一种基于PC机的数字电视接收系统

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引言随着计算机技术、数字处理及图像压缩技术等高科技迅猛发展，传统电视走进了数字电视的新时期。（数字电视—指从节目摄制、制作、编辑、存储、发射、传输，到信号接收、处理、显示等全过程完全数字化的电视系统。）伴随着电视广播的全面数字化和互联网技术的发展，数字电视信号不仅可由“机顶盒+电视机”的模式接收，而且也可以在PC机上直接收看。本文阐述和分析了用PC机接收数字电视信号的实际意义和发展趋势，并给出一个基于PC机的数字电视接收系统的实现方案。 1. 国外主要技术标准及我国数字电视标准化现状1.1  国外数字电视技术标准目前国际上数字电视主要有三种标准[1] ：1）欧洲ETSI的DVB（Digital Video Broadcasting 数字视频广播）；DVB是将数字视频、音频和多媒体数据信号编码为MPEG-2视频、音频及多媒体信号，经过复用为信源输出信号。可分别馈送至DVB-S/C/T信道。DVB家族三成员：1、  用于卫星数字电视广播的DVB-S卫星信道的特点是：可用频带宽、功率受限、干扰大、信噪比低。所以要求采用可靠性高的信号调制方式，并要求有较强的信号纠错能力，对带宽要求不是特别高。因此DVB-S采用前向纠错(FEC)(包括Viterbi编码、交织、RS编码及加扰等电路)、正交移相键控(QPSK)调制的信道处理方式，然后发送给卫星链路；接收时进行相反的处理。DVB-S标准已为全球所认同。2、  用于有线(同轴电缆)数字电视广播的DVB-C有线信道的特点是：信噪比高、频带资源窄、存在回波和非线性失真。这就要求DVB-C采用带宽窄、频带利用率高、抗干扰能力较强的调制方式。同时，由于信道信噪比高、误码率较低，对纠错能力要求不很高，因此,DVB-C的信道部分采用RS码、卷积码交织和正交幅度调制(QAM)技术。DVB-C为欧洲、澳大利亚、北美、南美等一些国家接受。    3、用于地面数字电视广播的DVB-T地面广播的特点是：地形复杂、存在时变衰落和多径干扰、信噪比较低，而且要支持移动接收。因此，DVB-T采用前向纠错(FEC)(包括内码交织、内码Viterbi编码、外码交织、外码RS编码)和能有效消除多径干扰的正交频分复用(COFDM)以及格雷码映射4/16/64QAM调制等技术进行信道处理。然后在原来用于模拟的6MHz、7MHz和8MHz频带内发送数字电视节目。DVB-T发送的比特率是可变的。数字电视地面广播DVB-T已在欧洲、澳大利亚、新加坡进行了广泛的测试试验并得到认可[2]。 2)日本DiBEG的ISDB-T（Integrated Services Digital Broadcasting 综合业务数字广播），源于DVB； 3)美国先进电视委员会ATSC（Advanced Television System Committee 先进电视制式委员会）的DTV。ATSC的DTV是一种地面数字电视广播标准，与DVB-T形成竞争，已在澳大利亚、新加坡等国家与DVB-T进行对比试验。目前接受该标准的国家和地区有美国、加拿大、墨西哥、阿根廷、韩国、台湾等。另外，北美地区在卫星数字电视广播方面接受DVB-S、DSS(休斯数字卫星系统)标准；在有线数字电视广播方面接受OpenCable(美国CableLabs制定的数字有线标准，该标准接受ATSC制式以及国际电讯联盟（ITU）的ITU-TJ83的用于电视、声音和数据服务的有线数字多节目制式)。 ATSC系统由信源编码和压缩、业务复用和传送、射频/传输3个子系统组成。信源编码和压缩可分别用于视频、音频和辅助数据。在HDTV系统中，视频编码使用MPEG-2视频码流语法，音频编码采用杜比AC-3数字音频压缩标准。业务复用和传输子系统是将视频、音频和辅助数据从各自的数据流分组中打包并复用为一个单一数据流，该子系统采用MPEG-2传送码流语法。传送中充分考虑了各种数字媒体和计算机接口间的互操作性。射频/传输子系统完成信道编码和调制。接收是发送的逆过程[3]。 1.2  我国数字电视标准化现状1999 年我国开始实施数字电视产业化专项，第二年成立了全国数字电视标准委员会，中国数字电视标准制订工作正式启动。信息产业部和国家广电总局也都为此成立了专门的标准制订专家组，进行国内外数字电视标准的整理和研究工作。
                          
                       
                          
                                目前，在数字电视地面标准方案中，风头最劲的两派分别是以清华为首的、采用多载波调制技术的DMB-T（即“北派”），及以上海交大为核心的采用单载波调制技术的ADTB-T（“南派”）。2004 年11 月以来，清华和上海交大都进行了地面传输的实验，均获得了成功。更令人兴奋的是，2005 年1月22 日，基于清华大学DMB-T 制的中国第一块拥有完全自主知识产权的“中视一号”数字电视地面传输芯片在复旦大学问世，这被称为“中国数字电视百万门级专用集成电路自主设计和制造技术的重大突破”。2006年9月，我国数字电视地面无线传输的技术标准业已通过，来年即将正式实施。 2.    用PC机接收数字电视信号的意义和发展趋势2.1   用PC机接收数字电视信号的意义 个人计算机（PC）在数字电视的发展中扮演这一个重要的角色。巨大的使用量（超过3.5亿台）、公开的技术标准和低廉的成本。用PC实现数字电视的接收比用“机顶盒+电视机“的接收模式更具有互动性和随意性，用户可以通过实时点播，根据自己的喜好不受限制地收看自己想看的节目。PC的显视器具有百万像素的分辨率，已经完全可以显示高清晰度电视（HDTV）图像。另外，在PC平台上开发HDTV的花费也相当低。通过PC实现数字电视的接收比单独购买昂贵的数字电视接收装置要便宜与实用，使其对消费者更具有吸引力。另外，由于计算机网络使用的是TCP/IP协议，用户还可以非常容易地将电视服务和互联网浏览、电子邮件、以及多种在线咨询、娱乐、教育及商务功能结合在一起。2.2  发展趋势 我国数字电视历经数年的研究已经获得长足的发展，并获得了国家、政策的全力支持。目前，相关部门已经为数字电视的发展设置了时间段：2008年数字奥运，2015年最后期限。现在许多用户已经使用模拟的电视卡在PC机上观看电视节目。这表明电视和PC的结合已经具有相当大的市场份额。在过去的几年，基于PC机的模拟电视接收卡市场有着稳定的发展。由于其丰富的视觉感受和交互式数据增值服务，DTVPC卡以成为比现今的PC机模拟电视接收卡更引人瞩目的一种解决方案。当“电影式的”娱乐项目与PC机的实时交互性相结合的时候，数字电视的观感效果比模拟电视有了相当大的增强。一个购买模拟电视卡的潜在用户，将会更加愿意多投入些资金购买这种既支持模拟电视又支持数字电视的合成板卡，以避免冒很快就被淘汰的“机顶盒+模拟电视机”的风险。而且，消费者也可以在考虑花费大量资金为室内添置一台高清晰度电视机之前，尝试在PC监视器上感受高清晰度电视的良好效果。广电公司在DTVPC卡的安装使用有了一定基础的同时，也有信心制作更多的数字电视节目内容，这将从总体上推动了数字电视产业的发展。最近几年，网络电视（IPTV）发展迅速，它作为一种新的媒体，覆盖了广播、电视、报纸、互联网、电信网等五大媒体。它是综合了信息技术，网络技术，计算机技术发展起来的。目前，我国的数字电视和网络电视的发展开始进入快速轨道，政府正在加大推进力度。可以说，正确处理好传统数字电视和现在的网络电视之间的关系，解决网络电视的版权、各方利益的问题，让广大用户能够在自家的PC电脑上收看到高质量的数字电视节目，是业内目前需要解决的问题和行业未来发展的趋势。 3． 基于PC机的数字电视接收系统（DTVPC）3.1  DTVPC解决方案 DTVPC解决方案必须满足以下要求才能被消费者广泛接受：· 单一板卡方案可以同时完成实际的HDTV和传统模拟电视的接收；· 安装简单、方便；· 可以被大众消费市场接受的价格；· 支持PC屏幕显示格式。数字电视接收卡还必须支持多级同步显视器和普通的PC显示分辨率，如1024×768，800×600和640×480。如果这种板卡除了支持ATSC和NTSC节目外，还支持DVD回放，那么它对消费者的使用价值又将得到极大的提高。图1是基于PCI接口的DTVPC卡的一种技术方案。这个接收卡上有16MB容量的SDRAM存储器，用于支持实际的HDTV显示格式（可以到720P和1080I）。DTV卡与图形子系统之间通过一条模拟回环电缆连接，它将图形显示卡的RGB视频数据和水平、垂直同步信号引入接收卡中。模拟开关在DTVPC和图形显示卡中进行选择。DTVPC解码器可以被编程来控制这个模拟开关。当解码器的视频输出被选择时，不管引入的视频格式如何，都可以在PC机的屏幕上全屏显示HDTV广播节目。
                          
                       
                          
                                这种方案还允许在图形桌面上以视频窗口的形式来显示。解码器可以同步输出与CCIR 601数字视频兼容的高清晰度模拟视频。CCIR 601 视频数据通过PCI总线的视频接口端口（VIP）送入图形卡的视频抓取端口，图形卡将传来的视频数据覆盖到显示图形顶部的一个视频窗口中，观看者可以选择全屏的HDTV输入方式，也可以在PC上进行其他工作的同时，从一个视频窗口中观看数字电视节目。

图1 DTVPC解决方案 3.2  DTVPC解决方案的基本功能目前在“机顶盒+电视机”模式中的所有优点，都可以在DTVPC方案下实现。此方案的主要功能有：· 多播（multicast）接收：在同一个电视台发送多套节目时特别有用，观看者将有机会选择他们想看的节目或者同时收看所有的节目。· 记录和回放（record/playback）：这项功能和录像机或者录音机的功能相同，使用PC机的硬盘驱动器，使观看者将有可能收到的内容保存下来供以后观看。·暂停和时间切换（pause/time shift）：这项功能与录像机或录音机不同的是观看者有机会在实况广播进行的同时对其暂停，然后重新开始。· 数据广播：单从技术上看，数字电视广播只是一连串简单的连续数据流，它可以发送图片、声音、多媒体游戏等多种与所看电视节目相关的内容，使观看者的体验更具有个性化。· 交互式电视：实时交互性使观看者可以在MTV广播的同时购买音乐CD，或参与游戏节目的竞争[4]。DTVPC卡在交互式电视市场中将成为一种理想的构件。这是由于大多数的PC已经具有实现交互式电视所必须的最重要的功能——为观看者提供反馈的机制。现在大多数PC机都与因特网连接，使观看者随时可向服务提供商发送点播等控制信息。3.3  DTVPC解决方案的技术特点DTVPC解决方案的核心是解码器。解码器的实现有三种基本方法：软件解码、硬件解码和硬件辅助+软件解码。1.软件解码将所有的处理工作都交了PC机的CPU。这种方法CPU的负担很重，对CPU的性能要求很高。一块PⅢ750MHz的CPU加上高性能的图形芯片仅仅可以实现对480P的数字电视码流的解码，如果对HDTV格式的码流进行软件解码，仅解码部分就需要CPU高达1GHz的处理能力。2.硬件解码使用专用的DTV解码芯片，这种方案不依赖CPU或图形芯片即可完成DTV码流的解码，对CPU带宽的消耗非常小，可以在绝大多数的PC上使用，但板卡成本较高。3．本方案采用硬件辅助+软件解码的方法。它由三部分组成：接收卡、高性能的CPU和图形芯片。其中，接收卡包括一个数字电视调谐器和8-VSB解调器，负责接收DTV广播信号并传送给CPU。CPU对传送来的信号进行分离，并使用软件算法对数字电视码流解码。图形芯片中集成的运动补偿电路和反余弦变换（IDCT）逻辑可以帮助CPU完成部分工作。这种处理方案在CPU性能和板卡成本之间有较好的折中。一块PIII 550 MHz的CPU和一块高性能的图形芯片就可以对1080I格式的数字电视码流解码。 4．  结束语本文在阐述了数字电视技术现状和DTVPC系统技术特点和技术要求的基础上，结合目前的技术水平，拟定了一个DTVPC系统的初步方案，采用硬件辅助加软件解码的方法，使PC机CPU的性能要求和板卡成本之间获得了较好折中。但因为DTVPC系统的技术还在不断发展中，该方案能否投入商用，还有待进一步完善和检验。