??? 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同時還負責對前端或LVDS板輸入的TS流進行解復用" title="復用">復用。重點闡明基于32bit微控制器的HDTV信源解碼器的硬件設計和軟件編程。 ?
??? 關鍵詞: HDTV? 信源解碼器? PSI信息
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??? 科學技術的高速發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字技術的日趨成熟,音/視頻產品數字化、高清晰度化已成為未來家電視聽產品的大趨勢。HDTV采用了國際上流行的MPEG-2標準。MPEG-2規定了數字圖像的音、視頻編解碼算法以及傳送的碼流應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字音頻的編碼和壓縮技術。現有的數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5.1聲道,即三個前面的聲道(L、C、右聲道R)、兩個環繞聲道(左環繞聲道Ls、右環繞聲道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聲光效果上的優勢,注定它的發展有著技術和市場的雙重必然性。為了適應當前電視市場的過渡時期,需要一種即能接收數字電視信號,又能解碼輸出用于顯示的中間設備——機頂盒,充當電視臺信號與用戶顯示設備之間的橋梁。機頂盒是隨著數字電視廣播的發展而出現的,同時也必然隨著數字電視廣播的發展而不斷發展。本文論述的信源解碼器則是機頂盒的關鍵部件。?
1 總體方案?
??? 根據本課題的任務和內容,選擇了ST公司的數字高清晰度電視機頂盒系統解決方案,即ST20+Sti7000+Sti4600的三片方案。該方案采用ST20-TP4作為系統的主控制芯片,它負責將前端或LVDS板輸入的TS流解復用,同時負責系統初始化和系統音、視頻解碼控制。為了配合ST20TP4的運行,需要配備一定數量的DRAM來提供運行程序的存儲空間,并存儲TS流、解復用后的音、視頻PES流數據等。TS流經ST20TP4解復用后分兩路輸出:一路是解復用后的音頻PES流,這路信號將被送入Sti4600進行音頻解碼,解碼后的數字信號再通過DAC轉換電路轉變為模擬信號輸出;另一路解復用后的視頻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數據。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 硬件設計?
??? 硬件電路設計以ST20TP4為核心展開,依據主控制芯片的總線結構規劃視頻接口、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。(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(每區1G字節),由地址A31、A30決定。?
??? 需要注意:3區(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寄存器的設置來選擇時序;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;兩個解碼器壓縮數據選通信號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用來請求壓縮數據寫周期。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分不同的MPEG解碼器及同一MPEG解碼器的寄存器和壓縮數據接收FIFO。此外,為了與各種速度的MPEG解碼器件接口,當選擇不同地址時,notCS0-1可以有不同的時序(可分別插入1～4個等待狀態)。?
3 軟件編程?
??? 在機頂盒這種實時系統中,由于CPU要同時對解復用、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多進程實時操作系統的方式。應用程序可以被分割成多個相對獨立的任務共享系統資源。本課題軟件開發中使用的實時操作系統是ST公司的STLite/OS20。該操作系統已提供的內容包括:較完整的實時操作系統軟件、部分硬件驅動和部分testtool命令。能夠實現的功能包括: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、基本流解復用、section濾波、OSD測試功能、時鐘恢復和SD輸出等。具體如圖1所示。?
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??? 需要開發的部分主要有:新增加和變動的硬件模塊的驅動、前端或LVDS輸入的控制、節目操作和管理模塊軟件的開發。節目操作的軟件開發中,節目信息的獲取、分析、保存和更新及節目數據庫的操作是非常關鍵的部分,這是因為:一方面,它與前端或LVDS輸入模塊、解復用模塊、音、視頻解碼模塊等硬件驅動層都有很大的聯系;另一方面,要實現機頂盒的音、視頻解碼功能,就必須從碼流中找到所有基本流的PID,需要對節目特定信息(PSI)進行提取和分析。?
??? PSI(Program Specific Information)節目特殊信息包含了解碼器端解復用所需要的數據。在MPEG-2系統層標準中,每路數字節目都包含一個或多個基本流,每個基本流都分配了一個PID值作為標記。節目、基本流或其中的部分內容可能會被加密,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構,每種表又可以分成多個section。這四種表分別為:節目組合表PAT(Program Association Table)、節目映射表PMT(Program Map Table)、有條件接收表CAT(Conditional Access Table)和網絡信息表NIT(Network Information Table)。PAT包含了所有的節目號及其相關PMT的PID值;PMT給出PAT表中列出的所有節目的基本流PID信息;CAT的任務在于準備解密數據組用的信息(加密系統的標識、存取權的分配及各碼序的發送);NIT可以傳送網絡數據和頻帶、轉發信號、通帶寬度等參數,MPEG對此表的內容沒有做詳細規定。每個TS流中都應該有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PAT表內容更新時,表中的版本號version_number會增1。當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,它包含了各個節目的基本流PID信息,這是解復用必不可少的,PMT的PID在PAT中給出。NIT表在TS流里不是必需的,它的內容屬于私有數據表(private),如果TS流里存在NIT表,則它的PID值由PAT的內容提供,且TS流中應包含若干個private section。ISO/IEC 13818-1 MPEG-2系統層標準中關于PSI信息定義了四個section結構,分別代表四個表的信息數據結構" title="數據結構">數據結構。這四個 section 結構分別為: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結構的內容進行分析。?
??? 對符合MPEG-2標準的傳輸流進行音、視頻解碼前必須先經過解復用分出音、視頻基本流。為了可以解復用分出音、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的關系可以用圖2表示。?
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??? 解復用的過程是這樣的:首先,得到完整的PAT表,根據PAT的Section結構找到所有的節目號和各節目號所對應的PMT PID;然后,分別對PAT中列出的每一個節目進行如下操作:根據該節目的PMT PID得到PMT表中對應節目號的Section,按照PMT Section的結構進行分析,進而找到所有該節目的基本流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得到解復用所需的各基本流PID信息的過程。首先,系統會發來一個消息,要求分析最新版本的PAT,調用相應函數(PSI_ProcessForPAT)得到PAT后,調用PAT分析函數(如圖3)得到各節目對應的PMT表的信息,并將信息存入指定的數據結構中;然后此任務向系統發一個消息,通知系統PAT分析完畢;接著,按照數據結構中各PMT的PID,系統會依次向本任務發送要求分析各PMT表的消息。本任務在調用相應函數(PSI_ProcessForPMT)得到所需PMT表后調用分析PMT表的函數 (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據結構中保存,發送消息通知系統PMT分析完畢;最后,如果需要,系統會發消息要求分析其他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目,只要調用驅動程序提供的pti_set_pid(pid)和pti_set_pcr_pid(pcr_pid)分別設置節目相對應的音視頻PID和PCR_PID就可以驅動硬件解碼了。?
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.數字化進程中的機頂盒.電視技術,1999;(5)?
5 譚浩強.C程序設計.北京:清華大學出版社,1991