孙世昕（南京熊猫电子集团技术开发中心 210002）

    摘要：首先扼要介绍了数字卫星电视（DVB－S）所采用的几项关键技术，包括信源编解码MPEG－2，复用，信道编解码，加扰，调制解调等。然后扼要介绍了接收机设计中要解决的几个问题：如信道解调和解码、传输流解复用、音视频解码、网络信息管理及数据解码、用户界面及其他，并探讨了接收机方案选择及软硬件设计中要考虑的几个问题，如系统灵活性、可升级性及模块化设计等，并以熊猫数字卫星电视接收机系统的软硬件设计为例作了探讨。
    关键词：数字卫星电视接收机 信道加扰 传输流 用户界面

    【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

　　近年来数字卫星电视在全球蓬勃发展，我国中央电视台和许多地方省台也通过卫星向全国传送数字电视节目。电视节目传输数字化已成为趋势。数字视频广播（DVB）1993年在欧洲兴起，短短几年时间已从标准化进入商品化、实用化和产品化阶段，并以惊人的速度发展。DVB系统包括DVB－S（卫星广播）、DVB－C（电缆传输）和DVB－T（地面传输），其中最突出的是DVB－S，由于其广播方式简单，设备投资少，Ku波段广播用0．45～0．6 m的天线就能接收到清晰的图像，而被许多国家广泛采用。在美国，卫星直播数字电视DBS（DTH）用户达550万，频道总数超过了450个。整个欧洲，接收卫星直播电视的用户超过了1 500万户，节目数超过250个。在日本目前用户超过了70万，并以每月3万户的速度增加，节目数量超过100个。在亚洲，韩国、马来西亚、印度尼西亚、泰国、印度、中东地区都已开播了DBS／DTH业务，频道总数达数百个。全球正掀起一个卫星数字电视的热潮。
　　我国也不例外，中央电视台1995年开播了卫星数字加密电视节目，国内十几个省市从1997年相继采用欧洲DVB标准，通过卫星传送自己的节目。其他省市自治区将继续通过卫星传送节目。卫星数字电视的引入，将解决我国目前电视覆盖率不高，特别是山区、人口稀少地区的电视覆盖问题。根据规划到本世纪末，我国人口的电视覆盖率将达90％以上，大力发展DVB，实现从模拟传输到数字传输、从C波段到Ku波段、从卫星转播到卫星直播的转变，势在必行。

2　数字卫星电视（DVB－S）关键技术

　　数字卫星电视在信源部分采用了MPEG－2数字音视频压缩技术、传输流复用，信道部分采用的编码和调制技术有Reed－Solomon编码、交织卷积编码、QPSK调制技术，一个典型的DVB－S系统发端框图如图1，而在其接收端则是其反过程。

图1　一个典型的DVB-S发端框图

3　数字卫星电视接收机的功能及要求

　　数字卫星电视接收机又叫IRD（Intergrated Receiver Decoder）综合接收解码器，对于IRD的功能还没有一个通用标准，根据DVB的标准及协议，一个典型的卫星IRD的功能应包含以下几个层次（见图2）。

图2　一个典型IRD的功能描述框图

　　（1）物理的和连接的层次，包括典型的前端功能如调谐器、QPSK解调器、卷积解码、去交织Reed－Solomon解码和解能量扩散。
　　（2）传输层负责解复用和视频、音频数据解码。
　　（3）有条件访问功能，控制着外部解码器运行。
　　4）网络服务功能，负责音视频解码以及电子节目表（EPG）和服务信息（SI），也可作为数据解码。
　　（5）显示层包括用户界面和遥控操作。用户服务包含基于音频、视频和数据信息的不同应用。
　　这里要注意的一个问题是现在的DBS／DTH有两套系统，一套是欧洲的DVB系统，另一套是美国DSS系统。两个系统在信源编码方面是完全一样的，都符合ISO／IEC－13818－1系统，ISO／IEC－13818－2（视频）ISO／IEC－13818－3（音频）标准，但在信道编码及调制方面有一些差别。
　　对DVB来说，R－S编码长度是204，188，T＝8
　　对DSS来说，R－S编码长度是146，130，T＝8
　　DVB和DSS基带信号成形滤波器的滚降系数分别是0．35和0．2。
　　DVB和DSS的交织算法也有不同。要使IRD既能适应DVB市场也能适应DSS市场，在选择方案时要特别注意以上信道编码及调制上的差别。对于针对中国市场的卫星IRD产品来说还要满足SCPC和MCPC兼容以及C波段和Ku波段的兼容性。

4　硬件方案的选择

　　老一代卫星IRD方案主要是基于硬件结构缺乏灵活性，不能适应不同服务的要求，因此不同服务要求有不同的设计，这种方案正趋于淘汰。一个典型的机顶盒必须完成QPSK解调和译码、解复用、音视频解压缩等基本核心功能。另外，还有一些附加功能，诸如输出图形界面、EPG（电子节目表）、SI（服务信息）、CA（有条件访问）、遥控、图文电视、软件可升级等附加功能，特别是有些附加功能如传输解扰、图形功能方面没有确切的规定，因此系统必须能在硬件软件之间进行合理的分工，提供足够的灵活性以便于系统方便地适应不同的要求以及升级换代。比如，PID（Packet IDentifier）的数目：目前欧洲和日本普遍采用了32个PID的方案，因此32个PID可以作为IRD设计中一个标准配置的要求。另外，专用数据滤波器最好是软硬件结合去完成，纯软件完成对软件的开销太大，纯硬件又缺乏灵活性，不能覆盖所有的功能。加解扰方案也与提供服务的机构采用的算法有关，也应软硬结合解决。对于图形方面要求，图形用户接口使IRD对用户更友好，目前的趋势是对这方面的要求越来越高。IRD的结构必须满足对图形的越来越高的要求。另外，影响IRD性能的是CPU。CPU的处理能力、易升级性、兼容性、支持高级语言和软件可移植性，也极大地影响着IRD的软硬件结构和性能。熊猫集团选择了LSL Logic公司的全套方案，来开发熊猫的卫星IRD，其硬件系统框图如图3。

图3　熊猫IRO硬件系统框图

　　 其中L64724是单片信道解调解码芯片，其内部集成了I，Q，A／D转换器，其匹配滤波器滚降因子，有0．35和0．2两种。R－S解码适应（204／188）和（146／130）两种算法，Viterbi译码适应1／2，2／3，3／4，5／6，6／7，7／8多种删除算法，最主要是它内置的抗混叠数字滤波器能适应SCPC信号、窄带MCPC信号和宽带MCPC信号。
　　L64108是单片MPEG解复用器内嵌了MiniRisc CPU，具有强大功能，可以处理各种系统任务和传输流PID处理等。其峰值处理能力达54 MIps，具有多个定时和中断控制器。内部集成了32个用户可编程的PID滤波器，其中一个用于视频PID，一个用于音频PID，30个通用PID用于PSI，SI和Private数据滤波。CPU的强大功能使L64108能以软件方式处理subtitle，OSD overlay，图文电视，EPG等。它集成了16位宽的总线接口，其寻址空间达16M，以便与外围网络连接。有3个RS－232口，I2C口、IEEE1284口，并且备有智能卡接口（SIO7816），便于设计成收费IRD，具有图文电视接口，可直接与SAA7182，SAA7121，BT864，BT865等连接。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灵活性和很高的性能。
　　L64005是单片MPEG－2音视频解码器，仅需16M SDRAM就可支持PAL／NTSC解码，并且有4 bit图形OSD功能。
　　L64724与L64108和L64108与L64005之间均实现无缝连接。

5　系统软件的设计

　　由前面的图3了解到，IRD系统有许多的任务需要实时处理，因此线性程序软件完全无法解决这些问题，而自己编程解决这些任务间的调度是不现实的，需要采用实时多任务操作系统，这也是现在的数字消费电子产品以及下一代HDTV系统的一个共同特点。选择pSOSystem实时多任务操作系统作为熊猫卫星IRD的操作系统，它用于实时嵌入式应用，既支持实时运行环境，又支持开发环境。其实时运行环境包括操作系统内核pSOS^＋（仅17 k内存）和网络pNA^＋，文件系统pHILE^＋等各种扩展模块。
　　熊猫IRD系统软件结构采用模块化设计，分为三个主要层次，即服务应用层、pSOS^＋操作系统层和硬件层构成，可由图4描述。

图4　熊猫IRO系统软件结构框图

　　服务应用层通过设备管理器，pSOS^＋层与硬件层连接，设备管理器管理各种硬件设备，服务应用层也检测处理用户命令，如来自遥控器、键盘和RS－232口的命令。操作系统层是一个实时操作系统内核，用以控制复杂的运行任务，如多进程和时间分片等。pSOS^＋主要提供多任务管理、中断处理、输入／输出通信等。其中的板级支持包提供了底层的pSOS^＋核和L64108内嵌MiniRISC CPU的接口。
　　硬件层是一套硬件系统的物理器件。包括：
　　L64724　解调和解码器；
　　L64108　传输流解复用器和嵌入式CPU；
　　L64005　MPEG－2音视频解码器
　　视频编码器（如SAA7182，SAA7121，BT864／865）；
　　音频DAC（PCM1723等），也包括一些诸如遥控接收头、键盘、智能卡读卡器、RS－232口等。
　　软件最主要的部分是服务应用层，其内部模块功能及相互关系如图5。

图5　服务管理器框图

　　服务应用层包含了一些用于控制IRD工作的管理器，这些管理器之间通过消息传输协议和消息队列进行通信。用户输入管理器把从键盘管理器和遥控管理器来的命令变成高级命令，并传给用户输出管理器，用户输出管理器接收来自用户输入管理器的请求，并经由OSD图形管理器显示在屏幕上。同时用户输出管理器也把这些命令传递到相应的执行程序，如频道管理器，便于用户命令得到执行。
　　全局资源管理器用于管理诸如板上寄存器、音频DAC、系统时钟以及其他管理器不直接管理的资源。频道管理器是一个高级管理器，用于管理信道管理器、传输流管理器和视频管理器。频道切换通常要求所有与解码相关的管理器协同工作，频道管理器使调谐器切换新频率并控制L64724重新完成解调解码，控制传输流管理器使L64108锁定并开始处理新的传输流，让音视频管理控制L64005解压缩新的音／视频MPEG数据。

6　小结及设想

　　熊猫卫星IRD采用了软硬件模块化设计思路。其中硬件部分前端和主板之间采用了通用的标准接口，以利于将来设计有线IRD或地面数字电视IRD时硬件部分只需要简单地更换前端，而主板不用做任何改动。软件部分的设计使得系统软件的升级及对应不同系统如有线IRD、地面数字电视IRD更为简便、快捷，为以后产品快速适应市场打下了良好的基础。

参考文献

　1　Digital Video Broadcasting (DVB)．Implementation guidelines for the use of MPEG－2 systems．Video and audio in satellite and cable broadcasting applications ETR154
　2　Digital broadcasting systems for television，sound and data services．Allocation of Service Informatio（SI） codes for Digital Video Broadcasting（DVB）systems ETR 162
　3　Digital broadcasting systems for television．Implementation guidelines for the use of MPEG－2 systems．Guidelines on implementation and usage of service information ETR211
　4　Digital broadcasting systems for television，sound and data services．Framing structure，channel coding and modulation for 11／12 GHz satellite services FTS 300 421
　5　Digital broadcasting systems for teleision，sound and data services．Spceification for Service Information （SI） in Digital Video Broadcasting （DVB）systems ETS 300 468
　6　J．sesena．H．prieto．Digital Multiprogramme by Satellite－A world standard ‘97 IEE
　7　陈小芳等．DVB．STB的高度集成化发展．世界有线电视信息，1998(3)
　8　LSI Logic公司技术资料