CN101252637A - 一种基于软件无线电的复合式数字机顶盒 - Google Patents
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Abstract
一种数字电视领域的基于软件无线电的复合式机顶盒，功能单元包括：卫星电视信号调谐器、有线电视信号调谐器、地面广播电视信号调谐器、A/D转换器、数字下变频器、软件无线电平台、MPEG－2主芯片系统、模拟音/视频处理单元、嵌入式控制电路、操作按键及显示面板等，其中，由高性能DSP构成的软件无线电系统完成QAM、QPSK、COFDM三种调制信号的解调，嵌入式控制电路作为整机的主控制单元，通过I2C总线和HPI主机接口分别连接和控制着卫星、有线和地面广播数字电视信号调谐器、MPEG－2主芯片系统和软件无线电平台，还通过GPIO接口与操作按键和显示面板等部件相连。本发明实现了单台机顶盒同时接收卫星、有线以及地面广播数字电视信号的功能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种数字电视领域的接收装置，尤其涉及一种基于软件无线电的复合式数字机顶盒。
技术背景
数字机顶盒是一种能够提供模拟音频、视频接口，使现有的模拟电视机可正常接收和观看数字电视节目的装置。数字机顶盒是模拟电视广播向数字电视广播过渡时期充分发挥和保持模拟电视机的使用价值的主要设备。因此，在模拟电视广播向数字电视广播的试验和探索进程中，数字机顶盒将发挥着重要的作用，具有十分巨大的市场前景。
目前，数字电视节目的主要传输方式可分为有线广播、地面广播和卫星广播。一般来说，有线数字电视广播主要集中于城镇等人口较为集中的区域，而卫星以及地面数字电视广播主要分布于边缘区域等人口较为分散的区域。但是，随着数字广播技术的提高和普及，有线数字电视广播和卫星、地面数字电视广播的功能将逐步趋向于互补，其功能的区域性界限将越来越趋向于复合。例如，在一些城市中，市民不仅希望能接收到有线数字电视广播，而且还希望能接收到卫星或地面数字电视广播。然而，现有专利文献所披露的机顶盒技术以及目前所研制开发和生产销售的数字机顶盒大多是功能过于单一，难以适应目前数字电视广播的发展以及人们接收各种数字电视节目广播的需求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于软件无线电的复合式数字机顶盒。使其不仅可有效接收有线数字电视广播节目，而且还可有效接收卫星和地面数字电视广播节目，从而避免了目前用户在接收有线数字电视广播、卫星数字电视广播和地面数字电视广播时需要使用三种不同的机顶盒。
本发明的主要组成功能单元包括：卫星电视信号调谐器、有线电视信号调谐器、地面广播电视信号调谐器、A/D转换器、数字下变频器、软件无线电平台、MPEG-2主芯片、模拟音/视频处理单元、嵌入式控制电路、操作按键及显示面板、智能卡接口以及电源模块。卫星和地面广播电视信号调谐器的输入端连接着馈接天线的高频头，有线电视信号调谐器的输入端连接着有线电视网络的开路端，三个调谐器的输出端则分别连接着A/D转换器。A/D转换后的数字中频信号输出到数字下变频器中，经数字下变频后的低频数字信号再由软件无线电平台完成信号的数字解调。而MPEG-2主芯片系统的音/视频信号输出端与模拟音/视频处理单元的输入端相连，解码后的数字电视信号经过模拟音/视频信号编码及滤波后，为用户的终端播放设备提供模拟音/视频信号。嵌入式控制电路部件分别连接和控制着调谐器、数字下变频器、软件无线电平台、MPEG-2主芯片，还通过GPIO接口与操作按键和显示面板等部件相连接。
组成基于软件无线电的复合式机顶盒的各个功能单元具体描述如下：
(1)调谐器
调谐器单元主要包括三个不同接收范围的高频头，它们的作用是分别接收来自有线电视网、卫星电视接收天线和地面广播电视接收天线的下行数据，并且实现与模拟电视相似的频点选择功能。而在某一选定频点的数据流中，包含有多路数字电视节目，而每个用户在同一时刻只收看某一频点中的一路节目。调谐器的使能和频点选择由嵌入式控制系统通过I2C总线来完成。
(2)A/D转换器
调谐器输出的模拟信号的频率在几十兆赫兹的中频段，目前AD转换器件完全可以达到几十兆赫兹的采样速率，并且调谐器输出信号的幅值也满足A/D转换器的输入要求，因此将该中频模拟信号直接送给A/D转换器进行数字化，以供后续的软件无线电系统完成进一步的处理。
(3)数字下变频器
在解决了中频模拟信号的A/D转换后，对于软件无线电系统面临的问题就是对这些极大数据量的数据进行处理。而数字下变频的作用，就是将中频的数字采样信号搬移到低频，降低采样率。而后送入DSP系统中，完成进一步的解调等处理。
在本机顶盒系统中，采用基于ASIC芯片的方案完成数字下变频，采用“参数化ASIC+DSP”的组合结构实现软件无线电方案。DSP仅进行较低速率的数字信号处理，而把数字下变频等高速、大运算量的处理交给可编程的参数化ASIC来完成。
(4)基于软件无线电的解调单元
软件无线电平台是复合机顶盒的关键器件之一。它的作用是对A/D转换和数字下变频后输出的数字低频信号进行解调，以及信道解码等处理，并输出基带数字信号，即符合DVB标准的传输流。
在高性能DSP组成的软件无线电平台上，由三个软件模块分别完成有线、卫星和地面数字电视信号的QAM解调、QPSK解调和COFDM解调。由嵌入式控制系统通过HPI主机接口对DSP内部寄存器进行读写，从而完成软件无线电平台的控制和软件模块的调度。
(5)MPEG-2主芯片系统
MPEG-2主芯片系统包括解复用、解扰和解码三个功能单元。解复用单元用于对软件无线电平台输出的TS流进行解复用，以便于从传输数据中提取所选择节目的音频和视频数据，以及节目专用信息、服务信息和加密数据；解扰单元控制一块特定的内存，当主芯片系统进行解复用时，如发现是加扰后的MPEG-2数据包，则使用DMA方式将数据包送入解扰模块对应的内存中去，完成解扰算法后再传回至解码单元，继续以后的MPEG-2解码过程。
MPEG-2解码单元包括音频和视频的解码器和音/视频数据缓冲器、以及多个信道输出接口等。视频解码器和视频数据缓冲器按照MPEG-2的编码格式形成重建模块，即还原成编码压缩之前的原始图像数据，并输出符合ITU-R601所建议的视频数据，音频解码器和数据缓冲器对所输入的音频数据进行分析和解码并输出音频数据。
(6)模拟音/视频处理单元
模拟音/视频处理单元包括D/A转换器、模拟编码器和音/视频放大器等相关电路，用于模拟音/视频的输出。其目的是将解码芯片输出的数字音频信号进行D/A转换，输出模拟音频，同时将解码芯片输出的视频信号进行PAL或NTSC编码，输出基频或射频的PAL/NTSC信号，也可同时输出Y/C，YUV，RGB等格式的视频信号。
(7)嵌入式控制系统
嵌入式控制系统由微处理器和相应的程序、数据存储器，总线驱动器和各种接口电路组成。由嵌入式控制系统实现对调谐器、软件无线电解调系统、MPEG-2解复用/解码系统的控制与访问。微处理器对调谐器和MPEG-2主芯片系统的访问与控制是通过I2C总线实现，而微处理器对软件无线电解调系统的控制和访问是通过HPI主机接口实现。此外，控制系统还通过GPIO接口连接着操作按键和显示面板部件，用于用户操作指令的响应。
(8)其它功能单元
包括外围接口模块和电源模块等。外围数据接口单元包括智能卡读写器、高速数据传输口和低速数据传输等外围数据接口。智能卡读写器主要是协助完成机顶盒MPEG-2主芯片系统的解扰工作，它是为条件接收业务服务的，作用是对接收到的密钥信息进行解密，从而得到解扰单元工作所必须的密钥数据。另外高速数据接口，包括IEEE1284、IEEE1394等，主要完成MPEG-2码流的输入或输出；低速数据接口包括RS-232，USB等接口，主要是完成机顶盒与外界的低速数据通信。电源模块的作用则是为整个复合机顶盒系统的各个功能单元提供直流工作电源。当本发明的复合式机顶盒上电工作时，嵌入式控制电路首先对整机进行初始化操作以及整机工作状态的测试。在操作过程中，微处理器可直接从FLASH存储器中读取程序指令，并根据程序中固定的流程执行相应的操作，微处理器还从SDRAM存储器中读取实现操作所需的数据，以完成整机的各项功能设置。由于微处理器可通过I2C总线与存储器、调谐器相连接，所以微处理器可通过I2C总线读取存储于存储器中的频道参数，并通过总线将频道参数馈送至调谐器，以控制该部件按照参数来选择所相对应的频道。
嵌入式控制系统还通过主机接口HPI与高性能DSP组成的软件无线电平台相连，通过微处理器对DSP内部寄存器的读写访问完成对软件无线电解调系统的控制操作，如系统初始化、任务调度等。另外，微处理器通过GPIO接口分别与面板操作按键，遥控接收器和显示面板相连接。使得微处理器可通过GPIO接口实现与用户的人机对话，以便于读取用户对卫星、地面广播数字电视信号或有线数字电视信号的选择，并控制调谐器的调谐频率、软件无线电平台的软件解调模块和实现整机工作状态的显示。其中，工作状态的显示包括：卫星、地面广播数字电视节目或有线数字电视节目的信号选择状态、频道选择参数、各种时间设置的显示以及出错状态的错误字显示等。
与传统的单一接收功能的机顶盒相比，基于软件无线电的复合式数字机顶盒可以在嵌入式控制系统的控制下，根据用户的具体选择方便地实现卫星、地面广播数字电视信号和有线数字电视信号之间的有效切换，从而使得复合式数字机顶盒能够有效地接收卫星、地面广播和有线数字电视信号。基于软件无线电的复合式机顶盒不仅可以适用于数字电视信号接收环境较好的城镇居民使用，还可以适用于数字电视信号接收环境较差的偏远地区的居民使用，从而有利于进一步加快广播电视行业的数字化进程。
附图说明
图1是基于软件无线电的复合式机顶盒的电路原理框图。
具体实施方式
参照说明书附图对本发明的复合式机顶盒作以下详细的说明；
图1显示了本发明的复合式数字机顶盒的原理方框图。本发明的复合式数字机顶盒包括：卫星电视信号调谐器、有线电视信号调谐器、地面广播电视信号调谐器、A/D转换器、数字下变频器、软件无线电平台、MPEG-2主芯片系统、模拟音/视频处理单元、嵌入式控制系统、操作按键及显示面板、智能卡等外围数据接口以及电源模块等。
卫星和地面广播电视信号调谐器的输入端连接着馈接天线的高频头，有线电视信号调谐器的输入端连接着有线电视网络的开路端，三个调谐器的输出端则分别连接着A/D转换器。A/D转换后的电视信号输出到数字下变频器，再由软件无线电平台完成低频数字信号的解调，得到DVB标准的TS传输流。而MPEG-2主芯片系统完成TS流的解复用、解扰和MPEG-2解码，再由模拟音视频处理单元完成数字音视频信号的模拟化处理，向模拟电视机等播放设备提供音/视频信号。嵌入式控制电路部件分别连接和控制着调谐器、数字下变频器、软件无线电平台、MPEG-2主芯片系统等功能单元，还通过GPIO接口连接着操作按键和显示面板部件。
卫星电视信号调谐器用于卫星数字电视节目信号的接收和下变频；再经过A/D转换和数字下变频，得到QPSK调制的数字低频信号。对于有线电视信号和地面广播电视信号同样由相应的调谐器完成接收和下变频。由调谐器输出的模拟中频信号再经过A/D转换和数字下变频，分别得到QAM调制的低频数字信号和COFDM调制后的低频数字信号。
由软件无线电平台完成三种数字低频信号的解调以及信道解码等处理，得到相应的数字基带信号，即符合DVB标准的TS传输流。软件无线电平台由高性能DSP组成，相应的QAM、QPSK和COFDM三种不同的解调功能，由DSP系统的三个软件模块完成。整个软件无线电平台的控制与任务调度由嵌入式控制系统通过对DSP内部寄存器的读写来完成，软件无线电平台与嵌入式控制系统通过HPI主机接口进行连接。
MPEG-2主芯片系统包括传输流解复用单元、解扰单元和MPEG-2解码单元。其中，解复用单元用于对软件无线电平台所输出的传输码流进行解复用，以便于从传输数据中提取所选择节目的音频和视频数据，以及节目专用信息、服务信息和加密数据等；MPEG-2解码单元包括音频和视频的解码器、音视频数据缓冲器、多个信道接口以及视频显示接口和音频输出接口，视频解码器和视频数据缓冲器用于按照MPEG-2的编码格式形成重建模块，即还原成编码压缩之前的原始图像数据。
模拟音/视频处理单元。用于对经过MPEG-2主芯片系统解码后的数字音/视频信号进行模拟编码及信号滤波放大，输出至用户的终端播放设备。该单元主要包括音/视频D/A转换器、模拟音/视频编码器和输出滤波器。其中，D/A转换器实现音/视频数据的数模转换、模拟音/视频编码器按照ITU-R601建议的要求输出各种制式的模拟音/视频信号。输出滤波器则用于去除带内的噪声，以提升整体动态范围。
嵌入式控制系统，包括微处理器、程序存储器，如EPROM或FLASH，数据存储器，如DRAM或SDRAM等，总线驱动器以及各种接口电路，构成了复合式数字机顶盒整机的主控制单元，用于控制和协调整机各部件之间的相互工作。具体是通过I2C总线和HPI主机接口来控制和协调整机各个功能单元的工作，完成机顶盒整机系统的初始化和测试、通信接口协议处理以及节目管理等任务，并可根据用户需要实现操作按键和显示面板接口以及IR红外遥控器接口操作和响应。
操作和显示面板，包括一些可提供用户直接操作的操作按键以及用于显示整机工作状态的LCD显示面板，用户可以利用这些操作按键以及显示面板方便地实现人机对话。智能卡接口用于实现机顶盒的条件接收，可提供实现条件接收的系统，以便于实现多种不同加密方式的条件接收。其它外围数据接口用于复合机顶盒系统与外接设备的数据通信。电源模块为开关稳压电源，负责提供整机各个功能单元的工作直流电源。
用户使用遥控器或者操作面板按键实现卫星、地面广播数字电视信号和有线数字电视信号切换，通过复合式机顶盒的使用，可以使用户轻松地实现卫星、地面广播数字电视节目，以及有线数字电视节目的接收。以复合式机顶盒对卫星数字电视信号的接收为例，对其工作步骤进行具体描述。
当用户通过控制面板或遥控器输入收看指令，机顶盒的嵌入式控制系统响应操作命令，将收看节目的频率通过I2C总线发给卫星信号调谐器，调谐器以相应的频率接收卫星天线的高频头所馈入的信号，并完成低噪声放大、滤波和模拟下变频。随后A/D转化器将调谐器输出的中频模拟信号转换成数字信号，再由数字下变频器完成进一步的下变频，随后由软件无线电平台在嵌入式控制系统的调度下，由QPSK软件解调模块完成数字信号的解调、和信道解码等处理，使信号恢复成DVB标准的TS传输流。
由MPEG-2主芯片系统完成TS传输流的解复用、解扰和解码处理。主芯片系统的解复用单元先将传输流分解成单个节目流，然后再将节目流分解成音频、视频和专用数据的基本码流，如果传输流是经过加密的，则由解扰单元完成解扰处理，具体的解扰过程需要由智能卡模块配合完成。由智能卡系统恢复出前端进行加扰时使用的控制字，发送给主芯片系统的解扰单元，再由解扰单元利用该控制字实现传输流的解扰，从而得到符合DVB标准的透明传输码流。经过解复用后的音频和视频基本码流经过解码单元的音频和视频解码还原成原始的音频和视频数据，并将还原的音频数据和视频数据传送至模拟音视频处理单元。从而得到模拟的音频信号以及复合的视频信号或者S视频信号等，再由终端放设备完成模拟音/视频信号的播放。
Claims (8)
1.一种基于软件无线电的复合式数字机顶盒，其特征在于，系统包括：卫星电视信号调谐器、有线电视信号调谐器、地面广播电视信号调谐器、A/D转换器、数字下变频器、软件无线电平台、MPEG-2主芯片系统、模拟音/视频处理单元、嵌入式控制电路、操作按键、显示面板、智能卡模块、外围数据接口以及电源模块，其中，卫星和地面广播电视信号调谐器的输入端与馈接天线的高频头相连，有线电视信号调谐器的输入端连接着有线电视网络的接入端，三个调谐器的输出端则分别连接着A/D转换器，A/D转换后的电视信号输出至数字下变频器，再由软件无线电平台完成低频信号的数字解调，从而得到DVB标准的传输流TS，MPEG-2主芯片系统完成TS的解复用、解扰和解码，模拟音/视频信号处理单元用于向终端播放设备提供模拟音/视频信号，嵌入式控制电路部件通过I2C总线以及HPI主机接口分别与调谐器、数字下变频器、MPEG-2主芯片系统和软件无线电平台连接，还通过GPIO接口连接着操作按键和显示面板部件，开关稳压电源模块为整机各个部件提供直流工作电源。
2.如权利要求1所述的复合式数字机顶盒，其特征在于，所述卫星电视信号调谐器用于卫星数字电视节目信号的接收和模拟下变频；再经过A/D转换和数字下变频，得到QPSK调制的数字低频信号，对于有线电视信号和地面广播电视信号同样由相应的调谐器完成接收和下变频，再经过A/D转换和数字下变频，分别得到QAM调制的低频数字信号和COFDM调制后的数字低频信号。
3.如权利要求1所述的复合式数字机顶盒，其特征在于，软件无线电平台由高性能DSP系统组成，对数字下变频后的三种分别经过QAM、QPSK和COFDM调制后的数字低频信号进行解调以及信道解码处理，得到相应的数字基带信号，即符合DVB标准的TS流，具体的解调和信道解码过程由DSP系统中的三个软件模块完成，软件模块的调度则由嵌入式控制系统完成。
4.如权利要求1所述的复合式数字机顶盒，其特征在于，MPEG-2主芯片系统包括传输流解复用单元、解扰单元和MPEG-2解码单元，其中，解复用单元用于对软件无线电平台输出的TS流进行解复用，以便于从传输数据中提取所选择节目的音频和视频数据以及节目专用信息、服务信息和加密信息；解扰单元则控制一块特定的内存，当主芯片系统在解复用时，发现加扰后的MPEG-2数据包，则使用DMA方式将数据包传入解扰模块对应的内存中去，完成解扰算法后再传回至解码单元，继续以后的解码过程，MPEG-2解码单元包括音频和视频的解码器和音/视频数据缓冲器，以及多个信道接口，其中音/视频解码器和音/视频数据缓冲器用于按照MPEG-2的编码格式形成重建模块，还原出编码压缩之前的原始音/视频数据。
5.如权利要求1所述的复合式数字机顶盒，其特征在于，模拟音/视频信号处理单元用于对所输入的音/视频信号进行模拟编码及信号滤波放大输出至终端播放设备，其主要包括音/视频D/A转换器、模拟音/视频编码器和输出滤波器；其中，模拟音/视频编码器在完成音/视频数据的数模转换后，按照ITU-R601建议的要求输出各种制式的模拟音/视频信号；输出滤波器则用于去除带内的噪声，提升整体动态范围。
6.如权利要求1所述的复合式数字机顶盒，其特征在于，嵌入式控制系统包括微处理器、程序存储器、数据存储器、总线驱动器以及各种接口电路，组成复合式机顶盒的主控制单元，用来控制和协调整机各功能单元的工作，完成机顶盒系统的初始化、任务调度、通信接口协议处理、输入节目选择处理和控制、以及节目管理任务，并根据用户需要实现操作面板和IR红外遥控器的操作与响应。
7.如权利要求1所述的复合式数字机顶盒，其特征在于，操作按键及显示面板包括用户直接操作的操作按键以及用于显示整机工作状态的LCD显示面板实现人机对话。
8.如权利要求1所述的复合式数字机顶盒，其特征在于，外围数据接口单元包括智能卡接口、IEEE1284、IEEE1394、RS-232，USB数据接口，其中，智能卡模块用于实现机顶盒的条件接收功能，支持多个条件接收系统的同密机制，实现多种加密方式的条件接收，IEEE1284、IEEE1394、RS-232，USB数据接口用于完成机顶盒与外接设备的数据通信。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080827 |