孫世昕（南京熊貓電子集團(tuán)技術(shù)開發(fā)中心 210002）
摘要：首先扼要介紹了數(shù)字衛(wèi)星電視（DVB－S）所采用的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括信源編解碼MPEG－2，復(fù)用，信道編解碼，加擾，調(diào)制解調(diào)等。然后扼要介紹了接收機(jī)設(shè)計(jì)中要解決的幾個(gè)問題：如信道解調(diào)和解碼、傳輸流解復(fù)用、音視頻解碼、網(wǎng)絡(luò)信息管理及數(shù)據(jù)解碼、用戶界面及其他，并探討了接收機(jī)方案選擇及軟硬件設(shè)計(jì)中要考慮的幾個(gè)問題，如系統(tǒng)靈活性、可升級性及模塊化設(shè)計(jì)等，并以熊貓數(shù)字衛(wèi)星電視接收機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)為例作了探討。
關(guān)鍵詞：數(shù)字衛(wèi)星電視接收機(jī) 信道加擾 傳輸流 用戶界面
【Abstract】 This paper introduces some key techniques used in digital satellite television（DVB－S）， including source encoding and decoding （MPEG－2），multiplex，channel coding and decoding，scrambling，modulation and demodulation and etc．And then some problems need to be solved in the design of receiver are described，such as channel demodulation and decoding，demultiplex of the transport stream， audio and video decoding，network information management and data decoding，and user interface．Taking Panda digital satellite TV receiver system as an example，some issues that need to be considered in the selection of receiver scheme and the design of hardware and software are discussed，such as system flexibility， upgradability and modular design．
【Key words】 Digital satellite TV receiver Channel scrambling Transport stream User interface．
1 引言
近年來數(shù)字衛(wèi)星電視在全球蓬勃發(fā)展，我國中央電視臺和許多地方省臺也通過衛(wèi)星向全國傳送數(shù)字電視節(jié)目。電視節(jié)目傳輸數(shù)字化已成為趨勢。數(shù)字視頻廣播（DVB）1993年在歐洲興起，短短幾年時(shí)間已從標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入商品化、實(shí)用化和產(chǎn)品化階段，并以驚人的速度發(fā)展。DVB系統(tǒng)包括DVB－S（衛(wèi)星廣播）、DVB－C（電纜傳輸）和DVB－T（地面?zhèn)鬏敚渲凶钔怀龅氖?FONT face="Times New Roman">DVB－S，由于其廣播方式簡單，設(shè)備投資少，Ku波段廣播用0．45～0．6 m的天線就能接收到清晰的圖像，而被許多國家廣泛采用。在美國，衛(wèi)星直播數(shù)字電視DBS（DTH）用戶達(dá)550萬，頻道總數(shù)超過了450個(gè)。整個(gè)歐洲，接收衛(wèi)星直播電視的用戶超過了1 500萬戶，節(jié)目數(shù)超過250個(gè)。在日本目前用戶超過了70萬，并以每月3萬戶的速度增加，節(jié)目數(shù)量超過100個(gè)。在亞洲，韓國、馬來西亞、印度尼西亞、泰國、印度、中東地區(qū)都已開播了DBS／DTH業(yè)務(wù)，頻道總數(shù)達(dá)數(shù)百個(gè)。全球正掀起一個(gè)衛(wèi)星數(shù)字電視的熱潮。
我國也不例外，中央電視臺1995年開播了衛(wèi)星數(shù)字加密電視節(jié)目，國內(nèi)十幾個(gè)省市從1997年相繼采用歐洲DVB標(biāo)準(zhǔn)，通過衛(wèi)星傳送自己的節(jié)目。其他省市自治區(qū)將繼續(xù)通過衛(wèi)星傳送節(jié)目。衛(wèi)星數(shù)字電視的引入，將解決我國目前電視覆蓋率不高，特別是山區(qū)、人口稀少地區(qū)的電視覆蓋問題。根據(jù)規(guī)劃到本世紀(jì)末，我國人口的電視覆蓋率將達(dá)90％以上，大力發(fā)展DVB，實(shí)現(xiàn)從模擬傳輸?shù)綌?shù)字傳輸、從C波段到Ku波段、從衛(wèi)星轉(zhuǎn)播到衛(wèi)星直播的轉(zhuǎn)變，勢在必行。
2 數(shù)字衛(wèi)星電視（DVB－S）關(guān)鍵技術(shù)
數(shù)字衛(wèi)星電視在信源部分采用了MPEG－2數(shù)字音視頻壓縮技術(shù)、傳輸流復(fù)用，信道部分采用的編碼和調(diào)制技術(shù)有Reed－Solomon編碼、交織卷積編碼、QPSK調(diào)制技術(shù)，一個(gè)典型的DVB－S系統(tǒng)發(fā)端框圖如圖1，而在其接收端則是其反過程。
圖1 一個(gè)典型的DVB-S發(fā)端框圖
3 數(shù)字衛(wèi)星電視接收機(jī)的功能及要求
數(shù)字衛(wèi)星電視接收機(jī)又叫IRD（Intergrated Receiver Decoder）綜合接收解碼器，對于IRD的功能還沒有一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)DVB的標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議，一個(gè)典型的衛(wèi)星IRD的功能應(yīng)包含以下幾個(gè)層次（見圖2）。
圖2 一個(gè)典型IRD的功能描述框圖
（1）物理的和連接的層次，包括典型的前端功能如調(diào)諧器、QPSK解調(diào)器、卷積解碼、去交織Reed－Solomon解碼和解能量擴(kuò)散。
（2）傳輸層負(fù)責(zé)解復(fù)用和視頻、音頻數(shù)據(jù)解碼。
（3）有條件訪問功能，控制著外部解碼器運(yùn)行。
4）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，負(fù)責(zé)音視頻解碼以及電子節(jié)目表（EPG）和服務(wù)信息（SI），也可作為數(shù)據(jù)解碼。
（5）顯示層包括用戶界面和遙控操作。用戶服務(wù)包含基于音頻、視頻和數(shù)據(jù)信息的不同應(yīng)用。
這里要注意的一個(gè)問題是現(xiàn)在的DBS／DTH有兩套系統(tǒng)，一套是歐洲的DVB系統(tǒng)，另一套是美國DSS系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)在信源編碼方面是完全一樣的，都符合ISO／IEC－13818－1系統(tǒng)，ISO／IEC－13818－2（視頻）ISO／IEC－13818－3（音頻）標(biāo)準(zhǔn)，但在信道編碼及調(diào)制方面有一些差別。
對DVB來說，R－S編碼長度是204，188，T＝8
對DSS來說，R－S編碼長度是146，130，T＝8
DVB和DSS基帶信號成形濾波器的滾降系數(shù)分別是0．35和0．2。
DVB和DSS的交織算法也有不同。要使IRD既能適應(yīng)DVB市場也能適應(yīng)DSS市場，在選擇方案時(shí)要特別注意以上信道編碼及調(diào)制上的差別。對于針對中國市場的衛(wèi)星IRD產(chǎn)品來說還要滿足SCPC和MCPC兼容以及C波段和Ku波段的兼容性。
4 硬件方案的選擇
老一代衛(wèi)星IRD方案主要是基于硬件結(jié)構(gòu)缺乏靈活性，不能適應(yīng)不同服務(wù)的要求，因此不同服務(wù)要求有不同的設(shè)計(jì)，這種方案正趨于淘汰。一個(gè)典型的機(jī)頂盒必須完成QPSK解調(diào)和譯碼、解復(fù)用、音視頻解壓縮等基本核心功能。另外，還有一些附加功能，諸如輸出圖形界面、EPG（電子節(jié)目表）、SI（服務(wù)信息）、CA（有條件訪問）、遙控、圖文電視、軟件可升級等附加功能，特別是有些附加功能如傳輸解擾、圖形功能方面沒有確切的規(guī)定，因此系統(tǒng)必須能在硬件軟件之間進(jìn)行合理的分工，提供足夠的靈活性以便于系統(tǒng)方便地適應(yīng)不同的要求以及升級換代。比如，PID（Packet IDentifier）的數(shù)目：目前歐洲和日本普遍采用了32個(gè)PID的方案，因此32個(gè)PID可以作為IRD設(shè)計(jì)中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置的要求。另外，專用數(shù)據(jù)濾波器最好是軟硬件結(jié)合去完成，純軟件完成對軟件的開銷太大，純硬件又缺乏靈活性，不能覆蓋所有的功能。加解擾方案也與提供服務(wù)的機(jī)構(gòu)采用的算法有關(guān)，也應(yīng)軟硬結(jié)合解決。對于圖形方面要求，圖形用戶接口使IRD對用戶更友好，目前的趨勢是對這方面的要求越來越高。IRD的結(jié)構(gòu)必須滿足對圖形的越來越高的要求。另外，影響IRD性能的是CPU。CPU的處理能力、易升級性、兼容性、支持高級語言和軟件可移植性，也極大地影響著IRD的軟硬件結(jié)構(gòu)和性能。熊貓集團(tuán)選擇了LSL Logic公司的全套方案，來開發(fā)熊貓的衛(wèi)星IRD，其硬件系統(tǒng)框圖如圖3。
圖3 熊貓IRO硬件系統(tǒng)框圖
其中L64724是單片信道解調(diào)解碼芯片，其內(nèi)部集成了I，Q，A／D轉(zhuǎn)換器，其匹配濾波器滾降因子，有0．35和0．2兩種。R－S解碼適應(yīng)（204／188）和（146／130）兩種算法，Viterbi譯碼適應(yīng)1／2，2／3，3／4，5／6，6／7，7／8多種刪除算法，最主要是它內(nèi)置的抗混疊數(shù)字濾波器能適應(yīng)SCPC信號、窄帶MCPC信號和寬帶MCPC信號。
L64108是單片MPEG解復(fù)用器內(nèi)嵌了MiniRisc CPU，具有強(qiáng)大功能，可以處理各種系統(tǒng)任務(wù)和傳輸流PID處理等。其峰值處理能力達(dá)54 MIps，具有多個(gè)定時(shí)和中斷控制器。內(nèi)部集成了32個(gè)用戶可編程的PID濾波器，其中一個(gè)用于視頻PID，一個(gè)用于音頻PID，30個(gè)通用PID用于PSI，SI和Private數(shù)據(jù)濾波。CPU的強(qiáng)大功能使L64108能以軟件方式處理subtitle，OSD overlay，圖文電視，EPG等。它集成了16位寬的總線接口，其尋址空間達(dá)16M，以便與外圍網(wǎng)絡(luò)連接。有3個(gè)RS－232口，I2C口、IEEE1284口，并且備有智能卡接口（SIO7816），便于設(shè)計(jì)成收費(fèi)IRD，具有圖文電視接口，可直接與SAA7182，SAA7121，BT864，BT865等連接。其DRAM接口既支持EDO也支持Fast Page模式的DRAM。L64108既高度集成又有高度靈活性和很高的性能。
L64005是單片MPEG－2音視頻解碼器，僅需16M SDRAM就可支持PAL／NTSC解碼，并且有4 bit圖形OSD功能。
L64724與L64108和L64108與L64005之間均實(shí)現(xiàn)無縫連接。
5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
由前面的圖3了解到，IRD系統(tǒng)有許多的任務(wù)需要實(shí)時(shí)處理，因此線性程序軟件完全無法解決這些問題，而自己編程解決這些任務(wù)間的調(diào)度是不現(xiàn)實(shí)的，需要采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，這也是現(xiàn)在的數(shù)字消費(fèi)電子產(chǎn)品以及下一代HDTV系統(tǒng)的一個(gè)共同特點(diǎn)。選擇pSOSystem實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)作為熊貓衛(wèi)星IRD的操作系統(tǒng)，它用于實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用，既支持實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，又支持開發(fā)環(huán)境。其實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境包括操作系統(tǒng)內(nèi)核pSOS＋（僅17 k內(nèi)存）和網(wǎng)絡(luò)pNA＋，文件系統(tǒng)pHILE＋等各種擴(kuò)展模塊。
熊貓IRD系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為三個(gè)主要層次，即服務(wù)應(yīng)用層、pSOS＋操作系統(tǒng)層和硬件層構(gòu)成，可由圖4描述。
圖4 熊貓IRO系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖
服務(wù)應(yīng)用層通過設(shè)備管理器，pSOS＋層與硬件層連接，設(shè)備管理器管理各種硬件設(shè)備，服務(wù)應(yīng)用層也檢測處理用戶命令，如來自遙控器、鍵盤和RS－232口的命令。操作系統(tǒng)層是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，用以控制復(fù)雜的運(yùn)行任務(wù)，如多進(jìn)程和時(shí)間分片等。pSOS＋主要提供多任務(wù)管理、中斷處理、輸入／輸出通信等。其中的板級支持包提供了底層的pSOS＋核和L64108內(nèi)嵌MiniRISC CPU的接口。
硬件層是一套硬件系統(tǒng)的物理器件。包括：
L64724 解調(diào)和解碼器；
L64108 傳輸流解復(fù)用器和嵌入式CPU；
L64005 MPEG－2音視頻解碼器
視頻編碼器（如SAA7182，SAA7121，BT864／865）；
音頻DAC（PCM1723等），也包括一些諸如遙控接收頭、鍵盤、智能卡讀卡器、RS－232口等。
軟件最主要的部分是服務(wù)應(yīng)用層，其內(nèi)部模塊功能及相互關(guān)系如圖5。
圖5 服務(wù)管理器框圖
服務(wù)應(yīng)用層包含了一些用于控制IRD工作的管理器，這些管理器之間通過消息傳輸協(xié)議和消息隊(duì)列進(jìn)行通信。用戶輸入管理器把從鍵盤管理器和遙控管理器來的命令變成高級命令，并傳給用戶輸出管理器，用戶輸出管理器接收來自用戶輸入管理器的請求，并經(jīng)由OSD圖形管理器顯示在屏幕上。同時(shí)用戶輸出管理器也把這些命令傳遞到相應(yīng)的執(zhí)行程序，如頻道管理器，便于用戶命令得到執(zhí)行。
全局資源管理器用于管理諸如板上寄存器、音頻DAC、系統(tǒng)時(shí)鐘以及其他管理器不直接管理的資源。頻道管理器是一個(gè)高級管理器，用于管理信道管理器、傳輸流管理器和視頻管理器。頻道切換通常要求所有與解碼相關(guān)的管理器協(xié)同工作，頻道管理器使調(diào)諧器切換新頻率并控制L64724重新完成解調(diào)解碼，控制傳輸流管理器使L64108鎖定并開始處理新的傳輸流，讓音視頻管理控制L64005解壓縮新的音／視頻MPEG數(shù)據(jù)。
6 小結(jié)及設(shè)想
熊貓衛(wèi)星IRD采用了軟硬件模塊化設(shè)計(jì)思路。其中硬件部分前端和主板之間采用了通用的標(biāo)準(zhǔn)接口，以利于將來設(shè)計(jì)有線IRD或地面數(shù)字電視IRD時(shí)硬件部分只需要簡單地更換前端，而主板不用做任何改動。軟件部分的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)軟件的升級及對應(yīng)不同系統(tǒng)如有線IRD、地面數(shù)字電視IRD更為簡便、快捷，為以后產(chǎn)品快速適應(yīng)市場打下了良好的基礎(chǔ)。
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