基于地面高清机顶盒的PVR系统设计与开发

3 关键实现技术

3．1 音、视频同步技术

电视信号录制产生的音、视频数据各自以PES包的形式存储在硬盘上，当它们被读出并且被解码播放时，随之就会产生音频和视频之间的同步问题。

数字电视广播的MPEG-2数字码流中包括两种时间信息：用于机顶盒本地系统时钟与广播系统前端时钟同步的节目时钟参考(Program Clock Reference，PCR)，位于TS包的首部；以及用于音视频同步的展现时间戳／解码时间戳(Presentation Time stamp／Decoding Timestamp，PTS／DTS)，位于PES包的首部。在本PVR系统中，由于音、视频数据是以PES包的格式被存储到硬盘的，所以PCR并没有被存储；而另外一方面，在播放已录节目时，音、视频数据是实时从硬盘中读出的，读取数据和播放数据都同属于PVR系统内部的操作，所以并不存在系统间时钟同步的问题，因此，在PVR系统的回放操作中不用考虑PCR。所以在录像回放过程中，只能利用PTS／DTS来维持音频与视频的同步。播放录像时，帧速率(FrameRate)决定了视频数据的解码速率，所以可以将视频PTS作为基准，将音频PTS与之相比较，以此调整音频解码的速率，从而达到使音频与视频同步的目的，具体采用的方法如下：

(1)视频数据被传送到解码单元的视频缓冲区的过程中，对它进行解析，记录其中的PTS，并构建视频PTS表；

(2)对于音频数据，也同样构建音频PTS表；

(3)在解码过程中将视频PTS作为基准，修正解码单元中由系统时钟驱动的SCR(系统时钟参考)计数器的值；

(4)根据音频缓冲区指针的位置，在音频PTS表中查找相应的PTS值，将此值与SCR计数器的值相比较，作为调整音频解码速率的依据，从而控制音频解码器解码动作，实现音频数据跟随视频数据的同步。

3．2 缓存技术

如图2所示，经过前端解调得到的TS流经由2D图像引擎处理后进入DEMUX模块。DEMUX模块是一个集成在主控芯片中的特殊微处理器，主要任务是进行TS流的分析和解复用。由于硬盘的传输速率有限，因此为了减少磁盘读写次数，系统在内存中开辟一块缓冲区用以缓冲音、视频数据，当缓冲区数值达到门限时，将其存储数据写入硬盘。写数据与写硬盘两个操作采用并行的线程来执行，线程间通过信号进行同步。

而在录像文件的回放过程中，从硬盘中读出的音、视频PES文件分别放入音、视频缓冲区中，系统不断检测缓冲区数据大小，如果数据小于门限值，则通知数据传输线程把新数据送入。

录像文件的记录方式包括两种。正常录制的文件大小随着录制时长的增长而增加，直到节目录制完成或者硬盘空间耗尽为止。而在时移录制模式下，录像文件大小固定，它包括了写指针和读指针。在开始时移录制时，写指针开始往后移动，画面静止在开始录制的时刻。当回复收看时，读指针与写指针同步向后移动，写指针在节目结束时停止移动，而读指针自然在与写指针重合时停止移动。需要指出的是，由于时移录制并不以录制文件并回放为目的，所以播放过的节目即被丢弃，因此该文件是一个循环文件，写指针与读指针在到达文件末尾时跳回文件开头。由于硬盘空间所限，循环文件大小即为最大时移录制时长，超过该时长则时移模式失效。

通过缓存技术的使用，系统大幅度减少了硬盘I／O次数，提高了系统效率，同时也达到了保护硬盘的效果。同时，缓存技术和音、视频同步技术相结合，实现了电视节目的回放以及时移播放，真正体现了数字化PVR的强大人机交互功能。

3．3 EPG信息的提取和使用

本系统的EPG通过两种方式获取，其一是在播放节目时按下EPG按键显示的present／following(当前／随后)信息，其二是通过主界面的EPG菜单进入节目指南，显示出频道列表和按照时间排列的各频道节目信息，为用户提供电视节目列表。系统通过Tuner板的解调芯片，从接收的TS流中解析出服务信息(Service information，SI)数据，并在系统缓存中建立SI数据库，用户通过EPG的用户界面(UserInterface，UI)与SI数据库进行交互。EPG的SI以节目为单位，将与每个节目相关的事件都存储在该节目的事件链表上，对于单个频道的事件，其数据结构如下：

如上所示，EPG信息主要包含了每个节目所对应的节目名、开始时间、持续时长以及相邻事件的指针，当然，事件信息还包括它所对应的频道信息三要素(transportid，network id，service id)。

EPG的信息量非常大，并且经常更新，但是由于系统搜索一次EPG信息周期长达8～10s，所以除了开机之后的第一次获取外，当用户按键浏览EPG时，只有当前节目已经过期的情形下，系统才实时地分析获取，并将其缓存至系统内存，其余情形下系统读取缓存数据以大幅度提高响应速度。由于EPG的信息时效性很强，因此在退出系统时无需保存。

用户通过UI来实现与EPG之间的交互，在UI部分，向用户提供了非常友好的EPG菜单界面，实现了节目的按频道分类以及按日期分类，用户通过这些菜单界面，可以方便地浏览节目中近期播放的事件的信息，选择自己喜欢的节目来播放，并且可以设置自动录制指定某个频道的某个时间段的节目。

3．4 预录节目管理

前文已经提到了使用EPG信息与时钟板来进行电视节目的预约录制。用户在浏览EPG列表时选中想要录制的节目，按下预约录制按钮，系统自动将预录信息写入配置文件，并存储至硬盘，文件条目格式如下：

其中条目按照开始时间的先后顺序排列，开始时间与结束时间均以BCD码的形式保存以节省存储空间，同时也可以与通用的struct tm格式方便地进行转换。用户可以随时进入预录条目管理界面删除不需要的条目，也可以再次进入EPG界面选择并添加新条目，系统将根据已有条目情况判断是否有时间冲突，若有则无法预录，若无则选择正确的位置插入条目。系统在开机时自动检测硬盘上是否存在配置文件，若存在，则读取文件第一个没有过期的条目，取出节目开始时间，与从时钟板获得的系统当前时间进行循环比较，一旦到点，系统将停止当前音、视频的播放，并且跳转至预约节目的录制。通过配置文件的使用，系统实现了电视节目的一键录制，录制信息，包括节目名、频道名以及录制开始时间，均以文件名的形式记录，方便用户对于录制文件的查找与分类管理。由于配置文件被写入硬盘，所以除了极端特殊情况，比如在写配置文件时意外断电，通常情形下在系统断电后文件仍然存在，从而实现了预录节目的断电续录功能。

4 结束语

本文开发的PVR系统已经产品化，并随着地面高清信号的开播同步大批量投放市场。由于采用成熟的uClinux操作系统、sigma FM8622L芯片组以及配套的SDK进行二次开发，系统表现稳定，在电视信号质量良好的情况下，录像文件码率平稳，播放效果流畅，长时问录制与播放均不会出现死机等系统异常状况，配合液晶高清电视和家庭影院，完全体现了分辨率高达1920×1080的高质量视频以及高保真音频所带来的震撼感受，并且通过优化的UI设计，使得EPG无缝嵌入电视播放流程，用户查看节目指南、录制当前节目以及预录节目均可一键实现，相比PC平台同类型产品而言，具有性价比高、系统稳定、防病毒木马侵袭、以及使用专用音、视频解码芯片，高清解码能力更出色等优点。当前系统仍存在一些缺点，如天线对信号方位敏感，雨雪天气收看效果不佳，以及录制高清信号时由于码率较高，占用大量系统缓存，从而妨碍其他功能(比如BT下载)的并发执行。下一步工作是设法在硬件上提高天线性能，以及优化代码，减少系统开销，确保各项功能并发执行互不影响。