ATSC制数字电视机顶盒研究
发布时间:2007/4/23 0:00:00 访问次数:2412
作者：清华大学电子工程系 黄德球 薛永林 李凤亭
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。
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
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。
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。
3 机顶盒系统设计
3．1 数字电视机顶盒系统构成
ATSC制机顶盒系统可分为两个相对独立的模块：前端信道解调和后端信源解码。前端和后端接口的数据格式是TS码流。前端部分主要完成高
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。
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
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。
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。
3 机顶盒系统设计
3．1 数字电视机顶盒系统构成
ATSC制机顶盒系统可分为两个相对独立的模块：前端信道解调和后端信源解码。前端和后端接口的数据格式是TS码流。前端部分主要完成高
作者：清华大学电子工程系 黄德球 薛永林 李凤亭
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。
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
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。
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。
3 机顶盒系统设计
3．1 数字电视机顶盒系统构成
ATSC制机顶盒系统可分为两个相对独立的模块：前端信道解调和后端信源解码。前端和后端接口的数据格式是TS码流。前端部分主要完成高
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。
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
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。
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。
3 机顶盒系统设计
3．1 数字电视机顶盒系统构成
ATSC制机顶盒系统可分为两个相对独立的模块：前端信道解调和后端信源解码。前端和后端接口的数据格式是TS码流。前端部分主要完成高
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