基于STi7109的PVR數字電視機頂盒設計

張啟武，于鴻洋，張 萍

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

1 引言

PVR（Personal Video Recorder）功能因其實用和內置硬盤存儲量大的特點而成為數字電視機頂盒的重要擴展功能。它能有效提高產品的市場競爭力，是數字電視機頂盒一個重要的發展方向。在當前網絡電視快速發展的情況下，PVR數字電視機頂盒增強了電視的吸引力，因此受到廣電服務提供商的青睞。隨著硬盤價格的不斷走低，擁有該功能的產品不會明顯增加消費者的經濟壓力，具有普及推廣的潛力[1]。

2 PVR實現原理

音視頻數據及數字信號首先經過MPEG-2編碼器進行數據壓縮形成基本碼流ES（Elementary Stream），再經打包后形成有包頭的基本碼流PES。不同音視頻信號的PES流被送入傳輸復用器進行系統復用，形成傳輸流（TS）[2-6]。 TS 結構如圖 1 所示。

圖1 傳輸流結構

傳輸流中包括多個節目源的不同信號。為了區分這些不同的音視頻信號，在系統復用時加入服務信息SI以使接收端可以識別不同的節目。DVB標準定義的部分服務信息如表1所示[7]。

表1 DVB標準定義的部分服務信息

當接收機要接收某個指定節目時，它首先從節目關聯表中取得這個節目PMT的PID值，然后從TS流中找出與PID值相對應的PMT，從中獲得構成這個節目的基本碼流的PID值，根據這個PID值濾出相應的視頻、音頻和數據等基本碼流，解碼后復原為原始信號[8]。PVR功能只是在濾出相應的基本碼流后不進行解碼，而直接將它們存儲在硬盤當中。

在機頂盒只有一個高頻頭的情況下，只能對同一個TS流里的節目進行邊看邊錄的操作。在沒有收看電視節目時可以對任一節目進行錄制，而在收看節目時只能錄制與該節目在同一頻點的其他節目。定義兩個函數，RECORDING1（見圖 2）用于普通存儲，RECORDING2（見圖3）用于時移播放。時移播放是在硬盤中開設足夠的緩存區，一旦在收看電視節目時按下了暫停鍵，立即進行錄制，等錄制后按下播放鍵，即從暫停處開始播放，就像發生了時移一樣。兩個函數的區別在于，前者記錄的數據在播放后仍需保存，而后者在播放后實時刪除。

圖2 普通錄制

圖3 時移錄制

3 文件系統

PVR機頂盒接收的數據在硬盤中是以PES數據包的格式存儲的。

采用SATA硬盤，其數據傳輸率可達150 Mbyte/s。將磁盤分成C，D兩個區，C區12 Gbyte，其余分配給D區。均采用EXT2文件格式。每個格式化后的扇區可容512 byte數據。因為硬盤數據的存放一般都以磁盤塊（扇區大小的整數倍）為單位，為了減少尋道延遲和旋轉延遲從而導致文件讀寫速度變慢，應該將PVR機頂盒磁盤塊設置得相對大些，以使有限的嵌入式系統內存能夠全部存放文件分配表從而加快讀寫速度。設置磁盤塊大小為16 kbyte。

每個節目流都有一個信息文件、索引文件和數據文件。其中，數據文件記錄碼流，分為常規文件和時移文件。RECORDING1（）使用常規文件，存于/convention目錄。該文件建立時有一定的初始大小，其長度隨著記錄時間的增加而增加，直到節目錄制完成或硬盤沒有空間為止。RECORDING2（）使用時移文件，存于/shift目錄。該文件也需要建立索引，有一個讀指針和一個寫指針，初始時兩個指針均指向時移文件開始處。RECORDING2（）錄像的目的是使節目在硬盤上緩存一定的時間，用于觀眾收看節目時臨時按下的暫停命令。當選擇暫停時，畫面靜止，而寫指針會立即向后移動并開始錄制。當恢復收看時，讀指針開始從暫停處向后移動并解析和播放，播放過的數據隨后刪除。若指針到達文件結尾則跳轉到文件頭部重新記錄或播放。時移播放示意圖見圖4。當觀眾恢復播放后又進行了變換頻道操作，則將先前時移錄制的文件刪除，讀寫指針歸置初始處。

圖4 時移播放示意圖

4 特技播放的實現

對音視頻數據流進行解析，在它們被存入到硬盤的過程中記錄其中I幀的位置，形成索引文件。在播放時按播放速度的要求，按索引文件讀出所需I幀數據送給解碼單元解碼播放，這樣就可以實現快進、快退的特技播放效果了。根據MPEG-2語法，在圖像代碼中指明了幀類型，二進制001代表I幀，010代表P幀，011代表B幀。這樣就可以根據這些幀標識判斷幀類型并記錄I幀的位置，從而進行相應的特技播放。特技播放部分C代碼如下：

void play_hdd(int prognum)

{int pace=1,pressnum=0;

int*progp;/*指向節目名稱的指針*/

long int*indexp;/*具體節目索引文件的指針*/

while(*indexp!=NULL)

{switch(pace)

{case 1∶{…}/*對 GOP 解碼播放 */

break;

default∶{…}/* 對 I幀解碼播放 */

}

if(before_for())

pace=pace%4＋1;/*最快4倍速播放*/

if(back_for())

{if(pressnum==0)

pace=-1;

else

pace--;

pressnum＋＋;

if(pressnum==5)

pace=1;/*若4倍速快退后繼續按倒退鍵則變成正常播放*/

}

if(play())

pace=1;

if(pause())

pace=0;

indexp＋=pace;

}}

在慢放過程中，對同一幀進行兩次重現。為了避免產生尖銳或拖沓的聲音，在各種特技播放的過程中不對音頻進行解碼。

5 小結

筆者從MPEG-2標準入手進行分析，找到了PVR功能的實現方法。對磁盤進行分區并建立文件系統，定義不同函數實現了普通錄制和時移播放，并基于索引文件和重放技巧實現了特技播放。可在存儲的音視頻文件的組織方面做進一步研究和改進，以便提高硬盤讀寫速度和利用率。

[1]蒲海銘，荊濤，彭貴定.高清數字電視機頂盒的研究與設計[J].電視技術，2006（9）：40-42.

[2]STMi-croelectronics.STi7109 low-cost HDTV set-top box decoder for H.264 and Microsoft WMA9[EB/OL].[2010-02-25].http∶//www.st.com/stonline/products/literature/bd/11660.pdf.

[3]劉文開，劉遠航.有線廣播數字電視技術[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[4]ISO/IEC 13818-2，Information technology-generic coding of moving pictures and associated audio∶pictu[S].1995.

[5]ISO/IEC 13818-3，Information technology-generic coding of moving pictures and associated audio∶audio[S].1995.

[6]鐘玉琢，王琪，趙黎，等.MPEG-2運動圖像壓縮編碼國際標準及MPEG的新進展[M].北京：清華大學出版社，2002.

[7]趙堅勇.數字電視技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[8]廖洪濤，徐征.數字電視業務支撐系統[M].北京：電子工業出版社，2007.