HDTV信源解碼器

摘要: 本論文提出一種基于TMS320C6701 DSP實現(xiàn)HDTV信源解碼器的方案。用C6701實現(xiàn)系統(tǒng)控制、解復用、AC-3音頻解碼，用STi7000視頻解碼。與現(xiàn)有的HDTV信源解碼方案相比，本方案將核心芯片由三片(系統(tǒng)控制+解復用、視頻解碼和音頻解碼)減少到兩片，有利于系統(tǒng)集成，代表了HDTV信源解碼器的發(fā)展方向之一。
引言
數(shù)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和巨大經(jīng)濟效益，已經(jīng)成為國際高科技領域研究開發(fā)的熱點之一。
HDTV接收系統(tǒng)由信道解碼、信源解碼、顯示終端組成。目前，多數(shù)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(tǒng)控制+解復用、視頻解碼、音頻解碼。為了提高系統(tǒng)的集成度，信源解碼方案正向著兩片方案過渡，最終可能實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)的核心為TMS320C6701 DSP，采用EPROM固化系統(tǒng)程序。C6701配接SD RAM用來存儲數(shù)據(jù)和工作程序。FIFO1用來輸入TS。視頻解碼器STi7000映射到C6701存儲空間。STi7000配有SDRAM用來存儲視頻PES、各種圖像（解碼、參考和顯示幀圖像）及OSD數(shù)據(jù)。視頻后處理部分由THS8134 DAC、CPLD及運放組成。系統(tǒng)本地時鐘和PWM產(chǎn)生器由FPGA實現(xiàn)，它與VCXO、RC低通濾波器一起在C6701解復用軟件配合下完成27MHz時鐘恢復。音頻解碼由C6701軟件完成。音頻輸出部分由FIFO2、一個 74LS157和三個D/A芯片組成。音頻輸出所用時鐘和控制信號也由FPGA實現(xiàn)。
系統(tǒng)控制、解復用和音頻解碼
C6701是TI的高性能浮點DSP，時鐘為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(tǒng)使用ROM boot process，因此C6701的BOOTMODE[4:0] 引腳置為“10010”。C6701的程序超過64K字節(jié)，因此從0地址開始執(zhí)行的是一個Loader，它把EPROM中其他程序繼續(xù)傳送到SDRAM中。傳送完成后，CPU開始從Loader以下的地址開始執(zhí)行程序。CE2空間用來放置異步器件，此時它的大小為4Mbytes。它被GAL內(nèi)部的譯碼器等分為四個部分。前兩個部分放置STi7000；第三部分放置FIFO1；第四部分放置實現(xiàn)本地時鐘和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LVT125做電平變換后輸入給C6701。C6701的SDCLK輸出加給零延遲時鐘緩沖器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(tǒng)有一個 14腳插座, 它可與XDS510 emulator(硬件仿真器)連接起來實現(xiàn)仿真。C6701的HPI和串口1不被使用，相應引腳與跳線連接，以便系統(tǒng)功能擴展時使用。
本系統(tǒng)輸入為并行TS，輸入接口由TS數(shù)據(jù)(TSData[7:0])，DVALID，BCLK and ERROR組成。當TS數(shù)據(jù)輸入達到2KB時，F(xiàn)IFO的/HF信號有效，它作為一個中斷信號加給C6701 INT6腳。接到此中斷后，C6701運行有關中斷子程序，DMA將2KB TS數(shù)據(jù)取出傳輸?shù)紺6701片內(nèi)的SRAM中。該FIFO映射到C6701 EMIF CE2空間。
27MHz系統(tǒng)時鐘恢復由FPGA(EPF10K20)中的計數(shù)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輸出的時鐘信號輸入給FPGA中的一個42位計數(shù)器產(chǎn)生本地時鐘LMCR。當C6701按一定算法求得PCR與本地時鐘的差值后，將此差值輸出給FPGA的PWM模塊，該模塊將此差值轉(zhuǎn)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)一定時間的調(diào)整后，得到與發(fā)射方同步的27MHz。VCXO輸出的27MHz時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現(xiàn)。STi7000完成如下功能：a)接收C6701傳來的視頻PES并進行句法分析，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(jù)此控制解碼流水線工作。c）STi7000的核心是硬件SLICE層以下解碼流水線。它從SDRAM中讀出ES，進行解壓縮(VLD-反掃描-IDCT-運動補償)得到重構圖像，并根據(jù)其類型(I、B或P幀)存入SDRAM相應區(qū)內(nèi)。在流水線開始每一幀圖像解碼前，C6701要根據(jù)該幀類型等參數(shù)向STi7000發(fā)解碼命令。解碼流水線另一個重要功能是實現(xiàn)隱錯。d)視頻格式轉(zhuǎn)換：圖像輸出前，可進行各種格式變換(水平分辨率上下變換；垂直行數(shù)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)實現(xiàn)OSD功能。
STi7000約有110個寄存器，分為配置、控制、存儲器存取、解碼指令、顯示、OSD、時鐘/鎖相環(huán)、D1接口、PES等9類。 C6701對STi7000各寄存器的存取通過STi7000的8位微控制器接口進行。該接口映射入C6701 EMIF CE2空間最低1MB內(nèi)。其8位數(shù)據(jù)線接到LVT16245一邊；8位地址線接LVT16244輸出邊；片選(notA_cs)接GAL相應的輸出，讀寫(A_RnotW)接LVT16244輸出/B_AWE上。中斷請求信號(notA_IRQ)接C6701 INT4腳。C6701通過STi7000的8位并行數(shù)據(jù)接口向STi7000寫入視頻壓縮數(shù)據(jù)。該接口與上述8位微處理器接口共用8位數(shù)據(jù)線。壓縮數(shù)據(jù)請求信號接C6701 INT5腳。壓縮數(shù)據(jù)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：全頁Burst長度；連續(xù)Wrap；3周期CAS Latency。SDRAM和STi7000實現(xiàn)“glueless(無膠合)”連接。
本系統(tǒng)采用TI的THS8134實現(xiàn)視頻輸出D/A變換。本系統(tǒng)只實現(xiàn)HD輸出方式。STi7000的24Bit Y、Cb、Cr數(shù)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。
當音頻開始輸出時，C6701先將4KB數(shù)據(jù)寫入FIFO2中。FIFO2映射入C6701 EMIF CE3空間。FIFO2的滿標志/FF信號有效，它觸發(fā)FPGA內(nèi)相應模塊開始工作，將音頻主時鐘12.2880MHz時鐘分頻產(chǎn)生LRCLK(左右時鐘信號，頻率48KHz)和SCLK(串行時鐘，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，左(左環(huán)、中央聲道)數(shù)據(jù)輸出給三個DAC芯片；當LRCLK為低電平時，右(右環(huán)、LFE)數(shù)據(jù)輸出給三個DAC芯片。MCLK、LRCLK和SCLK同時輸入給三個DAC芯片。由三個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(shù)據(jù)時，其/HF無效，此信號接至C6701 INT7輸入腳，觸發(fā)該中斷。C6701執(zhí)行相應的中斷子程序，再向FIFO2輸出2KB數(shù)據(jù)，如此循環(huán)，保證音頻信號持續(xù)輸出。

軟件設計
系統(tǒng)的軟件結構如圖2所示。
在C6701內(nèi)部有64Kbytes的數(shù)據(jù)SRAM和64Kbytes的Cache/Program SRAM。程序SRAM經(jīng)初始化用作Cache。64K字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM被組織成兩個塊。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控制器同時使用不同塊時，不會引起沖突。因此，同時訪問的數(shù)據(jù)位于不同塊時，不需考慮它們的地址。整個片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM分為五個部分：TS_Buffer(4K字節(jié))用來緩沖輸入的TS；V_PES_Buffer(16K字節(jié))用來存放視頻PES； A_PES_Buffer(8K字節(jié)) 用來存放音頻PES/ES； A_Buffer(32K字節(jié)) 用來存放解壓縮后的音頻數(shù)據(jù)；剩余的部分用于緩存中間計。
算數(shù)據(jù)。每一部分Buffer又分成兩個塊，以乒乓方式使用。即一塊由CPU使用時，另一塊可以同時進行存貯或由DMA使用。
軟件整個系統(tǒng)解碼數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。首先FIFO1接收到的TS數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)倒到C6701的片內(nèi)存儲器TS_Buffer中，并在傳輸完成時發(fā)出中斷(INTb)，INTb的中斷服務程序發(fā)出信號semPES激活解復用任務。解復用任務從片內(nèi)存儲器中取出TS數(shù)據(jù)進行相應處理，然后把分離出的音視頻PES數(shù)據(jù)送回片內(nèi)存儲器，當A_PES_Buffer填充一半時，通過信號量semAudio激活音頻處理任務。音頻處理任務從A_PES_Buffer中取出音頻PES數(shù)據(jù)，解碼后存到A_Buffer。當A_Buffer中的數(shù)據(jù)積累到一定數(shù)量時，激活DMA2。DMA2把解碼后的4KB音頻數(shù)據(jù)輸出給FIFO2，F(xiàn)IFO2的/FF信號(滿標志)啟動音
頻數(shù)據(jù)由FIFO2的讀出。音頻輸出FIFO2半空時會發(fā)出中斷INTc，激活DMA2。DMA2把A_Buffer中的數(shù)據(jù)再傳送2KB到FIFO2去，如此繼續(xù)下去。視頻PES數(shù)據(jù)由DMA0從V_PES_Buffer不斷地倒到片外SDRAM中，當接到STi7000請求時，激活DMA1，把SDRAM中緩存的的視頻PES數(shù)據(jù)輸出給STi7000，進行解碼，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進行解壓縮，恢復出視頻流。在系統(tǒng)中，Video Driver的中斷的優(yōu)先級被設為最高。視頻解碼系統(tǒng)主要是通過中斷來觸發(fā)其它過程的進行，中斷是視頻解碼主線，操縱著整個視頻解碼的過程。
音頻解碼的功能是對音頻PES進行AC-3解壓縮，恢復出音頻流。音頻解碼從音頻PES包解碼開始，在6701片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中開辟A_PES_Buffer(由兩塊各4KB對稱的存儲區(qū)組成)，解復用得到的音頻PES數(shù)據(jù)以乒乓方式存儲到這兩個區(qū)域。經(jīng)過拆包PES數(shù)據(jù)得到的ES數(shù)據(jù)直接覆蓋PES數(shù)據(jù)所處區(qū)域。然后開始音頻解碼的核心計算，將解碼輸出的PCM數(shù)據(jù)格式化后存儲到片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲區(qū)中開辟的兩塊(各16K)PCM緩沖區(qū)中，利用DMA2將其中的數(shù)據(jù)輸出給片外的FIFO。

結語
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。隨著技術的進步，將來可能會提出HDTV信源解碼器單片解決方案。即在單個功能強大的芯片的基礎上，很多工作可以由軟件控制實現(xiàn)。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值。

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