基于地面高清機頂盒的 PVR 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

1引言
2006 年8 月18 日，國家標準化管理委員會正式發(fā)布了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》標準(簡稱“中國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴省?。該標準支持高清晰度電視(HDTV)、標準清晰度電視(SDTV)和多媒體數(shù)據(jù)廣播(MMDB)等多種業(yè)務(wù)，滿足大范圍固定覆蓋和移動接收的需要。地面高清數(shù)字廣播系統(tǒng)于2008 年7 月投入使用，已成功進行了北京奧運會的全程直播，并將直播2010 年上海世博會。針對地面高清市場的各類產(chǎn)品及技術(shù)應(yīng)運而生，而PVR 功能則是相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)中的難點和亮點。

PVR 的全稱是Personal Video Recorder(個人視頻錄像機)，但其實際功能超出了名稱的表述。PVR 的突出特點是以硬盤為存儲媒介，建立本地的海量緩沖區(qū)和節(jié)目存儲庫，利用數(shù)字化處理技術(shù)，實現(xiàn)對節(jié)目的控制和管理。數(shù)字化和存儲技術(shù)是PVR 技術(shù)的核心，PVR 技術(shù)和數(shù)字機頂盒結(jié)合而產(chǎn)生的PVR 機頂盒，將兩種先進技術(shù)相結(jié)合，將電視生活向前推進了一步。PVR 數(shù)字機頂盒應(yīng)用于數(shù)字電視系統(tǒng)，相對于模擬PVR，它把數(shù)字化放在前端，而不是在機頂盒客戶端上來進行數(shù)字編碼，使得節(jié)目更清晰、終端成本更低、節(jié)目控制更方便。.PVR 機頂盒把硬盤錄放技術(shù)和電子節(jié)目指南(Electronic Program Guide，EPG)相結(jié)合，將節(jié)目的內(nèi)容和節(jié)目的信息相關(guān)聯(lián)，方便節(jié)目的查詢和管理，亦可根據(jù)節(jié)目單進行預(yù)約錄像，操作簡單方便。PVR 技術(shù)和
數(shù)字機頂盒的結(jié)合是電視節(jié)目播放技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

本文研究在嵌入式系統(tǒng)下 ADTB-T 高清電視信號以及標清電視信號的PVR 功能的實現(xiàn)。論文主要針對高清電視信號特有的高碼率TS 流傳輸和處理與嵌入式系統(tǒng)的相對緊張的系統(tǒng)資源這一矛盾進行研究，過軟硬件的配合實現(xiàn)PVR 的各項基本功能，并在此基礎(chǔ)上，通過緩存技術(shù)，實現(xiàn)錄制與播放的無縫連接，同時充分利用ADBT-T 信號提供的EPG 信息，方便用戶預(yù)約錄制，并提供人性化的界面設(shè)計，提高用戶友好度。1 硬件架構(gòu)本系統(tǒng)基于 Sigma Designs 公司的EM8622 平臺進行開發(fā)，使用主頻為202MHz 的ARM7 中央處理器、128MBDDR 內(nèi)存、以及8MB FLAsH 芯片，配合上海高清HD2910 國際融合芯片，可以支持地面高清數(shù)字信號以及標清模擬信號的兼容播放與無損錄制，同時配合時鐘板和地面廣播信號配套EPG，可以實現(xiàn)電視節(jié)目的定時錄制、自動開機預(yù)約錄制以及斷電續(xù)錄功能。硬件框架圖如下圖1 所示：

如圖，射頻信號由天線接收后送至HD2910TUNER(調(diào)諧器)板解調(diào)為MPEG2格式的TS(Transport Stream)流，經(jīng)RISC架構(gòu)的2D圖形引擎處理后傳輸至DEMUX(解復(fù)用)芯片，經(jīng)解復(fù)用后分為APES流(打包的音頻基本碼流)和VPES流(打包的視頻基本碼流)。此時根據(jù)錄制模式的不同，數(shù)據(jù)的走向也不同，具體分類如下：
(1)只播模式：通道1開，通道2、通道3關(guān)。APES/VPES流輸送到DECODER(解碼芯片)解碼后生成音/視頻數(shù)據(jù)，分別進行音/視頻輸出。
(2)只錄模式：通道2開，通道1、通道3關(guān)。為了保證錄制文件碼率的穩(wěn)定，將APES/VPES流經(jīng)過PCI總線送至系統(tǒng)緩存，緩沖3至5s后再經(jīng)PCI總線分別保存為音/視頻硬盤文件。
(3)邊播邊錄模式：通道1、通道2開，通道3關(guān)。打開通道1，APES／VPES流經(jīng)DECODER解碼后輸出至音/視頻終端，同時打開通道2，將PES流數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)緩存后保存至硬盤。
(4)錄像播放模式：通道3開，通道1、通道2關(guān)。打開硬盤音視頻文件，將數(shù)據(jù)送到系統(tǒng)緩存，然后經(jīng)過音視頻同步處理后再傳輸?shù)紻ECODER，最后進行相應(yīng)的音/視頻輸出。
(5)時移播放模式：通道2、通道3開，通道1關(guān)。時移播放即指通過硬盤的緩存能力，用戶可以像操作本地文件一樣暫停當前播放的電視節(jié)目，過任意時間后繼續(xù)播放，或者隨時回放已播精彩鏡頭。在這種模式下，系統(tǒng)先將APES/VPES流經(jīng)系統(tǒng)緩存后保存為硬盤音/視頻文件，然后根據(jù)用戶需要可以隨時將硬盤文件音/視頻解碼并輸出。
(6)預(yù)約錄制模式：與邊播邊錄模式類似，不同之處在于利用EPG和時鐘板定時喚醒系統(tǒng)進行節(jié)目的錄制。

2 軟件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用sigma Designs公司提供的配套軟件開發(fā)包(SDK)，主要分為兩個部分：Armutils開發(fā)包與EM8623L開發(fā)包。
Armutils開發(fā)包主要包含uClinux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、編譯工具、編譯環(huán)境等與ARM芯片相關(guān)的軟件。使用Armutils開發(fā)包來生成PVR機頂盒的運行內(nèi)核，以及機頂盒應(yīng)用程序的編譯與調(diào)試環(huán)境。
EM8620L開發(fā)包主要包含Envision EM8623L開發(fā)板的相關(guān)驅(qū)動，啟動引導(dǎo)程序(Boot Loader)，以及名為DCC(Decoding Chain Control)的用戶接口，用戶程序可通過DCC庫的調(diào)用實現(xiàn)對底層硬件的訪問，PVR機頂盒應(yīng)用程序的開發(fā)都是基于這些接口與驅(qū)動之上的。圖2簡單描述了解決方案提出的軟件開發(fā)層次結(jié)構(gòu)。

3 關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)
3.1 音、視頻同步技術(shù)
電視信號錄制產(chǎn)生的音、視頻數(shù)據(jù)各自以PES包的形式存儲在硬盤上，當它們被讀出并且被解碼播放時，隨之就會產(chǎn)生音頻和視頻之間的同步問題。
數(shù)字電視廣播的MPEG-2數(shù)字碼流中包括兩種時間信息：用于機頂盒本地系統(tǒng)時鐘與廣播系統(tǒng)前端時鐘同步的節(jié)目時鐘參考(Program Clock Reference，PCR)，位于TS包的首部；以及用于音視頻同步的展現(xiàn)時間戳/解碼時間戳(Presentation Time stamp/Decoding Timestamp，PTS/DTS)，位于PES包的首部。在本PVR系統(tǒng)中，由于音、視頻數(shù)據(jù)是以PES包的格式被存儲到硬盤的，所以PCR并沒有被存儲；而另外一方面，在播放已錄節(jié)目時，音、視頻數(shù)據(jù)是實時從硬盤中讀出的，讀取數(shù)據(jù)和播放數(shù)據(jù)都同屬于PVR系統(tǒng)內(nèi)部的操作，所以并不存在系統(tǒng)間時鐘同步的問題，因此，在PVR系統(tǒng)的回放操作中不用考慮PCR。所以在錄像回放過程中，只能利用PTS/DTS來維持音頻與視頻的同步。播放錄像時，幀速率(FrameRate)決定了視頻數(shù)據(jù)的解碼速率，所以可以將視頻PTS作為基準，將音頻PTS與之相比較，以此調(diào)整音頻解碼的速率，從而達到使音頻與視頻同步的目的，具體采用的方法如下：
(1)視頻數(shù)據(jù)被傳送到解碼單元的視頻緩沖區(qū)的過程中，對它進行解析，記錄其中的PTS，并構(gòu)建視頻PTS表；
(2)對于音頻數(shù)據(jù)，也同樣構(gòu)建音頻PTS表；
(3)在解碼過程中將視頻PTS作為基準，修正解碼單元中由系統(tǒng)時鐘驅(qū)動的SCR(系統(tǒng)時鐘參考)計數(shù)器的值；
(4)根據(jù)音頻緩沖區(qū)指針的位置，在音頻PTS表中查找相應(yīng)的PTS值，將此值與SCR計數(shù)器的值相比較，作為調(diào)整音頻解碼速率的依據(jù)，從而控制音頻解碼器解碼動作，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)跟隨視頻數(shù)據(jù)的同步。

3.2 緩存技術(shù)
如圖2所示，經(jīng)過前端解調(diào)得到的TS流經(jīng)由2D圖像引擎處理后進入DEMUX模塊。DEMUX模塊是一個集成在主控芯片中的特殊微處理器，主要任務(wù)是進行TS流的分析和解復(fù)用。由于硬盤的傳輸速率有限，因此為了減少磁盤讀寫次數(shù)，系統(tǒng)在內(nèi)存中開辟一塊緩沖區(qū)用以緩沖音、視頻數(shù)據(jù)，當緩沖區(qū)數(shù)值達到門限時，將其存儲數(shù)據(jù)寫入硬盤。寫數(shù)據(jù)與寫硬盤兩個操作采用并行的線程來執(zhí)行，線程間通過信號進行同步。
而在錄像文件的回放過程中，從硬盤中讀出的音、視頻PES文件分別放入音、視頻緩沖區(qū)中，系統(tǒng)不斷檢測緩沖區(qū)數(shù)據(jù)大小，如果數(shù)據(jù)小于門限值，則通知數(shù)據(jù)傳輸線程把新數(shù)據(jù)送入。
錄像文件的記錄方式包括兩種。正常錄制的文件大小隨著錄制時長的增長而增加，直到節(jié)目錄制完成或者硬盤空間耗盡為止。而在時移錄制模式下，錄像文件大小固定，它包括了寫指針和讀指針。在開始時移錄制時，寫指針開始往后移動，畫面靜止在開始錄制的時刻。當回復(fù)收看時，讀指針與寫指針同步向后移動，寫指針在節(jié)目結(jié)束時停止移動，而讀指針自然在與寫指針重合時停止移動。需要指出的是，由于時移錄制并不以錄制文件并回放為目的，所以播放過的節(jié)目即被丟棄，因此該文件是一個循環(huán)文件，寫指針與讀指針在到達文件末尾時跳回文件開頭。由于硬盤空間所限，循環(huán)文件大小即為最大時移錄制時長，超過該時長則時移模式失效。
通過緩存技術(shù)的使用，系統(tǒng)大幅度減少了硬盤I／O次數(shù)，提高了系統(tǒng)效率，同時也達到了保護硬盤的效果。同時，緩存技術(shù)和音、視頻同步技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了電視節(jié)目的回放以及時移播放，真正體現(xiàn)了數(shù)字化PVR的強大人機交互功能。
3.3 EPG信息的提取和使用
本系統(tǒng)的EPG通過兩種方式獲取，其一是在播放節(jié)目時按下EPG按鍵顯示的present／following(當前／隨后)信息，其二是通過主界面的EPG菜單進入節(jié)目指南，顯示出頻道列表和按照時間排列的各頻道節(jié)目信息，為用戶提供電視節(jié)目列表。系統(tǒng)通過Tuner板的解調(diào)芯片，從接收的TS流中解析出服務(wù)信息(Service information，SI)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)緩存中建立SI數(shù)據(jù)庫，用戶通過EPG的用戶界面(UserInterface，UI)與SI數(shù)據(jù)庫進行交互。EPG的SI以節(jié)目為單位，將與每個節(jié)目相關(guān)的事件都存儲在該節(jié)目的事件鏈表上，對于單個頻道的事件，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

如上所示，EPG信息主要包含了每個節(jié)目所對應(yīng)的節(jié)目名、開始時間、持續(xù)時長以及相鄰事件的指針，當然，事件信息還包括它所對應(yīng)的頻道信息三要素(transportid，network id，service id)。
EPG的信息量非常大，并且經(jīng)常更新，但是由于系統(tǒng)搜索一次EPG信息周期長達8～10s，所以除了開機之后的第一次獲取外，當用戶按鍵瀏覽EPG時，只有當前節(jié)目已經(jīng)過期的情形下，系統(tǒng)才實時地分析獲取，并將其緩存至系統(tǒng)內(nèi)存，其余情形下系統(tǒng)讀取緩存數(shù)據(jù)以大幅度提高響應(yīng)速度。由于EPG的信息時效性很強，因此在退出系統(tǒng)時無需保存。
用戶通過UI來實現(xiàn)與EPG之間的交互，在UI部分，向用戶提供了非常友好的EPG菜單界面，實現(xiàn)了節(jié)目的按頻道分類以及按日期分類，用戶通過這些菜單界面，可以方便地瀏覽節(jié)目中近期播放的事件的信息，選擇自己喜歡的節(jié)目來播放，并且可以設(shè)置自動錄制指定某個頻道的某個時間段的節(jié)目。3.4 預(yù)錄節(jié)目管理
前文已經(jīng)提到了使用EPG信息與時鐘板來進行電視節(jié)目的預(yù)約錄制。用戶在瀏覽EPG列表時選中想要錄制的節(jié)目，按下預(yù)約錄制按鈕，系統(tǒng)自動將預(yù)錄信息寫入配置文件，并存儲至硬盤，文件條目格式如下：
其中條目按照開始時間的先后順序排列，開始時間與結(jié)束時間均以BCD碼的形式保存以節(jié)省存儲空間，同時也可以與通用的struct tm格式方便地進行轉(zhuǎn)換。用戶可以隨時進入預(yù)錄條目管理界面刪除不需要的條目，也可以再次進入EPG界面選擇并添加新條目，系統(tǒng)將根據(jù)已有條目情況判斷是否有時間沖突，若有則無法預(yù)錄，若無則選擇正確的位置插入條目。系統(tǒng)在開機時自動檢測硬盤上是否存在配置文件，若存在，則讀取文件第一個沒有過期的條目，取出節(jié)目開始時間，與從時鐘板獲得的系統(tǒng)當前時間進行循環(huán)比較，一旦到點，系統(tǒng)將停止當前音、視頻的播放，并且跳轉(zhuǎn)至預(yù)約節(jié)目的錄制。通過配置文件的使用，系統(tǒng)實現(xiàn)了電視節(jié)目的一鍵錄制，錄制信息，包括節(jié)目名、頻道名以及錄制開始時間，均以文件名的形式記錄，方便用戶對于錄制文件的查找與分類管理。由于配置文件被寫入硬盤，所以除了極端特殊情況，比如在寫配置文件時意外斷電，通常情形下在系統(tǒng)斷電后文件仍然存在，從而實現(xiàn)了預(yù)錄節(jié)目的斷電續(xù)錄功能。

4 結(jié)束語

本文開發(fā)的PVR系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)品化，并隨著地面高清信號的開播同步大批量投放市場。由于采用成熟的uClinux操作系統(tǒng)、sigma FM8622L芯片組以及配套的SDK進行二次開發(fā)，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，在電視信號質(zhì)量良好的情況下，錄像文件碼率平穩(wěn)，播放效果流暢，長時問錄制與播放均不會出現(xiàn)死機等系統(tǒng)異常狀況，配合液晶高清電視和家庭影院，完全體現(xiàn)了分辨率高達1920×1080的高質(zhì)量視頻以及高保真音頻所帶來的震撼感受，并且通過優(yōu)化的UI設(shè)計，使得EPG無縫嵌入電視播放流程，用戶查看節(jié)目指南、錄制當前節(jié)目以及預(yù)錄節(jié)目均可一鍵實現(xiàn)，相比PC平臺同類型產(chǎn)品而言，具有性價比高、系統(tǒng)穩(wěn)定、防病毒木馬侵襲、以及使用專用音、視頻解碼芯片，高清解碼能力更出色等優(yōu)點。當前系統(tǒng)仍存在一些缺點，如天線對信號方位敏感，雨雪天氣收看效果不佳，以及錄制高清信號時由于碼率較高，占用大量系統(tǒng)緩存，從而妨礙其他功能(比如BT下載)的并發(fā)執(zhí)行。下一步工作是設(shè)法在硬件上提高天線性能，以及優(yōu)化代碼，減少系統(tǒng)開銷，確保各項功能并發(fā)執(zhí)行互不影響。