系統全面地闡述了有線數字視頻廣播系統所涉及的技術以及ATSC系統的構成，并針對ATSC終端接收設備機頂盒，在工作原理、模塊構成和關鍵技術方面作了較為詳細的介紹。
??? 關鍵詞：機頂盒，模塊構成，關鍵技術

1 引 言
　　隨著科技進步及數字技術的發展，廣播電視進入了從模擬廣播到數字廣播的過渡階段。自從歐洲率先于20世紀80年代提出數字視頻廣播的概念之后，歐美國家的企業和研發機構用了近8年的時間完成了數字視頻廣播技術的研發以及標準的制定，極大地推動了數字電視的發展。美國于1995年通過了ATSC數字電視標準。歐洲制定了包括DVB－T在內的一體化數字電視廣播標準，目前側重于標準清晰度數字電視。日本從模擬高清晰度電視研究轉向數字電視之后，確立了ISDB－T的地面廣播標準。三種標準在信源編碼方面相似，都采用MPEG－2視頻壓縮，高清晰度電視圖像常用格式為1920×1080，每秒60場／50場隔行，最大的區別是信道調制和傳輸方式的不同。因此，三種制式接收機的不兼容主要在于接收機信道解調模塊。

　　圖1表示了數字電視廣播和接收系統基本原理。從內容上分為信源部分和信道部分；從結構上分為發送端、傳輸網絡和接收端。發送端包括信源編碼（音視頻編碼）、業務復用、信道編碼和調制。傳輸網絡既可以是地面廣播，也可以是有線電視和衛星接收。調制信號到達接收端，先進行信道解調形成基帶TS流，然后進行解復用，形成音視頻PES／ES（Packet EssentialStream／EssentialStream）流分別解碼，最后輸出音頻和視頻信號。
2　ATSC電視制式簡介
　　ATSC的英文全稱是Advanced TelevisionSystems Committee（美國高級電視業務顧問委員會）。該委員會于1995年9月15日正式通過ATSC數字電視國家標準。ATSC制信源編碼采用MPEG－2視頻壓縮和AC－3音頻壓縮；信道編碼采用格形編碼殘留邊帶（VSB）調制，提供了兩種模式：地面廣播模式（8VSB）和高數據率模式（16VSB）。隨著多媒體傳輸業務的不斷發展，為了適應移動接收的需要，近來又計劃增加2VSB的移動接收模式。下面從信源部分和信道部分來作介紹。
2．1　信源編碼與解碼
　　由于數字化的HDTV原始視頻數據量非常大，碼率高達1Gbps以上。為了能在一個6MHz頻道帶寬內廣播HDTV信號，必須采用壓縮比很高的視頻壓縮算法。ATSC制采用MPEG－2視頻壓縮。MPEG－2視頻壓縮格式分為4級5類，從低分辨率圖像到高清晰度視頻有十幾種格式，其中，MP＠HL格式完全符合HDTV廣播需要。MPEG－2視頻壓縮采用了運動估計和補償，幀內預測和幀間預測編碼，離散余弦變換（DCT）編碼和熵編碼等算法，壓縮率可達30～50倍，但其代價是MPEG－2壓縮算法運算量極大。AC－3有5＋1聲道編碼，可以復用成TS流。信源解碼是編碼的逆過程，包括TS的解復用和音視頻ES的解壓縮，整個過程符合MPEG－2和AC－3的解壓縮語法。HDTV解碼運算量相對較低，是壓縮編碼運算量的十分之一。
2．2　信道調制與解調
　　以地面廣播8VSB模式為例，信道調制與解調原理如圖2所示。發送端：碼率為19．39Mbps的TS流輸入到信道調制單元。信道編碼過程包括數據隨機處理、RS糾錯編碼、卷積交織、格狀編碼、同步信號插入，形成符號率為10．76Msym／s的8電位符號流（八種電位：±7V，±5V，±3V，±1V）。然后進行模擬處理，插入導頻，預均衡和單邊帶調制，最后送到發射機。接收端：射頻RF經調諧器鎖定，形成中頻IF輸出，A／D變換后逐級進行8VSB信道解調處理，完成解調后輸出碼率為19．39Mbps的TS流。8VSB傳輸模式的參數如表1所示。

　　對TS流進行信道編碼，要經過以下處理：首先，TS包中187個字節和一個偽隨機序列按比特位異或運算（TS包長度為188個字節，同步頭0x47沒有進行異或和RS編碼），使TS流數據隨機化，碼率仍然是19．39Mbps。隨機化后數據送入t＝10（207，187）的RS編碼器，每個TS包增加20校驗字節，包長度為208字節，碼率上升為21．52Mbps。然后又通過（208，52）的卷積交織器，可以抵御長度相當于4ms的突發干擾。在格狀編碼之前還通過一個12符號交織器。格狀編碼采用2／3模式，即每兩個比特輸入形成3比特輸出，此時碼率升為35．28Mbps。映射處理將每3比特數據映射到一個8電位符號，每個符號相當于映射前的3比特，格狀編碼前的2比特。插入段同步、場同步后，便組裝成為數據幀。每一數據幀包括兩個數據場；每一數據場由313個數據段組成，其中第一個數據段作為該場的同步；每個數據段又由832個8電位符號組成，其中開始4個符號作為該段的同步。于是形成了符號率為10．76Msym／s的數據流，由于一個符號表示2bit，所以比特率相當于21．52Mbps，除去同步開銷和檢錯冗余，凈比特率為19．28Mbps。
3　機頂盒系統設計
3．1　數字電視機頂盒系統構成
　　ATSC制機頂盒系統可分為兩個相對獨立的模塊：前端信道解調和后端信源解碼。前端和后端接口的數據格式是TS碼流。前端部分主要完成高頻下變換和8VSB信道解調，并輸出TS流；后端部分實現TS流的解復用，并將視頻和音頻的ES／PES流分別送入相應的音視頻解碼器，最終輸出視頻和音頻信號。系統的整體控制部分由后端的主控CPU負責，包括I2C總線、前端的信道解調、TS流解復用、音頻解碼和視頻解碼、以及遙控器和鍵盤等流程控制。圖3表示了ATSC制機頂盒的系統設計框圖。

3．2　前端解調模塊設計
??? （1）調諧器（Tuner）
　　調諧器通過I2C總線來控制，完成高頻調諧并輸出中頻信號。有些調諧器沒有I2C總線，而是由3根控制線來設置調諧參數，此時，要求機頂盒的主控芯片帶有一定數量的編程端口。另外，信道解調器根據中頻信號幅度，通過AGC信號來調節調諧器輸出的中頻信號幅度，使其穩定在一定的范圍之內。中頻信號輸出幅度通常較小，需要經過中頻放大器，然后送入8VSB解調器。
??? （2）信道解調器
　　8VSB解調器收到中頻信號后，對其進行模數轉換，然后逐級進行解調。信道解調器可以直接對輸入44MHz中頻信號進行A／D采樣，提供AGC信號調節中頻信號增益。正常工作狀態下，解調芯片先通過非相關AGC模式使中頻信號幅度在A／D采樣范圍之內，接著進行載波鎖定和同步信號恢復，實現同步后，相關AGC模式進一步細調中頻信號幅度，然后依次進行NTSC（National Television System Committee）同頻干擾濾波、信號均衡、9相位跟蹤鎖定以及FEC處理（包括格狀解碼、去卷積交織、RS解碼和去隨機）等步驟，最后輸出TS碼流。實際解調的每一步都可以通過內部寄存器來跟蹤。解調過程中各階段信號的實際性能，如鎖定狀態、信噪比、誤碼率等可以由解調芯片內部的寄存器指示。
3．3　后端解碼模塊設計
??? （1）主控CPU
　　主控CPU實現操作系統的各種控制功能，同時完成TS流解復接。一方面，主控CPU解析來自前端送入的TS流，提取相關的PSI（Program Specific Information）表，并利用PID（Packet Identifier）過濾器來分離音視頻ES或PES流，實現TS流解復用。另一方面，主控CPU管理多個進程，如視頻解碼、音頻解碼、紅外遙控、鍵盤響應、前端解調和TS解復用等，控制著接收機的解碼全過程。
??? （2）視頻解碼器
　　視頻解碼器完成符合MPEG－2壓縮標準的視頻實時解碼，包括MP＠HL格式。解碼器外接128Mbits的SDRAM，用于解碼過程中的數據存儲。視頻解碼時，主控CPU解析ES流或PES流幀以上高層語法，提取圖片尺寸、比特率、量化矩陣等控制參數，然后將參數寫入解碼器的控制寄存器。而幀以下的，涉及大運算量的視頻解碼，主要通過視頻解碼器的硬件解碼單元實現。視頻解碼器支持ATSC制中的所有18種格式及其中的某些格式轉換，它既可以輸出8bit的標準清晰度視頻信號，也可以輸出24bit高清晰度視頻信號。它還支持OSD（On－Screen Display），通過節目信息和頻道選擇的顯示，使用戶具有本地信息交互功能。
??? （3）音頻解碼器
　　音頻解碼由單片兼容MPEG－2和AC－3的音頻解碼器完成，不需要外部存儲器。解碼過程中，主控CPU可以通過8bit數據接口或者通過I2C接口來控制音頻解碼器。音頻解碼器可接收MPEG－1，MPEG－2，AC－3和PCM多種音頻數據輸入，具有3路雙聲道PCM數據串行輸出接口和一個S／PDIF數字音頻輸入口。
3．4　機頂盒解碼流程分析
　　數字電視機頂盒的源程序裝載于FLASH ROM內。加電啟動后，各芯片進行上電復位，主控CPU從FLASHROM內加載并運行程序。程序首先完成軟硬件初始化，包括時鐘初始化、系統內存初始化、前端解調初始化以及音視頻解碼寄存器初始化等，并建立多個工作進程。多進程模式使主控CPU能同時處理多個工作流程，還可以進行進程間的通訊控制。
　　系統完成初始化后，用戶通過遙控器選擇頻道，頻道選擇界面通過OSD顯示。主控CPU響應遙控器指令，通過I2C總線設置調諧器，使調諧器輸出中頻信號。中頻信號經信道解調器處理后，輸出TS流。主控CPU內PID過濾器實現TS流解復接，將相關的ES或PES流分別送入音視頻解碼器，最終輸出音頻和視頻信號。TS流中的節目信息經過解析并存儲，用戶通過OSD查詢菜單，了解相關的節目信息。對于多節目復合的TS流，用戶還可以通過節目指南EPG指定收看TS流中的某個具體節目。
3．5　機頂盒接收性能
　　ATSC制頻道帶寬為6MHz，可以傳送固定比特率19．39Mbps的數字電視節目，節目可以是單個高清晰度電視，也可以由4～5個標準清晰度電視節目復用而成，符號率為固定的10．76Msym／s。因此，ATSC制廣播電視的頻道搜索比DVB簡單，只需設定頻道參數。如果全頻道范圍內接收，也只需從頻道2到頻道69逐個搜索。
　　限于條件，實驗過程中采用閉路接收的方式，由碼流發生器輸出8VSB調制信號，載波頻率為473MHz（14頻道），信號直接通過一段電纜送到機頂盒的RF輸入端。主控CPU通過設定頻道參數，可在2s內實現頻道鎖定和8VSB解調，在4～5s內（包括8VSB解調和信源解碼）完成節目的解析和音視頻解碼，對于無節目的頻道0．5s內可判定。實際接收信號的信噪比要求高于16dB，否則，接收機無法解調或解碼時存在一定的誤碼。
4　結束語
　　有線數字視頻廣播使得高清晰度電視與數據廣播得到了飛速的發展，并加快了有線電視網中雙向業務及利用電視機連接因特網的業務實現，進而為家庭提供了高質量音畫的廣播業務和高速的因特網接入。在充分發揮數字視頻技術和有線電視網絡各自優勢的前提下，不斷地協調發展，ATSC技術走入尋常百姓家指日可待。
　　如果說電視機的出現是20世紀人類娛樂業最重要的發明，那么我們可以斷言，數字視頻廣播技術將成為21世紀人類娛樂業的又一里程碑。數字電視也將隨著業務和技術的進一步發展逐漸走向成熟。未來的數字電視機頂盒不但會在已知的領域內功能更趨完善，也將在未知的領域里開拓更廣闊的空間。 1　許　波．有線數字視頻廣播系統綜述．2002中國國際有線電視技術研討會，北京，2002
2　張茂明．三種數字電視標準的比較．中國有線電視導航，2003（2）
3　武振蘇．有線電視數字機頂盒技術．有線電視技術，2002（19～21）