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1 引言 隨著電子技術、計算機技術和信息技術的發展，電視系統的數字化是一個必然的趨勢。有媒體報道，美國將在2010年停播模擬電視而全面實現數字電視，雖然我國與其相比落后一些，但全面實現電視系統數字化也是一件為期不遠的事。目前，因為數字節目少、技術等原因，我國電視數字化進程還比較慢，這個時期也是我國電視系統數字化技術和資金積累時期。現在雖然市面上有數字電視機頂盒，但它們采用的都是一些企業完整的機頂盒方案，如菲利浦公司、意法半導體公司、富士通公司等機頂盒方案。這些機頂盒的功能簡單，僅僅是完成將數字信號轉換成模擬電視能接收的信號。本文設計了一款全新的基于ARM9的DVB-S2數字衛星機頂盒，充分利用Sti7109 CPU和PXA270 CPU的強大優勢，不僅能完成現有機頂盒的所有功能，而且能完成電視節目的海量存儲；連接互聯網、游戲，從網上下載影片或音樂；和家用電腦連成局域網，實現資源共享等功能。 2 DVB-S2標準的特點 新的DVB-S2衛星傳輸標準，把衛星通信鏈路的容量在DVB-S基礎上提高了30%，在理論上接近了衛星通信的性能極限，結合其它的新的編碼方法和衛星技術，該標準有助于高效推廣高數據速率的應用。 與DVB-S相比，DVB-S2可提供除QPSK外的多種具有更高頻帶利用率的調制方式，如8PSK、16APSK、32APSK。DVB-S2的16APSK和32APSK調制技術，減少了幅度變化，更能適應線性特性相對不好的衛星傳輸信道，使高位調制方式通過衛星信道傳輸成為可能。 DVB-S2采用的是功能更強大的前向糾錯系統，即BCH和LDPC(低密度校驗碼)碼級聯的信道編碼方式，有效地降低了系統解調門限，距離理論的香農極限只有0.7～1dB的差距。 DVB-S2頻譜成形中的升余弦滾降系數α可在0.35、0.25、0.2中選擇，而不是DVB-S固定的0.35，自然α越小，可以獲得下降更陡峭的載波波形，頻譜利用率越高。 3 ST公司的DVB-S2的衛星數字機頂盒方案 針對DVB-S2的衛星傳輸標準，ST公司開發了一套DVB-S2的衛星數字機頂盒的方案，方案的邏輯結構如圖1所示。 圖1 ST公司數字衛星機頂盒方案 機頂盒的方案采用了三大模塊，信號的接收及下變頻模塊，由STB6100完成；信號的解調模塊，由STV0900完成；信號處理模塊，由STi710x完成。 STB6100是ST公司新開發的能夠滿足DVB-S2解碼要求的前端調諧器，主要包括低頻噪聲放大器、下變換混頻器、低通基帶濾波器、獲取控制、低噪聲鎖相環等。STB6100支持8PSK/QPSK調制，輸入的頻率范圍從950 MHz到2150MHz，輸出差分I信號和Q信號，低功耗、大規模集成使得6100只需要很少的外部器件就可以完成調制和變換。 STV0900是ST公司的一款多標準高級雙向的衛星數字電視和數據服務機頂盒解調器。0900具有高速前向糾錯功能每秒可處理180M位/通道，不僅能夠解調DVBS的QPSK，還能解調DVB-S2的QPSK、8PSK、和16APSK。系統可通過I2C完成對0900的控制，可通過JTAG接口向0900寫入新的數據。通過STV0900解調后可向STi710x輸出傳輸流。 STi710x是新一代的高清機頂盒及DVD解碼芯片，兼容ST40核，工作頻率可達266MHz，支持Linux和Win CE及OS2嵌入式系統；提供ROM、Flash、SRAM接口，可外接只讀存儲器、閃存和隨機存儲器。芯片包括視窗多媒體9(WMV9)和H.264兩類解碼器；基于ST總線結構，這類單芯片結構向下兼容，可用于地面廣播、衛星、電纜、DSL以及IP客戶端的高清機頂盒；710x內置一個圖像補償模塊和2D圖形加速器，同時還包括一個數據流鏈接器，可將7個不同的傳流合成處理流，輸出多種格式的高清電視信號或RGB、YPbPr格式或HDMI以及CVBS格式。提供USB2.0 SATA接口及100BT互聯網控制器，能外接SATA硬盤及接上互聯網。 ST公司的數字衛星機頂盒方案完成了信道解碼和信源解碼，輸出了多種格式高清晰數字電視信號。若只是用于接收和處理數字電視信號，該方案已經非常的完善了。但若是燒寫嵌入式操作系統，連接互聯網，與家里的另一臺電腦構成局域網，實現電視節目的存儲，游戲等功能，這種方案就有點力不從心了。所以下面將充分利用ARM9 PXA270的特點，設計一款新的基于PXA270的DVB-S2的衛星數字機頂盒方案。 4 基于ARM9的DVB-S2衛星數字機頂盒方案 ARM技術是ARM公司所有的RISC CPU技術，ARM公司作為知識產權供應商，本身不直接從事芯片生產，靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片，世界各大半導體生產商從 ARM 公司購買其設計的 ARM 微處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的 ARM 微處理器芯片進入市場。目前，采用 ARM 技術核的微處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基于 ARM 技術的微處理器應用約占據了32 位 RISC 微處理器75%以上的市場份額，ARM 技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。 4.1 ARM9 的CPU選取 在眾多的ARM核的生產廠家中，Intel生產的ARM9核的PXA270以其極高的運行速度、強大功能而在高端的嵌入式產品中使用的比較廣泛，如個人數字助理PDA，智能手機，數字機頂盒等。 PXA270以其強大的功能作為本衛星數字機頂盒的主CPU。 (1)運行的速度相當的快，最高工作頻率可達624MHz，而其它的ARM9的工作頻率只有200MHz左右。 (2)7條到8條流水線使PXA270具有很高的速度和極低的功耗。 (3)32K的指令緩沖器和32K的數據緩沖器使PXA270的速度進一步的提升，而其它的ARM9的處理器只有16K的指令緩沖器和16K的數據緩沖器。 (4)PXA270采用Xscale微結構體系架構；具有Intel的無線多媒體擴展技術，能夠流暢的運行三維游戲和播放高質量的多媒體視頻文件。 (5)PXA270的Quick Capture技術使其能夠拍攝高達400萬像素的圖片和視頻，并支持低功耗，實時的回放處理，支持24位色的LCD顯示，具有256K的片上SRAM幀緩沖，這和Quick Capture一起加速了圖像的回放。 (6)支持Intel專用的無線SpeedStep動態電源管理技術，SpeedStep技術可以將PXA270的主頻在26MHz"624MHz之間自由調節，在系統完全空閑時，PXA270可運行在26MHz的主頻下，此時的功耗將低于0.1毫安。 (7)此外還有豐富的外圍接口：三個串行口，分別是標準串行口，藍牙和全功能串行口；紅外線接口；I2C串行總路線接口；AC′97編碼器接口；I2S音頻編碼器接口；USB主機接口和從接口；液晶接口，輸入多種顯示信號；MMC、SD卡、SDIO卡接口；鍵盤接口和測試接口等。 所以本文選PXA270作為DVB-S2標準的衛星數字機頂盒的另一CPU。 4.2 基于PXA270的DVB-S2的機頂盒的邏輯結構圖 圖2 基于PXA270的數字衛星機頂盒方案邏輯框圖 衛星數字機頂盒由三大部分組成，它包括前端接收部分，傳輸流處理部分，節目存儲部分。前端接收部分由ST公司的TB6100和STV0900完成，主要功能是完成信號的接收、下變換、放大、輸出傳輸流TS；傳輸流TS處理部分由ST公司的STi710x完成，主要功能是完成信源的解碼，將分離的視頻ES和音頻ES分別轉換成PAL/NTSC制的電視信號和音頻信號，并完成解擾功能；節目存儲和連接互聯網部分由英特爾公司的PXA270完成，主要功能是完成數字節目的存儲、連接互聯網、下載視頻和音頻數據、視頻點播等功能。 STi710x接收來自前端輸出的傳輸流，其內部解復用器解調出不同的節目頻道，提取相應的音視頻流和數據流，其輸出為MPEG-2音視基本流及一些數據凈荷。MPEG-2解碼器和相應的解析軟件用數字信息的還原。對于加密的電視節目，條件接收模塊可以通過智能卡對音視頻進行解擾。MPEG-2解碼器用于音、視頻解壓縮，經過視頻編碼器和音頻編碼器還原模擬音視頻信號。解復用及音視頻解碼STi710x擴展功能模塊如圖3所示。 在STi710x模塊中，E2PROM用于存放工作過程中的配置參數，同步存儲器SDRAM用來運行程序，Flash用于燒寫啟動程序，智能卡接口用于完成條件接收功能。同時該擴展模塊輸出數字電視和VGA顯示器所需要的信號，雙口RAM用于完成STi10x和ARM板之間的通信。 圖3 解復用、音視頻解碼模塊 4.3 中央處理器PXA270模塊 PXA270是Intel公司設計開發的基于精簡指令集的ARM9核的CPU，工作頻率可以達到了600MHz，且具有豐富的外圍組件，其中主要包括：存儲器管理單元MMU，32KB的指令緩沖器和32KB數據緩沖器，存儲器控制器(SDRAM控制器)、NAND Flash 和NOR Flash 控制器，4通道的外部DMA請求控制，3個串行口，其PXA270擴展板的邏輯結構如圖４所示。 圖４ ARM9擴展板的邏輯結構 ARM9擴展板中由PXA270 CPU、64M閃存、64M的同步存儲器、鍵盤和USB接口；處理數字電視信號的部件主要由硬盤、互聯網接口、紅外線發送與接收和雙口RAM組成。該模塊的主要功能是完成數字電視節目的存儲，連接到互聯網，紅外線的控制，通過I2C接口控制前端調諧器，通過雙口RAM完成與Sti5528的數據交換。系統中的64M閃存用來存放CPU的啟動程序和Linux操作系統；64M的同步存儲器用來運行操作系統和應用程序；鍵盤用來輸入數字；USB接口用來外接USB設備，如USB 移動硬盤、USB打印機等等；硬盤用來存儲數字電視節目和其它信息、數據；互聯網接入模塊用于寬帶接入互聯網；紅外線模塊控制遙控器的發送與接收，選擇電視節目或實現其它功能；雙口RAM用來實現與STi710x的數據交換。 5 衛星數字網絡機頂盒的軟件和功能 由于嵌入式系統軟件和微處理器密切相關，所以通常采用分層模型來描述，軟件層次結構自底而上分為固件層、驅動層、中間件、應用層，這樣，一旦硬件模塊發生變化，軟件的修改只發生在和硬件相關的固件層，中間件和應用層可以保持不變，能夠減少編程工作量，縮短軟件開發時間。層次構建遵循的原則：某一層的模塊可調用下層模塊，同時又能被上層調用，同層之間一般不能調用。 衛星數字網絡機頂盒的硬件組成相當于一臺奔Ⅲ的計算機和數字機頂盒，所以其功能既能夠完成計算機的功能又能夠完成數字機頂盒的功能。該數字網絡機頂盒的主要功能是：①數字電視節目的接收；②DVB公共解擾算法和條件接收；③支持PAL/NTSC/SECAM；④支持MPEG2圖像和MP3、杜比5.1音質；⑤遠程教育；⑥按次付費電視收看；⑦電子節目指南；⑧互聯網的接入；⑨數字電視節目存儲；⑩視頻點播(VOD)；11交互式電視游戲等等。可以看出，數字網絡電視機頂盒的功能十分強大。 6 總結 本文創新點是完成了基于ARM9 PXA270和STi710x的衛星數字機頂盒硬件平臺的設計。文中對傳統的數字機頂盒和雙CPU衛星機頂盒方案作了對比，同時給出了衛星機頂盒的硬件邏輯方框圖，以及軟件模型和功能。該設計實現后，不僅能夠完成傳統數字機頂盒的功能，還能夠完成DVB-S2標準電視節目的存儲和連上互聯網的功能，隨著數字電視時代的到來，該設計能得到廣泛的應用。 |
