孫世昕（南京熊貓電子集團技術開發中心 210002）
摘要：首先扼要介紹了數字衛星電視（DVB－S）所采用的幾項關鍵技術，包括信源編解碼MPEG－2，復用，信道編解碼，加擾，調制解調等。然后扼要介紹了接收機設計中要解決的幾個問題：如信道解調和解碼、傳輸流解復用、音視頻解碼、網絡信息管理及數據解碼、用戶界面及其他，并探討了接收機方案選擇及軟硬件設計中要考慮的幾個問題，如系統靈活性、可升級性及模塊化設計等，并以熊貓數字衛星電視接收機系統的軟硬件設計為例作了探討。
關鍵詞：數字衛星電視接收機 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
近年來數字衛星電視在全球蓬勃發展，我國中央電視臺和許多地方省臺也通過衛星向全國傳送數字電視節目。電視節目傳輸數字化已成為趨勢。數字視頻廣播（DVB）1993年在歐洲興起，短短幾年時間已從標準化進入商品化、實用化和產品化階段，并以驚人的速度發展。DVB系統包括DVB－S（衛星廣播）、DVB－C（電纜傳輸）和DVB－T（地面傳輸），其中最突出的是DVB－S，由于其廣播方式簡單，設備投資少，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，衛星直播數字電視DBS（DTH）用戶達550萬，頻道總數超過了450個。整個歐洲，接收衛星直播電視的用戶超過了1 500萬戶，節目數超過250個。在日本目前用戶超過了70萬，并以每月3萬戶的速度增加，節目數量超過100個。在亞洲，韓國、馬來西亞、印度尼西亞、泰國、印度、中東地區都已開播了DBS／DTH業務，頻道總數達數百個。全球正掀起一個衛星數字電視的熱潮。
我國也不例外，中央電視臺1995年開播了衛星數字加密電視節目，國內十幾個省市從1997年相繼采用歐洲DVB標準，通過衛星傳送自己的節目。其他省市自治區將繼續通過衛星傳送節目。衛星數字電視的引入，將解決我國目前電視覆蓋率不高，特別是山區、人口稀少地區的電視覆蓋問題。根據規劃到本世紀末，我國人口的電視覆蓋率將達90％以上，大力發展DVB，實現從模擬傳輸到數字傳輸、從C波段到Ku波段、從衛星轉播到衛星直播的轉變，勢在必行。
2 數字衛星電視（DVB－S）關鍵技術
數字衛星電視在信源部分采用了MPEG－2數字音視頻壓縮技術、傳輸流復用，信道部分采用的編碼和調制技術有Reed－Solomon編碼、交織卷積編碼、QPSK調制技術，一個典型的DVB－S系統發端框圖如圖1，而在其接收端則是其反過程。
圖1 一個典型的DVB-S發端框圖
3 數字衛星電視接收機的功能及要求
數字衛星電視接收機又叫IRD（Intergrated Receiver Decoder）綜合接收解碼器，對于IRD的功能還沒有一個通用標準，根據DVB的標準及協議，一個典型的衛星IRD的功能應包含以下幾個層次（見圖2）。
圖2 一個典型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諧器、QPSK解調器、卷積解碼、去交織Reed－Solomon解碼和解能量擴散。
（2）傳輸層負責解復用和視頻、音頻數據解碼。
（3）有條件訪問功能，控制著外部解碼器運行。
4）網絡服務功能，負責音視頻解碼以及電子節目表（EPG）和服務信息（SI），也可作為數據解碼。
（5）顯示層包括用戶界面和遙控操作。用戶服務包含基于音頻、視頻和數據信息的不同應用。
這里要注意的一個問題是現在的DBS／DTH有兩套系統，一套是歐洲的DVB系統，另一套是美國DSS系統。兩個系統在信源編碼方面是完全一樣的，都符合ISO／IEC－13818－1系統，ISO／IEC－13818－2（視頻）ISO／IEC－13818－3（音頻）標準，但在信道編碼及調制方面有一些差別。
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DVB市場也能適應DSS市場，在選擇方案時要特別注意以上信道編碼及調制上的差別。對于針對中國市場的衛星IRD產品來說還要滿足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
老一代衛星IRD方案主要是基于硬件結構缺乏靈活性，不能適應不同服務的要求，因此不同服務要求有不同的設計，這種方案正趨于淘汰。一個典型的機頂盒必須完成QPSK解調和譯碼、解復用、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（電子節目表）、SI（服務信息）、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定，因此系統必須能在硬件軟件之間進行合理的分工，提供足夠的靈活性以便于系統方便地適應不同的要求以及升級換代。比如，PID（Packet IDentifier）的數目：目前歐洲和日本普遍采用了32個PID的方案，因此32個PID可以作為IRD設計中一個標準配置的要求。另外，專用數據濾波器最好是軟硬件結合去完成，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的機構采用的算法有關，也應軟硬結合解決。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的結構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的軟硬件結構和性能。熊貓集團選擇了LSL Logic公司的全套方案，來開發熊貓的衛星IRD，其硬件系統框圖如圖3。
圖3 熊貓IRO硬件系統框圖
其中L64724是單片信道解調解碼芯片，其內部集成了I，Q，A／D轉換器，其匹配濾波器滾降因子，有0．35和0．2兩種。R－S解碼適應（204／188）和（146／130）兩種算法，Viterbi譯碼適應1／2，2／3，3／4，5／6，6／7，7／8多種刪除算法，最主要是它內置的抗混疊數字濾波器能適應SCPC信號、窄帶MCPC信號和寬帶MCPC信號。
L64108是單片MPEG解復用器內嵌了MiniRisc CPU，具有強大功能，可以處理各種系統任務和傳輸流PID處理等。其峰值處理能力達54 MIps，具有多個定時和中斷控制器。內部集成了32個用戶可編程的PID濾波器，其中一個用于視頻PID，一個用于音頻PID，30個通用PID用于PSI，SI和Private數據濾波。CPU的強大功能使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16M，以便與外圍網絡連接。有3個RS－232口，I2C口、IEEE1284口，并且備有智能卡接口（SIO7816），便于設計成收費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之間均實現無縫連接。
5 系統軟件的設計
由前面的圖3了解到，IRD系統有許多的任務需要實時處理，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間的調度是不現實的，需要采用實時多任務操作系統，這也是現在的數字消費電子產品以及下一代HDTV系統的一個共同特點。選擇pSOSystem實時多任務操作系統作為熊貓衛星IRD的操作系統，它用于實時嵌入式應用，既支持實時運行環境，又支持開發環境。其實時運行環境包括操作系統內核pSOS＋（僅17 k內存）和網絡pNA＋，文件系統pHILE＋等各種擴展模塊。
熊貓IRD系統軟件結構采用模塊化設計，分為三個主要層次，即服務應用層、pSOS＋操作系統層和硬件層構成，可由圖4描述。
圖4 熊貓IRO系統軟件結構框圖
服務應用層通過設備管理器，pSOS＋層與硬件層連接，設備管理器管理各種硬件設備，服務應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。操作系統層是一個實時操作系統內核，用以控制復雜的運行任務，如多進程和時間分片等。pSOS＋主要提供多任務管理、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內嵌MiniRISC CPU的接口。
硬件層是一套硬件系統的物理器件。包括：
L64724 解調和解碼器；
L64108 傳輸流解復用器和嵌入式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應用層，其內部模塊功能及相互關系如圖5。
圖5 服務管理器框圖
服務應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議和消息隊列進行通信。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，并經由OSD圖形管理器顯示在屏幕上。同時用戶輸出管理器也把這些命令傳遞到相應的執行程序，如頻道管理器，便于用戶命令得到執行。
全局資源管理器用于管理諸如板上寄存器、音頻DAC、系統時鐘以及其他管理器不直接管理的資源。頻道管理器是一個高級管理器，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的管理器協同工作，頻道管理器使調諧器切換新頻率并控制L64724重新完成解調解碼，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數據。
6 小結及設想
熊貓衛星IRD采用了軟硬件模塊化設計思路。其中硬件部分前端和主板之間采用了通用的標準接口，以利于將來設計有線IRD或地面數字電視IRD時硬件部分只需要簡單地更換前端，而主板不用做任何改動。軟件部分的設計使得系統軟件的升級及對應不同系統如有線IRD、地面數字電視IRD更為簡便、快捷，為以后產品快速適應市場打下了良好的基礎。
參考文獻
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