個人視頻錄像技術(shù)及其在數(shù)字電視機(jī)頂盒中的應(yīng)用

摘要：    本文詳細(xì)介紹了PVR的關(guān)鍵技術(shù)。隨著數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和市場的壯大，PVR技術(shù)與機(jī)頂盒結(jié)合將成為未來的發(fā)展方向之一。
關(guān)鍵詞：    個人視頻錄像(PVR);機(jī)頂盒; 數(shù)字電視

PVR(Personal Video Recorder，個人視頻錄像機(jī)),的突出特點是以硬盤作為存儲媒介，建立本地的海量緩沖區(qū)和巨大的節(jié)目存儲庫，并利用數(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，在這個基礎(chǔ)上對節(jié)目進(jìn)行靈活的編輯和錄放控制。 PVR技術(shù)和數(shù)字電視機(jī)頂盒結(jié)合而產(chǎn)生的 PVR機(jī)頂盒，帶來了數(shù)字化視頻錄放和內(nèi)容互動。據(jù)美國市場調(diào)查咨詢機(jī)構(gòu)Ovum公司的分析顯示，全球數(shù)字電視用戶將從2001年的6200萬戶猛增到2006年的3.5億戶。PVR數(shù)字電視機(jī)頂盒作為一種非常有特色的數(shù)字電視終端，具有廣闊的市場前景。

PVR機(jī)頂盒的原理

PVR機(jī)頂盒把數(shù)字電視技術(shù)和硬盤錄像技術(shù)完美結(jié)合，不僅使機(jī)頂盒增加了錄像的功能，更是通過時移技術(shù)、智能錄像技術(shù)、Watch&Record(邊看邊錄)技術(shù)等給觀眾提供了一種全新的觀看電視的方式。 

PVR機(jī)頂盒的原理如圖1所示。機(jī)頂盒通過高頻頭解調(diào)和解復(fù)用模塊解復(fù)用后得到用戶所選中的數(shù)字電視節(jié)目A/V數(shù)據(jù)，在正常觀看節(jié)目的情況下，解復(fù)用得到的A/V數(shù)據(jù)同時通過通道1和通道3送到解碼器和硬盤，分別進(jìn)行解碼播出和時移存儲。當(dāng)用戶進(jìn)行暫停、后退、慢放等操作時，機(jī)頂盒進(jìn)入時移狀態(tài)，通道1切斷，解碼器通過通道2從硬盤獲取A/V數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼輸出，通道3依然保持正常工作。 

圖1 PVR機(jī)頂盒原理圖

當(dāng)用戶進(jìn)行錄像操作時，通過通道3送到硬盤的數(shù)據(jù)存儲在指定的錄像文件中，A/V輸出的數(shù)據(jù)依然來自通道1。而在播放已錄制節(jié)目時，斷開通道1，接通通道2，一般情況下此時通道3也是斷開的。 
當(dāng)用戶想在觀看一路節(jié)目的同時，錄制另外一路節(jié)目，那么就需要Watch& Record技術(shù)。如果機(jī)頂盒只有一個高頻頭，那么只能對同一個TS流里的節(jié)目進(jìn)行邊看邊錄的操作。如果機(jī)頂盒有兩個高頻頭和兩套解復(fù)用模塊的話，就通過解復(fù)用模塊解出兩路不同的電視節(jié)目，對兩個TS流的節(jié)目分別邊看邊錄。 

硬盤節(jié)目錄制功能的實現(xiàn)

硬盤節(jié)目錄制就是將所需節(jié)目的TS流及相關(guān)信息以一定數(shù)據(jù)組織格式存儲到硬盤上，同時該節(jié)目或者其他節(jié)目仍可以解碼播放。其系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 PVR錄制功能框圖

經(jīng)過前端解調(diào)得到的TS流經(jīng)由多路選擇器，進(jìn)入可編程傳輸接口模塊?？删幊虃鬏斀涌谀K是一個集成在主控芯片中的特殊微處理器，其主要任務(wù)是完成TS流的分析、解擾和解復(fù)接。它自帶的片內(nèi)緩存可以與外部存儲以DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這也為節(jié)目的硬盤錄放功能提供了硬件支持?？删幊虃鬏斀涌谀K提取TS流中需要錄制的節(jié)目的相應(yīng)的TS包，并將該類TS包存入片內(nèi)緩存，當(dāng)有TS包收到時，通過驅(qū)動程序通知軟件部分，由軟件負(fù)責(zé)將片內(nèi)緩存中的TS包復(fù)制到外部存儲中，一旦外部存儲區(qū)中為硬盤讀寫開辟的區(qū)域(64 KB)充滿后，將數(shù)據(jù)從外部存儲區(qū)寫入到硬盤上，完成了錄制的全過程。同時，由于多路選擇器的多通道選通功能，以及可編程傳輸接口單元的多節(jié)目選通功能，在錄制節(jié)目的同時，還可以對其進(jìn)行實時回放，并且可以實現(xiàn)在錄節(jié)目的同時觀看其他節(jié)目。

機(jī)頂盒作為一個硬件平臺結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，對于開發(fā)新的應(yīng)用，在硬件支持的基礎(chǔ)上，大部分任務(wù)由軟件完成。對于硬盤節(jié)目錄制工作，軟件部分的核心部分為一個節(jié)目錄制控制器。通過該控制器，可以對節(jié)目的硬盤錄制功能進(jìn)行操作，并能實時得到所有狀態(tài)信息。節(jié)目錄制控制器由3個線程實現(xiàn)：線程1為控制線程，是軟件部分的主線程，該線程通過分析外部命令(如：選擇節(jié)目頻道、開始錄制、停止錄制等)，設(shè)置與硬盤錄制相關(guān)的各個模塊，并控制線程2、線程3。線程2、線程3均為數(shù)據(jù)傳輸線程，分別完成由片內(nèi)緩存到外部存儲及由外部存儲到硬盤的傳輸，兩個線程之間通過信號機(jī)制進(jìn)行同步。

對于節(jié)目錄制功能來說，與已有的廣播節(jié)目的接收、解碼、回放功能比較，差別只是可編程傳輸接口模塊的TS流輸出路徑不同，所以只需考慮從片內(nèi)緩存到外部存儲區(qū)以及外部存儲區(qū)到硬盤的傳輸效率即可。片內(nèi)緩存到外部存儲采用DMA方式，所以效率非常高，同樣，硬盤的數(shù)據(jù)寫入采用UDMA33模式，并且采用最小距離I/O調(diào)度算法，所以硬盤寫入速度完全能夠勝任一般高清晰度電視的碼流要求。

硬盤節(jié)目回放功能實現(xiàn)方法

硬盤節(jié)目回放功能實現(xiàn)方法與錄制有許多相似的地方，但也有不同之處。節(jié)目回放涉及了硬盤讀取、碼流解復(fù)接、定時模式、視音頻同步等各個方面，涉及范圍要多于節(jié)目錄制，同時，硬盤節(jié)目回放功能的實現(xiàn)方法也不同于接收廣播方式碼流進(jìn)行解碼播放的方式，它在定時模式和視音頻同步方面采用了不同的實現(xiàn)方法。

硬盤節(jié)目回放功能包括節(jié)目選擇、節(jié)目數(shù)據(jù)讀取、TS流解復(fù)接、視音頻解碼等幾個主要部分，它涉及到了除機(jī)頂盒前端外的大部分模塊，功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PVR回放功能框圖

由圖3可以看出系統(tǒng)流程：硬盤上所有節(jié)目的節(jié)目信息(包括節(jié)目的內(nèi)容、長度、碼率、添加時間等)通過顯示設(shè)備(顯示器或電視機(jī)等)，以O(shè)SD菜單的形式列出， 用戶通過遙控器選擇播放的節(jié)目；節(jié)目選定后，讀取硬盤中相應(yīng)的節(jié)目流，將其放入外部存儲區(qū)(SDRAM)中；節(jié)目TS流通過多路選擇器，由可編程傳輸接口模塊對其進(jìn)行解復(fù)接等操作；解復(fù)接得到的視頻、音頻PES流交由解碼器進(jìn)行解碼。軟件部分的結(jié)構(gòu)與節(jié)目錄制功能類似，但不完全是節(jié)目錄制的逆過程，本文介紹從略。

定時模式與視音頻同步

對于廣播方式的碼流，可編程接口模塊提取碼流中的PCR數(shù)據(jù)，并利用其設(shè)置時鐘恢復(fù)單元，得到一個與發(fā)送端時鐘同步的系統(tǒng)時鐘，這樣就保證了碼流可以按照發(fā)送端的碼率平滑地傳入視音頻解碼器中，同時，利用該系統(tǒng)時鐘以及碼流中攜帶的視音頻PTS信息，就可以完成視音頻的同步。 

而對于硬盤節(jié)目回放，由于從硬盤上讀到的數(shù)據(jù)無法以一個固定的碼率輸出到可編程接口模塊，所以上述定時模式不適用。可以采用視音頻解碼器共同定時的方法，視音頻解碼器不再是數(shù)據(jù)被動的接收端，而變成數(shù)據(jù)主動的請求端，視頻解碼單元與音頻單元在解碼時，各自按照自己解碼速度讀入數(shù)據(jù)。在視音頻解碼單元前，各有一個FIFO，如果這兩個FIFO都保持不上溢，并且不長期下溢(在FIFO變空后能及時補(bǔ)充數(shù)據(jù))，就可以保證碼流的正常解碼播放，利用FIFO變空這一事件作為請求，通知數(shù)據(jù)傳輸線程，讀取所需數(shù)量的數(shù)據(jù)，從而完成定時。對于視音頻同步，則是以視頻解碼器作為主導(dǎo)，在每一個新的視頻幀(Picture)到來時，由視頻PTS值設(shè)置時鐘恢復(fù)單元的系統(tǒng)時鐘，音頻PTS則參照該系統(tǒng)時鐘，從而實現(xiàn)視音頻同步。    

如果TS流傳輸路徑的各個模塊傳輸速度都足夠快的話，就可以保證正常的持續(xù)的解碼。在以上幾個傳輸模塊中，可編程傳輸接口模塊的解復(fù)接過程是效率最低的，但是也可以勝任一般高清晰度電視碼流的傳輸，所以傳輸速度可以得到保證。同時，也必須保證各個傳輸模塊的前端緩沖不出現(xiàn)上溢、下溢，避免數(shù)據(jù)的丟失，所以在任兩個數(shù)據(jù)傳輸模塊間都采用了數(shù)據(jù)傳輸保證機(jī)制，利用緩沖的半空、半滿中斷請求進(jìn)行控制，這樣就保證了碼流補(bǔ)給的穩(wěn)定性。

PVR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景

目前機(jī)頂盒與DVD相結(jié)合的趨勢并不明顯，主要因素是市場正在向HDTV過渡。此外，用戶的消費習(xí)慣也是進(jìn)行這種產(chǎn)品開發(fā)決策的重要考慮因素。事實上，部分開發(fā)商此前推出的像TV+DVD的產(chǎn)品并沒有得到用戶的響應(yīng)，而PVR功能集成已經(jīng)成為主流方案提供商的共識。盡管目前在國內(nèi)，機(jī)頂盒+PVR并沒有得到開發(fā)商的十分關(guān)注，但在歐美地區(qū)機(jī)頂盒+PVR已成為標(biāo)清和高清電視廣播應(yīng)用中一個增長很快的市場。據(jù)In-Stat/MDR調(diào)查顯示，2004年美國市場售出的有線數(shù)字機(jī)頂盒中，每五臺機(jī)頂盒就有一臺具有PVR功能。據(jù) Informa Media 公司預(yù)測，到2010年全球所有電視家庭將有近一半擁有某種類型的PVR服務(wù)；在發(fā)達(dá)國家，PVR功能在有線數(shù)字電視家庭的普及率將達(dá)95%。Broadcom公司機(jī)頂盒產(chǎn)品高級行銷經(jīng)理Nicholas Dunn認(rèn)為，機(jī)頂盒正在向具有PVR功能的趨勢發(fā)展，PVR可為用戶提供真正的節(jié)目收看和節(jié)目錄制功能，Broadcom等公司都為此推出了可支持PVR的系列雙解碼解決方案。這樣的方案通常要求CPU處理能力強(qiáng)大、支持多通道解碼以及先進(jìn)的接口功能，同時，由于需要采用雙調(diào)諧器，需要增加整機(jī)成本和改變前端設(shè)計。

另外一種更長遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢是“家庭PVR(all home PVR)”，這種技術(shù)包括一個可接入廣播電視網(wǎng)及寬帶網(wǎng)、可存儲大量廣播電視和家庭媒體數(shù)據(jù)的中央媒體服務(wù)器。媒體服務(wù)器通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將家庭網(wǎng)絡(luò)與任意數(shù)量的瘦型客戶機(jī)相連，將硬盤里的內(nèi)容、圖片甚至實時廣播電視傳輸?shù)郊依锶魏挝恢玫碾娨暀C(jī)上。

PVR機(jī)頂盒在數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，帶來了電視生活的新概念，能夠極大地促進(jìn)數(shù)字電視業(yè)務(wù)的開展。硬盤、PVR技術(shù)與機(jī)頂盒的結(jié)合，將成為數(shù)字電視機(jī)頂盒的一種發(fā)展方向。目前，一些國際性的電視設(shè)備公司都加快了PVR機(jī)頂盒的研制，芯片廠商和硬盤廠商也加強(qiáng)了對該類產(chǎn)品的投入，并生產(chǎn)專用于PVR機(jī)頂盒的芯片和硬盤。國內(nèi)的高科技公司也看準(zhǔn)了PVR機(jī)頂盒的優(yōu)勢和美好前景，永新同方、大洋的國內(nèi)公司正致力于中、高檔機(jī)數(shù)字電視機(jī)頂盒的研制，并推出了多種PVR數(shù)字電視機(jī)頂盒。隨著數(shù)字電視的迅速崛起，PVR數(shù)字電視機(jī)頂盒必將得到更加迅猛的發(fā)展。

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