作為一種高品質(zhì)的數(shù)字多媒體播放器和高性能的網(wǎng)絡(luò)信息終端,基于嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的高清數(shù)字電視技術(shù)將是下一代消費電子市場的熱點。文章給出了一種內(nèi)置機頂盒模塊的雙嵌入式處理器高清數(shù)字電視系統(tǒng)，提出實現(xiàn)該系統(tǒng)單一系統(tǒng)映像的方法。

1 引言

　　隨著數(shù)字傳輸技術(shù)和圖像處理技術(shù)的提高，電視技術(shù)正逐步從SDTV（Standard Definition TV，標準清晰度電視）過渡到HDTV（High Definition TV，高清晰度電視）。高清數(shù)字電視符合人們對高品質(zhì)的數(shù)字多媒體播放和高性能的網(wǎng)絡(luò)信息終端的需要，具備廣闊的市場前景，其基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的實現(xiàn)也成為嵌入式領(lǐng)域的新熱點[1-2]。

　　高清電視是指播放畫質(zhì)超過720p或者1080i的高清晰度電視系統(tǒng)（i表示隔行掃描，p表示逐行掃描）。目前標清的播放畫質(zhì)為480i，而DVD最高畫質(zhì)可以達到480p，即720x480逐行顯示的標準，可見高清電視要比最清晰的DVD還要清晰許多。美國的高清標準主要有兩種格式，1280×720p/60Hz和1920×1080i/60Hz，歐洲支持1920× 1080i/50Hz。

　　數(shù)字電視的標準主要有美國的ATSC和歐洲的DVB兩種。二者的信源編碼都采用MPEG2，信道編碼和調(diào)制方式不同。ATSC針對地面廣播；DVB分為衛(wèi)星（DVB-S）、有線（DVB-C）和地面（DVB-T）等方式。

　　當(dāng)前市場上的高清電視系統(tǒng)本身并沒有接收數(shù)字電視信號的功能，主要還是接收的普通模擬電視信號，如果要接收數(shù)字電視、瀏覽網(wǎng)絡(luò)信息，還需要外置機頂盒。由于外置機頂盒和電視機是兩套系統(tǒng)，有各自獨立的用戶界面，包括兩套遙控器和OSD界面（On-Screen-Display），使用過程中會給用戶帶來不便，而目前將二者功能合一的單機系統(tǒng)方案還不成熟，成本也高。如果利用比較成熟的機頂盒芯片方案內(nèi)置在高清電視系統(tǒng)中，將獲得低成本、高性能的高清數(shù)字電視解決方案[3]。

　　DVB-T接收方便，應(yīng)用廣泛，本文將給出一種基于多嵌入式處理器的高清DVB-T數(shù)字電視的設(shè)計，在模擬高清電視中內(nèi)置DVB-T數(shù)字信號接收模塊，通過實現(xiàn)HDTV模塊與DVB-T模塊處理器之間的雙機通信來同步處理任務(wù)，最終組合成一個完整的數(shù)字高清電視系統(tǒng)。為了將兩個獨立的模塊進行組合，文章提出了實現(xiàn)該系統(tǒng)單一系統(tǒng)映像的方法，通過單一系統(tǒng)映像為用戶提供單一的用戶操作界面，單一的顯示界面，單一的數(shù)據(jù)維護，使用戶感覺是一套系統(tǒng)在運行。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 DVB-T模塊

　　DVB-T接收模塊基于ST公司的高清機頂盒解碼芯片Sti7710[4]，由32位RISC CPU ST20和MPEG2 A/V解碼器組成，A/V解碼器是MP@HL規(guī)格的，支持1280×720p或1920× 1080i高清分辨率輸出，其系統(tǒng)硬件框圖和信號流程如圖1所示。DVB-T模塊分三個部分：前端接收解調(diào)、A/V解碼、A/V輸出。

　　前端接收解調(diào)由Tuner和解調(diào)器組成，地面?zhèn)鬏數(shù)腄VB-T數(shù)字電視信號通過Tuner接收，Tuner將中頻信號傳送給QAM解調(diào)器。解調(diào)器采用ST的芯片STV0370，可以解調(diào)COFDM調(diào)制的信號，解出MPEG TS流。TS流通過并行或串行方式輸入Sti7710，進入MPEG2 A/V解碼部分。

　　MPEG2 A/V解碼器首先主要對TS流進行處理，在解復(fù)用后提取MPEG2壓縮的音視頻數(shù)據(jù)，解碼得到圖像，再加上OSD顯示，以模擬和數(shù)字音視頻的方式輸出。A/V輸出有模擬和數(shù)字多種方式，模擬視頻有RGB、YPbPr等方式輸出，數(shù)字視頻可以通過HDMI編碼和DVI接口輸出[5-7]。

2.2 HDTV模塊

　　HDTV模塊基于Trident公司的模擬高清方案，實現(xiàn)一個接收模擬電視信號的高清電視機的功能。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　模塊支持RGB、YPbPr、CVBS等模擬視頻輸入和HDMI數(shù)字視頻輸入，并會對圖像進行相應(yīng)處理，并疊加自己的OSD系統(tǒng)。處理器由兩個部分組成，一個是16位的M16C/62系列MCU，負責(zé)執(zhí)行電視主控程序，控制電視系統(tǒng)的運行；另一個是圖像處理器SVP-EX52，在MCU的控制下處理輸入的圖像數(shù)據(jù)并輸出給屏幕顯示。圖像處理器的主要功能有以下幾點，一是將輸入的隔行掃描的圖像轉(zhuǎn)換成逐行掃描的圖像，二是將輸入的24Hz,30Hz等低于60Hz場頻的圖像轉(zhuǎn)換成60Hz，三是對畫面解析度和形狀大小進行調(diào)整，重新填寫像素矩陣，使得圖像可以按需求縮放和處理。

　　高清信號的數(shù)據(jù)量很大，以1280×720p為例，每秒需要輸出給顯示屏幕的圖像數(shù)據(jù)量為1280×720×24×60bit,約等于1.327Gbit，所以傳輸率要求非常高。LVDS即低電壓差分信號技術(shù)達到幾個Gbit的傳輸率，可以滿足需要，所以圖像處理器輸出的高清視頻信號需要調(diào)制成LVDS信號傳給大尺寸的LCD液晶屏幕或者PDP等離子屏幕。
 

                                                                                  圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

        2.3 模塊接口

       ①HDMI可以無壓縮傳送全數(shù)字音視頻數(shù)據(jù)，不需經(jīng)過D/A和A/D兩次轉(zhuǎn)換，所以傳輸沒有損失，質(zhì)量最好

        ②HDMI傳輸帶寬高達5Gbps，目前只使用2.5Gbps，可以滿足720p，1080i等各種分辨率視頻信號的傳輸要求

       ③相對模擬視頻傳輸有更高的抗干擾能力

       ④連接簡單，使用方便只用一根電纜即可實現(xiàn)音視頻連接和簡單數(shù)據(jù)傳輸功能

       ⑤提供HDCP（High-bandwidth Digital Content Protection）技術(shù)，可以保護通過該接口傳輸?shù)拿襟w的版權(quán)

       UART接口是嵌入式系統(tǒng)中常用的通信接口，兩個嵌入式CPU，Sti7710和M16C/62都支持UART接口，所以通過它交換命令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)兩個CPU的任務(wù)同步和數(shù)據(jù)交換，為實現(xiàn)單一系統(tǒng)映像提供底層支持

         對于雙處理器的數(shù)字電視系統(tǒng)，單一系統(tǒng)映像指單一的UI系統(tǒng)和單一的數(shù)據(jù)訪問控制

        數(shù)字電視UI主要包括遙控器操作和OSD顯示、系統(tǒng)菜單等電視與外置機頂盒是用兩個遙控器分別控制的，各自有一套獨立的OSD和系統(tǒng)菜單，所以需要實現(xiàn)遙控器和OSD、系統(tǒng)菜單的統(tǒng)一

        數(shù)字電視作為信息終端接收數(shù)據(jù)廣播，維護一個簡單的嵌入式數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫在DVB模塊中維護，是實時更新的在此數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上提供EPG（電子節(jié)目導(dǎo)航）、Teletext（圖文電視）、Subtitle（字幕）、MHEG（超媒體）等信息服務(wù)用戶可以通過這個數(shù)據(jù)庫，方便的管理節(jié)目列表、瀏覽網(wǎng)絡(luò)信息[8-9]

        兩個系統(tǒng)的OSD顯示、系統(tǒng)菜單應(yīng)該作為一套系統(tǒng)整合在其中一個模塊上HDTV是顯示設(shè)備，DVB的OSD和視頻疊加在一起作為圖像傳給HDTV，HDTV在上面再疊加自己的OSD，傳給屏幕顯示所以整個系統(tǒng)的OSD應(yīng)該整合在HDTV模塊上DVB模塊不再生成OSD，也不響應(yīng)遙控，只響應(yīng)HDTV通過串行通信接口發(fā)送過來的菜單命令，并將需要顯示的結(jié)果通過串行通信接口傳給HDTV的OSD顯示

        EPG、Teletext、Subtitle、MHEG等數(shù)據(jù)服務(wù)的訪問接口同樣在HDTV的菜單界面上給出，但是由于它們的數(shù)據(jù)量比較大，HDTV模塊的非易失性存儲器比較小，所以不能全部移到HDTV系統(tǒng)存放，仍保存在存儲器空間比較大的DVB模塊上當(dāng)系統(tǒng)需要顯示這些數(shù)據(jù)時，由HDTV模塊向DVB模塊發(fā)出數(shù)據(jù)請求，DVB模塊將數(shù)據(jù)傳送給HDTV的OSD顯示，HDTV模塊并不需要保存這些數(shù)據(jù)

        TV模塊處理器與DVB模塊處理器是并行工作的，二者為了協(xié)同工作，需要傳遞命令、同步狀態(tài)與交換數(shù)據(jù)兩個處理器之間的通信和操作通過UART接口實現(xiàn)根據(jù)應(yīng)用需要，協(xié)議從下往上由物理連接層、鏈路驅(qū)動層、傳輸層和應(yīng)用層組成傳輸層以數(shù)據(jù)包為單位，包括包發(fā)送和包解析兩部分功能數(shù)據(jù)包基于ASCII碼字符傳輸，格式如圖2所示，各字段定義如下

        Packet type：包傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，"C"表示包傳輸?shù)臑槊睿?quot;D"表示數(shù)據(jù) "S"表示狀態(tài)；

        CRC：簡單的CRC-8糾錯碼，用來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/div>

        End byte：終止字符，定義為ASCII碼0x0AH（回車符）

        Data block字段為包的數(shù)據(jù)塊，根據(jù)Packet type決定的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型的不同，內(nèi)容根據(jù)需要將安裝命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)這三種情況作不同的約定

 

        3.3 軟件結(jié)構(gòu)

 

        HDTV模塊分為ATV和DTV兩個狀態(tài)，當(dāng)HDTV模塊處于ATV狀態(tài)時，將DVB模塊關(guān)閉，只留HDTV模塊工作，整機只實現(xiàn)普通電視的功能當(dāng)HDTV模塊處于DTV狀態(tài)時，將DVB模塊打開，系統(tǒng)處于雙處理器協(xié)同工作狀態(tài)DVB模塊輸出音視頻信號通過HDMI接口傳給HDTV模塊播放

圖3雙處理器協(xié)同工作的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

        系統(tǒng)只使用一個遙控器，遙控鍵碼在ATV和DTV不同狀態(tài)下由兩個模塊復(fù)用遙控器命令由HDTV處理器響應(yīng)，HDTV對遙控器命令作分析，如果是對電視機本身的遙控操作則由電視機作相應(yīng)操作，如果是對DVB的遙控操作則映射成控制DVB模塊的命令，通過通信協(xié)議的包發(fā)送程序?qū)⒚畲虬鼈魉徒oDVB模塊，DVB處理器的包解析進程從包中提取出命令內(nèi)容，然后處理器做指定的動作，同時返回相應(yīng)狀態(tài)

 

        系統(tǒng)只在HDTV處理器上維護一個OSD系統(tǒng)，當(dāng)HDTV在DTV狀態(tài)下，需要顯示DVB的數(shù)據(jù)時，通過通信協(xié)議向DVB模塊請求顯示數(shù)據(jù)，DVB模塊將需要OSD顯示的數(shù)據(jù)也通過通信協(xié)議的傳給HDTV模塊，HDTV模塊的包解析程序?qū)?shù)據(jù)內(nèi)容提取出來交給OSD顯示

因此，通過這種方法，在HDTV模塊上實現(xiàn)了單一用戶界面，在DVB模塊上實現(xiàn)了單一數(shù)據(jù)訪問控制整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可見圖3所示

 

        4 結(jié)論

 

        基于雙處理器的高清數(shù)字電視設(shè)計在硬件和軟件上都有一些新的技術(shù)難點，不僅意味著功能的整合，同時要求雙處理器能協(xié)同工作，實現(xiàn)單一系統(tǒng)映像本文給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提出了通過串行通信在雙處理器之間同步命令與狀態(tài)、交換數(shù)據(jù)來實現(xiàn)單一系統(tǒng)映像的方法這一設(shè)計思想為高清數(shù)字電視開發(fā)提供了一種思路，也對其他基于多CPU的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計有一定的參考價值

 

        參考文獻

 

        [1] Nam LingNien-Tsu Wang. Real-time video decoding scheme for HDTV set-top boxes[J]. IEEE Transactions on Broadcasting200248(4) :353–360.

        [2] Jun XinMing-Ting SunByung-Sun ChoiKang-Wook Chun. An HDTV-to-SDTV spatial transcoder[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 200212(11): 998–1008.

        [3] YamauchiH.OkadaS.TaketaK. Single chip video processor for digital HDTV[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics.200147(3): 394-404.

        [4] Sti7710 Data sheet STMicroelectronics. [DB/OL]. www.st.com.

        [5] KugeT. Wavelet picture coding and its several problems of the application to the interlace HDTV and the ultra-high definition images. Proceedings of International Conference on Image Processing2002 Volume 3: III-217- III-220.

        [6] 舒國麗金韜任秀麗.網(wǎng)絡(luò)電視機頂盒GUI系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].小型微型計算機系統(tǒng)200223(10):1270-1273.

        [7] 夏愷 薛永林.MPEG-2 TS流分析模塊及系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].微計算機信息2005(20):85-87.

        [8] 劉寶鋒張文軍.機頂盒應(yīng)用軟件模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程200430(8):85-87.

        [9] 李小將樊天晴胡正國.嵌入式系統(tǒng)在信息家電中的應(yīng)用[J].計算機工程200228(4):192-193.