基于ARM9的DVB-S2机顶盒方案研究

1  引言
    随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展，电视系统的数字化是一个必然的趋势。有媒体报道，美国将在2010年停播模拟电视而全面实现数字电视，虽然我国与其相比落后一些，但全面实现电视系统数字化也是一件为期不远的事[1]。目前，因为数字节目少、技术等原因，我国电视数字化进程还比较慢，这个时期也是我国电视系统数字化技术和资金积累时期。现在虽然市面上有数字电视机顶盒，但它们采用的都是一些企业完整的机顶盒方案，如菲利浦公司、意法半导体公司、富士通公司等机顶盒方案[2]。这些机顶盒的功能简单，仅仅是完成将数字信号转换成模拟电视能接收的信号。论文设计了一款全新的基于ARM9的DVB-S2数字卫星机顶盒，充分利用Sti7109 CPU和PXA270 CPU的强大优势[3]，不仅能完成现有机顶盒的所有功能，而且能完成电视节目的海量存储；连接互联网、游戏，从网上下载影片或音乐；和家用电脑连成局域网，实现资源共享等功能。
2  DVB-S2标准的特点
    新的DVB-S2卫星传输标准，把卫星通信链路的容量在DVB-S基础上提高了30%，在理论上接近了卫星通信的性能极限，结合其它的新的编码方法和卫星技术，该标准有助于高效推广高数据速率的应用。
    与DVB-S相比，DVB-S2可提供除QPSK外的多种具有更高频带利用率的调制方式，如8PSK、16APSK、32APSK。DVB-S2的16APSK和32APSK调制技术，减少了幅度变化，更能适应线性特性相对不好的卫星传输信道，使高位调制方式通过卫星信道传输成为可能。
    DVB-S2采用的是功能更强大的前向纠错系统，即BCH和LDPC(低密度校验码)码级联的信道编码方式，有效地降低了系统解调门限，距离理论的香农极限只有0.7～1dB的差距。
    DVB-S2频谱成形中的升余弦滚降系数α可在0.35、0.25、0.2中选择，而不是DVB-S固定的0.35，自然α越小，可以获得下降更陡峭的载波波形，频谱利用率越高。
3  ST公司的DVB-S2的卫星数字机顶盒方案
    针对DVB-S2的卫星传输标准，ST公司开发了一套DVB-S2的卫星数字机顶盒的方案[4]，方案的逻辑结构如图1所示。

图1  ST公司数字卫星机顶盒方案
    机顶盒的方案采用了三大模块，信号的接收及下变频模块，由STB6100完成；信号的解调模块，由STV0900完成；信号处理模块，由STi710x完成。
    STB6100是ST公司新开发的能够满足DVB-S2解码要求的前端调谐器，主要包括低频噪声放大器、下变换混频器、低通基带滤波器、获取控制、低噪声锁相环等。STB6100支持8PSK/QPSK调制，输入的频率范围从950 MHz到2150MHz，输出差分I信号和Q信号，低功耗、大规模集成使得6100只需要很少的外部器件就可以完成调制和变换。
    STV0900是ST公司的一款多标准高级双向的卫星数字电视和数据服务机顶盒解调器。0900具有高速前向纠错功能每秒可处理180M位/通道，不仅能够解调DVBS的QPSK，还能解调DVB-S2的QPSK、8PSK、和16APSK。系统可通过I2C完成对0900的控制，可通过JTAG接口向0900写入新的数据。通过STV0900解调后可向STi710x输出传输流。
    STi710x是新一代的高清机顶盒及DVD解码芯片，兼容ST40核，工作频率可达266MHz，支持Linux和Win CE及OS2嵌入式系统；提供ROM、Flash、SRAM接口，可外接只读存储器、闪存和随机存储器。芯片包括视窗多媒体9(WMV9)和H.264两类解码器；基于ST总线结构，这类单芯片结构向下兼容，可用于地面广播、卫星、电缆、DSL以及IP客户端的高清机顶盒；710x内置一个图像补偿模块和2D图形加速器，同时还包括一个数据流链接器，可将7个不同的传流合成处理流，输出多种格式的高清电视信号或RGB、YPbPr格式或HDMI以及CVBS格式。提供USB2.0 SATA接口及100BT互联网控制器，能外接SATA硬盘及接上互联网。
    ST公司的数字卫星机顶盒方案完成了信道解码和信源解码，输出了多种格式高清晰数字电视信号。若只是用于接收和处理数字电视信号，该方案已经非常的完善了。但若是烧写嵌入式操作系统，连接互联网，与家里的另一台电脑构成局域网，实现电视节目的存储，游戏等功能，这种方案就有点力不从心了。所以下面将充分利用ARM9 PXA270的特点，设计一款新的基于PXA270的DVB-S2的卫星数字机顶盒方案。
4  基于ARM9的DVB-S2卫星数字机顶盒方案
    ARM技术是ARM公司所有的RISC CPU技术，ARM公司作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前，采用 ARM 技术核的微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了32 位 RISC 微处理器75%以上的市场份额，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。
4.1  ARM9 的CPU选取
    在众多的ARM核的生产厂家中，Intel生产的ARM9核的PXA270以其极高的运行速度、强大功能而在高端的嵌入式产品中使用的比较广泛，如个人数字助理PDA，智能手机，数字机顶盒等。    PXA270以其强大的功能作为本卫星数字机顶盒的主CPU。
    (1)运行的速度相当的快，最高工作频率可达624MHz，而其它的ARM9的工作频率只有200MHz左右。
    (2)7条到8条流水线使PXA270具有很高的速度和极低的功耗。
    (3)32K的指令缓冲器和32K的数据缓冲器使PXA270的速度进一步的提升，而其它的ARM9的处理器只有16K的指令缓冲器和16K的数据缓冲器。
    (4)PXA270采用Xscale微结构体系架构；具有Intel的无线多媒体扩展技术，能够流畅的运行三维游戏和播放高质量的多媒体视频文件。
    (5)PXA270的Quick Capture技术使其能够拍摄高达400万像素的图片和视频，并支持低功耗，实时的回放处理，支持24位色的LCD显示，具有256K的片上SRAM帧缓冲，这和Quick Capture一起加速了图像的回放。
    (6)支持Intel专用的无线SpeedStep动态电源管理技术，SpeedStep技术可以将PXA270的主频在26MHz~624MHz之间自由调节，在系统完全空闲时，PXA270可运行在26MHz的主频下，此时的功耗将低于0.1毫安。
    (7)此外还有丰富的外围接口：三个串行口，分别是标准串行口，蓝牙和全功能串行口；红外线接口；I2C串行总路线接口；AC′97编码器接口；I2S音频编码器接口；USB主机接口和从接口；液晶接口，输入多种显示信号；MMC、SD卡、SDIO卡接口；键盘接口和测试接口等。
所以本文选PXA270作为DVB-S2标准的卫星数字机顶盒的另一CPU。
4.2  基于PXA270的DVB-S2的机顶盒的逻辑结构图

图2  基于PXA270的数字卫星机顶盒方案逻辑框图

    卫星数字机顶盒由三大部分组成，它包括前端接收部分，传输流处理部分，节目存储部分。前端接收部分由ST公司的TB6100和STV0900完成，主要功能是完成信号的接收、下变换、放大、输出传输流TS；传输流TS处理部分由ST公司的STi710x完成，主要功能是完成信源的解码，将分离的视频ES和音频ES分别转换成PAL/NTSC制的电视信号和音频信号，并完成解扰功能；节目存储和连接互联网部分由英特尔公司的PXA270完成，主要功能是完成数字节目的存储、连接互联网、下载视频和音频数据、视频点播等功能。
    STi710x接收来自前端输出的传输流，其内部解复用器解调出不同的节目频道，提取相应的音视频流和数据流，其输出为MPEG-2音视基本流及一些数据净荷。MPEG-2解码器和相应的解析软件用数字信息的还原。对于加密的电视节目，条件接收模块可以通过智能卡对音视频进行解扰。MPEG-2解码器用于音、视频解压缩，经过视频编码器和音频编码器还原模拟音视频信号。解复用及音视频解码STi710x扩展功能模块如图3所示。
    在STi710x模块中，E2PROM用于存放工作过程中的配置参数，同步存储器SDRAM用来运行程序，Flash用于烧写启动程序，智能卡接口用于完成条件接收功能。同时该扩展模块输出数字电视和VGA显示器所需要的信号，双口RAM用于完成STi10x和ARM板之间的通信。

图3　解复用、音视频解码模块
4.3  中央处理器PXA270模块
    PXA270是Intel公司设计开发的基于精简指令集的ARM9核的CPU，工作频率可以达到了600MHz，且具有丰富的外围组件，其中主要包括：存储器管理单元MMU，32KB的指令缓冲器和32KB数据缓冲器，存储器控制器(SDRAM控制器)、NAND Flash 和NOR Flash 控制器，4通道的外部DMA请求控制，3个串行口，其PXA270扩展板的逻辑结构如图４所示。

图４  ARM9扩展板的逻辑结构
    ARM9扩展板中由PXA270 CPU、64M闪存、64M的同步存储器、键盘和USB接口；处理数字电视信号的部件主要由硬盘、互联网接口、红外线发送与接收和双口RAM组成。该模块的主要功能是完成数字电视节目的存储，连接到互联网，红外线的控制，通过I2C接口控制前端调谐器，通过双口RAM完成与Sti5528的数据交换。系统中的64M闪存用来存放CPU的启动程序和Linux操作系统；64M的同步存储器用来运行操作系统和应用程序；键盘用来输入数字；USB接口用来外接USB设备，如USB 移动硬盘、USB打印机等等；硬盘用来存储数字电视节目和其它信息、数据；互联网接入模块用于宽带接入互联网；红外线模块控制遥控器的发送与接收，选择电视节目或实现其它功能；双口RAM用来实现与STi710x的数据交换[5]。
5  卫星数字网络机顶盒的软件和功能
    由于嵌入式系统软件和微处理器密切相关，所以通常采用分层模型来描述，软件层次结构自底而上分为固件层、驱动层、中间件、应用层，这样，一旦硬件模块发生变化，软件的修改只发生在和硬件相关的固件层，中间件和应用层可以保持不变，能够减少编程工作量，缩短软件开发时间。层次构建遵循的原则：某一层的模块可调用下层模块，同时又能被上层调用，同层之间一般不能调用。
    卫星数字网络机顶盒的硬件组成相当于一台奔Ⅲ的计算机和数字机顶盒，所以其功能既能够完成计算机的功能又能够完成数字机顶盒的功能。该数字网络机顶盒的主要功能是：①数字电视节目的接收；②DVB公共解扰算法和条件接收；③支持PAL/NTSC/SECAM；④支持MPEG2图像和MP3、杜比5.1音质；⑤远程教育；⑥按次付费电视收看；⑦电子节目指南；⑧互联网的接入；⑨数字电视节目存储；⑩视频点播(VOD)；11交互式电视游戏等等。可以看出，数字网络电视机顶盒的功能十分强大。
6  总结
    本文创新点是完成了基于ARM9 PXA270和STi710x的卫星数字机顶盒硬件平台的设计。文中对传统的数字机顶盒和双CPU卫星机顶盒方案作了对比，同时给出了卫星机顶盒的硬件逻辑方框图，以及软件模型和功能。该设计实现后，不仅能够完成传统数字机顶盒的功能，还能够完成DVB-S2标准电视节目的存储和连上互联网的功能，随着数字电视时代的到来，该设计能得到广泛的应用。