基于A(yíng)RM9的DVB-S2機頂盒方案研究

1 引言
隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，電視系統的數字化是一個(gè)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(shí)現數字電視，雖然我國與其相比落后一些，但全面實(shí)現電視系統數字化也是一件為期不遠的事[1]。目前，因為數字節目少、技術(shù)等原因，我國電視數字化進(jìn)程還比較慢，這個(gè)時(shí)期也是我國電視系統數字化技術(shù)和資金積累時(shí)期?，F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(yè)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[2]。這些機頂盒的功能簡(jiǎn)單，僅僅是完成將數字信號轉換成模擬電視能接收的信號。論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(yōu)勢[3]，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(lián)網(wǎng)、游戲，從網(wǎng)上下載影片或音樂(lè )；和家用電腦連成局域網(wǎng)，實(shí)現資源共享等功能。
2 DVB-S2標準的特點(diǎn)
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(shù)，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(shù)，減少了幅度變化，更能適應線(xiàn)性特性相對不好的衛星傳輸信道，使高位調制方式通過(guò)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(lián)的信道編碼方式，有效地降低了系統解調門(mén)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(kāi)發(fā)了一套DVB-S2的衛星數字機頂盒的方案[4]，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(kāi)發(fā)的能夠滿(mǎn)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(huán)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(wù)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(guò)I2C完成對0900的控制，可通過(guò)JTAG接口向0900寫(xiě)入新的數據。通過(guò)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(lèi)解碼器；基于ST總線(xiàn)結構，這類(lèi)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(hù)端的高清機頂盒；710x內置一個(gè)圖像補償模塊和2D圖形加速器，同時(shí)還包括一個(gè)數據流鏈接器，可將7個(gè)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(lián)網(wǎng)控制器，能外接SATA硬盤(pán)及接上互聯(lián)網(wǎng)。
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(jīng)非常的完善了。但若是燒寫(xiě)嵌入式操作系統，連接互聯(lián)網(wǎng)，與家里的另一臺電腦構成局域網(wǎng)，實(shí)現電視節目的存儲，游戲等功能，這種方案就有點(diǎn)力不從心了。所以下面將充分利用ARM9 PXA270的特點(diǎn)，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(shù)是ARM公司所有的RISC CPU技術(shù)，ARM公司作為知識產(chǎn)權供應商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從 ARM 公司購買(mǎi)其設計的 ARM 微處理器核，根據各自不同的應用領(lǐng)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(jìn)入市場(chǎng)。目前，采用 ARM 技術(shù)核的微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于 ARM 技術(shù)的微處理器應用約占據了32 位 RISC 微處理器75%以上的市場(chǎng)份額，ARM 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。
4.1 ARM9 的CPU選取
在眾多的ARM核的生產(chǎn)廠(chǎng)家中，Intel生產(chǎn)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(chǎn)品中使用的比較廣泛，如個(gè)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(xiàn)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(jìn)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(wú)線(xiàn)多媒體擴展技術(shù)，能夠流暢的運行三維游戲和播放高質(zhì)量的多媒體視頻文件。
(5)PXA270的Quick Capture技術(shù)使其能夠拍攝高達400萬(wàn)像素的圖片和視頻，并支持低功耗，實(shí)時(shí)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(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)SpeedStep動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，SpeedStep技術(shù)可以將PXA270的主頻在26MHz~624MHz之間自由調節，在系統完全空閑時(shí)，PXA270可運行在26MHz的主頻下，此時(shí)的功耗將低于0.1毫安。
(7)此外還有豐富的外圍接口：三個(gè)串行口，分別是標準串行口，藍牙和全功能串行口；紅外線(xiàn)接口；I2C串行總路線(xiàn)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(pán)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)、下載視頻和音頻數據、視頻點(diǎn)播等功能。
STi710x接收來(lái)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(guò)智能卡對音視頻進(jìn)行解擾。MPEG-2解碼器用于音、視頻解壓縮，經(jīng)過(guò)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(guò)程中的配置參數，同步存儲器SDRAM用來(lái)運行程序，Flash用于燒寫(xiě)啟動(dòng)程序，智能卡接口用于完成條件接收功能。同時(shí)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(kāi)發(fā)的基于精簡(jiǎn)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(gè)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(pán)和USB接口；處理數字電視信號的部件主要由硬盤(pán)、互聯(lián)網(wǎng)接口、紅外線(xiàn)發(fā)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(lián)網(wǎng)，紅外線(xiàn)的控制，通過(guò)I2C接口控制前端調諧器，通過(guò)雙口RAM完成與Sti5528的數據交換。系統中的64M閃存用來(lái)存放CPU的啟動(dòng)程序和Linux操作系統；64M的同步存儲器用來(lái)運行操作系統和應用程序；鍵盤(pán)用來(lái)輸入數字；USB接口用來(lái)外接USB設備，如USB 移動(dòng)硬盤(pán)、USB打印機等等；硬盤(pán)用來(lái)存儲數字電視節目和其它信息、數據；互聯(lián)網(wǎng)接入模塊用于寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)；紅外線(xiàn)模塊控制遙控器的發(fā)送與接收，選擇電視節目或實(shí)現其它功能；雙口RAM用來(lái)實(shí)現與STi710x的數據交換[5]。
5 衛星數字網(wǎng)絡(luò )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(guān)，所以通常采用分層模型來(lái)描述，軟件層次結構自底而上分為固件層、驅動(dòng)層、中間件、應用層，這樣，一旦硬件模塊發(fā)生變化，軟件的修改只發(fā)生在和硬件相關(guān)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(kāi)發(fā)時(shí)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(shí)又能被上層調用，同層之間一般不能調用。
衛星數字網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )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(zhì)；⑤遠程教育；⑥按次付費電視收看；⑦電子節目指南；⑧互聯(lián)網(wǎng)的接入；⑨數字電視節目存儲；⑩視頻點(diǎn)播(VOD)；11交互式電視游戲等等?？梢钥闯?，數字網(wǎng)絡(luò )電視機頂盒的功能十分強大。
6 總結
本文創(chuàng )新點(diǎn)是完成了基于A(yíng)RM9 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(shí)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(shí)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(lián)網(wǎng)的功能，隨著(zhù)數字電視時(shí)代的到來(lái)，該設計能得到廣泛的應用。