基于ARM9的DVB-S2機(jī)頂盒方案研究

1 引言
隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(gè)必然的趨勢(shì)。有媒體報(bào)道，美國(guó)將在2010年停播模擬電視而全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視，雖然我國(guó)與其相比落后一些，但全面實(shí)現(xiàn)電視系統(tǒng)數(shù)字化也是一件為期不遠(yuǎn)的事[1]。目前，因?yàn)閿?shù)字節(jié)目少、技術(shù)等原因，我國(guó)電視數(shù)字化進(jìn)程還比較慢，這個(gè)時(shí)期也是我國(guó)電視系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)和資金積累時(shí)期?，F(xiàn)在雖然市面上有數(shù)字電視機(jī)頂盒，但它們采用的都是一些企業(yè)完整的機(jī)頂盒方案，如菲利浦公司、意法半導(dǎo)體公司、富士通公司等機(jī)頂盒方案[2]。這些機(jī)頂盒的功能簡(jiǎn)單，僅僅是完成將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電視能接收的信號(hào)。論文設(shè)計(jì)了一款全新的基于ARM9的DVB-S2數(shù)字衛(wèi)星機(jī)頂盒，充分利用Sti7109 CPU和PXA270 CPU的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)[3]，不僅能完成現(xiàn)有機(jī)頂盒的所有功能，而且能完成電視節(jié)目的海量存儲(chǔ)；連接互聯(lián)網(wǎng)、游戲，從網(wǎng)上下載影片或音樂；和家用電腦連成局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)資源共享等功能。
2 DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)
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，如8PSK、16APSK、32APSK。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(duì)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(qiáng)大的前向糾錯(cuò)系統(tǒng)，即BCH和LDPC(低密度校驗(yàn)碼)碼級(jí)聯(lián)的信道編碼方式，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，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(wèi)星數(shù)字機(jī)頂盒方案
針對(duì)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(jī)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(jī)頂盒方案
機(jī)頂盒的方案采用了三大模塊，信號(hào)的接收及下變頻模塊，由STB6100完成；信號(hào)的解調(diào)模塊，由STV0900完成；信號(hào)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(hào)和Q信號(hào)，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(jí)雙向的衛(wèi)星數(shù)字電視和數(shù)據(jù)服務(wù)機(jī)頂盒解調(diào)器。0900具有高速前向糾錯(cuò)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。系統(tǒng)可通過I2C完成對(duì)0900的控制，可通過JTAG接口向0900寫入新的數(shù)據(jù)。通過STV0900解調(diào)后可向STi710x輸出傳輸流。
STi710x是新一代的高清機(jī)頂盒及DVD解碼芯片，兼容ST40核，工作頻率可達(dá)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(chǔ)器、閃存和隨機(jī)存儲(chǔ)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(jī)頂盒；710x內(nèi)置一個(gè)圖像補(bǔ)償模塊和2D圖形加速器，同時(shí)還包括一個(gè)數(shù)據(jù)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(hào)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硬盤及接上互聯(lián)網(wǎng)。
ST公司的數(shù)字衛(wèi)星機(jī)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(hào)。若只是用于接收和處理數(shù)字電視信號(hào)，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(tái)電腦構(gòu)成局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目的存儲(chǔ)，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(shè)計(jì)一款新的基于PXA270的DVB-S2的衛(wèi)星數(shù)字機(jī)頂盒方案。
4 基于ARM9的DVB-S2衛(wèi)星數(shù)字機(jī)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(shí)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(jì)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(gòu)買其設(shè)計(jì)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(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(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于 ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)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)廠家中，Intel生產(chǎn)的ARM9核的PXA270以其極高的運(yùn)行速度、強(qiáng)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(shù)字助理PDA，智能手機(jī)，數(shù)字機(jī)頂盒等。 PXA270以其強(qiáng)大的功能作為本衛(wèi)星數(shù)字機(jī)頂盒的主CPU。
(1)運(yùn)行的速度相當(dāng)?shù)目欤罡吖ぷ黝l率可達(dá)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(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(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(kuò)展技術(shù)，能夠流暢的運(yùn)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(dá)400萬像素的圖片和視頻，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專用的無線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(diào)節(jié)，在系統(tǒng)完全空閑時(shí)，PXA270可運(yùn)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(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(jī)接口和從接口；液晶接口，輸入多種顯示信號(hào)；MMC、SD卡、SDIO卡接口；鍵盤接口和測(cè)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(jī)頂盒的另一CPU。
4.2 基于PXA270的DVB-S2的機(jī)頂盒的邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于PXA270的數(shù)字衛(wèi)星機(jī)頂盒方案邏輯框圖

衛(wèi)星數(shù)字機(jī)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(chǔ)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(hào)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(hào)和音頻信號(hào)，并完成解擾功能；節(jié)目存儲(chǔ)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(shù)字節(jié)目的存儲(chǔ)、連接互聯(lián)網(wǎng)、下載視頻和音頻數(shù)據(jù)、視頻點(diǎn)播等功能。
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(duì)于加密的電視節(jié)目，條件接收模塊可以通過智能卡對(duì)音視頻進(jìn)行解擾。MPEG-2解碼器用于音、視頻解壓縮，經(jīng)過視頻編碼器和音頻編碼器還原模擬音視頻信號(hào)。解復(fù)用及音視頻解碼STi710x擴(kuò)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(chǔ)器SDRAM用來運(yùn)行程序，F(xiàn)lash用于燒寫啟動(dòng)程序，智能卡接口用于完成條件接收功能。同時(shí)該擴(kuò)展模塊輸出數(shù)字電視和VGA顯示器所需要的信號(hào)，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(jì)開發(fā)的基于精簡(jiǎn)指令集的ARM9核的CPU，工作頻率可以達(dá)到了600MHz，且具有豐富的外圍組件，其中主要包括：存儲(chǔ)器管理單元MMU，32KB的指令緩沖器和32KB數(shù)據(jù)緩沖器，存儲(chǔ)器控制器(SDRAM控制器)、NAND Flash 和NOR Flash 控制器，4通道的外部DMA請(qǐng)求控制，3個(gè)串行口，其PXA270擴(kuò)展板的邏輯結(jié)構(gòu)如圖４所示。

圖４ ARM9擴(kuò)展板的邏輯結(jié)構(gòu)
ARM9擴(kuò)展板中由PXA270 CPU、64M閃存、64M的同步存儲(chǔ)器、鍵盤和USB接口；處理數(shù)字電視信號(hào)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(chǔ)，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(dòng)程序和Linux操作系統(tǒng)；64M的同步存儲(chǔ)器用來運(yùn)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，如USB 移動(dòng)硬盤、USB打印機(jī)等等；硬盤用來存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)與STi710x的數(shù)據(jù)交換[5]。
5 衛(wèi)星數(shù)字網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒的軟件和功能
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(dòng)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(shí)間。層次構(gòu)建遵循的原則：某一層的模塊可調(diào)用下層模塊，同時(shí)又能被上層調(diào)用，同層之間一般不能調(diào)用。
衛(wèi)星數(shù)字網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒的硬件組成相當(dāng)于一臺(tái)奔Ⅲ的計(jì)算機(jī)和數(shù)字機(jī)頂盒，所以其功能既能夠完成計(jì)算機(jī)的功能又能夠完成數(shù)字機(jī)頂盒的功能。該數(shù)字網(wǎng)絡(luò)機(jī)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(fèi)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(chǔ)；⑩視頻點(diǎn)播(VOD)；11交互式電視游戲等等?？梢钥闯觯瑪?shù)字網(wǎng)絡(luò)電視機(jī)頂盒的功能十分強(qiáng)大。
6 總結(jié)
本文創(chuàng)新點(diǎn)是完成了基于ARM9 PXA270和STi710x的衛(wèi)星數(shù)字機(jī)頂盒硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。文中對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字機(jī)頂盒和雙CPU衛(wèi)星機(jī)頂盒方案作了對(duì)比，同時(shí)給出了衛(wèi)星機(jī)頂盒的硬件邏輯方框圖，以及軟件模型和功能。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，不僅能夠完成傳統(tǒng)數(shù)字機(jī)頂盒的功能，還能夠完成DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)電視節(jié)目的存儲(chǔ)和連上互聯(lián)網(wǎng)的功能，隨著數(shù)字電視時(shí)代的到來，該設(shè)計(jì)能得到廣泛的應(yīng)用。