基于DVB-C的數字機頂盒實現方法
中電網
摘要： 在我國，數字電視節目在許多省市已經開始試播，由于用戶端使用的基本都是模擬電視機，無法接收數字信號，因此需要一種接收裝置來擔當二者之間的橋梁，這就是機頂盒（SetTopBox，簡稱STB）。它是一種擴展電視機功能的一種新的家用電器。它可以把衛星直播數字電視信號、地面數字電視信號、有線電視網數字信號甚至互聯網的數字信號轉換成模擬電視機可以接收的信號，使現有的模擬電視機用戶也能分享數字化革命帶來的科技成果。文中主
Abstract：
Key words :
引言
在我國，數字電視節目在許多省市已經開始試播，由于用戶端使用的基本都是模擬電視機，無法接收數字信號，因此需要一種接收裝置來擔當二者之間的橋梁，這就是機頂盒（Set Top Box，簡稱STB）。它是一種擴展電視機功能的一種新的家用電器。它可以把衛星直播數字電視信號、地面數字電視信號、有線電視網數字信號甚至互聯網的數字信號轉換成模擬電視機可以接收的信號，使現有的模擬電視機用戶也能分享數字化革命帶來的科技成果。文中主要介紹筆者開發的基于DVB-C的有線數字電視機頂盒。
DVB-C 數字機頂盒" title="數字機頂盒">數字機頂盒的硬件設計
LSI 2005 主芯片介紹
DVB-C 數字機頂盒采用LSI Logic 公司的SC2005 作為主芯片。SC2005 采用最新的1.27mmPBGA 封裝，將LSIL641x8 傳輸譯碼器和L64105MPEG-2 音視頻解碼器集成在一塊芯片里，集成度高，內置工業標準的Tiny RISC108MHz MIPS CPU，5 層圖形引擎，DMA 控制器，以及統一的OSG 存儲器和A／V 存儲器；集成有多標準的編碼器、可獨立編程的視頻DAC，音頻DAC。
SC2005 接收來自信道解碼器的TS 流后，送到內部的L641x8 模塊中，由L641x8 對數據進行解復用，形成音頻和視頻PES 分組數據，通過A／V 接口輸出給L64105MPEG-2 解碼器進行解碼。L64105 將PES 分組進行解碼，輸出數字視頻和數字音頻信號各兩組。一組數字視頻和一組數字音頻信號直接輸出。另外一組數字視頻信號送到視頻編碼器中，被轉換成全電視信號(CVBS)或S 端子信號(Y／C)，經過外部低通濾波后，便可直接送到電視機中。另一路數字音頻信號送到音頻DAC 中，轉換成立體聲模擬信號，經外部低通濾波后輸出。
SC2005 提供了多種外圍設備接口，包括兩個UART 接口、兩個智能卡接口、I2C 接口、IEEEl284接口、紅外接口、圖文電視接口、通用I／O 控制以及調制解調器接口。通過這些接口，SC2005 可以和多種外圍設備相連，其功能更加強大。另外，SC2005 還有一個硬盤接口，可以將節目下載到硬盤中，以后再看。
DVB-C 機頂盒的硬件總體設計
為了實現有線數字機頂盒的功能，從技術實現上要達到以下要求：
（1）接收CATV 網絡上110MHz～855MHz頻率范圍內的射頻信號，并轉換為中頻信號。
（2）實現QAM 解調制功能，將調制信號恢復為數字基帶信號。
（3）完成信道解碼處理，實現前向糾錯功能。
（4）完成TS 傳送流解復用、MPEG-2 解碼功能，并且能夠實現電視信號解碼和音頻DAC 功能，輸出符合要求的模擬音視頻信號。
本設計實現了以上所有功能，設計總框圖如圖1 所示。
圖1 SC2005 機頂盒系統總框圖
系統組成部分功能介紹
1、數字高頻頭：接收CATV電纜上的射頻信號，由高頻頭電路將射頻信號下變頻為中頻信號，并將中頻信號送到內部得解調制芯片，由解解調制芯片完成QAM解調制及FEC前向糾錯芯片，而后以并行或串行方式送出TS(傳送流信號)。
2、SC2005：LSI logic公司的傳送流處理芯片。
3、CPU_SDRAM：提供SC2005內嵌CPU運行時所需要的存儲空間。
4、AV_SDRAM：提供SC2005內部MPEG解碼器對PES流進行處理時所需的存儲空間。
5、BOOT_FLASH:存放系統BOOT程序、引導系統正常啟動。
6、SYS_FLASH:存放系統工作軟件，實現系統功能。
7、串口：串口模塊電路對SC2005的串行I/O口進行電平轉換，提供標準的RS232串行接口，提供RS232調測接口。
8、SMARTCARD:實現授權、加密、收費等功能。
9、用戶接口：提供給用戶簡單得輸出、輸入接口，如系統工作狀態顯示接口、按鍵接口、遙控接口等。
10、USB：提供給用戶一個USB 1.1兼容的接口，最高數據率12Mb/s；可以用于支持U盤，保存節目或者播放U盤上的節目。
11、IDE：提供給用戶一個標準的IDE 接口。掛接硬盤后可以用來實現保存節目或者播放硬盤上的節目。
DVB-C 數字機頂盒的軟件設計
DVB-C 機頂盒的軟件總體設計
DVB-C 機頂盒軟件實現方案基于穩定性、可靠性和可擴展性的原則進行設計，所有軟件系統應該達到功能完備，使用簡便和便于擴充幾個特性。跟據上述分析，機頂盒軟件體系結構如圖2所示。
圖2 機頂盒軟件模塊層次圖
整個機頂盒軟件的結構采取開放式的模塊化結構。其中硬件抽象層可以增加軟件的硬件無關性；操作系統抽象層用于實現操作系統層的可移植性，以支持多種RTOS；中間件移植層用于各種商業化的中間件軟件的移植。從底下往上看，整個體系從硬件層到應用層分為以下幾個層次：
1、硬件抽象層：通過提煉一些硬件操作的特性，將一些與硬件相關緊密的操作抽象出來，從而將操作系統和硬件層分開，這使得BSP 和Driver的設計更簡潔，有利于提高軟件的可重用性和易移植性。
2、BSP 層：用于將引導操作系統，對操作系統提供板級支持。同時提供一些近設備的驅動。
3、操作系統及硬件驅動層：提供操作系統內核和硬件驅動。操作系統主要提供內存管理、任務調度、時鐘管理、資源共享和互斥等功能。硬件驅動層在操作系統和硬件抽象層的基礎上實現對硬件的驅動。
4、中間件：是一種將應用程序和操作系統、硬件細節隔離開來的軟件環境，通常它都是由一些虛擬機器構成的，如HTML 虛擬機、JavaScript 虛擬機、MHEG-5 虛擬機、Java 虛擬機等。這使得應用不依賴于特定的硬件平臺。著名的中間件提供商有：OpenTV 和Canal+。
5、DVB引擎：實現DVB/DAVIC 協議的解析。包括MPEG2 解碼器、SI 引擎和DSM-CC 數據接口。
6、應用層。建立在上述各個模塊的基礎上的應用程序片。包括：頻道管理、系統自檢、電子節目導航、軟件下載與升級管理和家長控制等模塊。
操作系統的選型
機頂盒作為一個典型的嵌入式系統，對其操作系統有更高的穩定性和實時性要求，一般選用實時嵌入式操作系統，這里我們選用uCOS-Ⅱ操作系統：一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統。由于uCOS-Ⅱ屬于開放源碼操作系統，所以開發包投入可以免除，而且去了版稅。同時該操作系統在工業控制，消費電子和國防等領域已經得到了廣泛的應用，實踐證明該操作系統在穩定性和可用性上是完全適合在本方案中是選用的。
uCOS-Ⅱ內核精簡，效率高，對存儲器和內存的需求低，對于降低系統成本有利。此外，uCOS-Ⅱ所有源代碼都公開，而且很多著名科研機構包括大學、研究所都對該操作系統進行了支持，提供了大量的已經經過工業驗證的軟件包，這對于開發人員來說很便利，有利于加快開發進度。
結束語
數字電視機頂盒是模擬電視機向數字電視機過渡的最佳解決方案。數字電視機頂盒是未來家庭必備的多媒體信息終端，使用數字電視機頂盒的有線電視用戶，可以享受電視、數據、話音等全方位的信息服務。隨著數字技術、多媒體技術和網絡技術的發展，數字電視機頂盒的功能將逐步得到完善。
在我國，數字電視節目在許多省市已經開始試播，由于用戶端使用的基本都是模擬電視機，無法接收數字信號，因此需要一種接收裝置來擔當二者之間的橋梁，這就是機頂盒（Set Top Box，簡稱STB）。它是一種擴展電視機功能的一種新的家用電器。它可以把衛星直播數字電視信號、地面數字電視信號、有線電視網數字信號甚至互聯網的數字信號轉換成模擬電視機可以接收的信號，使現有的模擬電視機用戶也能分享數字化革命帶來的科技成果。文中主要介紹筆者開發的基于DVB-C的有線數字電視機頂盒。
DVB-C 數字機頂盒" title="數字機頂盒">數字機頂盒的硬件設計
LSI 2005 主芯片介紹
DVB-C 數字機頂盒采用LSI Logic 公司的SC2005 作為主芯片。SC2005 采用最新的1.27mmPBGA 封裝，將LSIL641x8 傳輸譯碼器和L64105MPEG-2 音視頻解碼器集成在一塊芯片里，集成度高，內置工業標準的Tiny RISC108MHz MIPS CPU，5 層圖形引擎，DMA 控制器，以及統一的OSG 存儲器和A／V 存儲器；集成有多標準的編碼器、可獨立編程的視頻DAC，音頻DAC。
SC2005 接收來自信道解碼器的TS 流后，送到內部的L641x8 模塊中，由L641x8 對數據進行解復用，形成音頻和視頻PES 分組數據，通過A／V 接口輸出給L64105MPEG-2 解碼器進行解碼。L64105 將PES 分組進行解碼，輸出數字視頻和數字音頻信號各兩組。一組數字視頻和一組數字音頻信號直接輸出。另外一組數字視頻信號送到視頻編碼器中，被轉換成全電視信號(CVBS)或S 端子信號(Y／C)，經過外部低通濾波后，便可直接送到電視機中。另一路數字音頻信號送到音頻DAC 中，轉換成立體聲模擬信號，經外部低通濾波后輸出。
SC2005 提供了多種外圍設備接口，包括兩個UART 接口、兩個智能卡接口、I2C 接口、IEEEl284接口、紅外接口、圖文電視接口、通用I／O 控制以及調制解調器接口。通過這些接口，SC2005 可以和多種外圍設備相連，其功能更加強大。另外，SC2005 還有一個硬盤接口，可以將節目下載到硬盤中，以后再看。
DVB-C 機頂盒的硬件總體設計
為了實現有線數字機頂盒的功能，從技術實現上要達到以下要求：
（1）接收CATV 網絡上110MHz～855MHz頻率范圍內的射頻信號，并轉換為中頻信號。
（2）實現QAM 解調制功能，將調制信號恢復為數字基帶信號。
（3）完成信道解碼處理，實現前向糾錯功能。
（4）完成TS 傳送流解復用、MPEG-2 解碼功能，并且能夠實現電視信號解碼和音頻DAC 功能，輸出符合要求的模擬音視頻信號。
本設計實現了以上所有功能，設計總框圖如圖1 所示。
圖1 SC2005 機頂盒系統總框圖
系統組成部分功能介紹
1、數字高頻頭：接收CATV電纜上的射頻信號，由高頻頭電路將射頻信號下變頻為中頻信號，并將中頻信號送到內部得解調制芯片，由解解調制芯片完成QAM解調制及FEC前向糾錯芯片，而后以并行或串行方式送出TS(傳送流信號)。
2、SC2005：LSI logic公司的傳送流處理芯片。
3、CPU_SDRAM：提供SC2005內嵌CPU運行時所需要的存儲空間。
4、AV_SDRAM：提供SC2005內部MPEG解碼器對PES流進行處理時所需的存儲空間。
5、BOOT_FLASH:存放系統BOOT程序、引導系統正常啟動。
6、SYS_FLASH:存放系統工作軟件，實現系統功能。
7、串口：串口模塊電路對SC2005的串行I/O口進行電平轉換，提供標準的RS232串行接口，提供RS232調測接口。
8、SMARTCARD:實現授權、加密、收費等功能。
9、用戶接口：提供給用戶簡單得輸出、輸入接口，如系統工作狀態顯示接口、按鍵接口、遙控接口等。
10、USB：提供給用戶一個USB 1.1兼容的接口，最高數據率12Mb/s；可以用于支持U盤，保存節目或者播放U盤上的節目。
11、IDE：提供給用戶一個標準的IDE 接口。掛接硬盤后可以用來實現保存節目或者播放硬盤上的節目。
DVB-C 數字機頂盒的軟件設計
DVB-C 機頂盒的軟件總體設計
DVB-C 機頂盒軟件實現方案基于穩定性、可靠性和可擴展性的原則進行設計，所有軟件系統應該達到功能完備，使用簡便和便于擴充幾個特性。跟據上述分析，機頂盒軟件體系結構如圖2所示。
圖2 機頂盒軟件模塊層次圖
整個機頂盒軟件的結構采取開放式的模塊化結構。其中硬件抽象層可以增加軟件的硬件無關性；操作系統抽象層用于實現操作系統層的可移植性，以支持多種RTOS；中間件移植層用于各種商業化的中間件軟件的移植。從底下往上看，整個體系從硬件層到應用層分為以下幾個層次：
1、硬件抽象層：通過提煉一些硬件操作的特性，將一些與硬件相關緊密的操作抽象出來，從而將操作系統和硬件層分開，這使得BSP 和Driver的設計更簡潔，有利于提高軟件的可重用性和易移植性。
2、BSP 層：用于將引導操作系統，對操作系統提供板級支持。同時提供一些近設備的驅動。
3、操作系統及硬件驅動層：提供操作系統內核和硬件驅動。操作系統主要提供內存管理、任務調度、時鐘管理、資源共享和互斥等功能。硬件驅動層在操作系統和硬件抽象層的基礎上實現對硬件的驅動。
4、中間件：是一種將應用程序和操作系統、硬件細節隔離開來的軟件環境，通常它都是由一些虛擬機器構成的，如HTML 虛擬機、JavaScript 虛擬機、MHEG-5 虛擬機、Java 虛擬機等。這使得應用不依賴于特定的硬件平臺。著名的中間件提供商有：OpenTV 和Canal+。
5、DVB引擎：實現DVB/DAVIC 協議的解析。包括MPEG2 解碼器、SI 引擎和DSM-CC 數據接口。
6、應用層。建立在上述各個模塊的基礎上的應用程序片。包括：頻道管理、系統自檢、電子節目導航、軟件下載與升級管理和家長控制等模塊。
操作系統的選型
機頂盒作為一個典型的嵌入式系統，對其操作系統有更高的穩定性和實時性要求，一般選用實時嵌入式操作系統，這里我們選用uCOS-Ⅱ操作系統：一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統。由于uCOS-Ⅱ屬于開放源碼操作系統，所以開發包投入可以免除，而且去了版稅。同時該操作系統在工業控制，消費電子和國防等領域已經得到了廣泛的應用，實踐證明該操作系統在穩定性和可用性上是完全適合在本方案中是選用的。
uCOS-Ⅱ內核精簡，效率高，對存儲器和內存的需求低，對于降低系統成本有利。此外，uCOS-Ⅱ所有源代碼都公開，而且很多著名科研機構包括大學、研究所都對該操作系統進行了支持，提供了大量的已經經過工業驗證的軟件包，這對于開發人員來說很便利，有利于加快開發進度。
結束語
數字電視機頂盒是模擬電視機向數字電視機過渡的最佳解決方案。數字電視機頂盒是未來家庭必備的多媒體信息終端，使用數字電視機頂盒的有線電視用戶，可以享受電視、數據、話音等全方位的信息服務。隨著數字技術、多媒體技術和網絡技術的發展，數字電視機頂盒的功能將逐步得到完善。
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