DVB-C數(shù)字電視接收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王志德，王晶輝，郭淑琴

(浙江工業(yè)大學(xué)信息與通信工程系，浙江杭州310023)

0 引言

數(shù)字電視接收設(shè)備主要分為電視卡、電視盒和電視棒3類［1］，它使我們在電腦上收看數(shù)字電視節(jié)目成為了可能，無需網(wǎng)絡(luò)，甚至無需連線。國外市場相對成熟，國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有圓剛、美如畫等，但因技術(shù)不成熟、價格高、信號覆蓋范圍小等因素影響，市場并未得到推廣。然而，我國的數(shù)字電視技術(shù)［2］在這10多年的時間里一直在努力發(fā)展，特別是基于有線的數(shù)字視頻廣播已成為廣播電視業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。因此，現(xiàn)階段針對有線數(shù)字電視方面的應(yīng)用有著廣闊的前景和良好的市場。所以，以USB接口作為傳輸接口開發(fā)一個簡單易用的個人電腦外擴設(shè)備來播放有線數(shù)字電視就是一種不錯的方案。本文提出的DVB-C數(shù)字電視接收系統(tǒng)正是接收有線電視網(wǎng)的信號并轉(zhuǎn)換成滿足MPEG-2標準的TS流通過USB接口傳送給PC機進行音視頻解碼等處理，最終實現(xiàn)數(shù)字電視節(jié)目的實時播放。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

DVB-C數(shù)字電視接收系統(tǒng)硬件電路主要由3部分組成:調(diào)諧器芯片、信道解調(diào)芯片、USB控制芯片。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:

圖1 DVB-C電視接收系統(tǒng)功能框圖

調(diào)諧器輸入來自有線電視網(wǎng)的48－860MHz的RF信號，經(jīng)過帶通濾波器濾除帶外干擾信號后，由前置放大器進行低噪聲放大，然后送入變頻器進行變頻得到36MHz中頻信號。信道解調(diào)芯片接收中頻信號先進行濾波，再經(jīng)移相電路分成兩路相位相差90°的I、Q信號送至QAM解調(diào)電路中進行QAM解調(diào)，再經(jīng)過維特比解碼(內(nèi)碼)和里德-所羅門解碼(外碼)卷積去交織器等完成前向糾錯恢復(fù)輸出滿足MPEG-2標準以188字節(jié)為一包的TS流送至USB芯片。而USB芯片采用內(nèi)部的FIFO與USB2.0智能接口引擎直接將TS流傳輸至PC機，由PC機先接收一段數(shù)據(jù)進行緩沖，再將數(shù)據(jù)源源不斷地傳給播放器軟件進行音/視頻分離與解碼，實現(xiàn)實時播放［3］。

2 硬件電路

硬件方面，由于希望設(shè)計的USB數(shù)字電視接收器是一種體積小，功耗低，移動性好的設(shè)備，并且符合DVB-C傳輸標準，所以在芯片的選擇上進行了一定的研究。最終決定，高頻頭選擇Infineon公司的TUA6039，信道解調(diào)芯片選擇 ST公司的 Stv0297芯片，USB傳輸控制芯片選擇 Cypress公司的CY7C68013A芯片。

2.1 調(diào)諧器芯片TUA6039

TUA6039的制程采用雙極半導(dǎo)體，很適用于在設(shè)計上以低成本與低耗電為主要考量的固定廣播接收器。它是一具完全三波段的射頻調(diào)諧器IC，擁有整合式的中頻自動增益控制擴大器與相位閉鎖回路，其功耗只有330mW。而且，TUA6039可以支持地面無線電視與有線電視應(yīng)用上所有主要模擬與數(shù)字標準。

2.2 信道解調(diào)芯片STV0297

Stv0297芯片內(nèi)部包含有解調(diào)模塊、前向糾錯模塊、下變頻模塊、A/D模塊和載波恢復(fù)電路模塊等，并且系統(tǒng)程序可以通過芯片提供的一些實時的質(zhì)量監(jiān)控參數(shù)和鎖定狀態(tài)參數(shù)知道STV0297當前的狀態(tài)。STV0297的輸出端還提供了AGC(自動增益控制電路)及I2C控制總線。通過這些控制電路和總線來控制前端的調(diào)諧器，同時也簡化了程序的設(shè)計。

2.3 USB控制芯片CY7C68013A

CY7C68013A［4，5］是Cypress半導(dǎo)體公司推出的EZ-USB FX2LP系列芯片中的主要成員，它集成了USB2.0協(xié)議的微處理器，其內(nèi)部還包括智能串行接口引擎(SIE)、增強型8051內(nèi)核、16KB的RAM、4KB的FIFO存儲器、I2C控制器和通用可編程接口(GPIF)等。

EZ-USB提供了3種可用的接口模式:端口(I/O)、可編程的GPIF方式和Slave FIFO方式。其中，為了保證USB數(shù)據(jù)的傳輸速率，要求在與主機通信時不需要EZ-USB的CPU干預(yù)，外部邏輯直接對芯片內(nèi)部的端點FIFO緩沖區(qū)進行讀操作或?qū)懖僮?。所以，對于?shù)字電視接收設(shè)備來說，USB芯片必須工作在Slave FIFO模式下。此時，CY7C68013A芯片與QAM解調(diào)芯片的主要引腳連接如圖2所示。

圖2 USB芯片主要引腳連接

在Slave FIFO模式［6］下，用到的關(guān)鍵寄存器主要有接口配置寄存器IFCONFIG(用于選擇接口方式和時鐘源)、端點配置寄存器(用于設(shè)置端點2、4、6、8的類型、傳輸方向、緩沖區(qū)大小與數(shù)量)、端點的Slave FIFO配置寄存器(決定PD引腳上的字節(jié)或字FIFO)、Slave FIFO接口引腳極性寄存器(決定主要引腳的正反極性)等等。

3 USB固件程序設(shè)計

在USB接口設(shè)計中，USB固件編程是整個設(shè)計任務(wù)的重要部分。USB芯片的主要功能實現(xiàn)都集中在固件程序設(shè)計上，它不僅用來實現(xiàn)USB設(shè)備的主要功能，還需要和USB主機進行數(shù)據(jù)通信。

3.1 固件框架

在使用EZ-USB芯片進行應(yīng)用開發(fā)中，利用EZ-USB固件框架可以簡化和加速開發(fā)基于EZ-USB芯片的外圍設(shè)備。

固件框架就是一個簡單的任務(wù)循環(huán)。其流程是先初始化狀態(tài)變量，然后調(diào)用初始化函數(shù)TD_Init()使USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷。然后每隔1s進行一次設(shè)備重枚舉，直到端點0接受到一個SETUP包。然后調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()，實現(xiàn)USB外設(shè)的主要功能。當接收到設(shè)備請求時，分析該請求并響應(yīng)之。接著判斷USB內(nèi)核是否收到USB掛起信號。如果接收到，則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Suspend()。該函數(shù)成功返回為TRUE時，再檢測是否有USB喚醒事件。如果未檢測到，則處理器進入掛起方式;反之，則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Resume()。如果從TD_Suspend()函數(shù)返回為FALSE，則程序繼續(xù)運行。

3.2 固件主程序

固件程序的主要任務(wù)是完成一些功能寄存器的初始化設(shè)置;并修改描述符指針，實現(xiàn)設(shè)備的重枚舉過程;最后根據(jù)實際需求，添加相應(yīng)代碼來完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送等特殊功能。

其中，主要對固件框架中的periph.c(用戶任務(wù)調(diào)度函數(shù)文件)和dscr.a51(描述符表)進行了修改。dscr.a51中包含各種描述符，根據(jù)設(shè)計需要修改設(shè)備的VID、PID。periph.c中主要包括TD_Init()和TD_Poll()函數(shù)，TD_Init()函數(shù)負責初始化端點狀態(tài)變量，須在這里設(shè)置成Slave FIFO模式，而在TD_Poll()函數(shù)中添加自定義用戶代碼以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信?；竞瘮?shù)結(jié)構(gòu)如下:

4 驅(qū)動與播放軟件

整個接收系統(tǒng)采用Windows平臺，所以驅(qū)動軟件部分采用BDA體系架構(gòu)。BDA(Broadcast Driver Architecture)是微軟提供的一種廣播驅(qū)動體系框架。這種框架支持用于接收數(shù)字電視的各種網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)成，它包含了用于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和控制的軟構(gòu)件，多路選擇，表分析和IP數(shù)據(jù)遞送等以適用于主要的數(shù)字電視標準包括DVB和ATSC等。在我們的接收系統(tǒng)中，BDA驅(qū)動主要提供對前端調(diào)諧器、解調(diào)芯片、USB接口的的控制，獲取和傳輸TS流，以及為上層應(yīng)用提供應(yīng)用程序接口。

應(yīng)用軟件部分采用DirectShow中的過濾器［7］結(jié)構(gòu)，它是微軟提供在Windows平臺上進行多媒體串流處理的一套軟件開發(fā)組件，使用DirectShow，可以很方便地從支持BDA驅(qū)動的硬件上捕獲數(shù)據(jù)并進行處理與播放。在DirectShow技術(shù)中，一個播放器由多個功能不同的Filter連接而成，這些Filter不是獨立工作，而是互相聯(lián)系、互相配合。按照功能不同，F(xiàn)ilter大致可分為Source Filter、Transform Filter、Decoder Filter和Render Filter。其中，Source Filter由BDA驅(qū)動程序生成，Decoder Filter可以由第三方提供，Transform Filter和Render Filter都由DirectShow開發(fā)包提供。本系統(tǒng)搭建的Filter Graph如圖3所示:

圖3 系統(tǒng)Filter Graph

5 結(jié)束語

本文首先介紹了USB數(shù)字電視接收系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，然后分別介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的幾個關(guān)鍵點:硬件電路連接、USB固件程序設(shè)計和PC主機應(yīng)用軟件架構(gòu)。該設(shè)計符合USB2.0標準，系統(tǒng)傳輸速率高，穩(wěn)定性好，可擴展性好。同時，合理的改變軟硬件模塊就可以做成符合其他傳輸標準的數(shù)字電視接收系統(tǒng)。因此，該設(shè)計具有一定的實際應(yīng)用價值與市場前景。

［1］ 宋欣.數(shù)字電視卡的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.天津:天津大學(xué)，2005.

［2］ 劉達.數(shù)字電視技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:28－36.

［3］ 潘云忠，潘宜漾.有線電視數(shù)字機頂盒的原理與維修［M］.北京:人民郵電出版社，2009:79－81.

［4］ 賽普拉斯公司.FX2LP DMB-T/H TV Dongle［DB/OL］.http://cypress.com/?rID=37775，2010 －07 －09.

［5］ 薛園園.USB應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京:人民郵電出版社，2007:185－197.

［6］ 仝瑞普.基于Slave FIFO模式USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

［7］ 陸其明.DirectShow開發(fā)指南［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:8－13.