基于DVB-C的數字機頂盒實現(xiàn)方法
中電網
摘要： 在我國，數字電視節(jié)目在許多省市已經開始試播，由于用戶端使用的基本都是模擬電視機，無法接收數字信號，因此需要一種接收裝置來擔當二者之間的橋梁，這就是機頂盒（SetTopBox，簡稱STB）。它是一種擴展電視機功能的一種新的家用電器。它可以把衛(wèi)星直播數字電視信號、地面數字電視信號、有線電視網數字信號甚至互聯(lián)網的數字信號轉換成模擬電視機可以接收的信號，使現(xiàn)有的模擬電視機用戶也能分享數字化革命帶來的科技成果。文中主
Abstract：
Key words :
引言
在我國，數字電視節(jié)目在許多省市已經開始試播，由于用戶端使用的基本都是模擬電視機，無法接收數字信號，因此需要一種接收裝置來擔當二者之間的橋梁，這就是機頂盒（Set Top Box，簡稱STB）。它是一種擴展電視機功能的一種新的家用電器。它可以把衛(wèi)星直播數字電視信號、地面數字電視信號、有線電視網數字信號甚至互聯(lián)網的數字信號轉換成模擬電視機可以接收的信號，使現(xiàn)有的模擬電視機用戶也能分享數字化革命帶來的科技成果。文中主要介紹筆者開發(fā)的基于DVB-C的有線數字電視機頂盒。
DVB-C 數字機頂盒" title="數字機頂盒">數字機頂盒的硬件設計
LSI 2005 主芯片介紹
DVB-C 數字機頂盒采用LSI Logic 公司的SC2005 作為主芯片。SC2005 采用最新的1.27mmPBGA 封裝，將LSIL641x8 傳輸譯碼器和L64105MPEG-2 音視頻解碼器集成在一塊芯片里，集成度高，內置工業(yè)標準的Tiny RISC108MHz MIPS CPU，5 層圖形引擎，DMA 控制器，以及統(tǒng)一的OSG 存儲器和A／V 存儲器；集成有多標準的編碼器、可獨立編程的視頻DAC，音頻DAC。
SC2005 接收來自信道解碼器的TS 流后，送到內部的L641x8 模塊中，由L641x8 對數據進行解復用，形成音頻和視頻PES 分組數據，通過A／V 接口輸出給L64105MPEG-2 解碼器進行解碼。L64105 將PES 分組進行解碼，輸出數字視頻和數字音頻信號各兩組。一組數字視頻和一組數字音頻信號直接輸出。另外一組數字視頻信號送到視頻編碼器中，被轉換成全電視信號(CVBS)或S 端子信號(Y／C)，經過外部低通濾波后，便可直接送到電視機中。另一路數字音頻信號送到音頻DAC 中，轉換成立體聲模擬信號，經外部低通濾波后輸出。
SC2005 提供了多種外圍設備接口，包括兩個UART 接口、兩個智能卡接口、I2C 接口、IEEEl284接口、紅外接口、圖文電視接口、通用I／O 控制以及調制解調器接口。通過這些接口，SC2005 可以和多種外圍設備相連，其功能更加強大。另外，SC2005 還有一個硬盤接口，可以將節(jié)目下載到硬盤中，以后再看。
DVB-C 機頂盒的硬件總體設計
為了實現(xiàn)有線數字機頂盒的功能，從技術實現(xiàn)上要達到以下要求：
（1）接收CATV 網絡上110MHz～855MHz頻率范圍內的射頻信號，并轉換為中頻信號。
（2）實現(xiàn)QAM 解調制功能，將調制信號恢復為數字基帶信號。
（3）完成信道解碼處理，實現(xiàn)前向糾錯功能。
（4）完成TS 傳送流解復用、MPEG-2 解碼功能，并且能夠實現(xiàn)電視信號解碼和音頻DAC 功能，輸出符合要求的模擬音視頻信號。
本設計實現(xiàn)了以上所有功能，設計總框圖如圖1 所示。
圖1 SC2005 機頂盒系統(tǒng)總框圖
系統(tǒng)組成部分功能介紹
1、數字高頻頭：接收CATV電纜上的射頻信號，由高頻頭電路將射頻信號下變頻為中頻信號，并將中頻信號送到內部得解調制芯片，由解解調制芯片完成QAM解調制及FEC前向糾錯芯片，而后以并行或串行方式送出TS(傳送流信號)。
2、SC2005：LSI logic公司的傳送流處理芯片。
3、CPU_SDRAM：提供SC2005內嵌CPU運行時所需要的存儲空間。
4、AV_SDRAM：提供SC2005內部MPEG解碼器對PES流進行處理時所需的存儲空間。
5、BOOT_FLASH:存放系統(tǒng)BOOT程序、引導系統(tǒng)正常啟動。
6、SYS_FLASH:存放系統(tǒng)工作軟件，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。
7、串口：串口模塊電路對SC2005的串行I/O口進行電平轉換，提供標準的RS232串行接口，提供RS232調測接口。
8、SMARTCARD:實現(xiàn)授權、加密、收費等功能。
9、用戶接口：提供給用戶簡單得輸出、輸入接口，如系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示接口、按鍵接口、遙控接口等。
10、USB：提供給用戶一個USB 1.1兼容的接口，最高數據率12Mb/s；可以用于支持U盤，保存節(jié)目或者播放U盤上的節(jié)目。
11、IDE：提供給用戶一個標準的IDE 接口。掛接硬盤后可以用來實現(xiàn)保存節(jié)目或者播放硬盤上的節(jié)目。
DVB-C 數字機頂盒的軟件設計
DVB-C 機頂盒的軟件總體設計
DVB-C 機頂盒軟件實現(xiàn)方案基于穩(wěn)定性、可靠性和可擴展性的原則進行設計，所有軟件系統(tǒng)應該達到功能完備，使用簡便和便于擴充幾個特性。跟據上述分析，機頂盒軟件體系結構如圖2所示。
圖2 機頂盒軟件模塊層次圖
整個機頂盒軟件的結構采取開放式的模塊化結構。其中硬件抽象層可以增加軟件的硬件無關性；操作系統(tǒng)抽象層用于實現(xiàn)操作系統(tǒng)層的可移植性，以支持多種RTOS；中間件移植層用于各種商業(yè)化的中間件軟件的移植。從底下往上看，整個體系從硬件層到應用層分為以下幾個層次：
1、硬件抽象層：通過提煉一些硬件操作的特性，將一些與硬件相關緊密的操作抽象出來，從而將操作系統(tǒng)和硬件層分開，這使得BSP 和Driver的設計更簡潔，有利于提高軟件的可重用性和易移植性。
2、BSP 層：用于將引導操作系統(tǒng)，對操作系統(tǒng)提供板級支持。同時提供一些近設備的驅動。
3、操作系統(tǒng)及硬件驅動層：提供操作系統(tǒng)內核和硬件驅動。操作系統(tǒng)主要提供內存管理、任務調度、時鐘管理、資源共享和互斥等功能。硬件驅動層在操作系統(tǒng)和硬件抽象層的基礎上實現(xiàn)對硬件的驅動。
4、中間件：是一種將應用程序和操作系統(tǒng)、硬件細節(jié)隔離開來的軟件環(huán)境，通常它都是由一些虛擬機器構成的，如HTML 虛擬機、JavaScript 虛擬機、MHEG-5 虛擬機、Java 虛擬機等。這使得應用不依賴于特定的硬件平臺。著名的中間件提供商有：OpenTV 和Canal+。
5、DVB引擎：實現(xiàn)DVB/DAVIC 協(xié)議的解析。包括MPEG2 解碼器、SI 引擎和DSM-CC 數據接口。
6、應用層。建立在上述各個模塊的基礎上的應用程序片。包括：頻道管理、系統(tǒng)自檢、電子節(jié)目導航、軟件下載與升級管理和家長控制等模塊。
操作系統(tǒng)的選型
機頂盒作為一個典型的嵌入式系統(tǒng)，對其操作系統(tǒng)有更高的穩(wěn)定性和實時性要求，一般選用實時嵌入式操作系統(tǒng)，這里我們選用uCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)：一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。由于uCOS-Ⅱ屬于開放源碼操作系統(tǒng)，所以開發(fā)包投入可以免除，而且去了版稅。同時該操作系統(tǒng)在工業(yè)控制，消費電子和國防等領域已經得到了廣泛的應用，實踐證明該操作系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可用性上是完全適合在本方案中是選用的。
uCOS-Ⅱ內核精簡，效率高，對存儲器和內存的需求低，對于降低系統(tǒng)成本有利。此外，uCOS-Ⅱ所有源代碼都公開，而且很多著名科研機構包括大學、研究所都對該操作系統(tǒng)進行了支持，提供了大量的已經經過工業(yè)驗證的軟件包，這對于開發(fā)人員來說很便利，有利于加快開發(fā)進度。
結束語
數字電視機頂盒是模擬電視機向數字電視機過渡的最佳解決方案。數字電視機頂盒是未來家庭必備的多媒體信息終端，使用數字電視機頂盒的有線電視用戶，可以享受電視、數據、話音等全方位的信息服務。隨著數字技術、多媒體技術和網絡技術的發(fā)展，數字電視機頂盒的功能將逐步得到完善。
在我國，數字電視節(jié)目在許多省市已經開始試播，由于用戶端使用的基本都是模擬電視機，無法接收數字信號，因此需要一種接收裝置來擔當二者之間的橋梁，這就是機頂盒（Set Top Box，簡稱STB）。它是一種擴展電視機功能的一種新的家用電器。它可以把衛(wèi)星直播數字電視信號、地面數字電視信號、有線電視網數字信號甚至互聯(lián)網的數字信號轉換成模擬電視機可以接收的信號，使現(xiàn)有的模擬電視機用戶也能分享數字化革命帶來的科技成果。文中主要介紹筆者開發(fā)的基于DVB-C的有線數字電視機頂盒。
DVB-C 數字機頂盒" title="數字機頂盒">數字機頂盒的硬件設計
LSI 2005 主芯片介紹
DVB-C 數字機頂盒采用LSI Logic 公司的SC2005 作為主芯片。SC2005 采用最新的1.27mmPBGA 封裝，將LSIL641x8 傳輸譯碼器和L64105MPEG-2 音視頻解碼器集成在一塊芯片里，集成度高，內置工業(yè)標準的Tiny RISC108MHz MIPS CPU，5 層圖形引擎，DMA 控制器，以及統(tǒng)一的OSG 存儲器和A／V 存儲器；集成有多標準的編碼器、可獨立編程的視頻DAC，音頻DAC。
SC2005 接收來自信道解碼器的TS 流后，送到內部的L641x8 模塊中，由L641x8 對數據進行解復用，形成音頻和視頻PES 分組數據，通過A／V 接口輸出給L64105MPEG-2 解碼器進行解碼。L64105 將PES 分組進行解碼，輸出數字視頻和數字音頻信號各兩組。一組數字視頻和一組數字音頻信號直接輸出。另外一組數字視頻信號送到視頻編碼器中，被轉換成全電視信號(CVBS)或S 端子信號(Y／C)，經過外部低通濾波后，便可直接送到電視機中。另一路數字音頻信號送到音頻DAC 中，轉換成立體聲模擬信號，經外部低通濾波后輸出。
SC2005 提供了多種外圍設備接口，包括兩個UART 接口、兩個智能卡接口、I2C 接口、IEEEl284接口、紅外接口、圖文電視接口、通用I／O 控制以及調制解調器接口。通過這些接口，SC2005 可以和多種外圍設備相連，其功能更加強大。另外，SC2005 還有一個硬盤接口，可以將節(jié)目下載到硬盤中，以后再看。
DVB-C 機頂盒的硬件總體設計
為了實現(xiàn)有線數字機頂盒的功能，從技術實現(xiàn)上要達到以下要求：
（1）接收CATV 網絡上110MHz～855MHz頻率范圍內的射頻信號，并轉換為中頻信號。
（2）實現(xiàn)QAM 解調制功能，將調制信號恢復為數字基帶信號。
（3）完成信道解碼處理，實現(xiàn)前向糾錯功能。
（4）完成TS 傳送流解復用、MPEG-2 解碼功能，并且能夠實現(xiàn)電視信號解碼和音頻DAC 功能，輸出符合要求的模擬音視頻信號。
本設計實現(xiàn)了以上所有功能，設計總框圖如圖1 所示。
圖1 SC2005 機頂盒系統(tǒng)總框圖
系統(tǒng)組成部分功能介紹
1、數字高頻頭：接收CATV電纜上的射頻信號，由高頻頭電路將射頻信號下變頻為中頻信號，并將中頻信號送到內部得解調制芯片，由解解調制芯片完成QAM解調制及FEC前向糾錯芯片，而后以并行或串行方式送出TS(傳送流信號)。
2、SC2005：LSI logic公司的傳送流處理芯片。
3、CPU_SDRAM：提供SC2005內嵌CPU運行時所需要的存儲空間。
4、AV_SDRAM：提供SC2005內部MPEG解碼器對PES流進行處理時所需的存儲空間。
5、BOOT_FLASH:存放系統(tǒng)BOOT程序、引導系統(tǒng)正常啟動。
6、SYS_FLASH:存放系統(tǒng)工作軟件，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。
7、串口：串口模塊電路對SC2005的串行I/O口進行電平轉換，提供標準的RS232串行接口，提供RS232調測接口。
8、SMARTCARD:實現(xiàn)授權、加密、收費等功能。
9、用戶接口：提供給用戶簡單得輸出、輸入接口，如系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示接口、按鍵接口、遙控接口等。
10、USB：提供給用戶一個USB 1.1兼容的接口，最高數據率12Mb/s；可以用于支持U盤，保存節(jié)目或者播放U盤上的節(jié)目。
11、IDE：提供給用戶一個標準的IDE 接口。掛接硬盤后可以用來實現(xiàn)保存節(jié)目或者播放硬盤上的節(jié)目。
DVB-C 數字機頂盒的軟件設計
DVB-C 機頂盒的軟件總體設計
DVB-C 機頂盒軟件實現(xiàn)方案基于穩(wěn)定性、可靠性和可擴展性的原則進行設計，所有軟件系統(tǒng)應該達到功能完備，使用簡便和便于擴充幾個特性。跟據上述分析，機頂盒軟件體系結構如圖2所示。
圖2 機頂盒軟件模塊層次圖
整個機頂盒軟件的結構采取開放式的模塊化結構。其中硬件抽象層可以增加軟件的硬件無關性；操作系統(tǒng)抽象層用于實現(xiàn)操作系統(tǒng)層的可移植性，以支持多種RTOS；中間件移植層用于各種商業(yè)化的中間件軟件的移植。從底下往上看，整個體系從硬件層到應用層分為以下幾個層次：
1、硬件抽象層：通過提煉一些硬件操作的特性，將一些與硬件相關緊密的操作抽象出來，從而將操作系統(tǒng)和硬件層分開，這使得BSP 和Driver的設計更簡潔，有利于提高軟件的可重用性和易移植性。
2、BSP 層：用于將引導操作系統(tǒng)，對操作系統(tǒng)提供板級支持。同時提供一些近設備的驅動。
3、操作系統(tǒng)及硬件驅動層：提供操作系統(tǒng)內核和硬件驅動。操作系統(tǒng)主要提供內存管理、任務調度、時鐘管理、資源共享和互斥等功能。硬件驅動層在操作系統(tǒng)和硬件抽象層的基礎上實現(xiàn)對硬件的驅動。
4、中間件：是一種將應用程序和操作系統(tǒng)、硬件細節(jié)隔離開來的軟件環(huán)境，通常它都是由一些虛擬機器構成的，如HTML 虛擬機、JavaScript 虛擬機、MHEG-5 虛擬機、Java 虛擬機等。這使得應用不依賴于特定的硬件平臺。著名的中間件提供商有：OpenTV 和Canal+。
5、DVB引擎：實現(xiàn)DVB/DAVIC 協(xié)議的解析。包括MPEG2 解碼器、SI 引擎和DSM-CC 數據接口。
6、應用層。建立在上述各個模塊的基礎上的應用程序片。包括：頻道管理、系統(tǒng)自檢、電子節(jié)目導航、軟件下載與升級管理和家長控制等模塊。
操作系統(tǒng)的選型
機頂盒作為一個典型的嵌入式系統(tǒng)，對其操作系統(tǒng)有更高的穩(wěn)定性和實時性要求，一般選用實時嵌入式操作系統(tǒng)，這里我們選用uCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)：一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。由于uCOS-Ⅱ屬于開放源碼操作系統(tǒng)，所以開發(fā)包投入可以免除，而且去了版稅。同時該操作系統(tǒng)在工業(yè)控制，消費電子和國防等領域已經得到了廣泛的應用，實踐證明該操作系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可用性上是完全適合在本方案中是選用的。
uCOS-Ⅱ內核精簡，效率高，對存儲器和內存的需求低，對于降低系統(tǒng)成本有利。此外，uCOS-Ⅱ所有源代碼都公開，而且很多著名科研機構包括大學、研究所都對該操作系統(tǒng)進行了支持，提供了大量的已經經過工業(yè)驗證的軟件包，這對于開發(fā)人員來說很便利，有利于加快開發(fā)進度。
結束語
數字電視機頂盒是模擬電視機向數字電視機過渡的最佳解決方案。數字電視機頂盒是未來家庭必備的多媒體信息終端，使用數字電視機頂盒的有線電視用戶，可以享受電視、數據、話音等全方位的信息服務。隨著數字技術、多媒體技術和網絡技術的發(fā)展，數字電視機頂盒的功能將逐步得到完善。
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