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基于ARM9的DVB-S2卫星数字机顶盒方案研究

我爱方案网| 机顶盒,DVB-S2,卫星| 2011-12-13
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中心议题:
    *  ST公司的DVB-S2的卫星数字机顶盒方案研究
    *  基于ARM9的DVB-S2卫星数字机顶盒方案
解决方案:
    *  PXA270作为主CPU
    *  前端接收由TB6100和STV0900完成
    *  STi710x接收传输流
    *  E2PROM用于存放配置参数

1  引言
  
随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展,电视系统的数字化是一个必然的趋势。有媒体报道,美国将在2010年停播模拟电视而全面实现数字电视,数字电视就是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都是使用数字电视信号或对该系统所有的信号传播都是通过由0、1数字串所构成的数字流来传播的电视类型。其信号损失小,接收效果好。字电视是一个从节目采集、节目制作节目传输直到用户端都以数字方式处理信号的端到端的系统。基于DVB技术标准的广播式和“交互式”数字电视。采用先进用户管理技术能将节目内容的质量和数量做得尽善尽美并为用户带来更多的节目选择和更好的节目质量效果,与模拟电视相比,数字电视具有图像质量高、节目容量大(是模拟电视传输通道节目容量的10倍以上)和伴音效果好的特点。由于数字电视是种新鲜事物,一些相关报道及文章介绍中出现似是而非的概念,诸如“数码电视”、“全数字电视”、“全媒体电视”、“多媒体电视”等,造成大众感到困惑,茫然不知所措。其实,“数字电视”的含义并不是指我们一般人家中的电视机,而是指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。其具体传输过程是:由电视台送出的图像及声音信号,经数字压缩和数字调制后,形成数字电视信号,经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送,由数字电视接收后,通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。
  
2  DVB-S2标准的特点
  
DVB-S.2作为新一代数字卫星广播标准即将出台,草案已正式发布,新标准在提升原有信道传输容量的同时,还将大大拓展业务范围,得到了广电、电信、计算机等领域的广泛关注。在与以往标准相比较的基础上,本文阐述了新标准技术上的主要优势,并简要介绍了标准的研发背景、目前的进展及未来应用前景。
  
新的DVB-S2卫星传输标准,把卫星通信链路的容量在DVB-S基础上提高了30%,在理论上接近了卫星通信的性能极限,结合其它的新的编码方法和卫星技术,该标准有助于高效推广高数据速率的应用。
  
与DVB-S相比,DVB-S2可提供除QPSK外的多种具有更高频带利用率的调制方式,DVB-S2的16APSK和32APSK调制技术,减少了幅度变化,更能适应线性特性相对不好的卫星传输信道,使高位调制方式通过卫星信道传输成为可能。
  
DVB-S2采用的是功能更强大的前向纠错系统,有效地降低了系统解调门限,距离理论的香农极限只有0.7~1dB的差距。
  
DVB-S2频谱成形中的升余弦滚降系数α可在0.35、0.25、0.2中选择,而不是DVB-S固定的0.35,自然α越小。
  
3  ST公司的DVB-S2的卫星数字机顶盒方案
  
针对DVB-S2的卫星传输标准,ST公司开发了一套DVB-S2的卫星数字机顶盒的方案[4],方案的逻辑结构如图1所示。
 
图1  ST公司数字卫星机顶盒方案
  
机顶盒的方案采用了三大模块,信号的接收及下变频模块,由STB6100完成;信号的解调模块,由STV0900完成;信号处理模块,由STi710x完成。
  
STB6100是ST公司新开发的能够满足DVB-S2解码要求的前端调谐器,主要包括低频噪声放大器、下变换混频器、低通基带滤波器、获取控制、低噪声锁相环等。STB6100支持8PSK/QPSK调制,输入的频率范围从950 MHz到2150MHz,输出差分I信号和Q信号,低功耗、大规模集成使得6100只需要很少的外部器件就可以完成调制和变换。
  
STV0900是ST公司的一款多标准高级双向的卫星数字电视和数据服务机顶盒解调器。0900具有高速前向纠错功能每秒可处理180M位/通道,不仅能够解调DVBS的QPSK,还能解调DVB-S2的QPSK、8PSK、和16APSK。
 

 

  
STi710x是新一代的高清机顶盒及DVD解码芯片,兼容ST40核,工作频率可达266MHz,支持Linux和Win CE及OS2嵌入式系统;提供ROM、Flash、SRAM接口,可外接只读存储器、闪存和随机存储器。芯片包括视窗多媒体9(WMV9)和H.264两类解码器;基于ST总线结构,这类单芯片结构向下兼容,可用于地面广播、卫星、电缆、DSL以及IP客户端的高清机顶盒;710x内置一个图像补偿模块和2D图形加速器,同时还包括一个数据流链接器,可将7个不同的传流合成处理流,输出多种格式的高清电视信号或RGB、YPbPr格式或HDMI以及CVBS格式。
  
ST公司的数字卫星机顶盒方案完成了信道解码和信源解码,输出了多种格式高清晰数字电视信号。若只是用于接收和处理数字电视信号,该方案已经非常的完善了。但若是烧写嵌入式操作系统,连接互联网,与家里的另一台电脑构成局域网,实现电视节目的存储,游戏等功能,这种方案就有点力不从心了。

4  基于ARM9的DVB-S2卫星数字机顶盒方案
  
ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域,比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM技术是ARM公司所有的RISC CPU技术,ARM公司作为知识产权供应商,本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片,世界各大半导体生产商从 ARM公司购买其设计的 ARM 微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。
  
4.1  ARM9的CPU选取
  
在众多的ARM核的生产厂家中,Intel生产的ARM9核的PXA270以其极高的运行速度、强大功能而在高端的嵌入式产品中使用的比较广泛,PXA270以其强大的功能作为本卫星数字机顶盒的主CPU。CPU根据从记忆体提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段,指令被拆解为有意义的片断。根据CPU的指令集架构(ISA)定义将数值解译为指令。一部分的指令数值为运算码(Opcode),其指示要进行哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的资讯,诸如一个加法(Addition)运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值(即立即值),或是一个空间的定址值:暂存器或记忆体位址,以定址模式决定。
  
(1)运行的速度相当的快,最高工作频率可达624MHz,而其它的ARM9的工作频率只有200MHz左右。
  
(2)7条到8条流水线使PXA270具有很高的速度和极低的功耗。
  
(3)32K的指令缓冲器和32K的数据缓冲器使PXA270的速度进一步的提升,而其它的ARM9的处理器只有16K的指令缓冲器和16K的数据缓冲器。
  
(4)PXA270采用Xscale微结构体系架构;具有Intel的无线多媒体扩展技术,能够流畅的运行三维游戏和播放高质量的多媒体视频文件。
  
(5)PXA270的Quick Capture技术使其能够拍摄高达400万像素的图片和视频,并支持低功耗,实时的回放处理,支持24位色的LCD显示,具有256K的片上SRAM帧缓冲,这和Quick Capture一起加速了图像的回放。
  
(6)支持Intel专用的无线SpeedStep动态电源管理技术,SpeedStep技术可以将PXA270的主频在26MHz~624MHz之间自由调节,在系统完全空闲时,PXA270可运行在26MHz的主频下,此时的功耗将低于0.1毫安。
  
(7)此外还有丰富的外围接口:三个串行口,分别是标准串行口,蓝牙和全功能串行口;红外线接口;I2C串行总路线接口;AC′97编码器接口;I2S音频编码器接口;USB主机接口和从接口;液晶接口,输入多种显示信号;MMC、SD卡、SDIO卡接口;键盘接口和测试接口等
  
所以本文选PXA270作为DVB-S2标准的卫星数字机顶盒的另一CPU。
  
4.2  基于PXA270的DVB-S2的机顶盒的逻辑结构图

  
图2  基于PXA270的数字卫星机顶盒方案逻辑框图
 

 

  
卫星数字机顶盒由三大部分组成,它包括前端接收部分,传输流处理部分,节目存储部分。前端接收部分由ST公司的TB6100和STV0900完成,主要功能是完成信号的接收、下变换、放大、输出传输流TS;传输流TS处理部分由ST公司的STi710x完成,主要功能是完成信源的解码,将分离的视频ES和音频ES分别转换成PAL/NTSC制的电视信号和音频信号,并完成解扰功能。
  
STi710x接收来自前端输出的传输流,其内部解复用器解调出不同的节目频道,提取相应的音视频流和数据流,其输出为MPEG-2音视基本流及一些数据净荷。MPEG-2解码器和相应的解析软件用数字信息的还原。对于加密的电视节目,条件接收模块可以通过智能卡对音视频进行解扰。解复用及音视频解码STi710x扩展功能模块如图3所示。
  
在STi710x模块中,E2PROM用于存放工作过程中的配置参数,同步存储器SDRAM用来运行程序,Flash用于烧写启动程序,智能卡接口用于完成条件接收功能。同时该扩展模块输出数字电视和VGA显示器所需要的信号,双口RAM用于完成STi10x和ARM板之间的通信。
  
图3 解复用、音视频解码模块

4.3  中央处理器PXA270模块
  
PXA270是Intel公司设计开发的基于精简指令集的ARM9核的CPU,工作频率可以达到了600MHz,且具有丰富的外围组件,其中主要包括:存储器管理单元MMU,32KB的指令缓冲器和32KB数据缓冲器,存储器控制器(SDRAM控制器)、NAND Flash 和NOR Flash 控制器,4通道的外部DMA请求控制,3个串行口,其PXA270扩展板的逻辑结构如图4所示。
  
图4  ARM9扩展板的逻辑结构
  
新一代的ARM9处理器,通过全新的设计,采用了更多的晶体管,能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。ARM9扩展板中由PXA270 CPU、64M闪存、64M的同步存储器、键盘和USB接口;处理数字电视信号的部件主要由硬盘、互联网接口、红外线发送与接收和双口RAM组成。该模块的主要功能是完成数字电视节目的存储,连接到互联网,红外线的控制,通过I2C接口控制前端调谐器,通过双口RAM完成与Sti5528的数据交换。系统中的64M闪存用来存放CPU的启动程序和Linux操作系统;64M的同步存储器用来运行操作系统和应用程序;键盘用来输入数字;USB接口用来外接USB设备;硬盘用来存储数字电视节目和其它信息、数据;互联网接入模块用于宽带接入互联网;红外线模块控制遥控器的发送与接收,选择电视节目或实现其它功能;双口RAM用来实现与STi710x的数据交换。
  
5  卫星数字网络机顶盒的软件和功能
  
嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系统软件和微处理器密切相关,所以通常采用分层模型来描述,软件层次结构自底而上分为固件层、驱动层、中间件、应用层,这样,一旦硬件模块发生变化,软件的修改只发生在和硬件相关的固件层,中间件和应用层可以保持不变,能够减少编程工作量,缩短软件开发时间。
  
卫星数字网络机顶盒的硬件组成相当于一台奔Ⅲ的计算机和数字机顶盒,所以其功能既能够完成计算机的功能又能够完成数字机顶盒的功能。该数字网络机顶盒的主要功能是:①数字电视节目的接收;②DVB公共解扰算法和条件接收;③支持PAL/NTSC/SECAM;④支持MPEG2图像和MP3、杜比5.1音质;⑤远程教育;⑥按次付费电视收看;⑦电子节目指南;⑧互联网的接入;⑨数字电视节目存储;⑩视频点播(VOD);11交互式电视游戏等等。可以看出,数字网络电视机顶盒的功能十分强大。
  
6  总结
  
本文创新点是完成了基于ARM9 PXA270和STi710x的卫星数字机顶盒硬件平台的设计。文中对传统的数字机顶盒和双CPU卫星机顶盒方案作了对比,同时给出了卫星机顶盒的硬件逻辑方框图,以及软件模型和功能。该设计实现后,不仅能够完成传统数字机顶盒的功能,还能够完成DVB-S2标准电视节目的存储和连上互联网的功能。

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