基于国产芯片的地面传输数字电视机顶盒设计

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引言
　　地面传输是数字电视最基本的制式，地面电视广播也是最大众化的传媒。清华大学提出的DMb-T(地面数字多媒体/电视广播)传输方案， 在技术可行性、系统稳定性、产业化、运营可行性等方面已经能够满足我国地面数字电视标准的要求，并开始在国内推广普及。
　　本文介绍了一个DMb-TH(地面传输数字电视接收机顶盒)的解决方案。该方案中，信源解调使用了凌讯科技公司与清华大学联合开发的 TDS-OFDM (时域同步正交频分复用)解调芯片LGS8813，信源解码使用了北京海尔集成电路设计有限公司开发的MPEG-2解码芯片Hi2011e，是目前首个全面采用国产数字电视芯片实现的DMb-TH机顶盒设计。
　　系统硬件设计
　　该数字电视机顶盒解决方案的硬件电路主要包括：数字高频头、DMb-TH解调、MPEG-2信源解码。系统原理框图如图1。





图1 系统硬件原理框图
　　数字高频头采用了夏普公司为支持DMb-TH开发的VA1T1ED6060。其接收频率范围为426MHz－862MHz，高频头将天线接收的地面传输信号通过内部增益等电路的变换，输出IF中频模拟信号。高频头的输出通过A/D变换电路(AD9203)将中频模拟信号转换为中频数字信号。
　　信源解调由LGS8813实现。这是一种TDS-OFDM解调芯片，全面支持DMb-TH地面传输标准，把中频数字信号解调后输出8位并行的数字传输流，即TS(transport stream)流。LGS8813需要一个64Mb的SDRAM作为其工作空间。
　　信源解码由海尔Hi2011e实现，其工作原理如下：
　　解码芯片读取数字传输流，通过硬件解复用，解出音视频基本流，存储在片外SDRAM中。视频解码模块从视频压缩数据区中取出压缩数据，经过变长码解码、反量化、反余弦变换、运动补偿、数据合并，产生视频图像数据，存储在视频图像数据缓冲区中。播放模块从视频图像数据缓冲区中取出视频图像数据，与菜单显示OSD(On Screen Display)数据混叠后输出视频图像。Hi2011e的视频输出有数字方式和模拟方式。数字视频输出为YCbCr、4:2:2模式、YUV输出、符合 ITU-656标准，可连接具有ITU－656接口的器件或设备，例如液晶显示屏驱动电路；模拟视频输出支持CVbS、S-VIDEO、YPbPr。 Hi2011e的音频解码模块从音频压缩数据缓冲区中取出压缩数据，经过解码、子带滤波，产生音频PCM数据，存储在音频PCM数据缓冲区中，播放模块从音频PCM数据缓冲区中取出音频PCM数据，然后按音频接口送出音频PCM数据。外部的HT82V731数模转换器将音频PCM数据转换成模拟的音频信号。
　　Hi2011e内部有一个8位CPU负责系统控制，包括外围电路的控制、TS流的解复用控制、OSD控制，以及运行数字电视相关的应用软件。
　　本系统提供了IC卡接口，可以支持条件接受CA系统。同时，还有RS-232C接口，可以通过串口对本系统的软件进行升级。整个系统中的各主要器件通过Philips开发的I2C总线进行通信。
　　系统软件
　　图2给出了机顶盒软件层次结构的示意图。





图2 机顶盒的系统软件示意图
　　软件的集成开发工具为KEIL公司的mVision2，这是目前应用非常广泛的C51开发工具。集成开发环境包含：编译器、汇编器、实时操作系统、项目管理器、交叉调试器。 KEIL的标准C编译器的所有代码可以用ANSI的C语言编写，故具有良好的可移植性。uVision2可以为片外存储器产生必要的连接选项：确定起始地址和规模，所生成的代码下载到机顶盒的Flash中(图1)，并且从Flash直接运行。
　　机顶盒的操作系统为嵌入式实时操作系统mC/OS，这是一种可移植，可固化，可剪裁及可剥夺型的多任务实时内核。基于mC/OS的机顶盒软件平台采用多任务机制，实现的功能包括：数字电视的基本协议，如13818系统协议、解复用协议等；外围电路的控制、解码、数字电视播放；提供移植条件接收系统的功能和机制；提供方便的定制个性化界面；可扩展其个性化应用的功能和机制。软件平台由模块化的程序结构实现，各个模块之间采用消息队列进行通讯。
　　平台的主要模块有：
　　初始化启动模块：初始化所有硬件，建立所有信号量、队列、事件、消息、任务，处理I2C驱动，处理tuner的状态，操作。
　　端口处理模块：对于基于中断机制的硬件系统，组织、管理各类中断处理，分析各种中断设备的状态，可以称为中断处理模块。对于基于端口轮寻机制的硬件系统，轮寻硬件状态，可以称为端口轮寻模块。
　　解复用模块：处理TSD通道、过滤器、缓冲区管理，包括设置PID、解PAT表、PMT表、SDT表等；设置过滤条件；管理通道缓冲区；进行CRC验证。
　　解扰模块：处理管理解扰器，设定控制字，设定解扰流的PID。
　　节目存贮模块：保留预制的节目，添加搜索后的节目。实现对节目信息的管理。
　　Flash 模块：读写Flash的驱动，处理对Flash读写操作。
　　音视频操作模块：控制音频解码器，包括音频节目判断、调节音频播放/停止、音量设置、静音设置、声道设置。对视频解码器的控制包括视频信号判断、PAL/NTSC 判断与转换、节目播放与停止等。
　　用户界面控制模块：实现与用户操作相关的控制，其中包括了电源、面板按键及LED驱动模块；红外遥控器处理模块；图形显示模块等。图形控制模块负责处理OSD操作界面显示和用户操作，该模块还包括遥控器消息分发和处理、控件系统的实现和管理等功能。
　　频道转换控制：与遥控器、解扰、解复用有关，完成频道转换功能。
　　系统升级模块：处理用户升级节目，升级应用程序的需求。

　　EPG模块：实现EPG信息的处理和显示。
　　中文字体模块：实现中文显示的处理，能根据用户的需要裁剪字库的大小。
　　随着数字电视的发展，新的应用软件将可以在这个基本平台上不断扩展。比如多媒体杂志、数字音频广播、游戏等等。平台还可以扩展支持视频点播节目和电视的交互式等应用。
　　结语
　　本文介绍的DMb-TH地面传输数字电视机顶盒解决方案，主芯片均为国产芯片，就标准清晰度的机顶盒而言，其成本低于使用国外芯片的系统方案，有利于地面传输数字电视载我国的普及推广。目前该方案已经通过实验室和车载环境的测试，固定及移动状态下的接收性能稳定良好，可以用于普通用户、车载系统等。
　　参考文献：
1. 余兆明，余智编， ’数字电视原理‘，人民邮电出版社，2004.4
2. [美]Jean J.Labrosse著，邵贝贝等译， ’嵌入式实时操作系统mC/OSⅡ(第2版)‘，北京航空航天大学出版社，2003.5
3. 北京海尔集成电路设计有限公司，’海尔Hi2011e用户手册’，2005.7
4. DMb-TH Demodulator ASIC LGS-8813-A1 "Halo" Product Specifications, March 2005 Revision 5.0