HDTV信源解碼器
作者：天津大學(xué)電信學(xué)院 傅建軍 張濤 國澄明 國狄飛
時(shí)間：2004-07-23
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關(guān)鍵詞: DSP; HDTV;C6701;STi7000; 解復用;AC-3
2002年5月B版
引言
數字高清晰度電視（HDTV）是繼黑白電視和彩色電視之后的新一代電視，HDTV接收機或機頂盒具有廣闊市場(chǎng)和巨大經(jīng)濟效益，已經(jīng)成為國際高科技領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。
HDTV接收系統由信道解碼、信源解碼、顯示終端組成。目前，多數HDTV信源解碼方案均由三片或三片以上的核心芯片組成，分別用于系統控制+解復用、視頻解碼、音頻解碼。為了提高系統的集成度，信源解碼方案正向著(zhù)兩片方案過(guò)渡，最終可能實(shí)現單片解碼方案。本文提出一種兩片解碼方案：用TI的TMS320C6701完成系統控制、解復用、音頻解碼；用STi7000完成視頻解碼。
圖1 信源解碼器硬件框圖
圖2 信源解碼器軟件結構框圖
圖3 軟件解碼數據流圖
硬件設計
本信源解碼方案的硬件設計如圖1所示。
系統的核心為T(mén)MS320C6701 DSP，采用EPROM固化系統程序。C6701配接SDRAM用來(lái)存儲數據和工作程序。FIFO1用來(lái)輸入TS。視頻解碼器STi7000映射到C6701存儲空間。STi7000配有SDRAM用來(lái)存儲視頻PES、各種圖像（解碼、參考和顯示幀圖像）及OSD數據。視頻后處理部分由THS8134 DAC、CPLD及運放組成。系統本地時(shí)鐘和PWM產(chǎn)生器由FPGA實(shí)現，它與VCXO、RC低通濾波器一起在C6701解復用軟件配合下完成27MHz時(shí)鐘恢復。音頻解碼由C6701軟件完成。音頻輸出部分由FIFO2、一個(gè) 74LS157和三個(gè)D/A芯片組成。音頻輸出所用時(shí)鐘和控制信號也由FPGA實(shí)現。
系統控制、解復用和音頻解碼
C6701是TI的高性能浮點(diǎn)DSP，時(shí)鐘為167MHz，具有1336MIPS能力。C6701的Memory Map選為Map0。在其存儲器的 CE0 空間中放置了1M*32位的SDRAM。在CE1空間放置了1M*16位EPROM。本系統使用ROM boot process，因此C6701的BOOTMODE[4:0] 引腳置為“10010”。C6701的程序超過(guò)64K字節，因此從0地址開(kāi)始執行的是一個(gè)Loader，它把EPROM中其他程序繼續傳送到SDRAM中。傳送完成后，CPU開(kāi)始從Loader以下的地址開(kāi)始執行程序。CE2空間用來(lái)放置異步器件，此時(shí)它的大小為4Mbytes。它被GAL內部的譯碼器等分為四個(gè)部分。前兩個(gè)部分放置STi7000；第三部分放置FIFO1；第四部分放置實(shí)現本地時(shí)鐘和PWM的FPGA。CE3空間僅放置FIFO2。
C6701 PLL模式被選為 *4 , 即輸入引腳CLKMODE[1:0] = 11b。41.75MHz由5V晶體振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)LVT125做電平變換后輸入給C6701。C6701的SDCLK輸出加給零延遲時(shí)鐘緩沖器CY2308后分兩路分別提供給SDRAM。C6701所用的3.3V（VCC3）和1.9V（VCC1.9）由PT6921產(chǎn)生。本系統有一個(gè) 14腳插座, 它可與XDS510 emulator(硬件仿真器)連接起來(lái)實(shí)現仿真。C6701的HPI和串口1不被使用，相應引腳與跳線(xiàn)連接，以便系統功能擴展時(shí)使用。
本系統輸入為并行TS，輸入接口由TS數據(TSData[7:0])，DVALID，BCLK and ERROR組成。當TS數據輸入達到2KB時(shí)，FIFO的/HF信號有效，它作為一個(gè)中斷信號加給C6701 INT6腳。接到此中斷后，C6701運行有關(guān)中斷子程序，DMA將2KB TS數據取出傳輸到C6701片內的SRAM中。該FIFO映射到C6701 EMIF CE2空間。
27MHz系統時(shí)鐘恢復由FPGA(EPF10K20)中的計數器/PWM模塊、外部低通濾波器和VCXO在C6701相應軟件的控制下完成。VCXO輸出的時(shí)鐘信號輸入給FPGA中的一個(gè)42位計數器產(chǎn)生本地時(shí)鐘LMCR。當C6701按一定算法求得PCR與本地時(shí)鐘的差值后，將此差值輸出給FPGA的PWM模塊，該模塊將此差值轉換為PWM信號后輸出給低通濾波器，取出直流后控制VCXO輸出頻率。經(jīng)一定時(shí)間的調整后，得到與發(fā)射方同步的27MHz。VCXO輸出的27MHz時(shí)鐘也提供給視頻解碼器使用。
視頻解碼
視頻解碼由ST公司的STi7000在C6701的相應軟件控制下實(shí)現。STi7000完成如下功能：a)接收C6701傳來(lái)的視頻PES并進(jìn)行句法分析，取出ES存入SDRAM，取出DTS、PTS存入相應寄存器。b)找到ES中各層的開(kāi)始碼并提取頭部信息，存入相應寄存器中，發(fā)中斷給C6701。C6701讀取這些頭部信息，并據此控制解碼流水線(xiàn)工作。c）STi7000的核心是硬件SLICE層以下解碼流水線(xiàn)。它從SDRAM中讀出ES，進(jìn)行解壓縮(VLD-反掃描-IDCT-運動(dòng)補償)得到重構圖像，并根據其類(lèi)型(I、B或P幀)存入SDRAM相應區內。在流水線(xiàn)開(kāi)始每一幀圖像解碼前，C6701要根據該幀類(lèi)型等參數向STi7000發(fā)解碼命令。解碼流水線(xiàn)另一個(gè)重要功能是實(shí)現隱錯。d)視頻格式轉換：圖像輸出前，可進(jìn)行各種格式變換(水平分辨率上下變換；垂直行數上下變換；隔行(I)和逐行(P)相互變換；3：2電影下拉模式和幅型比(4：3或16：9)變換(FULL、ZOOM、LETTERBOX和SIDEBAR)。e)實(shí)現OSD功能。
STi7000約有110個(gè)寄存器，分為配置、控制、存儲器存取、解碼指令、顯示、OSD、時(shí)鐘/鎖相環(huán)、D1接口、PES等9類(lèi)。 C6701對STi7000各寄存器的存取通過(guò)STi7000的8位微控制器接口進(jìn)行。該接口映射入C6701 EMIF CE2空間最低1MB內。其8位數據線(xiàn)接到LVT16245一邊；8位地址線(xiàn)接LVT16244輸出邊；片選(notA_cs)接GAL相應的輸出，讀寫(xiě)(A_RnotW)接LVT16244輸出/B_AWE上。中斷請求信號(notA_IRQ)接C6701 INT4腳。C6701通過(guò)STi7000的8位并行數據接口向STi7000寫(xiě)入視頻壓縮數據。該接口與上述8位微處理器接口共用8位數據線(xiàn)。壓縮數據請求信號接C6701 INT5腳。壓縮數據選通輸入notA_STRB則由GAL提供。
STi7000需要128Mbit的SDRAM存儲器，由兩片4*512K*32-Bit的100MHz SDRAM芯片組成。STi7000要求SDRAM具有如下特點(diǎn)：全頁(yè)Burst長(cháng)度；連續Wrap；3周期CAS Latency。SDRAM和STi7000實(shí)現“glueless(無(wú)膠合)”連接。
本系統采用TI的THS8134實(shí)現視頻輸出D/A變換。本系統只實(shí)現HD輸出方式。STi7000的24Bit Y、Cb、Cr數字視頻信號和PIXCLK直接輸出給THS8134，產(chǎn)生模擬Y、Pb、Pr分量信號。STi7000的PIXCLK、HSYNC和VSYNC信號加給一個(gè)CPLD(EPM7128)。該CPLD控制THS8134按照相應的標準(1080I格式對應SMPTE274M；720P格式對應SMPTE296M；480P格式對應SMPTE293M；480I格式對應SMPTE170M)分別在Y、Pb、Pr分量上疊加三電平(1080I和720P)或兩電平(480P)復合同步信號，然后經(jīng)運算放大器放大后輸出。這四種格式由C6701 TOUT0和TOUT1輸出的Displaymode0和1選擇。
當音頻開(kāi)始輸出時(shí)，C6701先將4KB數據寫(xiě)入FIFO2中。FIFO2映射入C6701 EMIF CE3空間。FIFO2的滿(mǎn)標志/FF信號有效，它觸發(fā)FPGA內相應模塊開(kāi)始工作，將音頻主時(shí)鐘12.2880MHz時(shí)鐘分頻產(chǎn)生LRCLK(左右時(shí)鐘信號，頻率48KHz)和SCLK(串行時(shí)鐘，頻率為3.072MHz)。SCLK信號作為FIFO2的讀信號，而LRCLK則作為74LS157的輸入選擇信號。當LRCLK為高電平時(shí)，左(左環(huán)、中央聲道)數據輸出給三個(gè)DAC芯片；當LRCLK為低電平時(shí)，右(右環(huán)、LFE)數據輸出給三個(gè)DAC芯片。MCLK、LRCLK和SCLK同時(shí)輸入給三個(gè)DAC芯片。由三個(gè)DAC輸出的5.1聲道經(jīng)放大后分別輸出。當FIFO2中已輸出2KB數據時(shí)，其/HF無(wú)效，此信號接至C6701 INT7輸入腳，觸發(fā)該中斷。C6701執行相應的中斷子程序，再向FIFO2輸出2KB數據，如此循環(huán)，保證音頻信號持續輸出。
軟件設計
系統的軟件結構如圖2所示。
在C6701內部有64Kbytes的數據SRAM和64Kbytes的Cache/Program SRAM。程序SRAM經(jīng)初始化用作Cache。64K字節的片內數據RAM被組織成兩個(gè)塊。它們的地址分別為8000 0000h到8000 7FFFh和8000 8000h到8000 FFFFh。當CPU的Side A和Side B或者DMA控制器同時(shí)使用不同塊時(shí)，不會(huì )引起沖突。因此，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)的數據位于不同塊時(shí)，不需考慮它們的地址。整個(gè)片內數據RAM分為五個(gè)部分：TS_Buffer(4K字節)用來(lái)緩沖輸入的TS；V_PES_Buffer(16K字節)用來(lái)存放視頻PES； A_PES_Buffer(8K字節) 用來(lái)存放音頻PES/ES； A_Buffer(32K字節) 用來(lái)存放解壓縮后的音頻數據；剩余的部分用于緩存中間計。
算數據。每一部分Buffer又分成兩個(gè)塊，以乒乓方式使用。即一塊由CPU使用時(shí)，另一塊可以同時(shí)進(jìn)行存貯或由DMA使用。
軟件整個(gè)系統解碼數據流圖如圖3所示。首先FIFO1接收到的TS數據到其存儲量的一半(2KB)，發(fā)出中斷(INTa)激活DMA3。DMA3把FIFO1里一半的數據倒到C6701的片內存儲器TS_Buffer中，并在傳輸完成時(shí)發(fā)出中斷(INTb)，INTb的中斷服務(wù)程序發(fā)出信號semPES激活解復用任務(wù)。解復用任務(wù)從片內存儲器中取出TS數據進(jìn)行相應處理，然后把分離出的音視頻PES數據送回片內存儲器，當A_PES_Buffer填充一半時(shí)，通過(guò)信號量semAudio激活音頻處理任務(wù)。音頻處理任務(wù)從A_PES_Buffer中取出音頻PES數據，解碼后存到A_Buffer。當A_Buffer中的數據積累到一定數量時(shí)，激活DMA2。DMA2把解碼后的4KB音頻數據輸出給FIFO2，FIFO2的/FF信號(滿(mǎn)標志)啟動(dòng)音
頻數據由FIFO2的讀出。音頻輸出FIFO2半空時(shí)會(huì )發(fā)出中斷INTc，激活DMA2。DMA2把A_Buffer中的數據再傳送2KB到FIFO2去，如此繼續下去。視頻PES數據由DMA0從V_PES_Buffer不斷地倒到片外SDRAM中，當接到STi7000請求時(shí)，激活DMA1，把SDRAM中緩存的的視頻PES數據輸出給STi7000，進(jìn)行解碼，然后，經(jīng)視頻后處理后輸出給顯示器。
解復用的功能包括：PSI分析，時(shí)鐘恢復以及對傳輸包拆包并傳給相應的buffer(緩存器)。
視頻解碼的功能是對視頻PES進(jìn)行解壓縮，恢復出視頻流。在系統中，Video Driver的中斷的優(yōu)先級被設為最高。視頻解碼系統主要是通過(guò)中斷來(lái)觸發(fā)其它過(guò)程的進(jìn)行，中斷是視頻解碼主線(xiàn)，操縱著(zhù)整個(gè)視頻解碼的過(guò)程。
音頻解碼的功能是對音頻PES進(jìn)行AC-3解壓縮，恢復出音頻流。音頻解碼從音頻PES包解碼開(kāi)始，在6701片內的數據存儲區中開(kāi)辟A_PES_Buffer(由兩塊各4KB對稱(chēng)的存儲區組成)，解復用得到的音頻PES數據以乒乓方式存儲到這兩個(gè)區域。經(jīng)過(guò)拆包PES數據得到的ES數據直接覆蓋PES數據所處區域。然后開(kāi)始音頻解碼的核心計算，將解碼輸出的PCM數據格式化后存儲到片內數據存儲區中開(kāi)辟的兩塊(各16K)PCM緩沖區中，利用DMA2將其中的數據輸出給片外的FIFO。
結語(yǔ)
本論文提出了一種基于通用DSP C6701的HDTV信源解碼器兩片解決方案。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，將來(lái)可能會(huì )提出HDTV信源解碼器單片解決方案。即在單個(gè)功能強大的芯片的基礎上，很多工作可以由軟件控制實(shí)現。本論文提出的HDTV信源解碼器解決方案對于下一代HDTV信源解碼器的研制具有重要的參考價(jià)值?！?
參考文獻
1 TEXAS INSTRUMENTS. TMS320C6000 CPU AND INSTRUCTION SET REFERENCE GUIDE, 2000
2 SGS-THOMSON MICROELECTRONICS, HIGH DEFINITION MPEG-2 VIDEO DECODER AND DISPLAY STi7000, PRELIMINARY DATA, JUNE 1999
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