基于ST20TP4的HDTV信源解码器的软硬件实现

出处：sh.liu 发布于：2007-05-28 15:46:14

科学技术的高速发展使广播电视进入了由彩色电视向高清晰度电视ＨＤＴＶ（Ｈｉｇｈ－ＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）跨越的过渡时代。随着ＨＤＴＶ在的兴起以及数字技术的日趋成熟，音／视频产品数字化、高清晰度化已成为未来家电视听产品的大趋势。ＨＤＴＶ采用了国际上流行的ＭＰＥＧ－２标准。ＭＰＥＧ－２规定了数字图像的音、视频编解码算法以及传送的码流应该符合的语法和语义，而其编解码算法又参考了听觉心理模型和视觉心理模型。ＨＤＴＶ的图像格式为１９２０×１０８０ｉ，传输码率高达２０Ｍｂｐｓ，同时采用视频压缩技术可使ＨＤＴＶ的每一帧包含更多的信息，大大提高了图像的清晰度。ＨＤＴＶ在音频压缩方面采用了数字音频的编码和压缩技术。现有的数字音频编码压缩方案有ＭＰＥＧ－２、ＤｏｌｂｙＡＣ－３和美国ＡＴ＆Ｔ的ＭＰＡＣ以及欧洲的ＭＩＸ。它们都能实现５．１声道，即三个前面的声道（Ｌ、Ｃ、右声道Ｒ）、两个环绕声道（左环绕声道Ｌｓ、右环绕声道Ｒｓ）和一个低音效果声道ＬＦＥ，使声音效果可以达到家庭影院的音响效果。ＨＤＴＶ声光效果上的优势，注定它的发展有着技术和市场的双重必然性。为了适应当前电视市场的过渡时期，需要一种即能接收数字电视信号，又能解码输出用于显示的中间设备--机顶盒，充当电视台信号与用户显示设备之间的桥梁。机顶盒是随着数字电视广播的发展而出现的，同时也必然随着数字电视广播的发展而不断发展。本文论述的信源解码器则是机顶盒的关键部件。

１总体方案

根据本课题的任务和内容，选择了ＳＴ公司的数字高清晰度电视机顶盒系统解决方案，即ＳＴ２０＋Ｓｔｉ７０００＋Ｓｔｉ４６００的三片方案。该方案采用ＳＴ２０－ＴＰ４作为系统的主控制芯片，它负责将前端或ＬＶＤＳ板输入的ＴＳ流解复用，同时负责系统初始化和系统音、视频解码控制。为了配合ＳＴ２０ＴＰ４ST20TP4的运行，需要配备一定数量的ＤＲＡＭ来提供运行程序的存储空间，并存储ＴＳ流、解复用后的音、视频ＰＥＳ流数据等。ＴＳ流经ＳＴ２０ＴＰ４解复用后分两路输出：一路是解复用后的音频ＰＥＳ流，这路信号将被送入Ｓｔｉ４６００STI4600进行音频解码，解码后的数字信号再通过ＤＡＣ转换电路转变为模拟信号输出另一路解复用后的视频ＰＥＳ流将送入Ｓｔｉ７０００STI7000进行视频解码和格式变换。Ｓｔｉ７０００所配的ＳＤＲＡＭ用来缓存ＰＥＳ流、解码帧、显示帧、参考帧及ＯＳＤ数据。解码后的图像以４：４：４的高清晰度格式送入视频ＤＡＣ电路进行Ｄ／Ａ变换。另外，为了配合实际需求，视频模拟输出要求兼容ＶＧＡ（Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｈｓ，Ｖｓ）和Ｙ，Ｐｒ，Ｐｂ两种接口。其中，Ｙ，Ｐｒ，Ｐｂ信号要带有三电平或两电平同步信号。
２硬件设计

硬件电路设计以ＳＴ２０ＴＰ４为展开，依据主控制芯片的总线结构规划视频接口、音频接口以及各类存储器。ＳＴ２０ＴＰ４有一个３２位带符号的２的补码地址空间。按３２位地址寻址，总的地址空间大小为４Ｇ字节。（所谓"带符号的２的补码地址空间"是指该空间地址排列是由底部ＭｉｘＩｎｔ＃８０００００００向下增长至＃ＦＦＦＦＦＦＦＦ，接着是＃００００００００然后增长到ＭａｘＩｎｔ＃７ＦＦＦＦＦＦＦ）。整个寻址空间分为四个区（每区１Ｇ字节），由地址Ａ３１、Ａ３０决定。

需要注意：３区（Ａ３１Ａ３０＝０１＃４０００００００～＃７ＦＦＦＦＦＦＦ）为外部存储器空间。外部存储器接口（ＥＭＩ）把它又分为４组，不同的外部存储器和外部设备可以映射到其中。这４组中组０、组１和组３是通用存储器组，每一个都可以通过有关寄存器的设置来选择时序；组０和组１可以选择ＤＲＡＭ型或ＳＲＡＭ型器件，组３仅支持ＳＲＡＭ型器件。ＥＭＩ组２（＃６０００００００～＃６ＦＦＦＦＦＦＦ）指定与ＭＰＥＧ音视频解码芯片接口。它提供４个选通信号：两个ＭＰＥＧ解码器ＩＣ的片选ｎｏｔＣＳ０－１；两个解码器压缩数据选通信号ｎｏｔＣＤＳＴＲＢ０－１。其中ｎｏｔＣＳ０－１用来请求一个ＭＰＥＧ解码器寄存器存取周期，而ｎｏｔＣＤＳＴＲＢ０－１用来请求压缩数据写周期。这４个选通信号有效与否取决于组２的地址范围，也就是说可以依靠地址来区分不同的ＭＰＥＧ解码器及同一ＭＰＥＧ解码器的寄存器和压缩数据接收ＦＩＦＯ。此外，为了与各种速度的ＭＰＥＧ解码器件接口，当选择不同地址时，ｎｏｔＣＳ０－１可以有不同的时序（可分别插入１～４个等待状态）。
３软件编程

在机顶盒这种实时系统中，由于ＣＰＵ要同时对解复用、视频解码、音频解码等多个方面的事件进行处理，其中既有通信问题，又有同步等问题。因而有必要采取多任务多进程实时操作系统的方式。应用程序可以被分割成多个相对独立的任务共享系统资源。本课题软件开发中使用的实时操作系统是ＳＴ公司的ＳＴＬｉｔｅ／ＯＳ２０。该操作系统已提供的内容包括：较完整的实时操作系统软件、部分硬件驱动和部分ｔｅｓｔｔｏｏｌ命令。能够实现的功能包括：各种接口功能，如Ｉ２Ｃ、ＵＡＲＴ等；ＭＰＥＧ和ＡＣ－３音频解码、ＭＰＥＧ视频解码和显示、基本流解复用、ｓｅｃｔｉｏｎ滤波、ＯＳＤ测试功能、时钟恢复和ＳＤ输出等。具体如图１所示。

需要开发的部分主要有：新增加和变动的硬件模块的驱动、前端或ＬＶＤＳ输入的控制、节目操作和管理模块软件的开发。节目操作的软件开发中，节目信息的获取、分析、保存和更新及节目数据库的操作是非常关键的部分，这是因为：一方面，它与前端或ＬＶＤＳ输入模块、解复用模块、音、视频解码模块等硬件驱动层都有很大的联系；另一方面，要实现机顶盒的音、视频解码功能，就必须从码流中找到所有基本流的ＰＩＤ，需要对节目特定信息（ＰＳＩ）进行提取和分析。ＰＳＩ（ＰｒｏｇｒａｍＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）节目特殊信息包含了解码器端解复用所需要的数据。在ＭＰＥＧ－２系统层标准中，每路数字节目都包含一个或多个基本流，每个基本流都分配了一个ＰＩＤ值作为标记。节目、基本流或其中的部分内容可能会被加密，但是ＰＳＩ信息作为解码的前提是不会被加密的。

传输流中的ＰＳＩ信息可以分成四种表的结构，每种表又可以分成多个ｓｅｃｔｉｏｎ。这四种表分别为：节目组合表ＰＡＴ（ＰｒｏｇｒａｍＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎＴａｂｌｅ）、节目映射表ＰＭＴ（ＰｒｏｇｒａｍＭａｐＴａｂｌｅ）、有条件接收表ＣＡＴ（ＣｏｎｄｉｔｉｏｎａｌＡｃｃｅｓｓＴａｂｌｅ）和网络信息表ＮＩＴ（ＮｅｔｗｏｒｋＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴａｂｌｅ）。ＰＡＴ包含了所有的节目号及其相关ＰＭＴ的ＰＩＤ值；ＰＭＴ给出ＰＡＴ表中列出的所有节目的基本流ＰＩＤ信息；ＣＡＴ的任务在于准备解密数据组用的信息（加密系统的标识、存取权的分配及各码序的发送）；ＮＩＴ可以传送网络数据和频带、转发信号、通带宽度等参数，ＭＰＥＧ对此表的内容没有做详细规定。每个ＴＳ流中都应该有ＰＡＴ表，因为所有ＰＭＴ和ＮＩＴ表的ＰＩＤ值都在ＰＡＴ表中给出，ＰＡＴ的ＰＩＤ固定为０ｘ００００，当ＰＡＴ表内容更新时，表中的版本号ｖｅｒｓｉｏｎ＿ｎｕｍｂｅｒ会增１。当ＴＳ流中有一个或多个基本流被加扰，则需要在ＴＳ流里传送一个ＰＩＤ值固定为０ｘ０００１的ＣＡＴ，提供有关加扰了的流的信息。ＰＭＴ也是ＴＳ流中所必需的表，它包含了各个节目的基本流ＰＩＤ信息，这是解复用必不可少的，ＰＭＴ的ＰＩＤ在ＰＡＴ中给出。ＮＩＴ表在ＴＳ流里不是必需的，它的内容属于私有数据表（ｐｒｉｖａｔｅ），如果ＴＳ流里存在ＮＩＴ表，则它的ＰＩＤ值由ＰＡＴ的内容提供，且ＴＳ流中应包含若干个ｐｒｉｖａｔｅｓｅｃｔｉｏｎ。ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８－１ＭＰＥＧ－２系统层标准中关于ＰＳＩ信息定义了四个ｓｅｃｔｉｏｎ结构，分别代表四个表的信息数据结构。这四个ｓｅｃｔｉｏｎ结构分别为：ＰｒｏｇｒａｍＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎＳｅｃｔｉｏｎ、ＣｏｎｄｉｔｉｏｎａｌＡｃｃｅｓｓＳｅｃｔｉｏｎ、ＴｒａｎｓｐｏｒｔＳｔｒｅａｍＰｒｏｇｒａｍＭａｐＳｅｃｔｉｏｎ和ＰｒｉｖａｔｅＳｅｃｔｉｏｎ。对各表信息的分析实际是对这些ｓｅｃｔｉｏｎ结构的内容进行分析。

对符合ＭＰＥＧ－２标准的传输流进行音、视频解码前必须先经过解复用分出音、视频基本流。为了可以解复用分出音、视频基本流，首先要分析ＰＳＩ表的各Ｓｅｃｔｉｏｎ并从中提取基本流ＰＩＤ信息。寻找基本流ＰＩＤ主要对ＰＡＴ和ＰＭＴ两个表进行处理。这两个表与基本流ＰＩＤ的关系可以用图２表示。

解复用的过程是这样的：首先，得到完整的ＰＡＴ表，根据ＰＡＴ的Ｓｅｃｔｉｏｎ结构找到所有的节目号和各节目号所对应的ＰＭＴＰＩＤ；然后，分别对ＰＡＴ中列出的每一个节目进行如下操作：根据该节目的ＰＭＴＰＩＤ得到ＰＭＴ表中对应节目号的Ｓｅｃｔｉｏｎ，按照ＰＭＴＳｅｃｔｉｏｎ的结构进行分析，进而找到所有该节目的基本流ＰＩＤ值加以保存。

下面以加入新频道为例，简要介绍分析ＰＡＴ和ＰＭＴ得到解复用所需的各基本流ＰＩＤ信息的过程。首先，系统会发来一个消息，要求分析版本的ＰＡＴ，调用相应函数（ＰＳＩ＿ＰｒｏｃｅｓｓＦｏｒＰＡＴ）得到ＰＡＴ后，调用ＰＡＴ分析函数如图３得到各节目对应的ＰＭＴ表的信息，并将信息存入指定的数据结构中；然后此任务向系统发一个消息，通知系统ＰＡＴ分析完毕；接着，按照数据结构中各ＰＭＴ的ＰＩＤ，系统会依次向本任务发送要求分析各ＰＭＴ表的消息。本任务在调用相应函数（ＰＳＩ＿ＰｒｏｃｅｓｓＦｏｒＰＭＴ）得到所需ＰＭＴ表后调用分析ＰＭＴ表的函数（如图３）进行分析，得到各个基本流信息的ＰＩＤ，并将信息存入指定的数据结构中保存，发送消息通知系统ＰＭＴ分析完毕；，如果需要，系统会发消息要求分析其他ＰＳＩ信息，分析过程类似。