1  引言

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，電視系統(tǒng)的數(shù)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(xiàn)數(shù)字電視，數(shù)字電視就是指從演播室到發(fā)射,、傳輸,、接收的所有環(huán)節(jié)都是使用數(shù)字電視信號或?qū)υ撓到y(tǒng)所有的信號傳播都是通過由0、1數(shù)字串所構(gòu)成的數(shù)字流來傳播的電視類型,。其信號損失小,，接收效果好。字電視是一個從節(jié)目采集,、節(jié)目制作節(jié)目傳輸直到用戶端都以數(shù)字方式處理信號的端到端的系統(tǒng)?；贒VB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的廣播式和“交互式”數(shù)字電視,。采用先進用戶管理技術(shù)能將節(jié)目內(nèi)容的質(zhì)量和數(shù)量做得盡善盡美并為用戶帶來更多的節(jié)目選擇和更好的節(jié)目質(zhì)量效果，與模擬電視相比,，數(shù)字電視具有圖像質(zhì)量高,、節(jié)目容量大（是模擬電視傳輸通道節(jié)目容量的10倍以上）和伴音效果好的特點。由于數(shù)字電視是種新鮮事物,，一些相關(guān)報道及文章介紹中出現(xiàn)似是而非的概念,，諸如“數(shù)碼電視”、“全數(shù)字電視”,、“全媒體電視”,、“多媒體電視”等，造成大眾感到困惑,，茫然不知所措,。其實，“數(shù)字電視”的含義并不是指我們一般人家中的電視機,，而是指電視信號的處理,、傳輸、發(fā)射和接收過程中使用數(shù)字信號的電視系統(tǒng)或電視設(shè)備,。其具體傳輸過程是：由電視臺送出的圖像及聲音信號,，經(jīng)數(shù)字壓縮和數(shù)字調(diào)制后，形成數(shù)字電視信號,，經(jīng)過衛(wèi)星,、地面無線廣播或有線電纜等方式傳送，由數(shù)字電視接收后,，通過數(shù)字解調(diào)和數(shù)字視音頻解碼處理還原出原來的圖像及伴音,。

2  DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的特點

DVB-S.2作為新一代數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)即將出臺，草案已正式發(fā)布，新標(biāo)準(zhǔn)在提升原有信道傳輸容量的同時,，還將大大拓展業(yè)務(wù)范圍,，得到了廣電、電信,、計算機等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,。在與以往標(biāo)準(zhǔn)相比較的基礎(chǔ)上，本文闡述了新標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)上的主要優(yōu)勢,，并簡要介紹了標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)背景,、目前的進展及未來應(yīng)用前景。

新的DVB-S2衛(wèi)星傳輸標(biāo)準(zhǔn),，把衛(wèi)星通信鏈路的容量在DVB-S基礎(chǔ)上提高了30%,，在理論上接近了衛(wèi)星通信的性能極限，結(jié)合其它的新的編碼方法和衛(wèi)星技術(shù),，該標(biāo)準(zhǔn)有助于高效推廣高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)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(diào)制方式,，DVB-S2的16APSK和32APSK調(diào)制技術(shù),，減少了幅度變化，更能適應(yīng)線性特性相對不好的衛(wèi)星傳輸信道,，使高位調(diào)制方式通過衛(wèi)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(tǒng)，有效地降低了系統(tǒng)解調(diào)門限,，距離理論的香農(nóng)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(shù)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,。

3  ST公司的DVB-S2的衛(wèi)星數(shù)字機頂盒方案

針對DVB-S2的衛(wèi)星傳輸標(biāo)準(zhǔn),，ST公司開發(fā)了一套DVB-S2的衛(wèi)星數(shù)字機頂盒的方案[4]，方案的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示,。



圖1  ST公司數(shù)字衛(wèi)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(diào)模塊,，由STV0900完成；信號處理模塊,，由STi710x完成,。

STB6100是ST公司新開發(fā)的能夠滿足DVB-S2解碼要求的前端調(diào)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(diào)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(guī)模集成使得6100只需要很少的外部器件就可以完成調(diào)制和變換。

STV0900是ST公司的一款多標(biāo)準(zhǔn)高級雙向的衛(wèi)星數(shù)字電視和數(shù)據(jù)服務(wù)機頂盒解調(diào)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(diào)DVBS的QPSK，還能解調(diào)DVB-S2的QPSK,、8PSK,、和16APSK。

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(tǒng),；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(jié)構(gòu)，這類單芯片結(jié)構(gòu)向下兼容,，可用于地面廣播,、衛(wèi)星、電纜,、DSL以及IP客戶端的高清機頂盒,；710x內(nèi)置一個圖像補償模塊和2D圖形加速器，同時還包括一個數(shù)據(jù)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,。

ST公司的數(shù)字衛(wèi)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(shù)字電視信號。若只是用于接收和處理數(shù)字電視信號，該方案已經(jīng)非常的完善了,。但若是燒寫嵌入式操作系統(tǒng),，連接互聯(lián)網(wǎng)，與家里的另一臺電腦構(gòu)成局域網(wǎng),，實現(xiàn)電視節(jié)目的存儲,，游戲等功能，這種方案就有點力不從心了,。

4  基于ARM9的DVB-S2衛(wèi)星數(shù)字機頂盒方案

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè),，設(shè)計了大量高性能、廉價,、耗能低的RISC處理器,、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高,、成本低和能耗省的特點,。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制,、消費/教育類多媒體,、DSP和移動式應(yīng)用等。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(quán)供應(yīng)商,，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片,，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM公司購買其設(shè)計的 ARM 微處理器核,，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?ARM 微處理器芯片進入市場,。

4.1  ARM9的CPU選取

在眾多的ARM核的生產(chǎn)廠家中，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,，PXA270以其強大的功能作為本衛(wèi)星數(shù)字機頂盒的主CPU。CPU根據(jù)從記憶體提取到的指令來決定其執(zhí)行行為,。在解碼階段,，指令被拆解為有意義的片斷。根據(jù)CPU的指令集架構(gòu)（ISA）定義將數(shù)值解譯為指令,。一部分的指令數(shù)值為運算碼（Opcode）,，其指示要進行哪些運算。其它的數(shù)值通常供給指令必要的資訊,，諸如一個加法（Addition）運算的運算目標(biāo),。這樣的運算目標(biāo)也許提供一個常數(shù)值（即立即值）,，或是一個空間的定址值：暫存器或記憶體位址，以定址模式?jīng)Q定,。

（1）運行的速度相當(dāng)?shù)目?，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)緩沖器,。

（4）PXA270采用Xscale微結(jié)構(gòu)體系架構(gòu),；具有Intel的無線多媒體擴展技術(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(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(diào)節(jié)，在系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)串行口，藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星數(shù)字機頂盒的另一CPU,。

4.2  基于PXA270的DVB-S2的機頂盒的邏輯結(jié)構(gòu)圖



圖2  基于PXA270的數(shù)字衛(wèi)星機頂盒方案邏輯框圖

衛(wèi)星數(shù)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(jié)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(zhuǎn)換成PAL/NTSC制的電視信號和音頻信號，并完成解擾功能,。

STi710x接收來自前端輸出的傳輸流,，其內(nèi)部解復(fù)用器解調(diào)出不同的節(jié)目頻道，提取相應(yīng)的音視頻流和數(shù)據(jù)流,，其輸出為MPEG-2音視基本流及一些數(shù)據(jù)凈荷,。MPEG-2解碼器和相應(yīng)的解析軟件用數(shù)字信息的還原。對于加密的電視節(jié)目,，條件接收模塊可以通過智能卡對音視頻進行解擾,。解復(fù)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(shù),，同步存儲器SDRAM用來運行程序，F(xiàn)lash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(shù)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(fù)用,、音視頻解碼模塊

4.3  中央處理器PXA270模塊

PXA270是Intel公司設(shè)計開發(fā)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖４所示。



圖４  ARM9擴展板的邏輯結(jié)構(gòu)

新一代的ARM9處理器,，通過全新的設(shè)計,，采用了更多的晶體管,，能夠達到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過增加時鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實現(xiàn)的,。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(shù)字電視信號的部件主要由硬盤、互聯(lián)網(wǎng)接口,、紅外線發(fā)送與接收和雙口RAM組成,。該模塊的主要功能是完成數(shù)字電視節(jié)目的存儲，連接到互聯(lián)網(wǎng),，紅外線的控制,，通過I2C接口控制前端調(diào)諧器，通過雙口RAM完成與Sti5528的數(shù)據(jù)交換,。系統(tǒng)中的64M閃存用來存放CPU的啟動程序和Linux操作系統(tǒng),；64M的同步存儲器用來運行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；鍵盤用來輸入數(shù)字,；USB接口用來外接USB設(shè)備,；硬盤用來存儲數(shù)字電視節(jié)目和其它信息、數(shù)據(jù),；互聯(lián)網(wǎng)接入模塊用于寬帶接入互聯(lián)網(wǎng),；紅外線模塊控制遙控器的發(fā)送與接收，選擇電視節(jié)目或?qū)崿F(xiàn)其它功能,；雙口RAM用來實現(xiàn)與STi710x的數(shù)據(jù)交換,。

5  衛(wèi)星數(shù)字網(wǎng)絡(luò)機頂盒的軟件和功能

嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置,、機器和設(shè)備運行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）,。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置,。目前國內(nèi)一個普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心,、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),、軟件硬件可裁剪,、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性,、成本,、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng),。由于嵌入式系統(tǒng)軟件和微處理器密切相關(guān),，所以通常采用分層模型來描述,，軟件層次結(jié)構(gòu)自底而上分為固件層、驅(qū)動層,、中間件,、應(yīng)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(yīng)用層可以保持不變,，能夠減少編程工作量,，縮短軟件開發(fā)時間。

衛(wèi)星數(shù)字網(wǎng)絡(luò)機頂盒的硬件組成相當(dāng)于一臺奔Ⅲ的計算機和數(shù)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(shù)字機頂盒的功能,。該數(shù)字網(wǎng)絡(luò)機頂盒的主要功能是：①數(shù)字電視節(jié)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(yuǎn)程教育,；⑥按次付費電視收看；⑦電子節(jié)目指南,；⑧互聯(lián)網(wǎng)的接入,；⑨數(shù)字電視節(jié)目存儲；⑩視頻點播（VOD）,；11交互式電視游戲等等,。可以看出,，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)電視機頂盒的功能十分強大,。

6  總結(jié)

本文創(chuàng)新點是完成了基于ARM9 PXA270和STi710x的衛(wèi)星數(shù)字機頂盒硬件平臺的設(shè)計。文中對傳統(tǒng)的數(shù)字機頂盒和雙CPU衛(wèi)星機頂盒方案作了對比,，同時給出了衛(wèi)星機頂盒的硬件邏輯方框圖,，以及軟件模型和功能。該設(shè)計實現(xiàn)后,，不僅能夠完成傳統(tǒng)數(shù)字機頂盒的功能,，還能夠完成DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)電視節(jié)目的存儲和連上互聯(lián)網(wǎng)的功能。