一種高清數字電視H.264編碼系統的設計

鄭明魁，蘇凱雄，楊秀芝

（福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350002）

0 引言

H.264/AVC是由ISO/IEC運動圖像專家組（MPEG）與ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）聯手制定的最新視頻編碼標準。其主要特點是具有更高的編碼效率和更好的網絡適應性[1]。與目前流行的MPEG-2壓縮標準相比，在相同重構圖像質量條件下，H.264/AVC能節約大概50%的碼流[2-3]。H.264/AVC優異的性能使其在高清數字電視廣播、視頻實時通信等方面有著廣泛的應用前景。

由于H.264編碼算法的高復雜度性，在編碼系統實現上，目前主要有基于FPGA解決方案、基于DSP解決方案以及采用ASIC方案等方法[4-5]。FPGA與DSP方案使用方便靈活，但相對成本較高。而采用ASIC方案則成本低，功耗小，而且編碼效果更好。本文采用以ASIC實時編碼芯片為核心，設計出一種高清數字電視實時編碼系統，該系統具有實時性好，體積小，成本較低等特點。

1 H.264實時編碼芯片

本文采用的H.264實時編碼芯片的內部電路組成框圖如圖1所示，主要包括視頻編解碼、音頻編解碼、視音頻輸入輸出接口、系統復用解復用以及主機控制接口等模塊。芯片視頻輸入和輸出支持SMPTE274M，SMPTE296M-2001以及ITU-R BT.656-4標準，支持高清視頻信號1 920×1 080p，1 920×1 080i，1 280×720p和標清視頻信號，音頻信號輸入輸出則通過I2S實現。主機控制接口HOST工作于串行或者并行方式，外部MCU可以通過該接口完成對編碼芯片的參數設置與控制。

2 高清編碼系統設計

H.264高清編碼系統的總體結構框圖如圖2所示，主要由視音頻輸入接口、TS流輸出接口、H.264高清編碼模塊、主控模塊等部分組成。視頻輸入支持 HDMI，S-video，CVBS，YPbPr接口，并支持1路模擬立體聲輸入。方案支持高清視頻信號（1 920×1 080p，1 920×1 080i，1 440×1 080i，1 280×720p）和標清視頻信號的H.264視頻格式的編碼。主控模塊MCU采用基于ARM7內核的LPC2210，利用SiI9135芯片設計了HDMI高清視音頻輸入接口，并運用ADV7401，CS5361設計了模擬視音頻輸入接口，ASI輸出接口則通過CY7B923實現。從HDMI輸入的視音頻數據以及經過A/D轉換的視頻音頻信號都送到FSTD16211中進行輸入信號的選擇，MCU通過設置XOE端，選擇不同的視音頻數據信號進行實時編碼。通過以太網接口能實時對編碼系統進行監視和控制，獲取編碼系統的工作狀態并對編碼參數進行配置。

2.1 HDMI數據接口

HDMI可以實現未壓縮的高分辨力視頻和多聲道音頻數據的傳輸，其傳輸結構如圖3所示[6]。它包括3個不同的TMDS數據通道和1個時鐘通道，傳輸的信號有視頻信號、數據島和控制信號，不同的信號采用不同的編碼方式，使得每個時鐘周期內每個通道都傳輸10 bit。顯示數據通道（DDC）由美國視頻電子標準協會（VESA）規定，發送端可通過DDC通道讀取接收端的EDID信息，從而實現發送端和接收端之間的配置以及狀態信息的交換。CEC通道則實現相連設備的高層控制功能。

本文采用支持HDMI1.3規范的專用芯片SiI9135。該芯片在音頻上支持DTS-HD和杜比True HD格式；在視頻上支持10位/12位的顏色深度和1 080p@60 Hz視頻格式。芯片內部具有預先編程的HDCP密鑰，可提供高級別的HDCP密鑰安全機制。HDMI接口硬件框架如圖4所示。

SiI9135寄存器邏輯控制模塊主要用于實現HDCP的授權、視頻音頻處理、輔助格式以及省電模式等功能。本文通過2個端口訪問SiI9135控制寄存器，第1個端口通過DDC通道，由HDMI電纜與 HDMI源設備連接，可以對HDCP操作寄存器和普通寄存器進行設置，實現對HDMI輸入接口的HDCP操作；第2個是本地I2C接口，編碼器主控MCU可以通過該串行總線訪問SiI9135的通用寄存器和普通寄存器，完成有關視頻音頻等參數的設置。

本文利用E2PROM AT24LS02B存儲EDID數據結構，EDID數據信息是以128 byte為一個Block單位的數據結構，符合EDID1.3規范，完整的數據塊包含了產品序列號、EDID版本信息等內容，HDMI源設備通過I2C總線從AT24LS02B中讀出EDID數據，AT24LS02B采用的是雙向供電的方式，分別由HDMI源設備和編碼器5 V電源提供。

2.2 模擬視音頻輸入接口設計

模擬視頻輸入采用ADV7401實現，ADV7401是高性能的單片多格式視頻解碼器，內置采樣頻率高140 MHz的ADC。本文具有多個模擬視頻輸入端口，包括有S-vid?eo，YPbPr，CVBS接口標準，最高支持1 080i的高清視頻信號輸入，允許PAL，NTSC，SECAM的標準視頻，輸出YCrCb的數字視頻信號將送到ASIC編碼器中進行編碼。

模擬音頻輸入接口采用24 bit差分輸入立體聲模數變換器CS5361來實現。通過MCU設置，輸出的數字音頻信號為I2S格式，采樣頻率在2～192 kHz之間選擇。其硬件框圖如圖2所示，其中M1M0設置操作模式，本文支持32 kHz，44.1 kHz和48 kHz這3種采樣頻率；M/S設置CS5361的工作模式；HPF用于設置高通濾波器和直流偏移校正，由于模擬通道可能引起的直流偏置將影響音頻AD的性能，通過MCU控制該管腳對直流偏移進行校正。

2.3 ASI輸出接口設計

ASI輸出接口通過CY7B923來實現。CY7B923是一種用于點對點之間高速串行數據通信的發送芯片，可兼容DVB-ASI、光纖、IBM ESCON及SMPTE-259M等多種傳輸協議，適用于光纖、同軸電纜和雙絞線等傳輸媒介。

ASI輸出接口框架如圖2所示，經過實時壓縮的高清碼流通過D[7:0]輸入CY7B923，從OUTA±差分輸出，CKW是時鐘信號。MCU實現對CY7B923的控制，通過SC/D進行特殊字符/數據選擇，當該腳為低電平時，對輸入數據使用8B/10B數據碼表進行編碼；SVS為高電平時，將發送1個違例字符。

2.4 主控模塊設計

MCU采用嵌入式單芯片系統LPC2210[7]，如圖2所示，將LPC2210外部存儲器接口配置成4組，分別接Flash、SRAM、實時編碼芯片以及以太網控制器，每個模塊的起始地址分別為0x80000000，0x81000000，0x82000000以及0x83000000，分別通過4個外部存儲器配置寄存器BCFG0～BCFG4進行設置。以太網控制器采用RTL8019AS，鍵盤控制器采用FD650。FD650是一種帶LED驅動控制的專用鍵盤掃描電路接口電路，內部集成有MCU輸入輸出控制數字接口、數據鎖存器、LED驅動、鍵盤掃描、輝度調節等電路。

在控制軟件設計方面，采用實時操作系統μCOS II[8]，主控模塊流程如圖5所示，主要完成視頻音頻輸入接口的初始化，ASI輸出接口初始化、以太網以及編碼芯片的初始化，并根據面板以及以太網接口進行編碼參數配置。編碼參數主要包括視頻格式的選擇、壓縮碼率、視音頻PID以及PCR PID等。

為了使播控中心能通過以太網實時監控編碼系統，獲取編碼系統的檢測數據和工作狀態，并對編碼方式、編碼圖像的質量、碼率、分辨力等進行控制，本文設計了基于SNMP協議的網絡監控系統。SNMP協議是工作在UDP協議之上，使用UDP傳輸服務來實現數據報傳送[9-11]。網絡管理站對編碼器狀態的監視和控制主要通過查詢代理MIB中相應對象的值來完成，要獲得編碼狀態時，管理站向編碼器代理發送GetRequest，GetNextRequest報文，設置編碼器時則發送SetRequest報文，代理都以Get?Response報文應答。本文同時利用代理向管理站發出陷阱的方式產生Trap報文，為編碼設備向管理站報告故障和狀態變化提供了通道。

編碼器SNMP網管代理主要包括3個功能模塊：編解碼模塊使SNMP報文以ASN.1中規定的基本編碼規則BER進行編解碼；數據請求及處理模塊完成編碼參數的設置與讀??；陷阱觸發模塊向管理站產生Trap故障報文。

3 小結

H.264高清視頻編碼技術具有廣闊的應用市場，不僅應用于視頻廣播編碼、媒體網管、視頻監控等商用產品中，而且也將用于數字媒體適配器、高清視頻會議終端、IP視頻電話和高清網絡攝像機等消費類產品中。本文設計的H.264高清實時編碼系統體積小、成本較低，滿足了高清數字電視前端音視頻編碼的需要。

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