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引言 目前，世界上已經(jīng)提出了多個(gè)地面數字電視標準：如歐洲的DVB-T、美國的ATSC、日本的ISDB-T，并且都達到實(shí)用階段，許多國家和地區都在選擇自己的數字電視地面廣播(DTTB：Digital Television Terrestrial Broadcasting)系統。而用于手持移動(dòng)終端的標準有：T-DMB(韓國)、DVB-H(歐洲)、MediaFLO(美國)、StiMi(中國待定)其中，已商用的是韓國的T-DMB。在我國，北京廣播電臺在2006年9月初正式開(kāi)通了名為DAB的手機電視系統，通過(guò)電視塔覆蓋了北京六環(huán)以?xún)�，提�?2套數字廣播節目，同時(shí)對2套電視節目進(jìn)行測試播出。因此，如何快速設計一款可以接收手機電視信號的手持終端設備，以便奪取市場(chǎng)先機就是本文要討論的內容。 硬件設計 硬件設計概述 硬件配置的選擇要綜合考慮，如CPU的處理功能關(guān)系到最終的解碼顯示效果。當然，選擇一些高檔通用處理器，或者是專(zhuān)用的媒體處理器都能夠達到較好的效果，但卻增加了硬件的成本�？梢栽谧罱K顯示效果和硬件的選擇上采取折中方案。目前，能接收T-DMB和DVB-H標準的芯片還不是很多，可以選擇市場(chǎng)上的一些主流芯片。本文討論的這款產(chǎn)品的硬件配置為：S3C2440A(400MHz)，64MB的SDRAM，apollo fs1110, kino2efs1026�；究梢詽M(mǎn)足手機電視對硬件的需求。通過(guò)天線(xiàn)接收到的射頻信號送給射頻前端的RF調諧芯片APOLLO FS1110，主要作用是把射頻信號解調為IF(Intermediate Frequency)信號。這款芯片是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，可以接收多個(gè)標準的信號，而且體積小(5.0mmx5.0mmx0.9mm)，功耗低(80mW),擁有三個(gè)低噪聲前端放大器，涵蓋 L-Band、BandⅡ和BandⅢ三個(gè)頻段。apollo fs1110把IF信號送給kino2 efs1026，完成信源碼解碼輸出MPEG2-TS數據。kino2是一款高度優(yōu)化的基帶處理器，體積小(10mm×10mm×1.3mm)，功耗低(100mW)，可以提供各種DMB碼率，最高可以達到1.8Mbps，片上含有R-S解碼器，可以實(shí)現較佳的移動(dòng)信道性能。kino2把信源碼TS碼流送給CPU，由CPU完成TS流的解復用、解碼和顯示。硬件設計框圖如圖1所示。 圖1 硬件設計框圖 硬件各功能模塊描述 手機電視終端最終要做到支持多標準、多頻段，這也是市場(chǎng)的需求。由于現在開(kāi)展手機電視業(yè)務(wù)的三地所采用的頻段不太一樣，如北京和廣東采用了VHF Band 3，而上海采用了L- Band，因此，同一手機電視終端如果要在國內不同地區接收手機服務(wù)，需要支持多頻段。本文討論的T-DMB采用的工作頻段是VHF 3波段和L波段，因此，要使用FS1110的BandⅢ和L-Band;而B(niǎo)andⅡ主要用于FM廣播。FS1110的3個(gè)高頻輸入都可以使用，頻段選擇可以由FS1026通過(guò)IIC接口來(lái)控制，同時(shí)，FS1110內部寄存器的初始化也是通過(guò)此接口來(lái)完成的。 下游的FS1026基帶處理器模塊接收RF調諧器送過(guò)來(lái)的IF信號，最終完成信源解碼。輸出的MPEG2-TS數據支持并行和串行兩種格式。串行數據可以通過(guò)SPI接口和CPU直接連接�；鶐K還可以通過(guò)SCP(Serial Control Port)接口和CPU進(jìn)行控制信息的交換，SCP接口和IIC接口是完全兼容的。還可以用串口(UART)和CPU進(jìn)行通信。由于有的商業(yè)DMB節目經(jīng)過(guò)服務(wù)商加擾(經(jīng)過(guò)加密)，智能卡模塊可完成解擾功能。 CPU的功能是通過(guò)SPI接口接收TS數據，完成音頻和視頻的解碼后顯示。數據可以通過(guò)DMA進(jìn)行緩存，然后就可以從DMA中讀取數據進(jìn)行解復用。DMA方式為一種高速的數據傳輸操作，允許在外部設備和存儲器之間直接讀寫(xiě)數據，既不通過(guò)CPU，也不需要CPU干預。整個(gè)數據傳輸操作在DMA控制器的控制下進(jìn)行。CPU除了在數據傳輸開(kāi)始和結束時(shí)做一點(diǎn)處理外，在傳輸過(guò)程中，CPU可以進(jìn)行其它工作。這樣，在大部分時(shí)間里，CPU和輸入/輸出都處于并行操作狀態(tài)。因此，可以大大提高整個(gè)系統的效率。在WinCE平臺下，對DMA的操作相當方便，驅動(dòng)開(kāi)發(fā)難度不大，讀取數據就像操作普通文件一樣。只有一點(diǎn)區別，就是要防止DMA溢出。因為普通文件的讀取完全可控，而這里處理的是一種“實(shí)時(shí)”流，有可能發(fā)生溢出。溢出包括上溢(數據讀取過(guò)慢)和下溢(讀取過(guò)快)。和MPEG的解碼器接收端防止數據溢出的原理是一樣的，主要是由于圖像編碼的格式不一樣，發(fā)送的解碼器前端的數據速率并不是恒定的。MPEG采用流速反饋控制來(lái)控制數據溢出，使得到達音視頻解碼器的數據速率趨于恒定。對DMA的控制就簡(jiǎn)單些，用專(zhuān)用的一個(gè)線(xiàn)程讀取數據，解復用線(xiàn)程依據數據的多少，可以丟棄某些幀或者放慢解碼速度。不過(guò)一般還是丟幀的情況多。 硬件設計注意事項 設計硬件電路時(shí)的主要問(wèn)題就是高頻和電磁兼容，一般的方法是加屏蔽罩，可以把APOLLO FS1110加屏蔽罩，以減少模塊的空間干擾。當然也可以把APOLLO FS1110、KINO2EFS1026做成外置式模塊。還可以通過(guò)優(yōu)化原理圖的設計來(lái)減少高頻的影響。因為原理圖的好壞直接影響布局、布線(xiàn)的難度，以及以后板子性能的好壞。為了布局布線(xiàn)時(shí)能清晰地進(jìn)行分區設計，以減少各個(gè)功能模塊之間的影響，設計原理圖時(shí)應把數字、模擬和RF電路分開(kāi)。但是，由于手持設備體積較小，屏蔽罩一般是必不可少的。 軟件設計 T-DMB標準概述 T-DMB采用H.264 視頻壓縮標準，音頻采用專(zhuān)利費較低的MPEG-4 比特分片算術(shù)編碼BSAC(Bit-Sliced Arithmetic Coding)或者AAC+(歐洲T-DMB采用)，圖像格式為CIF(Common Intermediate Format)(352×288)，把這些音頻和視頻碼流加上一些用戶(hù)數據，經(jīng)過(guò)MPEG-4 SL(Sync Layer)同步層打包和MPEG-2 TS(Transport Stream)復用后，交給調制器調制為適宜在信道上傳播的信號發(fā)射出去。各種標準的接收端除信道解碼有較大差別，信源的解碼很相近。T-DMB系統發(fā)送端編碼器結構如圖2所示。 圖2 T-DMB發(fā)送端編碼框圖 其中的MPEG-4 OD/BINFS發(fā)生器產(chǎn)生視聽(tīng)對象、場(chǎng)景時(shí)空關(guān)系信息和視聽(tīng)對象的描述符信息。IOD發(fā)生器產(chǎn)生視聽(tīng)對象的初始信息：場(chǎng)景描述和對象描述信息。分段發(fā)生器主要收集SLP和IOD數據信息，用于產(chǎn)生和節目解復用相關(guān)的參考信息PSI(Program Specific Information)。在T-DMB的數據流中，可以通過(guò)解析PMT中的描述字段得到IOD_descriptor ,由IOD_descriptor可以得到場(chǎng)景、對象描述信息。由對象描述可以得到ES_ descriptor等信息。SL同步打包器主要負責視聽(tīng)對象和輔助數據的同步。SL包經(jīng)PES打包之后，再把PES包打為T(mén)S包發(fā)送給調制器。 軟件的功能描述 軟件的主要任務(wù)是TS流的解復用、H.264和AAC+的解碼，采用微軟的Direct Show技術(shù)開(kāi)發(fā)，可以降低開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)周期。Direct Show技術(shù)是微軟提供的Windows平臺多媒體開(kāi)發(fā)包，以COM為基礎。Direct Show使用Filter Graph的模型來(lái)管理整個(gè)數據流的處理過(guò)程。參與處理的各個(gè)功能模塊叫Filter，按功能分3類(lèi):Source、Transform、Rendering Filter 。Source Filter主要負責獲取數據和前期的處理;Transform Filter負責數據格式的轉換和傳輸，主要是負責解碼;Render Filter負責顯示。各個(gè)Filter和應用程序的交互靠事件通知機制來(lái)完成：Filter狀態(tài)改變時(shí)發(fā)出一個(gè)事件，由Filter Graph Manager處理或發(fā)給應用程序。整個(gè)軟件可以分為5大功能模塊，如圖3所示。TS解復用器模塊屬于Source Filter，作用是從DMA緩沖中獲取數據，然后從TS流中解析PAT(Program Association Table)和PMT(Program Map Table)，得到相關(guān)節目的音頻和視頻數據TS包的PID(Packet Identifier)之后，就可以組合PES(Packetized Elementary Stream)包，同時(shí)還可以得到和音視頻同步相關(guān)的參數：PCR(Program Clock Reference)、CTS(Presentation Time Stamp)、DTS(Decoding Time Stamp)，最后把PES包去包頭后的ES(Elementary Stream)數據發(fā)給下游的解碼Filter。H.264和AAC+解碼模塊屬于Transform Filter，主要功能是把從上游獲取的音頻和視頻數據進(jìn)行解碼，把解碼得到的PU(Presentation Unit)重新排序(只有用到雙向預測時(shí)需排序)，送給下游的生成器。視頻生成器和音頻生成器模塊屬于Rendering Filter，主要完成顯示功能。如果數據格式需要轉換，可以在解碼器和生成器之間加一個(gè)具有轉化功能的Transform Filter。 圖3 軟件模塊設計框圖 音頻和視頻的同步 軟件設計中的關(guān)鍵技術(shù)是解決音視頻同步的問(wèn)題。音視頻同步主要在 TS解復用器中解決。要想做到音頻和視頻的同步，需要用到這幾個(gè)參數：PCR、DTS、PTS�？梢栽赥S包的調整域中得到PCR,從PES包中得到PTS。PES包中的數據是SL包，可以從SL包頭中得到DTS。DTS是解碼時(shí)間，PTS是顯示時(shí)間。PCR是對編碼器90K時(shí)鐘的計數，它的作用是在解碼器切換節目時(shí)，提供對解碼器PCR計數器的初始值。PTS、DTS最大可能和PCR達到相同的時(shí)間起點(diǎn)，即對解碼器提供一個(gè)公共的時(shí)鐘參考，以便準確地進(jìn)行音視頻的同步。PCR捕捉到和DTS數值相同的時(shí)刻，就可以進(jìn)行音視頻解碼。因為視頻編碼的時(shí)候用到了雙向預測，一個(gè)圖像單元被解出后并非馬上顯示，可能在存儲器中留一段時(shí)間，作為其余圖像單元的解碼參考，在被參考完畢后才顯示。由于聲音沒(méi)有用到雙向預測，它的解碼次序就是它的顯示次序，故對它MPEG只提出PTS的概念，PTS就是音頻的DTS值。即： DTS=PTS (1) 如果得不到PTS，那么按下式計算： PTS=PTS_pre +Xms (2) 其中，PTS_pre表示前面一個(gè)AU的PTS，X是ACC+一幀的時(shí)間間隔，以ms為單位。 一般視頻對象分為I-VOP、B-VOP、P-VOP三種編碼類(lèi)型。假設在解碼器端的VO(Video Object)輸入次序為： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10……… I B B P B B P B B P B B P B B I B B P........ 由于視頻對象編碼時(shí)用到雙向預測，解碼器的實(shí)際解碼次序為： I P B B P B B P B B P B B I B B P B B ........ 顯示次序同解碼器的輸入次序。假設知道I幀的PTS和DTS。那么得到關(guān)于P幀： PTS_P4=PTS_I +33.67ms * 3 (3) DTS_P4=DTS_I +33.67ms (4) B1幀：PTS_Bn=PTS_I +33.67ms * 2 (5) DTS_Bn=DTS_I +33.67ms (6) B2幀可以參考上面的兩個(gè)式子。其中，33.67ms為視頻幀時(shí)間間隔。 軟件開(kāi)發(fā)注意事項 關(guān)于H.264的解碼效率問(wèn)題。軟件解碼部分采用開(kāi)源工程ffmpeg中的H.264解碼器，它效率高，方便移植，其中，關(guān)鍵運算，如IDCT、運動(dòng)補償等還在幾種不同平臺上用匯編進(jìn)行實(shí)現。把H.264解碼器移植到ARM平臺，對于IDCT和運動(dòng)補償匯編代碼，只需仿照其它平臺的代碼就可實(shí)現，其開(kāi)發(fā)難度并不大。音頻解碼部分可以參考FAAC和FAAD開(kāi)源工程。 結語(yǔ) 本文討論的是能夠接收符合T-DMB規范(各種標準的接收終端的差別很小)手機電視信號的嵌入式手持設備的軟硬件設計概述，這種設備使用戶(hù)可以不經(jīng)過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )直接獲得數字電視信號，能夠滿(mǎn)足人們隨時(shí)隨地對信息的需求。在實(shí)際的開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要硬件問(wèn)題是電磁兼容，軟件是音視頻的同步和H.264的解碼效率問(wèn)題。軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)集中在MPEG-2的解復用和Direct Show應用框架的設計�！� |
