ATSC制数字电视机顶盒研究(1)

来源:互联网
更新时间:2016/12/13 1:14:29
责任编辑:王亮
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ATSC制数字电视机顶盒研究(1)

   摘要:本文概述了数字电视广播原理,对ATSC制作了较详细的介绍。在此基础上,进一步阐述了作者实现的ATSC制数字电视机顶盒系统设计。

   1、引言

   在信息技术的推动下,广播电视进入从模拟广播到数字广播的过渡阶段。美国,欧洲,澳大利亚,日本,新加坡等相继确定了本国的数字电视广播标准。

   随着视频压缩技术的深入研究,九十年代初出现了一系列视频压缩标准,其中尤以MPEG-2影响圈较大;同时随着集成电路制造技术的进步,许多芯片厂商相继推出了相应专用芯片,这些都极大地推动了数字电视的发展。美国于1995年通过了ATSC数字电视标准。欧洲制定了包括DVB-T在内的一体化数字电视广播标准,目前侧重于标准清晰度数字电视。日本从模拟高清晰度电视研究转向数字电视之后,确立了ISDB-T的地面广播标准。三种标准在信源编码方面相似,都采用MPEG-2视频压缩,高清晰度电视图像常用格式为1920×1080,每秒60场/50场隔行,最大的区别是信道调制和传输方式的不同。因此三种制式接收机的不兼容主要在接收机信道解调模块。

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图1

   图1表示了数字电视广播和接收系统基本原理。从内容上分为信源部分和信道部分;从结构上分为发送端,传输网络和接收端。发送端包括信源编码(音视频编码),业务复用,信道编码和调制。传输网络既可以是地面广播,也可以是有线电视和卫星接收。调制信号到达接收端,先进行信道解调形成基带TS流,然后进行解复用,形成音视频PES/ES流分别解码,最后输出音频和视频信号。

   2、ATSC电视制式简介

   ATSC的英文全称是Advanced Television Systems Committee(美国高级电视业务顾问委员会)。该委员会于1995年9月15日正式通过ATSC数字电视国家标准。ATSC制信源编码采用MPEG-2视频压缩和AC-3音频压缩;信道编码采用VSB调制,提供了两种模式:地面广播模式(8VSB)和高数据率模式(16VSB)。随着多媒体传输业务的不断发展,为了适应移动接收的需要,近来又计划增加2VSB的移动接收模式。下面从信源部分和信道部分来作介绍:

   2.1 信源编码与解码

   由于数字化的HDTV原始视频数据量非常大,码率高达1Gbps以上。为了能在一个6M频道带宽内广播HDTV信号,必须采用压缩比很高的视频压缩算法。ATSC制采用MPEG—2视频压缩。MPEG—2视频压缩格式分为4级 5类,从低分辨率图像到高清晰度视频有十几种格式,其中 MP@ HL格式完全符合 HDTV广播需要。MPEG-2视频压缩采用了运动估计和补偿,帧内预测和帧间预测编码,DCT变换编码和熵编码等算法,压缩率可达 30-50倍。付出的代价是 MPEG-2压缩算法运算量极大。AC—3有 5+1声道编码,可以复用成TS流。信源解码是编码的逆过程,包括TS的解复用和音视频ES的解压缩,整个过程符合MPEG-2和AC—3的解压缩语法。HDTV解码运算量相对较低,是压缩编码运算量的十分之一。

   2.2 信道调制与解调

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图2

   以地面广播8VSB模式为例,信道调制与解调原理如图2所示。发送端:码率为19.39Mbps的TS流输入到信道调制单元。信道编码过程包括数据随机处理,RS纠错编码,卷积交织,格状编码,同步信号插入,形成符号率为10.76Msym/s的8电位符号流(八种电位:±7V,±5V,±3V,±1V)。然后进行模拟处理,插入导频,预均衡和单边带调制,最后送到发射机。接收端:射频RF经调谐器锁定,形成中频IF输出,A/D变换后逐级进行8VSB信道解调处理,完成解调后输出码率为19.39Mbps的TS流。8VSB传输模式的参数如表1所示。

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   对TS流进行信道编码,要经过如下处理:首先TS包中187个字节和一个伪随机序列按比特位异或运算(TS包长度为188个字节,同步头0x47没有进行异或和RS编码),使TS流数据随机化,码率仍然是19.39Mbps。随机化后数据送入 t=10(207,187)的 RS编码器,每个TS包增加 20校验字节,包长度为 208字节,码率上升为21.52Mbps。然后又通过(208,52)的卷积交织器,可以抵御长度相当于4ms的突发干扰。在格状编码之前还通过一个12符号交织器。格状编码采用2/3模式,即每两个比特输入形成3比特输出,此时码率升为35.28Mbps。映射处理将每 3比特数据映射到一个 8电位符号,每个符号相当于映射前的 3比特,格状编码前的2比特。插入段同步,场同步后,便组装成为数据帧。每一数据帧包括两个数据场;每一数据场由313个数据段组成,其中第一个数据段作为该场的同步;每个数据段又由832个8电位符号组成,其中开始四个符号作为该段的同步。于是形成了符号率为10.76Msym/s的数据流,由于一个符号表示两比特,所以比特率相当于对21.52Mbps,除去同步开销和检错冗余,净比特率为19.28Mbs。  

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