数据流类型有传送流(TS)和程序流(PS),其中传送流应用于在有可能发生严重错误的环境下,进行一道或多道程序的编码数据的传送和存储,因此本VOD系统使用MPEG-2传送流对视频、音频和数据信号进行分组和复用。RS码是数字传输中普遍采用的前向纠错码,它是一种性能优越的分组线性码,在同样的编码冗余度下,RS码具有最强的纠错能力。以RS码作为外码,多电平格状编码作为内码的级联码,加上完全的数据交织,为数字传输提供了强有力的前向纠错能力。正交幅度调制(QAM)可以认为是幅度调制和相位调制的结合,QAM调制方式具有很高的频带利用率,即在同样的频带宽度上能传送较高的数码率。本系统必须传送大量的图象信息,数码率较高,为了有效利用频带资源,采用QAM调制方式是比较合理的。
    
     3、数字机顶盒的硬件实现
    
     数字机顶盒的硬件功能由8个功能模块实现,包括高频头,QAM解调,MPEG-2解复用,MPEG-2解码,视频编码,音频DAC,用户控制接口及MODEM,以下将分别介绍各功能模块的原理以及具体实现。
    
     3.1 高频头
    
     由于低频信号不适合进行远距离传输,因此信号发送前必须经过调制,转换为高频信号后才发送出去。CATV网络上传送的是45MHz~860MHz的高频信号,数字机顶盒首先必须对高频信号进行下变频,由高频头来实现。本系统通过I2C总线可对高频头进行调谐,控制高频头以输出中频信号,其中一路为36.15MHz的第一中频,另一路为7MHz的第二中频,带宽都为7MHz,本系统采用第二中频信号。
    
     3.2 QAM解调及信道解码
    
     如总体方案中所述,系统信道编码采用RS+交织方式,而调制方式则采用QAM调制。因此数字机顶盒必须完成QAM解调制、解交织和RS(里德-所罗门)解码。
     我们采用LSI公司的L768S实现以上功能。L64768主要包括四个模块: ADC模块(模数变换),QAM核心模块,FEC核心模块和微处理器及主机接口模块。它主要完成QAM解调,解交织和里德-所罗门解码的功能。来自高频头的第二中频信号经外部或内部模数变换,变换为每个样点8bit的数字信号(采样频率为四倍的第二中频频率),随后信号被分为同步和正交信号。L64768具有自动获得波特率的特性,当到达实际的波特率时,实现环路锁定通过测量输入样点的平均功率,L64768通过一外部被动低通滤波器控制高频头的AGC,以实现高频头输出信号功率的稳定性。解交织器以确定的方式重排信号次序,解交织的块大小为204字节。L64768中的里德-所罗门解码器完全符合CCITT推荐的CCIR723标准,它实现(204,188)的里德-所罗门解码,从而完成前向纠错的功能。信号经过QAM解调和信道解码后,将以MPEG-2传送流的形式送出,由下级模块进行解复用。
    
     3.3 MPEG-2解复用
    
     “业务复用”是指先将数字数据进行分组,然后将视频数据分组、音频数据分组和辅助数据分组复用到单一数据流中。本VOD系统使用MPEG-2传送流对视频、音频和数据信号进行分组和复用。我们采用LSI公司的L64108实现MPEG-2解复用功能。 L64108接收传送流数据,对数据进行解复用后形成音频PES分组数据和视频PES分组数据,并将音频和视频数据直接送给MPEG-2解码器进行解码。MPEG-2传送流数据流通过L64108的系统解码接口进入芯片后,L64108利用内部PID处理单元对输入数据进行分析,用户通过应用软件控制 L64108,以提取相应音频PES数据、视频PES数据、程序特殊信息(PSI)、服务信息(SI)以及私有数据。音频PES数据和视频PES数据通过L64108的A/V接口输出,而程序特殊信息(PSI)、服务信息(SI)以及私有数据则被存储到外部DRAM中,通过应用软件的控制,L64108的内嵌CPU可以对这些数据直接进行存取操作。
    
     3.4 MPEG-2解码
    
     解复用模块送出的数据是压缩的视频PES数据和音频 PES数据,必须由MPEG-2解码器对PES数据进行解压缩。我们采用LSI公司的L64005实现MPEG-2 解码功能。L64005的主要功能是对L64108送出的PES分组进行解码,它输出两组信号,一组为送给数字视频编码器的CCIR-601数字视频信号,另一组为送给音频DAC的PCM格式的数字音频信号。
    
     3.5 视频编码
    
     视频编码器的功能是将已解码的数字信号转换为模拟电视信号,它接收MPEG-2解码器送出的CCIR-601数字视频信号,并将它转换成混合视频信号(CVBS)或S端子视频信号,这些信号经过低通滤波后,便可送到电视机进行播放。
    
     3.6 音频DAC
     音频DAC的功能是将已解码的数字PCM数据转换成立体声模拟信号。同时音频DAC产生过采样时钟,作为参考时钟提供给MPEG -2解码器,以产生精确的音频系统时钟。
    
     3.7 用户接口
     用户接口主要由单片机控制电路,显示电路,遥控电路组成。在本VOD 系统中,数字机顶盒开机后,将首先接收中心控制系统发送的节目信息,并以节目菜单的形式在电视机上显示。用户可以通过用户接口,翻阅节目菜单,并根据自己的喜好对节目进行选择。而用户接口则把选择信息送给机顶盒CPU,以做进一步处理。
    
     4、数字机顶盒的软件实现
    
     数字机顶盒是软件含量很大的家电产品,它实际上就是一个复杂的计算机系统,因此操作系统是必不可少的。相对普通计算机操作系统,数字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,如 VRTX,pSOSystem,OS-9,VxWorks等。我们采用pSOSystem 作为数字机顶盒的操作系统,pSOSystem 一种是有标准组件、高效率的实时多任务操作系统,适用于各种内嵌式的CPU,它提供一个基于开放式体系的完全的多任务环境,包括任务管理、内存管理、IO管理、消息队列服务、信号灯服务、时钟和定时器管理、中断实现服务、出错处理以及多处理机支持等内容。利用pSOSystem可以开发基于数字机顶盒目标硬件的应用软件。
     两大主要软件部件运行于数字机顶盒目标硬件之上,它们分别是 PSOSystem操作系统(OS)和应用代码。此两部件经过连接可生成可执行软件,又称可执行映象,将它下载到数字机顶盒上,便完成了数字机顶盒的软件构造工作。
    
     5、结论
    
     随着视频点播业务的迅速开展,数字机顶盒将得到越来越广泛的应用。而且,计算机技术及通信技术的进步必然促进数字机顶盒的不断改进,数字机顶盒的功能也会日趋强大和完善,未来的数字机顶盒将成为集视频服务、数据服务、Internet接入等众多功能为一体的用户端设备。
 

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