HDTV信源解码器

摘  要: 本论文提出一种基于TMS320C6701 DSP实现HDTV信源解码器的方案。用C6701实现系统控制、解复用、AC-3音频解码，用STi7000视频解码。与现有的HDTV信源解码方案相比，本方案将核心芯片由三片(系统控制+解复用、视频解码和音频解码)减少到两片，有利于系统集成，代表了HDTV信源解码器的发展方向之一。
引言
数字高清晰度电视（HDTV）是继黑白电视和彩色电视之后的新一代电视，HDTV接收机或机顶盒具有广阔市场和巨大经济效益，已经成为国际高科技领域研究开发的热点之一。
HDTV接收系统由信道解码、信源解码、显示终端组成。目前，多数HDTV信源解码方案均由三片或三片以上的核心芯片组成，分别用于系统控制+解复用、视频解码、音频解码。为了提高系统的集成度，信源解码方案正向着两片方案过渡，最终可能实现单片解码方案。本文提出一种两片解码方案：用TI的TMS320C6701完成系统控制、解复用、音频解码；用STi7000完成视频解码。


图1 信源解码器硬件框图

图2 信源解码器软件结构框图

图3 软件解码数据流图
硬件设计
本信源解码方案的硬件设计如图1所示。
系统的核心为TMS320C6701 DSP，采用EPROM固化系统程序。C6701配接SDRAM用来存储数据和工作程序。FIFO1用来输入TS。视频解码器STi7000映射到C6701存储空间。STi7000配有SDRAM用来存储视频PES、各种图像（解码、参考和显示帧图像）及OSD数据。视频后处理部分由THS8134 DAC、CPLD及运放组成。系统本地时钟和PWM产生器由FPGA实现，它与VCXO、RC低通滤波器一起在C6701解复用软件配合下完成27MHz时钟恢复。音频解码由C6701软件完成。音频输出部分由FIFO2、一个 74LS157和三个D/A芯片组成。音频输出所用时钟和控制信号也由FPGA实现。
系统控制、解复用和音频解码
C6701是TI的高性能浮点DSP，时钟为167MHz，具有1336MIPS能力。C6701的Memory Map选为Map0。在其存储器的 CE0 空间中放置了1M*32位的SDRAM。在CE1空间放置了1M*16位EPROM。本系统使用ROM boot process，因此C6701的BOOTMODE[4:0] 引脚置为“10010”。C6701的程序超过64K字节，因此从0地址开始执行的是一个Loader，它把EPROM中其他程序继续传送到SDRAM中。传送完成后，CPU开始从Loader以下的地址开始执行程序。CE2空间用来放置异步器件，此时它的大小为4Mbytes。它被GAL内部的译码器等分为四个部分。前两个部分放置STi7000；第三部分放置FIFO1；第四部分放置实现本地时钟和PWM的FPGA。CE3空间仅放置FIFO2。
C6701 PLL模式被选为 *4 , 即输入引脚CLKMODE[1:0] = 11b。41.75MHz由5V晶体振荡器产生，经过LVT125做电平变换后输入给C6701。C6701的SDCLK输出加给零延迟时钟缓冲器CY2308后分两路分别提供给SDRAM。C6701所用的3.3V（VCC3）和1.9V（VCC1.9）由PT6921产生。本系统有一个 14脚插座, 它可与XDS510 emulator(硬件仿真器)连接起来实现仿真。C6701的HPI和串口1不被使用，相应引脚与跳线连接，以便系统功能扩展时使用。
本系统输入为并行TS，输入接口由TS数据(TSData[7:0])，DVALID，BCLK and ERROR组成。当TS数据输入达到2KB时，FIFO的/HF信号有效，它作为一个中断信号加给C6701 INT6脚。接到此中断后，C6701运行有关中断子程序，DMA将2KB TS数据取出传输到C6701片内的SRAM中。该FIFO映射到C6701 EMIF CE2空间。
27MHz系统时钟恢复由FPGA(EPF10K20)中的计数器/PWM模块、外部低通滤波器和VCXO在C6701相应软件的控制下完成。VCXO输出的时钟信号输入给FPGA中的一个42位计数器产生本地时钟LMCR。当C6701按一定算法求得PCR与本地时钟的差值后，将此差值输出给FPGA的PWM模块，该模块将此差值转换为PWM信号后输出给低通滤波器，取出直流后控制VCXO输出频率。经一定时间的调整后，得到与发射方同步的27MHz。VCXO输出的27MHz时钟也提供给视频解码器使用。
视频解码
视频解码由ST公司的STi7000在C6701的相应软件控制下实现。STi7000完成如下功能：a)接收C6701传来的视频PES并进行句法分析，取出ES存入SDRAM，取出DTS、PTS存入相应寄存器。b)找到ES中各层的开始码并提取头部信息，存入相应寄存器中，发中断给C6701。C6701读取这些头部信息，并据此控制解码流水线工作。c）STi7000的核心是硬件SLICE层以下解码流水线。它从SDRAM中读出ES，进行解压缩(VLD-反扫描-IDCT-运动补偿)得到重构图像，并根据其类型(I、B或P帧)存入SDRAM相应区内。在流水线开始每一帧图像解码前，C6701要根据该帧类型等参数向STi7000发解码命令。解码流水线另一个重要功能是实现隐错。d)视频格式转换：图像输出前，可进行各种格式变换(水平分辨率上下变换；垂直行数上下变换；隔行(I)和逐行(P)相互变换；3：2电影下拉模式和幅型比(4：3或16：9)变换(FULL、ZOOM、LETTERBOX和SIDEBAR)。e)实现OSD功能。
STi7000约有110个寄存器，分为配置、控制、存储器存取、解码指令、显示、OSD、时钟/锁相环、D1接口、PES等9类。 C6701对STi7000各寄存器的存取通过STi7000的8位微控制器接口进行。该接口映射入C6701 EMIF CE2空间最低1MB内。其8位数据线接到LVT16245一边；8位地址线接LVT16244输出边；片选(notA_cs)接GAL相应的输出，读写(A_RnotW)接LVT16244输出/B_AWE上。中断请求信号(notA_IRQ)接C6701 INT4脚。C6701通过STi7000的8位并行数据接口向STi7000写入视频压缩数据。该接口与上述8位微处理器接口共用8位数据线。压缩数据请求信号接C6701 INT5脚。压缩数据选通输入notA_STRB则由GAL提供。
STi7000需要128Mbit的SDRAM存储器，由两片4*512K*32-Bit的100MHz SDRAM芯片组成。STi7000要求SDRAM具有如下特点：全页Burst长度；连续Wrap；3周期CAS Latency。SDRAM和STi7000实现“glueless(无胶合)”连接。
本系统采用TI的THS8134实现视频输出D/A变换。本系统只实现HD输出方式。STi7000的24Bit Y、Cb、Cr数字视频信号和PIXCLK直接输出给THS8134，产生模拟Y、Pb、Pr分量信号。STi7000的PIXCLK、HSYNC和VSYNC信号加给一个CPLD(EPM7128)。该CPLD控制THS8134按照相应的标准(1080I格式对应SMPTE274M；720P格式对应SMPTE296M；480P格式对应SMPTE293M；480I格式对应SMPTE170M)分别在Y、Pb、Pr分量上叠加三电平(1080I和720P)或两电平(480P)复合同步信号，然后经运算放大器放大后输出。这四种格式由C6701 TOUT0和TOUT1输出的Displaymode0和1选择。
当音频开始输出时，C6701先将4KB数据写入FIFO2中。FIFO2映射入C6701 EMIF CE3空间。FIFO2的满标志/FF信号有效，它触发FPGA内相应模块开始工作，将音频主时钟12.2880MHz时钟分频产生LRCLK(左右时钟信号，频率48KHz)和SCLK(串行时钟，频率为3.072MHz)。SCLK信号作为FIFO2的读信号，而LRCLK则作为74LS157的输入选择信号。当LRCLK为高电平时，左(左环、中央声道)数据输出给三个DAC芯片；当LRCLK为低电平时，右(右环、LFE)数据输出给三个DAC芯片。MCLK、LRCLK和SCLK同时输入给三个DAC芯片。由三个DAC输出的5.1声道经放大后分别输出。当FIFO2中已输出2KB数据时，其/HF无效，此信号接至C6701 INT7输入脚，触发该中断。C6701执行相应的中断子程序，再向FIFO2输出2KB数据，如此循环，保证音频信号持续输出。

软件设计
系统的软件结构如图2所示。
在C6701内部有64Kbytes的数据SRAM和64Kbytes的Cache/Program SRAM。程序SRAM经初始化用作Cache。64K字节的片内数据RAM被组织成两个块。它们的地址分别为8000 0000h到8000 7FFFh和8000 8000h到8000 FFFFh。当CPU的Side A和Side B或者DMA控制器同时使用不同块时，不会引起冲突。因此，同时访问的数据位于不同块时，不需考虑它们的地址。整个片内数据RAM分为五个部分：TS_Buffer(4K字节)用来缓冲输入的TS；V_PES_Buffer(16K字节)用来存放视频PES； A_PES_Buffer(8K字节) 用来存放音频PES/ES； A_Buffer(32K字节) 用来存放解压缩后的音频数据；剩余的部分用于缓存中间计。
算数据。每一部分Buffer又分成两个块，以乒乓方式使用。即一块由CPU使用时，另一块可以同时进行存贮或由DMA使用。
软件整个系统解码数据流图如图3所示。首先FIFO1接收到的TS数据到其存储量的一半(2KB)，发出中断(INTa)激活DMA3。DMA3把FIFO1里一半的数据倒到C6701的片内存储器TS_Buffer中，并在传输完成时发出中断(INTb)，INTb的中断服务程序发出信号semPES激活解复用任务。解复用任务从片内存储器中取出TS数据进行相应处理，然后把分离出的音视频PES数据送回片内存储器，当A_PES_Buffer填充一半时，通过信号量semAudio激活音频处理任务。音频处理任务从A_PES_Buffer中取出音频PES数据，解码后存到A_Buffer。当A_Buffer中的数据积累到一定数量时，激活DMA2。DMA2把解码后的4KB音频数据输出给FIFO2，FIFO2的/FF信号(满标志)启动音
频数据由FIFO2的读出。音频输出FIFO2半空时会发出中断INTc，激活DMA2。DMA2把A_Buffer中的数据再传送2KB到FIFO2去，如此继续下去。视频PES数据由DMA0从V_PES_Buffer不断地倒到片外SDRAM中，当接到STi7000请求时，激活DMA1，把SDRAM中缓存的的视频PES数据输出给STi7000，进行解码，然后，经视频后处理后输出给显示器。
解复用的功能包括：PSI分析，时钟恢复以及对传输包拆包并传给相应的buffer(缓存器)。
视频解码的功能是对视频PES进行解压缩，恢复出视频流。在系统中，Video Driver的中断的优先级被设为最高。视频解码系统主要是通过中断来触发其它过程的进行，中断是视频解码主线，操纵着整个视频解码的过程。
音频解码的功能是对音频PES进行AC-3解压缩，恢复出音频流。音频解码从音频PES包解码开始，在6701片内的数据存储区中开辟A_PES_Buffer(由两块各4KB对称的存储区组成)，解复用得到的音频PES数据以乒乓方式存储到这两个区域。经过拆包PES数据得到的ES数据直接覆盖PES数据所处区域。然后开始音频解码的核心计算，将解码输出的PCM数据格式化后存储到片内数据存储区中开辟的两块(各16K)PCM缓冲区中，利用DMA2将其中的数据输出给片外的FIFO。

结语
本论文提出了一种基于通用DSP C6701的HDTV信源解码器两片解决方案。随着技术的进步，将来可能会提出HDTV信源解码器单片解决方案。即在单个功能强大的芯片的基础上，很多工作可以由软件控制实现。本论文提出的HDTV信源解码器解决方案对于下一代HDTV信源解码器的研制具有重要的参考价值。