COSHIP衛星電視接收機
7.7 數字衛星電視接收機整機方案介紹
數字衛星電視接收系統的信號處理是壹個硬件結構十分復雜、軟件運算量很大的系統。它不僅包括許多不同的功能模塊，而且要求這些功能模塊能夠在統壹控制下協調工作。以上介紹整個接收系統各個模塊的工作過程和原理，在實際的接收機中，這些模塊都由相應的集成電路來實現，並通過功能強大的32位CPU和其多任務處理操作系統對整個系統的硬件系統和軟件系統進行協調和控制。圖7-17給出了數字衛星電視 接收機的完整硬件電路的組成框圖。
隨著集成電路技術、微處理器控制技術和軟件無線電技術等方面的不斷的發展， 數字衛星電視 接收機的軟硬件結構也在不斷的發展和變化之中。在短短的幾年中， 數字衛星電視 接收機從硬件上看，已經經歷了從七片、五片、四片、三片、兩片到目前流行的兩單片解決方案。而片數的越來越少，意味集成度越來越高，整機的體積越來越小、結構成本越來越低，同時系統的性能則越來越好，功能越來越強。
圖 7-17 數字衛星電視接收機完整電路的組成框圖
7.7.1 幾種常見的整機結構方案
（壹） Philips 公司的整機方案
1 ．七片機方案。 隨著1997年初國內第壹批按照 DVB 標準的省級電視臺節目上行後，國內最早出現的第壹批 數字衛星電視接收機的組成框圖如圖7-18所示。它是由Philips公司生產的七片機方案。所謂的“七片”，是指從模擬調諧解調器輸出端開始算起，整個功能單元所采用的集成電路芯片的個數，但不包括DRAM、SDRAM、FLASH等存儲器和音頻DAC等輔組芯片。在本方案中為：雙 路模數轉換器（ADC）TDA8705 、數字解調器VES4143、信道解碼器VES5453、解多工復用器SAA7205、 視音頻解碼器STv3520、視頻編碼器SAA7182和32位微處理器（CPU）。其中，數字解調器VES4143和信道解碼器VES5453是VLSI公司的產品，視音頻解碼器STv3520為ST公司的產品，其余為Philips公司的產品。
圖 7-18 由Philips公司生產的七片機方案的電路組成框圖
2 ．四片機方案。七片機方案推出不久，Philips公司又發布了全部采用該公司自己芯片的數字衛星電視接收機四片解決方案。其系統組成框圖如圖7-19所示。在前端，單片的數字解調和信道解碼芯片TDA8043還集成了雙路模數轉換器，使前端的電路大為簡化。模擬調諧解調方面，仍然采用第二中頻頻率為479.5MHz的中頻解調方案，解調後的模擬正交基帶信號（I、Q），直接送入TDA8043的模擬輸入接口；在解多工復用電路部分，解復用芯片(SAA7208)中同時集成了32位微處理器核，使之成為整機的控制核心；在視音頻解碼部分，采用了SAA7201替代原來的STv3520。但在視頻編碼器、音頻 DAC 和外部存儲器的配置方面，與原來的七片機方案沒有太大的改變。
圖 7-19 由Philips公司生產的四片機方案的電路組成框圖
3 ．三片機方案。Philips公司最新發布的三片解決方案，其系統組成框圖如圖7-20所示。在前端的模擬調諧解調方面，采用了最新的零中頻解調方案，並采用了自己開發的零中頻解調芯片TDA8060；單片的數字解調和信道解碼芯片TDA8043被TDA8044所替代、帶32位微處理器核的解復用芯片SAA7208被SAA7214所替代，雖然TDA8044與TDA8043、SAA7208與SAA7214的結構相同，但在性能上有較大的改進；在解多工之後的視音頻處理部分，則有了很大的變化。單片SAA7215集成了原來的視音頻解碼器SAA7201、數字視頻編碼器SAA7183和音頻DAC TDA1305，市政機的集成度大為增加。
圖 7-20 由Philips公司生產的三片機方案的電路組成框圖
（二） STMicroelectronics公司的整機方案
1. 五片機解決方案。STMicroelectronics公司 的五片機方案的電路組成框圖如圖7-21所示。由圖可見，該方案的主要特點是采用了將數字解調和信道解碼 合二為壹的芯片STv0199，以及將解多工復用器和32位為處理控制器（CPU）合二為壹的芯片ST20-TP2；此外，視音頻解碼器采用STv3520，視頻編碼器為STV0118，音頻DAC采用Philips公司的TDA1311。
圖 7-21 ST公司五片機和四片機方案的電路組成框圖
2 ．四片機解決方案。STMicroelectronics公司 的四片機方案是在原五片機方案的基礎上，將雙路ADC（STv0190）和數字解調與信道解碼器（STv0196）進壹步合二為壹, 成為STV0199（後來進壹步改進為STV0299），如圖7-21中的虛線框所示。該方案的電路構成與前面介紹的Philips公司的四片機方案十分相似。該機型在國內外的市場上占有較大得分額。
3 ．兩片（單片）機解決方案 STMicroelectronics公司的單片片機解決方案如圖7-22所示。在前端模擬解調電路上，采用了最新的 零中頻解調方案；在數字解調和信道解碼部分，采用性能更好的STV0299；與前面所介紹的各種方案不同的地方是，它將帶32位微處理器核的解復用芯片ST20-TP2、視音頻解碼器STv3520和視頻編碼器STV0118全部集成在壹起，構成單片的STi5500芯片。STi5500示目前市場上集成度最高的解決方案。由於前端電路目前流行的做法是將零中頻調諧解調器、頻率合成器，以及數字解調和信道解碼器等多做在壹起，即所謂的壹體化調諧解調解碼器，並用金屬殼屏蔽起來，形成獨立的通用組件，故STMicroelectronics公司 的這種兩片機方案有時也稱為單片機方案。該機型以其高集成度、高性能、低成本、多功能等競爭優勢，正成為 國內外數字衛星電視接收機市場的主流產品。
圖 7-22 ST 公司兩片機方案的電路組成框圖
（三） Fujitsu公司的兩片機方案
Fujitsu公司的兩片機方案的結構框圖 如圖7-23所示。其核心的芯片是MB87L2250, 它集成了解多工復用器、MPEG視音頻解碼器和32位微處理控制器。數字視頻編碼器采用了ADI公司的ADV7171，音頻DAC則采用了PCM1723。前端電路采用通用的壹體化調諧解調解碼器。該方案在國內市場上十分流行。
圖 7-23 Fujitsu公司的兩片機方案的電路組成框圖
7.7.2 整機電路實例介紹
為了進壹步了解數字衛星電視接收機的工作過程，下面將以在電路結構上較有代表性的TMicroelectronics公司的四片機方案為例，詳細介紹整機電路的電路原理。STMicroelectronics公司的四片機方案的電路組成框圖見圖7-21。以下分部分進行介紹。
（壹）壹體化調諧解調解碼器電路
本方案前端調諧器采用壹體化零中頻調諧解調機碼器，輸入信號的頻率範圍為950～2150MHz的第壹中頻信號，輸出信號為已糾錯的 TS 碼流，該碼流的輸出可以是8位並行輸出，也可以采用串行輸出。與TS數據碼流同時輸出的還有時鐘信號BCLK（串行輸出時，它是位時鐘；並行輸出時，它是字節時鐘）、數據有效時鐘Dvaild、輸出誤差信號Error。
壹體化調諧解調解碼器作為壹種相對獨立的組件，可以由多種不同的選擇，只要它的輸出接口與後面的解多工復用器的輸入接口匹配就可以了。 本電路采用SamSung公司生產的 壹體化調諧解調解碼器30321IMT。30321IMT內部主要由頻率合成器SP5769、零中頻正交解調器SL1925和信道解調解碼芯片STV0299組成的，內部電路組成框圖見圖7-25。表7-6給出了其引腳功能圖。表7-7列出了它的技術指標。
圖 7-25 壹體化調諧解調解碼器內部框圖見
表 7-6 壹體化調諧解調解碼器30321IMT的引腳排列及其功能
表 7-7 壹體化調諧解調解碼器30321IMT的技術指標
從高頻頭送來的第壹中頻信號送入30321IMT的F頭輸入端，加到SL1925的RF和RFB引腳，CPU根據輸入的第壹中頻頻率，計算出控制SP5769的分頻系數，通過30321IMT的29、30腳（SDA、SCL）把該值寫入頻率合成器，SP5769產生的調諧電壓VT送至SL1925控制產生同相和正交的載波，並在SL1925中與第壹中頻信號進行混頻，實現零中頻解調，產生基帶信號。SL1925的振蕩頻率另壹路經SL1925的PSOUT、PSOUTb送出至SP5769，與其輸入的參考頻率進行數字相位比較，保證fL的穩定性。
SL1925輸出的 模擬基帶信號經IOUT、QOUT輸出，經低通濾波後送給STV0299。在STV0299內，先 進行時鐘恢復、載波恢復，得到最佳的抽樣值，再進行信道解碼，依次進行卷積解碼、去交織、RS解碼和去能量擴散處理，最後得到已糾錯的數據。同時，STV0299產生壹個AGC電壓，以PWM信號的形式輸出，在外面經過壹個低通濾波器後，送給SL1925的AGC電壓輸入端，控制前端的增益。
STV0299解碼輸出有四組信號（30321IMT的17、19、20、21～28腳），它們分別是數據線D0～D7，數據時鐘信號BCLK，數據/奇偶校樣時鐘 ，錯誤信號 ERROR 。其中，前兩者與輸出是並行方式或是串行方式有關，若是串行方式，數據從D7輸出送給解多工，相應的BCLK為位時鐘。這四組信號經緩沖後，送給解多工模塊，在本數字衛星接收機方案中，采用串行輸出方式。
STV0299和SP5769都是總線控制式的芯片，雖然完成時鐘、載波恢復和信道解碼的STV0299信號處理算法復雜，但它有友好的用戶交互接口，大量的數據處理都是在芯片內部進行的，因此，它與CPU通信的只是壹些讀寫寄存器的命令，CPU處理的數據量不大。壹般情況下，由於信號的解調解碼應該與其它工作進程互相協調，如與用戶輸入進程，與解多工進程，MPEG-2解碼等，所以通過ST20-TP2內的32位單片機對這兩個芯片進行控制。
器件與CPU連接時，壹般要求系統中的總線連接的所有節點都具有總線接口，而主控制的總線接口及相應的SFR能對總線實現全面的管理，對總線出現的各種狀態自動進行處理，特別是在多主系統中有效地保證整個系統有條不紊地工作。
（二）天線與LNB控制電路
壹體化調諧解調解碼器的輸入端是來自於LNB的第壹中頻信號，因此，數字衛星電視接收機需通過它實現對衛星接收天線、高頻頭（LNB）以及天線控制器提供控制信號。控制信號包括13/18V控制電壓（用於控制水平/垂直電波極化方向）、22k開關信號（用於LNB雙本振頻率的切換、或二選壹天線控制器的切換）、Diseqc控制信號（歐洲標準的多天線控制器的控制信號）等。這些控制信號壹般是由ST20內部CPU產生的，並通過ST20的I/O輸出來控制專用的控制模塊或電路來實現的。本機采用ST公司專用LNB控制芯片LNBP13SP，該芯片是產生高頻頭控制信號的專用芯片，有多種封裝形式，常用的壹種如圖7-26所示。
LNBP13SP工作原理是：通過將外部控制芯片輸入控制信號進行處理，產生所需的相應輸出信號。該集成電路作為高頻頭控制的特點是調試方便、接口簡單、體積小。當然，也可以采用分離元件來構成這種控制電路，但往往電路較復雜，而且調試比較麻煩。下面介紹壹下LNBP13SP的功能和接口。
在應用中，EN、VSEL、ENT接CUP的I/O口，這些I/O根據用戶的參數設置分別被置於高電平或低電平。EXTM接22KHz的信號（來自30321IMT的F22引腳的輸出）。LNBA腳接到30321IMT的LNBA引腳，LNBP13SP的控制引腳來自 CPU的I/O口。OLF可以接CPU的中斷輸入，以便當發生不正常情況時，可以啟動中斷控制子程序，排除故障。壹般的，EN腳用於控制高頻頭電源的開關，因為如果該芯片不工作，則 LNBA 腳不輸出任何信號，包括電壓，於是，高頻頭沒有供電，而如果該芯片工作，則LNBA腳的輸出信號根據其它控制引腳的值而變化，如 VSEL 接“0”電平，ENT接“1”，於是LNBA腳向高頻頭提供13V的電壓，該電壓上疊加22KHz的正弦波，從而對於雙極化、雙本振的高頻頭，這樣的信號將選擇水平極化方向和低本振端，對於單本振單極化的高頻頭，這些信號實際上不起作用，但可以用它來控制外接的選擇器件，從而可以選擇多個高頻頭輸出中的任何壹個。如兩個高頻頭的輸出電纜線分別接到2KHz切換器的兩個輸入端，切換器的輸出端接到接收機的射頻輸入端，則通過22KHz開關信號就可以選擇任何壹路的信號送給接收機解調解碼。
圖 7-26 LNBP13SP的引腳圖
（三）解多工復用與控制CPU電路
上述信號經緩沖後，送給帶32位微處理器核的解復用芯片ST20-TP2。ST20-TP2除了完成結多工復用功能外，還負責控制整個接收系統的協調工作，為了擴展其功能，與ST20連接的還有系統存儲器，如DRAM和Flash。此外，ST20-TP2還可以接調制解調器Modem和智能卡，並附有圖文電視接口等，如圖7-27所示。
ST20-TP2在解多工和控制整機時，需要外部存儲器與其配合工作。它是壹種屬於實時運行的存儲器，其信息無需在停機時保留，壹般可以采用DRAM。另外還需要壹種用於存儲32為CPU運行程序的存儲器，則要求關機後能不丟失數據，故需采用閃爍存儲器（Flash）。
在使用Flash時，首先要對內部指令寄存器進行初始化，該寄存器本身不占存儲地址。該寄存器能鎖定和儲藏指令以及需要執行命令的地址和數據信息。當要從Flash讀出數據是，應保證內部狀態組件設定在器件接上電源或硬件復位後，從而確保在電源瞬變器件不會發生存儲器目錄虛假的現象。在對Flash寫入指令和指令序列時，寫入操作實際上就是把原來的數據進行刪除操作。寫入操作可以針對壹個扇區，多個扇區，甚至是全部扇區。Flash還有待機模式，當該系統不對器件進行讀或寫操作時，它能設置器件處於待機模式，工作於該模式時，功耗大大下降，並使輸出端配置處於高阻狀態。
本部分電路的詳細工作原理見上壹章的相應內容。
圖 7-27 解多工復用與控制CPU電路
（四） 音視頻解碼與視音輸出電路
ST20-TP2輸出的解復用後的視音頻信號，送到MPEG-2解碼器STi3520，該芯片實現視頻和音頻的解碼，為了配合實時的信號存取，要外接壹個16～32Mbit的SDRAM（或 DRAM ）。STi3520解碼器輸出的亮度和色度、音頻信號均以8位並行數據形式輸出。解壓縮後的數字視頻信號送到 PAL/NTSC視頻編碼器STV0118。該芯片既可以提供復合視頻信號V輸出，也可提供亮度信號Y和色度信號C輸出，還可直接輸出三基色R、G、B信號輸出。伴音信號經立體聲數模變換器TDA1311，獲得雙路模擬音頻信號。該信號經過雙運算放大器LM833放大後，輸出模擬左右聲道音頻信號。這壹部分的電路原理圖如圖7-28所示。
圖 7 — 28 視音解碼和視頻編碼、音頻DAC硬件組成框圖
7.7.3 數字衛星接收機的軟件控制系統
以上介紹數字接收系統的硬件方案，實際上，數字衛星電視接收機是到目前為止除計算機以外的電子類產品中軟件含量最大的產品之壹，它是壹個專用化的帶有通信接口的計算機系統，因此和其他所有計算機系統壹樣，操作系統是必不可少的。由於消費類產品功能較為單壹，因此完全可以采用相對簡單的實時OS微內核，在微內核中提供包括存儲管理、進程管理、中斷管理以及設備管理等必要的功能，並在此基礎上提供支持特定解碼任務的API，如解碼、解復用等功能，最後將應用軟件建立在微內核和解碼API的基礎上。圖7-29是具有這類微內核數字衛星接收機的軟件結構．
圖 7-29 數字衛星電視接收機的軟件系統結構
實時OS內核可以處理多路中斷信號、具有信號量、消息隊列、數據通道等多種用於進程之間通信和同步的工具，進行存儲管理並主要完成多任務的進程調度。它的實時性和穩定性很好但擴展性和開放性較差。
圖形、字符庫和列表、菜單、對話、按紐控件等是系統提供的用於OSD的API。文字和圖形功能豐富，使用簡單。但效果不是很理想，邊緣抖動較明顯。
各接口和模塊設備的驅動，通過實時OS內核與硬件相連接，對硬件進行直接的控制。
前端調諧模塊用於控制和監視調諧器的工作，將其調諧至相應的頻道參數並完成射頻信號的解調和解碼，輸出TS流。解復用模塊監視TS流數據，並從中提取(SI)服務信息。數據庫模塊將解復用進程截取的SI信息進行SECTION分析並建立頻道、節目數據庫。音、視頻解碼模塊完成音、視頻數據的解碼。遙控與面板模塊用於接收用戶的鍵盤輸入。用戶接口模塊根據用戶輸入的控制和命令信息控制整個系統各模塊的工作。圖7-30是從用戶輸入壹個新的頻道參數開始的接收機內部的工作流程。
[用戶接口]收到用戶輸入的新的頻道信息後，首先向[數據庫控制]發消息通知它啟動壹個分析碼流、提取節目信息、構建頻道節目信息庫的工作，接著控制[前端調諧]使其調諧到相應的頻道上，解調解碼信號後輸出TS流。
[數據庫控制]收到[用戶接口]發來的啟動消息後，首先向[解復用]申請得到PAT信息，[解復用]響應[數據庫控制]的請求，從TS流中提取PAT表信息送給[數據庫控制]。PAT表給出碼流中所有節目及其相應的PMT的PID值，[數據庫控制]為PAT中給出的每個節目在節目數據庫中添加壹項；接著[數據庫控制]依次向[解復用]申請PAT表中給出的所有PMT表，並根據 [解復用]送來的PMT表數據，為每壹個節目添加該節目的音頻、視頻、PCR的PID，這些信息是壹個節目解碼所要用到的主要信息；當所有的PMT都分析完後，[數據庫控制]向[解復用]申請NIT表、SDT表，從中提取有關網絡和節目提供商的信息。當這些都分析完後，[數據庫控制]向[用戶接口]發消息，通知它節目信息已經建好，可以開始解碼工作。
[用戶接口]收到[數據庫控制]發來的節目信息建好，可以開始解碼的消息後，從頻道、節目信息庫中獲取節目的有關信息後，根據這些信息控制[音、視頻解碼]完成解碼工作，[音、視頻解碼]輸出解碼後的音、視頻數據經過視頻編碼和音頻DAC後就得到模擬的音視頻信號，即可在電視上播放。
如果用戶輸入的是節目號，且該節目在節目庫中存在，[用戶接口]則不向[數據庫控制] 發消息，而是先將[前端調諧]調諧到響應的頻道後，直接從節目信息庫中提取節目信息，然後控制[音、視頻解碼]工作，輸出解碼節目。
總之，軟件采用基於實時OS多進程內核的模塊化設計思路。各硬件模塊和其驅動程序都相對比較獨立，程序具有較強的可移植性和靈活性。
數字衛星電視正向著功能多樣化的方向發展，交互業務、Web瀏覽等功能的出現不僅需要硬件的支持，同時也需要大量軟件的增加。可以說，軟件的完善性在很大程度上影響著數字衛星電視接收機在市場上的競爭力，因而，今後數字衛星電視接收機的開發將對軟件提出更多更高的要求。
圖 7-30 數字衛星電視接收機工作流程