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移动数字多媒体电视广播编码器的研究

2007-08-06 嵌入式在线收藏 | 打印

1 引言

在DMB发射系统中，发射台是先对各种数据进行编码复合然后发射传输，为了使DMB接收机对音视频进行快速解码处理和具有相对较容易实现的硬件结构，在DMB发射系统中多媒体数据的编码器部分设计显得尤为重要，它将直接影响接收端解码的性能和硬件复杂度。国际上采用不同的视频编码标准，使得DMB编码器的实现结构不尽相同。随着具有自主知识产权的新一代数字音视频标准AVS-M的提出，研究设计“AVS-M+DAB”方式的DMB编码器对于DMB产品的国产化和DMB数字手机电视广播整个产业的进程有着深远的影响。

2 各种DMB编码器结构

移动数字多媒体电视广播国外比较成熟的主要有几大技术标准：韩国T-DMB、欧洲DVB-H、日本ISDB-T、美国高通MediaFLO。中国也提出融合了清华大学DMB-T、上海交大ADTB-T和广科院STiMi的数字电视地面广播标准DMB-TH，还有由通信广播标准化委员会CDMB提倡的“TD-SCDMA+DAB+AVS"组合方案。目前，国内广东、北京、上海现行使用的是基于DAB基础的韩国T-DMB编码发射系统。典型编码系统结构如图1所示。

1) 韩国T-DMB编码系统

韩国数字多媒体广播国家标准T-DMB系统是基于DAB标准发展而来，在视频压缩编码上采用MPEG-4 AVC／H.264的低比特速率视频业务编码标准，节目伴音压缩则采用BSAC，数据交互使用BIFS。由于T-DMB是由成熟的DAB系统发展而来的，该编码器目前在韩国已经商用，而在我国目前还没有国产的同类产品。这种硬件编码器的实时效果还不够好，输出存在比较大的延迟现象，在稳定性方面还需改进。

2) 欧洲DVB-H编码系统

欧洲移动电视主流标准DVB-H源于DVB-T传输系统，通过增加一定的附加功能和改进技术使手持终端能够稳定地接收广播电视信号。DVB-H没有规定视频数据的编码方式，可以选择VC-1，MPEG-4或者选择H.264。

DVB-H多采用搭配AAC音频的H.264视频编码方式，一个DVB-H编码系统前端由DVB-H封装器和DVB-H调制器构成，DVB-H封装器负责将IP数据封装成。MPEG-2系统传输流(TS)，DVB-H调制器负责信道编码和调制。在编码系统中采用时间切片技术，用于降低接收终端的平均功耗，采用多重协议封装前向纠错技术(MPE-FEC)，可以提高移动使用中的信噪比(C／N)门限、多普勒性能和抗脉冲干扰的能力。

3) 两种编码器系统的比较

韩国T-DMB编码系统采用的单芯片硬件编码器，其编码结构比较简单，使得接收终端的实现比较容易，但由于其使用全硬件定制，在系统延迟和稳定性方面还亟待改进；欧洲倡导的DVB-H标准，其编码系统为了保证高的带宽利用率和数据容量，以及采取的核心技术，使得编码方式显得相当复杂，从而其接收端的硬件复杂度增加。因此，在频道转换时间和帧速率上，T-DMB比DVB-H有着更大的优势。

3 AVS-M+DAB方案的编码器

AVS(Audio Video Coding Standard)是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准。其中AVS第七部分(AVS1-P7)又称为AVS-M，规定了多种比特率、分辨率和质量的视频压缩方法，主要针对低码率、低复杂度、较低图像分辨率的移动媒体应用。

基于AVS编码具有的优点，在现行已有成熟的DAB系统的基础上，研究AVS-M+DAB的编码器设计实现，既能回避T-DMB中H.264昂贵的专利费用，倡导中国自主知识产权的信源编码标准，同时也是国内目前快捷、实际可行的DMB编码解码实现方案。

3.1 AVS-M+DAB编码器系统结构

整个AVS-M+DAB编码器流程图入图2所示。

AVS-M编码器部分是对输入的码流进行I帧、P帧编码，主要分为前向和后向两个过程。主要模块为运动估计和运动补偿、变换、量化、反量化、反变换、熵编码。对于帧内预测的I帧编码，预测结果与原始差值进行量化和变换，变长编码后输出，而对于帧问预测的P帧来说，预测结果与原始差值进行量化和变换，变长编码后输出。编码的结果进行反量化和变化后，送人环路滤波器，存储帧作为下一帧编码的参考帧。

经过AVS-M编码器变换生成的比特数据流，和其它数据业务混合，TS数据流经过软件处理，按照FIC规则分别对音视频文件进行编码，首先将长的连0或连1序列与伪随机序列模2相加后也会变成伪随机序列，实现了能量的扩散，限制连“0”或连“1”码出现的概率。能量加扰后的信号为了保证传输的可靠性与有效性，在发送端的传输信息码元序列中附加一些冗余码以及信息码元之间按编码规则形成一定关系的监督码元，进行信道编码，接收端则通过检查这种关系来发现或纠正可能产生的误码。为了得到一个均匀的差错分布，相邻的信息单元在时域和频域中应尽可能地相互分开传送，也就是在编码中再要完成时间交织和频率交织。根据DAB标准每个载波采用数据率较低的四相差分相移键控调制使数据编码能有较强的抗干扰能力。然后对数据进行COFDM调制完成快速傅里叶变换，经过DIQ模块将数字的基带信号调制到2.048／38.912 MHz载波上，输出数字的中频信号，从而完成发射前整个编码过程。

3.2 AVS-M+DAB编码器硬件结构

AVS-M+DAB编码器硬件实现结构中AVS-M编码部分采用的是TI公司的视频处理芯片TMS320DM642，该芯片是基于C64xDSP核的64位定点DSP，其CPU时钟频率最高可达600 MHz，CPU内部有8个32位的功能单元，可同时执行8条指令，指令吞吐量4 800 MI／s。DM642内部支持两级Cache。采用其评估开发板Eval-uation Module(EVM)进行开发，移植AVS-M编码程序到DSP中，将实时输入的音视频多媒体数据送人开发板中，由DSP单元运算处理后，经开发板的RS-232串口实现与PC串口对连，PC中设计的ETI Decoder软件对收到的数据按照DAB标准进行实时编码，完成编码的能量加扰、卷积码编码、时间交织、频率交织和DQPSK，然后通过以太网口RJ-45接口把数据传人Cyclone II的EP2C20Q240C8开发板中，通过基与NIOS CPU的FFT模块，两路IQ信号6 Mbyte经过DAC芯片AD9765进行12位数模转换和Maxim 4451运放把编码信号送给发射机。

4 实验结果

根据AVS-M视频压缩处理流程特点，通过特定DSP优化算法，该编码器对典型的标准测试序列176×144的QCIF格式图像能达到25 f／s(帧／秒)的实时采集和压缩编码处理，图像效果良好，其测试结果如表1所示。

FPGA优化设计NOIS CPU和FFT模块后，仅占用3 359个逻辑单元、114个管脚、两个DSP乘法器和一个锁相环，电路结构相当简洁。在模式1,2,4完成音视频编码，使用韩国JUNG JIN DMB 1505射频发射机发射编码后的多媒体数据，接收端使用西芯微电子开发的ID200 USB DMB接收机成功接收解码，由DMB Player软件播放出原实时音频数据128 Kbit／s和384 Kbit／s的视频流数据，符合数字广播标准DAB ETSI 300 401标准，证明此“AVS-M+DAB”方式的DMB编码器方案设计是成功的。

5 小结

对编码器实现方案的研究，AVS-M+DAB方式的DMB编码器采用硬件和软件结合的方式，具有良好的编码性能，且不存在T-DMB全硬件编码方式的明显延迟现象，其硬件实现复杂度远低于DVB-H。由于采用了中国自主知识产权的AVS标准，成为避免高额专利费用的一条有效途径。在目前众多标准纷争中，最大程度地利用现有成熟的DAB系统，仅作较少投资升级，是一种实际最快、可行的DMB解决方法。对推动国内DMB与AVS产业的发展有一定的参考价值。