数字高清技术与高清机顶盒设计浅谈

 

四川九州电子科技股份有限公司  闫书元

[摘要]  本文介绍了HDTV的基本概念、关键技术与标准、信号接口格式、图像分辨率等内容，同时在分析STi7710芯片技术功能的基础上，介绍了一种基于STi7710芯片的高清机顶盒整机设计方案。

[关键词] 数字电视；高清晰度电视；DVI接口；HDMI接口；STi7710芯片；机顶盒

 

Discussion on HDTV Technology and Design of HDTV  Set-Top-Box

                               Yan Shu-yuan

             (Sichuan Jiuzhou Electronic Technology Co.,Ltd)

[Abstract] This paper introduces the basic concept, key technology, signal interface format, picture resolution of HDTV, and also analyzes the structure of STi7710, introduces how to  design the HDTV Set-Top-Box based on chipset 7710

[Key words] DTV；HDTV；DVI；HDMI；STi7710；STB

 

数字技术的飞速发展，正在使电视广播事业发生着日新月异的变化。通信、计算机、网络、多媒体等技术的迅速成熟，使高清晰度电视（HDTV）开始了进入普通家庭。机顶盒也正在从作为收看电视节目的低端产品向多功能信息终端方向快速发展，而推动的主要因素就是数字高清电视技术。

 

 

数字电视系统（DTV）就是拍摄、编辑、制作、传输、接收等全过程都使用数字技术的电视系统，数字电视是未来家庭的数字多媒体处理和显示终端。数字电视按照清晰度可以分为3个等级：高清晰度HDTV、标准清晰度SDTV、普通清晰度PDTV。数字高清晰度电视(HDTV)是数字电视(DTV)标准中最高级的一种，它是水平扫描行数至少为720行的高解析度的电视，宽屏模式为16：9。  

HDTV数字高清电视机，可以分为“一体机”和“分体机”两种类型。一体机就是在电视显示器内置高清机顶盒（信源解码、信道解码、条件接收）的完整功能，可以标识为HDTV receiver。分体机就是不内置高清机顶盒功能的数字电视显示器（Monitor），以HDTV ready来标识，表示可以接收并正确显示出高清机顶盒输出的HDTV图像格式信号。由于我国的数字电视标准目前尚未正式颁布，市场上所谓的高清电视机，其实都是HDTV ready型。

世界上现行的数字电视标准主要有美国ATSC标准、日本ISDB标准、欧洲DVB标准。欧洲DVB组织制定了DVB-S\QPSK(卫星）、DVB-C\QAM(有线）、DVB-T\COFDM(地面）标准,在全球已经作为国际统一标准被大多数国家采用，许多国家和地区已经以DVB技术进行商业电视广播。

DVB不但可以传送SDTV节目，也可以传送HDTV节目。全世界的SDTV的用户已经超过一亿户，并且还在以每年数千万户的速度增长。SDTV和HDTV都是采用MPEG-2图象压缩标准，从技术上看它们之间没有根本区别，标准清晰度和高清晰度主要是选用什么样的显像管和什么样的显示模式。

HDTV的标准除了信源编码、信道编码和信号传输技术以外，在显示格式上也可以制定多种标准。HDTV作为数字电视家族中标准最高的规范，要求在节目制作、信号传输、设备接收等三方面都要达到数字电视家族中的最高标准。符合标准的HDTV接收机需要满足以下基本条件：

● 能接收、解调由高清晰度信号调制的射频信号；

● 图像清晰度上，必须在水平和垂直方向上均大于等于720电视线；

● 能解码、显示1920x1080i／50Hz或更高图像格式的视频信号；

● 图像显示的宽高比为16：9；

● 能输入、处理和显示其它的图像格式，如720×576等。

 

HDTV的输入信号接口主要有数字视频接口 (DVI：Digital Visual Interface)、高清晰数字多媒体接口(HDMI：High-definition Digital Multimedia Interface)、YPbPr模拟分量视频信号接口、D－SUB信号接口（VGA 接口）等四种形式。

 

2.1    YpbPr、YcbCr模拟分量视频信号

目前高清电视对模拟分量视频信号接口有YPbPr、YCbCr两种标识。YPbPr表示逐行扫描色差输入，YCbCr表示隔行扫描色差输入。实际上对YPbPr输入信号接口的要求不仅仅用于逐行扫描信号的输入，也是作为HDTV机顶盒输出的1080i隔行信号的信号输入。

新的国家数字电视标准将采用统一的YPbPr一种标识。视频分量输入接口支持包括480i、576i、576P格式的SDTV模拟分量视频信号；1080i/50Hz、1080i/60Hz、720P/50Hz、720P/60Hz格式的HDTV模拟分量视频信号。

 

2.2    D－SUB输入信号接口（VGA 接口）

D－SUB输入信号接口是计算机输出的图像显示格式, 高清晰电视通过D－SUB接口（VGA 接口）输入计算机图像显示格式的信号。D－SUB接口是采用15pin非对称分布的连接方式，输入模拟三基色视频信号（RGB）。

 D－SUB输入接口支持显示格式有: VGA-640×480、SVGA-800×600、 XGA-1024×768、SXGA-1280×1024、UXGA-1600×1200。                   

 目前市售数字高清CRT电视一般最高可支持XGA格式;数字等离子电视最高可支持SXGA格式。

 

2.3 数字视频接口(DVI)接口

DVI标准是1994年由Silicon Image、Intel、IBM、HP等公司共同组成数字显示工作组DDWG(Digital Display Working Group)推出的接口标准。它的基础是Silicon Image公司的PanalLink接口技术。DVI的设计目的是用来传输无压缩高清晰实时数字图像。DVI支持超过1600x1200的UXGA或者2048X1536的QXGA图像以及720P、1080I、1080P的高清晰数字电视信号的无压缩实时传输。

DVI接口的工作原理非常简单，就是将数码高清信号无损伤地传输给显示器。它具有传输过程中信号没有额外损失、可同时传输数字信号和模拟信号、可使传输速度加倍、解析度不受SXGA的限制、使用简单、降低成本等优点。

 

2.4  高清晰数字多媒体(HDMI)接口

随着时代的发展，DVI也表现出了一些缺点：接口外型尺寸较大，不适合装在便携设备上；只能传输适用于PC领域的数字RGB信号，而不支持数字色差信号YPbPr；无法传输数字音频信号等。

2002年初，由日立、Silicon、松下、飞利浦、Image、索尼、汤姆逊等公司成立了HDMI组织，开始制定新的专用于数字视频/音频传输标准。2002年底，高清晰数字多媒体接口HDMI 1.0标准颁布。HDMI最高支持5Gbps的传输带宽，而HDTV仅需要2.2Gbps，还有较大的裕量留给将来可能的更高标准的数字视频信号。表1为HDMI接口的主要技术特性。

 

表1      HDMI接口的主要技术特性

 

 

 

3.1像素 点距

屏幕上能够显示的像素数量，可以体现出一台电视机的图像表现能力。如HDTV电视机能够显示1920×1080个像素，也就是具备了207万像素，这远远超过普通模拟电视机不到9万像素的水平。

在显示HDTV最高规格为1920×1080的节目时，由于屏幕尺寸的不同，会造成点距的不同。如果要显示1920×1080的最高规格HDTV节目，32英寸HDTV电视机的点距应不大于0.38mm，36英寸HDTV电视机的点距应不大于0.43mm，这样才能将高清图像演绎完美。

 

3.2视频带宽

线数越多，图像越细腻，越清晰。图像信号所占频谱越宽，图像通道的通频带也越宽，因此图像通道的带宽度将限制图像水平分解力。隔行扫描的模拟电视的信道带宽是8MHz，逐行扫描的模拟电视的带宽是16MHz，而HDTV的带宽应为30MHz才能保证其图像质量。

 

3.3 PAL和NTSC制式

PAL是逐行倒相(Phase Alteration Line)的缩写，我国使用的是PAL制式，主要标准是每帧画面扫描625行，每秒扫描25帧画面。NTSC是美国国家电视标准委员会(National Television Standards Committee)的缩写，它规定每帧画面扫描525行，每秒扫描30幅画面。

 

3.4 帧频 场频 行频

　　帧频主要用于衡量视频信号传输的速度，单位为帧/秒(fps)。对于PAL, 帧频为25帧/S, 对于NTSC, 帧频为30帧/S.

场频又称为垂直扫描频率，是指每秒内对整个屏幕扫描的次数，通常以赫兹(Hz)表示。以60Hz刷新率为例，它表示显像管显示的内容每秒钟刷新60次。我国规定的HDTV的场频标准为50Hz。

行频又称为水平扫描频率，是指每秒内对屏幕扫描的水平线的数量，单位为kHz。行频值越大，显像管可以提供的分辨率越高，稳定性越好。我国规定的HDTV的行频标准为28125Hz。

 

3.5 扫描方式

分为隔行扫描、逐行扫描两种。隔行扫描是按奇、偶数扫描线作交替隔行扫描，这种扫描方式容易造成图像扫描线的抖动和图像闪烁等现象。逐行扫描是屏幕图像从第一条扫描线一直连续扫描到最后一条，而非先扫奇数条再扫描偶数条，逐行扫描可以消除因隔行扫描而产生的闪烁等现象。

HDTV电视机在隔行扫描的状态下，每秒只扫描了30幅完整的图像；而在逐行扫描的状态下，相当于每秒可以扫描60幅完整的图像。

 

 

目前SDTV和HDTV都是采用MPEG2图像压缩标准，SDTV和HDTV数字电视的显示格式一共有18种(HDTV 6种、SDTV 12种)。由于各国使用电视制式的不同，所以定义的HDTV的标准分辨率也不尽相同，目前的HDTV主要有以下三种显示分辨率格式：

720P   (1280×720，逐行)

1080i  (1920×1080，隔行)

1080P  (1920×1080，逐行)

常见的两种分辨率格式是720P和1080i。1080i是目前大多数国家普遍采用的一种模式，它的分辨率为1920×1080，拥有207.3万像素。在原采用NTSC制式的国家如美日韩，他们规定的1080i仍然采用60Hz场频，这主要是为了与其以前的标准接轨；我国规定1080i采用的是50Hz场频，也是为了与以前PAL制式的场频相同。

从技术上层面讲，开发720P这种显示分辨率明显比开发1080i更加复杂。不仅是因为它提供分辨率为1280×720，更最重要的是，720P采用的是逐行扫描，也就是说在同一时间需要达到720线的垂直清晰度水平，而不是像1080i那样一次扫描540线经过两次叠加，因此将牵涉到更高的行频输出，对显像技术的要求非常高。

我国准备选用1920X1080i-16:9标准体系。

 

 

5.1．主芯片结构及主要功能

STi7710为意法半导体（ST）公司最新推出一款集成度最高的单片高清机顶盒（HD-STB）解决方案。该芯片集嵌入式CPU、传输流解复用/解码、视频解码、图像处理、音频解码、高速USB2.0接口、数字视频接口（DVI）、高清多媒体接口（HDMI）等功能于一体。采用该芯片设计的数字高清机顶盒性价比很高。图1为STi7710芯片内部功能框图。

图1  STi7710芯片内部功能框图

 

STi7710集成的CPU核心是一个高性能的ST20，工作频率为200MHz；支持目前机顶盒市场上所有的中间件，同时能够支持未来的软件升级；支持统一的存储器DDR SDRAM接口，提高了RAM芯片的利用率和性能；嵌入的高性能图象引擎支持图形密集型任务。

显示接口方面，STi7710具有数字视频接口（DVI）和高清多媒体接口（HDMI），以确保STB以最小的系统成本获得最高的输出灵活性；通过嵌入的高级音频编码（AAC）解码器，提高了在低位率时的音频功能。

芯片集成了由SRS实验室开发的先进的音响技术SRS TruSurround XT，该技术通过两个扬声器的电视机或娱乐系统，可以再现影院级的虚拟环绕声。

内置的高速USB Host主控制器，数据传输速率可达480Mbps，比USB 标准1.1版快40倍，使许多外设可以连接到一台基本型高清机顶盒上，提供更多的附加功能。如增加一个硬盘驱动器（HDD），把机顶盒变成一个数字录像机（DVR）；允许机顶盒制造商为用户提供一个低成本的软件升级途径；连接数码相机或存储卡等多种外设。

为叙述方便，本文以数字高清有线机顶盒（HD-STB/DVB-C）的设计为例，其它高清卫星机顶盒（HD-STB/DVB-S）、高清地面机顶盒（HD-STB/DVB-T）的设计，在硬件上主要是前端高频头部分有一定的区别，而在软件部分整体架构基本是一致的。

 

5.2       整机方案架构

高频头的调谐模块接收射频信号并下变频为中频信号，然后进行A/D转换变为数字信号，再送入解调模块进行解调，输出MPEG传输流串行或并行数据。解复用模块接收MPEG传输流，从中解析出一个节目的PES数据，包括视频PES、音频PES。解复用模块中包含一个解扰引擎，可在传输流层和PES层对加扰的数据进行解扰。视频PES送入视频解码模块，对MPEG视频数据进行解码，然后输出到视频编码器，再经视频处理电路输出高清、标清格式的视频信号。音频PES送入音频解码模块，对MPEG音频数据进行解码，经音频输出处理电路输出模拟、数字音频信号。整机构成框图如图2所示。

前端单元：数字高清有线机顶盒前端单元支持Thomson公司DCF8728、Philips公司 CU1216  DVB-C高频头,主要完成输入信号的下变频和QAM解调功能。如将前端单元更换为DVB-T、或DVB-S 的高频头，则可成为高清地面机顶盒、或高清卫星机顶盒。

存储器单元： 该方案设计使用1片16MB FLASH、2片32MB DDR SDRAM以及1片8kB EEPROM。FLASH闪存用于存储机顶盒运行程序；EEPROM用于存储用户开机状态、频道参数；DDR SDRAM用于存储音视频解码数据、OSD位图，同时还存储应用程序运行时的数据。

               图2    数字高清机顶盒整机构成图

 

输出单元： 基于STi7710的高清有线机顶盒的设计提供输出单元包括视频输出、音频输出、USB2.0接口、RS232接口等部分。具体见表2。

软件部分： 软件开发是基于ST7710参考软件方案，STAPI软件包可以简化早期产品的软件移植工作。STAPI是ST开发的一个得到全面技术支持、说明详细的接口，在这个稳定的接口基础上创建应用程序。它将继续被保留在未来的芯片组上，使软件能够移植到下一代器件上。我们在稳定的高清基本型基础上，集成了国内主流的永新同方CAS2.1的条件接收技术,可以方便的接收加密节目；实现广播式的交互电视功能，为高清数字电视提供增值服务；支持电子节目指南（EPG），方便用户收看节目。

 

5.3主要技术指标

本方案的数字高清有线机顶盒主要技术指标见表2。

 

表2    数字高清有线机顶盒主要技术指标

 

 

基于STi7710方案的高清标清兼容数字有线机顶盒，具有交互、个人录像PVR等扩展功能。HDTV现在已经在全球形成了发展热潮，其技术、运营、产品等方面都趋于成熟，能够满足在线升级，兼容多种音视频接口以及兼容新型DVI、HDMI接口。本设计方案与国内外同类产品相比具有方案新、集成度高、功能强、性能好、操作简单、价格低等特点。

 

 

电视技术由模拟向数字、由标清向高清转化是技术发展的必然。2008年在我国北京举办的奥运会将采用高清转播，2006年开通运营的我国DTH卫星直播系统也将播出数字高清电视节目，全球平板电视用户群数量正在迅速增长，必将大大推动数字高清电视技术的发展和运用，也必将给数字高清电视产业带来无限的机遇与商机！

 

 

 

 

 

作者简介:

闫书元, 四川九州电子科技股份有限公司副总设计师,高级工程师，现从事高清机顶盒的研制。

 

Yan Shu-yuan, Vice general designer, Senior engineer, from Sichuan Jiuzhou Electronic Technology Co.,Ltd.