系统全面地阐述了有线数字视频广播系统所涉及的技术以及ATSC系统的构成，并针对ATSC终端接收设备机顶盒，在工作原理、模块构成和关键技术方面作了较为详细的介绍。<--摘要CH(结束)←-->
<--→关键CH(开始)--> 关键词：机顶盒，模块构成，关键技术
<--关键EN(结束)←-->1 引 言
随着科技进步及数字技术的发展，广播电视进入了从模拟广播到数字广播的过渡阶段。自从欧洲率先于20世纪80年代提出数字视频广播的概念之后，欧美国家的企业和研发机构用了近8年的时间完成了数字视频广播技术的研发以及标准的制定，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于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（Packet EssentialStream／EssentialStream）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 TelevisionSystems 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；信道编码采用格形编码残留边带（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6MHz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，离散余弦变换（DCT）编码和熵编码等算法，压缩率可达30～50倍，但其代价是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，要经过以下处理：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4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2bit，所以比特率相当于21．52Mbps，除去同步开销和检错冗余，净比特率为19．28Mbps。
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频下变换和8VSB信道解调，并输出TS流；后端部分实现TS流的解复用，并将视频和音频的ES／PES流分别送入相应的音视频解码器，最终输出视频和音频信号。系统的整体控制部分由后端的主控CPU负责，包括I2C总线、前端的信道解调、TS流解复用、音频解码和视频解码、以及遥控器和键盘等流程控制。图3表示了ATSC制机顶盒的系统设计框图。
3．2 前端解调模块设计
（1）调谐器（Tuner）
调谐器通过I2C总线来控制，完成高频调谐并输出中频信号。有些调谐器没有I2C总线，而是由3根控制线来设置调谐参数，此时，要求机顶盒的主控芯片带有一定数量的编程端口。另外，信道解调器根据中频信号幅度，通过AGC信号来调节调谐器输出的中频信号幅度，使其稳定在一定的范围之内。中频信号输出幅度通常较小，需要经过中频放大器，然后送入8VSB解调器。
（2）信道解调器
8VSB解调器收到中频信号后，对其进行模数转换，然后逐级进行解调。信道解调器可以直接对输入44MHz中频信号进行A／D采样，提供AGC信号调节中频信号增益。正常工作状态下，解调芯片先通过非相关AGC模式使中频信号幅度在A／D采样范围之内，接着进行载波锁定和同步信号恢复，实现同步后，相关AGC模式进一步细调中频信号幅度，然后依次进行NTSC（National Television System Committee）同频干扰滤波、信号均衡、9相位跟踪锁定以及FEC处理（包括格状解码、去卷积交织、RS解码和去随机）等步骤，最后输出TS码流。实际解调的每一步都可以通过内部寄存器来跟踪。解调过程中各阶段信号的实际性能，如锁定状态、信噪比、误码率等可以由解调芯片内部的寄存器指示。
3．3 后端解码模块设计
（1）主控CPU
主控CPU实现操作系统的各种控制功能，同时完成TS流解复接。一方面，主控CPU解析来自前端送入的TS流，提取相关的PSI（Program Specific Information）表，并利用PID（Packet Identifier）过滤器来分离音视频ES或PES流，实现TS流解复用。另一方面，主控CPU管理多个进程，如视频解码、音频解码、红外遥控、键盘响应、前端解调和TS解复用等，控制着接收机的解码全过程。
，ATSC制数字电视机顶盒研究