有线数字电视讲座第四讲-有线数字电视机顶盒-2

《中国有线电视》2004（21）CHINA CABLE TELEVISION・实用连载・有线数字电视讲座第四讲 有线数字电视的机顶盒（2）□冯传岗，宋 茜（泰州市广播电视局，江苏泰州225321）中图分类号：TN949.197 文献标识码：E 文章编号：1007-7022（2004）21-0085-05（上接第19/20期）4 视频解码视频解码单元从输入基本分组数据流中恢复模拟视频信号，其中包括拆分数据包、解压缩、与有关业务同步、数模转换等处理过程。

输出模拟信号至外部基带视频输出端口，以及输出到RF 射频调制器（可选的）。

（1）视频模块的主要功能视频压缩数据流的获取有两个来源：一个是从TS流里解复用出来的视频部分数据流；一个是从一段固定存储区里获得的一段视频流，如图10所示。

图10 视频解码示意图每个接收设备可能有多路视频流输入和输出，视频的输出均显示于视频层。

①视频解码模块能够接收的输入流格式a.MPEG -2视频PES 和ES （Elementary Stream 基本流）；b.MEPG -1视频流。

②主要实现功能a.选择不同的视频输入；b.视频解码控制；c.静止画面；d.画面的剪切、缩小与放大；e.画面位置调整；f.混合度调整；g.输出格式控制；h.同步效应。

（2）视频解码过程视频解码器的原理如图11所示。

来自码流解复用器的视频数据经过视频先进先出存储器的缓冲，进入视频解码存储器。

按照视频编码的逆过程，解码需要进行Huffman 解码、反量化、IDCT （反余弦变换），得到原始帧图像I 帧。

然后根据I 帧预测得到P 帧，这中间需要运动矢量的结合；按照I 帧、P 帧以及其他数据，获得双向帧B 帧等等；经过对GOP （图像组）显示顺序的重新排列，可以在存储器中获得原始图像的帧序列，送到显示区域。

图像解码器的所有工作过程由内置的RISC 处理器控制完成。

图11 视频解码器原理图视频解码器需要有芯片外部的存储器来保持压缩的视频数据和解压缩后的图像。

解码过程中，视频解码器在支持NTSC （720×480）或PAL （720×576）4:2:0格式时，最少需要有2MB 存储器。

通常解码器58需要4MB 存储容量，以支持视频解码的基本功能，包括输入视频数据速率缓冲、帧图像缓存、用户数据缓存、VBI （Vertical Blanking Interval ：场逆程图文广播）数据和OSD（On Screen Display ：在屏显示）数据缓存等。

视频解码过程对存储器的要求见表1。

表1 视频解码存储器需求表功能NTSC PAL-xMB PAL-2MB 用户/参量数据512512512帧缓存160128017856001633024OSD 缓存655356553565535VBI 缓存000压缩视频缓存355000380000380000总容量202232822316482079072图13 节目基本流PES 结构视频解码模块必须保持视频解码与参考系统时钟同步。

当视频流来源于解复用模块时，由于MPEG -2音视频流均分开为两个独立的基本节目流，且视频流中不同帧的顺序也需要重新排列，所以视频解码模块必须从包中提取PTS 信息，使视频的播放与参考STC （System Time Clock ：系统时钟）同步，而STC 又与从TS 流中提取的PCR 信息保持一致。

系统通过对PCR 的控制来保证音视频播放的同步。

编码器和解码器的时序模型如图12所示，其中所有的数字化图像和音频采样进入编码器，经一恒定的端到端延迟后，在解码器的输出端分别显示。

视频和音频数据来样率在编码器和解码器中严格相等。

图12 编解码时序模型在图12的时序模型中，从编码器的输入到解码器的输出之间的延时将根据具体设备的缓冲区设置和设备能力而变化，因此表示音频和视频信息的编码数据在相应数据流中的相对位置不能表示同步信息。

另外，编码器中音频和视频采样率差别很大，它们之间是否有严格的固定关系，还取决于数据流是节目流还是多路复用的传输流。

编码器中有共同的系统时钟，此时钟可用来产生一种时间标记，便于指示音频和视频正确显示和保证解码时序的同步，同时也可以用来指示音视频采样时间和系统时钟的对应关系。

在MPEG -2标准中，指示音频和视频输出时间的时间标签称为展现时间标签（PTS ）；指示解码时间的称为解码时间标签（DTS ）；指示系统时钟值的称为系统参考时钟（PCR ）。

正是由于解码器采用两者共同的系统时钟，在解码器中按照系统参考时钟产生解码时间标签，才能保证编码和解码之间、视频和音频之间构成精确的同步。

图13表示MPEG -2定义中的节目基本流PES 的形成元素，PES 是将节目基本流ES 封号成数据包的形式，在有效数据（PES Packet Bytes ）之前规定了PES 包识别符（Stream id ），指示PEG 包长度（PEG Packet Length ），以及满足固定包长要求的填充字节（Steffing Bytes ）等。

在可选的PES 包头中，指定有关该PES 的某些必要附加信息，而在可选域（Optional Fields ）中，可以找到时间标签PTS 或DTS 信息。

PTS 通过33位二进制数组成的字段表示在该包有效载荷数据中第一个单元在解码器中的预定展现时间。

PTS 数值在系统时钟为27MHz 时，采用90kHz 的频率周期为计数的最小时间单位，由式（5）规定：PTS （k ）=｛［system -clock -fer-qucncy ・tpn（k ）］・DIV300｝%×233（5）其中tpn （k ）是展现单元pn （k ）的展现时间。

与式（2）比较可见，在同一时刻，PTS 和PCR-base 具有相同的数值。

（3）解码器中系统时钟的恢复在MPEG -2标准中，除了PTS 和DTS 字段外还有参考时钟标签。

这些参考时钟标签为系统时钟的采样值，可用于编码器和解码器，在解码器中用来实现系统时钟恢复的控制，从而保证对所有解码器有足够的68冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（2） 《中国有线电视》2004年第21期精确度。

在MPEG -2节目流中，参考时钟称为系统时钟参考（SCR ），在传输流TS 中，则以节目时钟参考PCR 出现，可以认为它们是同一种含义。

如果解码器的时钟频率和编码器的时钟频率严格匹配，那么视频和音频的解码和展现将自动和编码器保持相同的速率，而端到端的延迟将为常数。

当编码器和解码器时钟匹配时，任何正确的PCR 值可用来标定解码器系统时钟STC ，而且此后不需要进行更多的调整，解码器系统时钟将和编码器相同。

但实际情况中，编码器自主系统时钟频率不与编码器的系统时钟完全匹配，解码器的系统时钟STC 可以利用接收到的PCR 值而跟踪编码器时钟，跟踪的实现可按图14所示来进行。

图14 使用锁相环的系统时钟恢复图14表示一种经典的锁相环电路，本讲图6也是根据这一原理实现的。

当要求一个新的时间基点时，比如接收机切换频道，开始一个新的节目播放，解码器系统时钟STC 被设置为接收到的PCR 值，装入STC 计数器，然后进行锁相环操作。

锁相环工作过程为，当每一个PCR 到达解码器时，此值和STC 的当前值比较，产生一个以27MHz 频率周期为最小单位表示的误差数e ，表示环路误差。

e 值序列送入低通滤波器并放大，输出为控制信号f ，来调整压控振荡器的瞬时频率，压控振荡器VCO 输出27MHz 左右的振荡信号，作为解码器的系统时钟频率。

27MHz 时钟送到计数器中产生当前的系统时钟STC ，如图8中所示的结构，一部分是27MHz 时钟构成的精确部分（占低9位比特）；另一部分是该频率的1/300，即90kHz 的较粗略部分（占高33位比特），这部分将跟踪节目的展现时间标签PTS 的变化。

如果解码器收到的PCR 值和时序代表了编码器中恒定频率STC 的瞬时正确采样，则误差项e 在环路达到锁定状态后将变为一基本恒定值，同时VCO 的频率瞬时值变化基本为零。

在环路被锁定的过程中，VCO 频率的变化率，也就是频率抖动率能由低通滤波器和增益的设计而严格控制。

通常VCO 变化率按照解码器缓冲区的大小和延迟的限制而设计，以满足应用要求。

（4）PCR 抖动如果传输网络或传输流经过多路复用，使数据从编码器或者存储系统到解码器的传送延迟发生了变化，这种变化可能引起PCR 值和它被实际接收时的应有值之间产生差值，这就是所谓PCR 抖动。

解码器输入的时间抖动通过PCR 值和它被收到的时间联合反映，假设时间抖动由误差项e 表示，非零的e 导致27MHz 系统时钟发生变化。

根据特殊的应用要求，恢复时钟的频率变化在解码器系统中可能接受，也可能不接受。

例如在产生复合视频输出的精确时序解码器中，所恢复的时钟频率通常要产生复合视频采样时钟和彩色副载波；彩色副载波频率稳定性要求只能允许系统时钟频率有缓慢的调整。

在这种情况下，PCR 的抖动量过大被认为是不能接受的，而且此情况不能通过加大数据缓冲区大小的办法来克服。

传输流TS 的多路复用或者再次复用改变了数据包的次序和相对时域位置，因此也改变了PCR 的性质。

PCR 时域位置的改变使原来正确的PCR 值变为错误，因为通常它们的值不反映其本身在一恒定延迟网络中被发送的时间。

同样，具有正确PCR 值的节目流或传输流的发送网络在数据流上增加了一可变延迟，却没有校正PCR 值，这种效果又是一种PCR 抖动，随时会影响解码器操作。

（5）视频分量的重构解码器输出产生视频分量，时间精确度和稳定性的要求通常比复合视频的要求低。

通常，频率容许值即为显示偏转电路系统所能够接受的值，而稳定容忍值由避免显示中可察觉图章错位的需要决定。

具体操作过程如下。

在同步起始点，如切换频道或发生错误执行恢复时，视频解码器从视频数据包PES 中提取展现时间标签PTS ，与系统时钟STC 进行比较，决定是否需要重新同步。

当视频PTS 与STC 的比较结果不超过允许范围时，解码器按正常操作输出图像；若超过允许范围，则解码器的图像输出根据误差的极性，或者重复当前图像，或者丢弃下一小B 帧图像。

当下一个图像不是B 帧图像时，丢弃P 帧图像，而在没有P 帧图像可丢弃的情况下，丢弃I 帧图像。

5 音频解码音频解码模块是用来控制音频解码，并输出到不同的声道中，其输出有两种：模拟输出和数字输出。

模拟输出包括5.1声道输出（通过6个RCA 接到音响喇78《中国有线电视》2004年第21期 冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（2）叭上）和2声道立体声输出；数字输出采用S /PDIF 格式输出编码的音频数据流或原始的音频数据流。