应用于视频点播系统的数字机顶盒
发布时间:2006-10-14 7:08:19   收集提供:gaoqian


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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