基于地面高清機頂盒的PVR系統設計與開(kāi)發(fā)

基于地面高清機頂盒的PVR系統設計與開(kāi)發(fā)

2006年8月18日，國家標準化管理委員會(huì )正式發(fā)布了我國具有自主知識產(chǎn)權的《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》標準(簡(jiǎn)稱(chēng)“中國數字電視地面傳輸標準”)。該標準支持高清晰度電視(HDTV)、標準清晰度電視(SDTV)和多媒體數據廣播(MMDB)等多種業(yè)務(wù)，滿(mǎn)足大范圍固定覆蓋和移動(dòng)接收的需要。地面高清數字廣播系統于2008年7月投入使用，已成功進(jìn)行了北京奧運會(huì )的全程直播，并將直播2010年上海世博會(huì )。針對地面高清市場(chǎng)的各類(lèi)產(chǎn)品及技術(shù)應運而生，而PVR功能則是相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)中的難點(diǎn)和亮點(diǎn)。
??? PVR的全稱(chēng)是Personal Video Recorder(個(gè)人視頻錄像機)，但其實(shí)際功能超出了名稱(chēng)的表述。PVR的突出特點(diǎn)是以硬盤(pán)為存儲媒介，建立本地的海量緩沖區和節目存儲庫，利用數字化處理技術(shù)，實(shí)現對節目的控制和管理。數字化和存儲技術(shù)是PVR技術(shù)的核心，PVR技術(shù)和數字機頂盒結合而產(chǎn)生的PVR機頂盒，將兩種先進(jìn)技術(shù)相結合，將電視生活向前推進(jìn)了一步。PVR數字機頂盒應用于數字電視系統，相對于模擬PVR，它把數字化放在前端，而不是在機頂盒客戶(hù)端上來(lái)進(jìn)行數字編碼，使得節目更清晰、終端成本更低、節目控制更方便。．PVR機頂盒把硬盤(pán)錄放技術(shù)和電子節目指南(Electronic Program Guide，EPG)相結合，將節目的內容和節目的信息相關(guān)聯(lián)，方便節目的查詢(xún)和管理，亦可根據節目單進(jìn)行預約錄像，操作簡(jiǎn)單方便。PVR技術(shù)和數字機頂盒的結合是電視節目播放技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
??? 本文研究在嵌入式系統下ADTB-T高清電視信號以及標清電視信號的PVR功能的實(shí)現。論文主要針對高清電視信號特有的高碼率TS流傳輸和處理與嵌入式系統的相對緊張的系統資源這一矛盾進(jìn)行研究，通過(guò)軟硬件的配合實(shí)現PVR的各項基本功能，并在此基礎上，通過(guò)緩存技術(shù)，實(shí)現錄制與播放的無(wú)縫連接，同時(shí)充分利用ADBT-T信號提供的EPG信息，方便用戶(hù)預約錄制，并提供人性化的界面設計，提高用戶(hù)友好度。

1 硬件架構
??? 本系統基于Sigma Designs公司的EM8622平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用主頻為202MHz的ARM7中央處理器、128MBDDR內存、以及8MB FLAsH芯片，配合上海高清HD2910國際融合芯片，可以支持地面高清數字信號以及標清模擬信號的兼容播放與無(wú)損錄制，同時(shí)配合時(shí)鐘板和地面廣播信號配套EPG，可以實(shí)現電視節目的定時(shí)錄制、自動(dòng)開(kāi)機預約錄制以及斷電續錄功能。硬件框架圖如下圖1所示：

??? 如圖，射頻信號由天線(xiàn)接收后送至HD2910TUNER(調諧器)板解調為MPEG2格式的TS(Transport Stream)流，經(jīng)RISC架構的2D圖形引擎處理后傳輸至DEMUX(解復用)芯片，經(jīng)解復用后分為APES流(打包的音頻基本碼流)和VPES流(打包的視頻基本碼流)。此時(shí)根據錄制模式的不同，數據的走向也不同，具體分類(lèi)如下：
??? (1)只播模式：通道1開(kāi)，通道2、通道3關(guān)。APES／VPES流輸送到DECODER(解碼芯片)解碼后生成音／視頻數據，分別進(jìn)行音／視頻輸出。
??? (2)只錄模式：通道2開(kāi)，通道1、通道3關(guān)。為了保證錄制文件碼率的穩定，將APES／VPES流經(jīng)過(guò)PCI總線(xiàn)送至系統緩存，緩沖3至5s后再經(jīng)PCI總線(xiàn)分別保存為音／視頻硬盤(pán)文件。
??? (3)邊播邊錄模式：通道1、通道2開(kāi)，通道3關(guān)。打開(kāi)通道1，APES／VPES流經(jīng)DECODER解碼后輸出至音／視頻終端，同時(shí)打開(kāi)通道2，將PES流數據經(jīng)系統緩存后保存至硬盤(pán)。

(4)錄像播放模式：通道3開(kāi)，通道1、通道2關(guān)。打開(kāi)硬盤(pán)音視頻文件，將數據送到系統緩存，然后經(jīng)過(guò)音視頻同步處理后再傳輸到DECODER，最后進(jìn)行相應的音／視頻輸出。
??? (5)時(shí)移播放模式：通道2、通道3開(kāi)，通道1關(guān)。時(shí)移播放即指通過(guò)硬盤(pán)的緩存能力，用戶(hù)可以像操作本地文件一樣暫停當前播放的電視節目，過(guò)任意時(shí)間后繼續播放，或者隨時(shí)回放已播精彩鏡頭。在這種模式下，系統先將APES／VPES流經(jīng)系統緩存后保存為硬盤(pán)音／視頻文件，然后根據用戶(hù)需要可以隨時(shí)將硬盤(pán)文件音／視頻解碼并輸出。
??? (6)預約錄制模式：與邊播邊錄模式類(lèi)似，不同之處在于利用EPG和時(shí)鐘板定時(shí)喚醒系統進(jìn)行節目的錄制。

2 軟件結構
??? 本系統采用sigma Designs公司提供的配套軟件開(kāi)發(fā)包(SDK)，主要分為兩個(gè)部分：Armutils開(kāi)發(fā)包與EM8623L開(kāi)發(fā)包。
??? Armutils開(kāi)發(fā)包主要包含uClinux內核、文件系統、編譯工具、編譯環(huán)境等與ARM芯片相關(guān)的軟件。使用Armutils開(kāi)發(fā)包來(lái)生成PVR機頂盒的運行內核，以及機頂盒應用程序的編譯與調試環(huán)境。
??? EM8620L開(kāi)發(fā)包主要包含Envision EM8623L開(kāi)發(fā)板的相關(guān)驅動(dòng)，啟動(dòng)引導程序(Boot Loader)，以及名為DCC(Decoding Chain Control)的用戶(hù)接口，用戶(hù)程序可通過(guò)DCC庫的調用實(shí)現對底層硬件的訪(fǎng)問(wèn)，PVR機頂盒應用程序的開(kāi)發(fā)都是基于這些接口與驅動(dòng)之上的。圖2簡(jiǎn)單描述了解決方案提出的軟件開(kāi)發(fā)層次結構。

3 關(guān)鍵實(shí)現技術(shù)
3．1 音、視頻同步技術(shù)
??? 電視信號錄制產(chǎn)生的音、視頻數據各自以PES包的形式存儲在硬盤(pán)上，當它們被讀出并且被解碼播放時(shí)，隨之就會(huì )產(chǎn)生音頻和視頻之間的同步問(wèn)題。
??? 數字電視廣播的MPEG-2數字碼流中包括兩種時(shí)間信息：用于機頂盒本地系統時(shí)鐘與廣播系統前端時(shí)鐘同步的節目時(shí)鐘參考(Program Clock Reference，PCR)，位于TS包的首部；以及用于音視頻同步的展現時(shí)間戳／解碼時(shí)間戳(Presentation Time stamp／Decoding Timestamp，PTS／DTS)，位于PES包的首部。在本PVR系統中，由于音、視頻數據是以PES包的格式被存儲到硬盤(pán)的，所以PCR并沒(méi)有被存儲；而另外一方面，在播放已錄節目時(shí)，音、視頻數據是實(shí)時(shí)從硬盤(pán)中讀出的，讀取數據和播放數據都同屬于PVR系統內部的操作，所以并不存在系統間時(shí)鐘同步的問(wèn)題，因此，在PVR系統的回放操作中不用考慮PCR。所以在錄像回放過(guò)程中，只能利用PTS／DTS來(lái)維持音頻與視頻的同步。播放錄像時(shí)，幀速率(FrameRate)決定了視頻數據的解碼速率，所以可以將視頻PTS作為基準，將音頻PTS與之相比較，以此調整音頻解碼的速率，從而達到使音頻與視頻同步的目的，具體采用的方法如下：
??? (1)視頻數據被傳送到解碼單元的視頻緩沖區的過(guò)程中，對它進(jìn)行解析，記錄其中的PTS，并構建視頻PTS表；
??? (2)對于音頻數據，也同樣構建音頻PTS表；
??? (3)在解碼過(guò)程中將視頻PTS作為基準，修正解碼單元中由系統時(shí)鐘驅動(dòng)的SCR(系統時(shí)鐘參考)計數器的值；
??? (4)根據音頻緩沖區指針的位置，在音頻PTS表中查找相應的PTS值，將此值與SCR計數器的值相比較，作為調整音頻解碼速率的依據，從而控制音頻解碼器解碼動(dòng)作，實(shí)現音頻數據跟隨視頻數據的同步。
3．2 緩存技術(shù)
??? 如圖2所示，經(jīng)過(guò)前端解調得到的TS流經(jīng)由2D圖像引擎處理后進(jìn)入DEMUX模塊。DEMUX模塊是一個(gè)集成在主控芯片中的特殊微處理器，主要任務(wù)是進(jìn)行TS流的分析和解復用。由于硬盤(pán)的傳輸速率有限，因此為了減少磁盤(pán)讀寫(xiě)次數，系統在內存中開(kāi)辟一塊緩沖區用以緩沖音、視頻數據，當緩沖區數值達到門(mén)限時(shí)，將其存儲數據寫(xiě)入硬盤(pán)。寫(xiě)數據與寫(xiě)硬盤(pán)兩個(gè)操作采用并行的線(xiàn)程來(lái)執行，線(xiàn)程間通過(guò)信號進(jìn)行同步。
??? 而在錄像文件的回放過(guò)程中，從硬盤(pán)中讀出的音、視頻PES文件分別放入音、視頻緩沖區中，系統不斷檢測緩沖區數據大小，如果數據小于門(mén)限值，則通知數據傳輸線(xiàn)程把新數據送入。
??? 錄像文件的記錄方式包括兩種。正常錄制的文件大小隨著(zhù)錄制時(shí)長(cháng)的增長(cháng)而增加，直到節目錄制完成或者硬盤(pán)空間耗盡為止。而在時(shí)移錄制模式下，錄像文件大小固定，它包括了寫(xiě)指針和讀指針。在開(kāi)始時(shí)移錄制時(shí)，寫(xiě)指針開(kāi)始往后移動(dòng)，畫(huà)面靜止在開(kāi)始錄制的時(shí)刻。當回復收看時(shí)，讀指針與寫(xiě)指針同步向后移動(dòng)，寫(xiě)指針在節目結束時(shí)停止移動(dòng)，而讀指針自然在與寫(xiě)指針重合時(shí)停止移動(dòng)。需要指出的是，由于時(shí)移錄制并不以錄制文件并回放為目的，所以播放過(guò)的節目即被丟棄，因此該文件是一個(gè)循環(huán)文件，寫(xiě)指針與讀指針在到達文件末尾時(shí)跳回文件開(kāi)頭。由于硬盤(pán)空間所限，循環(huán)文件大小即為最大時(shí)移錄制時(shí)長(cháng)，超過(guò)該時(shí)長(cháng)則時(shí)移模式失效。
??? 通過(guò)緩存技術(shù)的使用，系統大幅度減少了硬盤(pán)I／O次數，提高了系統效率，同時(shí)也達到了保護硬盤(pán)的效果。同時(shí)，緩存技術(shù)和音、視頻同步技術(shù)相結合，實(shí)現了電視節目的回放以及時(shí)移播放，真正體現了數字化PVR的強大人機交互功能。