基于大規(guī)模并播技術(shù)的數(shù)據(jù)接收卡的研究與設(shè)計(jì)

文麗　姚遠(yuǎn)程

西南科技大學(xué)

　　摘 要 本文介紹了一種基于大規(guī)模并播技術(shù)的數(shù)據(jù)接收卡的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法和大規(guī)模并播技術(shù)的原理，數(shù)據(jù)廣播傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及數(shù)據(jù)接收卡的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞 并播 數(shù)據(jù)廣播 DVB-C IP/DVB網(wǎng)關(guān)

1 引言

　　由于通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)據(jù)廣播技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)數(shù)字技術(shù)為廣播電視帶來(lái)了一場(chǎng)革命。這場(chǎng)革命的意義不僅僅是電視業(yè)本身，而是為任何數(shù)字信息的廣播開(kāi)啟了大門(mén)。數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展已將CATV網(wǎng)、電話網(wǎng)及數(shù)據(jù)網(wǎng)緊密聯(lián)系在一起，提供各種不同類型的信息服務(wù)。而互聯(lián)網(wǎng)與廣播電視網(wǎng)的結(jié)合更是克服了互聯(lián)網(wǎng)“帶寬平頸”、“信息垃圾”及昂貴的上網(wǎng)費(fèi)用等諸多不利因素，又充分發(fā)揮了它的“信源豐富”和廣播電視網(wǎng)“地域廣闊”、“用戶無(wú)限”的優(yōu)勢(shì)。本文論述的基于大規(guī)模并播技術(shù)數(shù)據(jù)接收卡正是基于這種新一代的信息共享網(wǎng)絡(luò)之上，接收符合“第五媒體”標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式和傳輸方式并符合TCP/IP、MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)和DVB-C、DVB-MPE，與符合標(biāo)準(zhǔn)的前端設(shè)備完全兼容。數(shù)據(jù)接收卡可插在PC上，除了可收看到數(shù)據(jù)廣播外，還可以在計(jì)算機(jī)上看到金融信息及實(shí)時(shí)股票行情、遠(yuǎn)程教育、音頻直播、視音頻及數(shù)據(jù)點(diǎn)播、綜合信息廣播等內(nèi)容豐富的數(shù)字信號(hào)，使用戶真正感受到信息無(wú)處不在、無(wú)時(shí)不有。本文將討論應(yīng)用于基于大規(guī)模并播技術(shù)的數(shù)據(jù)接收卡的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法。

2 大規(guī)模并行廣播原理

　　目前的Internet由于其雙向交互的特點(diǎn)，能夠提供服務(wù)和用戶的交流，但由于因特網(wǎng)的傳輸帶寬有限，成本較高，傳輸速率會(huì)隨著上網(wǎng)人數(shù)的增加而越來(lái)越慢。而廣播網(wǎng)地域廣闊、用戶無(wú)限，數(shù)據(jù)傳輸不受帶寬的限制，大規(guī)模并行廣播技術(shù)正是基于互聯(lián)網(wǎng)和廣播網(wǎng)的結(jié)合才得已實(shí)現(xiàn)。

　　并行數(shù)據(jù)廣播是以一個(gè)預(yù)先設(shè)定的固有速率V0（典型速率可為32kbit/s、64kbit/s或128kbit/s）及其正整數(shù)倍數(shù)為量化單位（元數(shù)據(jù)廣播速率），將擁有較高傳輸速率的整個(gè)信道，按著某種復(fù)用方式，劃分為大量獨(dú)立的子信道或子通道。一個(gè)或若干個(gè)子信道或子通道可以提供給不同的信息內(nèi)容提供者租用，為其提供全天候的、信息可通達(dá)所有用戶的專用信息通道。

　　在有線電視系統(tǒng)中，以64QAM調(diào)制，每個(gè)8MHz帶寬的有線電視頻段如采用6MHz的符號(hào)率，可以得到高達(dá)36Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；鏈路層采用DVB-C技術(shù)，除去信道上的鏈路控制信息和糾錯(cuò)信息，有32Mbit/s的凈數(shù)據(jù)速率，因此可以劃分為512個(gè)、每個(gè)通道64kbit/s，或1024個(gè)、每個(gè)通道32kbit/s的并行原子量化通道。

　　在數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)中，通常采用QPSK調(diào)制，典型符號(hào)率為2~45Msymbol/s。國(guó)內(nèi)數(shù)字衛(wèi)星電視廣播鏈路層采用DVB-S技術(shù)，傳輸?shù)膬魯?shù)據(jù)速率往往超過(guò)40Mbit/s，因此可以劃分為數(shù)百個(gè)并行原子量化通道。

3 大規(guī)模數(shù)據(jù)廣播傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)我們可以看出其數(shù)據(jù)廣播傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由三個(gè)部分組成：前端系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)、用戶終端。

　　前端系統(tǒng)由課件源、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器等設(shè)備組成，其中信元給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器提供課件內(nèi)容（以比特流形式提供），與數(shù)據(jù)處理服務(wù)器之間通過(guò)Internet標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議方式連接；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將所有課件內(nèi)容進(jìn)行處理、封裝，形成一定格式的IP包通過(guò)并播復(fù)用器將數(shù)據(jù)送給IP-DVB網(wǎng)關(guān)。傳輸系統(tǒng)由IP-DVB網(wǎng)關(guān)、MPEG-2復(fù)接器、64QAM調(diào)制器、cable線纜等組成。IP-DVB網(wǎng)關(guān)將接收到的IP包轉(zhuǎn)換為符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的TS碼流，此TS碼流MPEG-2復(fù)接器進(jìn)行再次復(fù)接，輸出TS碼流64QAM調(diào)制器調(diào)制后送CATV線纜傳送出去，這部分完成的功能為：IP-DVB中完成IP包到TS碼流的封裝、映射、轉(zhuǎn)換并以一定的比特率輸出；在MPEG-2復(fù)接器中完成與其他碼流的復(fù)接；64QAM調(diào)制器將TS碼流（數(shù)字信號(hào)）調(diào)制到一個(gè)特定的8MHz帶寬的模擬電視信號(hào)上，利于在CATV有線電視電纜上進(jìn)行傳輸。此部分的數(shù)據(jù)傳播符合DVB-C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。用戶終端可分為兩類：PC用戶和TV用戶。

4 數(shù)據(jù)接收卡總體設(shè)計(jì)方案

數(shù)據(jù)接收卡接收并行廣播中心（IP/DVB網(wǎng)關(guān)）通過(guò)CATV網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻、音頻和數(shù)據(jù)信號(hào)后，完成下變頻、解調(diào)、信道解碼、解復(fù)用，提取特定的TS碼流，完成TS碼流到IP包的解封裝并將IP包送給PC。由PC對(duì)接收到的IP包進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別、恢復(fù)并進(jìn)行鏡像存儲(chǔ)，由應(yīng)用程序調(diào)用執(zhí)行。

5 數(shù)據(jù)接收卡的硬件實(shí)現(xiàn)方案

5.1 高頻頭

　　由于低頻信號(hào)不適合進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，因此信號(hào)發(fā)送前必須經(jīng)過(guò)調(diào)制，轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)后才發(fā)送出去。CATV網(wǎng)絡(luò)上傳送的是45～860MHz的高頻信號(hào)，數(shù)據(jù)接收卡首先必須對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行下變頻，由高頻頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)通過(guò)I2C總線可對(duì)高頻頭進(jìn)行調(diào)諧，控制高頻頭以輸出中頻信號(hào)，其中一路為36.15MHz的第一中頻，另一路為7MHz的第二中頻，帶寬都為8MHz，本系統(tǒng)采用第二中頻信號(hào)。 本系統(tǒng)中采用ALPS公司的TDD或TDE系列高頻頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.2 QAM解調(diào)和信道解碼

　　系統(tǒng)信道編碼采用RS+交織方式，而調(diào)制方式則采用QAM調(diào)制。因此數(shù)據(jù)接收卡必須完成QAM解調(diào)制、解交織和RS（里德—所羅門(mén)）解碼。本系統(tǒng)中采用ATMEL公司的AT76C651B來(lái)實(shí)現(xiàn)。AT76C651B是一個(gè)與DVB兼容的正交振幅調(diào)制解調(diào)電路集成的數(shù)字接收/傳輸QAM解調(diào)器，從調(diào)諧器和相鄰的信道抑制濾波器中出來(lái)的信號(hào)在中頻處被采樣，經(jīng)過(guò)AD變換、基帶轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘恢復(fù)連續(xù)可變?yōu)V波、升余弦滾降平方根濾波、均衡、差分解碼、符號(hào)到字節(jié)映射、去交織、RS解碼、去能量擴(kuò)散處理步驟之后被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)QAM解調(diào)和信道解碼后，將以MPEG-2傳送流的形式送出，由下級(jí)模塊進(jìn)行解復(fù)用。

5.3 數(shù)據(jù)解復(fù)用

　　數(shù)據(jù)解復(fù)用電路是整個(gè)數(shù)據(jù)接收卡的核心部分，也是硬件設(shè)計(jì)中工作量最大的部分。它將由前級(jí)解調(diào)出來(lái)的TS流根據(jù)它的PID值進(jìn)行解復(fù)用，從TS流中解出IP包，DVB網(wǎng)絡(luò)與Internet的無(wú)縫連接。其數(shù)據(jù)處理芯片采用Xilinx公司的SPARTAN2系列，其具體型號(hào)是XC2S200，采用PQ208封裝，速度等級(jí)為5ns。

5.4 數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)的接口

　　計(jì)算機(jī)的接口傳送到PC，PC對(duì)接收到的IP包進(jìn)行識(shí)別、恢復(fù)并進(jìn)行鏡像存儲(chǔ)，由應(yīng)用程序調(diào)用執(zhí)行。接口電路可由專用的PCI總線控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6 數(shù)據(jù)接收卡的軟件實(shí)現(xiàn)方案

6.1 數(shù)據(jù)接收卡的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　接收端是DVB-C數(shù)據(jù)接收卡，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)解調(diào)、信道解碼得到DVB傳輸流。接收端軟件由若干個(gè)層次構(gòu)成，包括接收卡驅(qū)動(dòng)程序，NDIS接口，協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序，上層的廣播接口庫(kù)等。

6.2 數(shù)據(jù)接收卡的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用程序?qū)�包括各種應(yīng)用協(xié)議模塊和用戶界面程序。主要包括調(diào)諧函數(shù)的編寫(xiě)，信號(hào)鎖定函數(shù)的編寫(xiě)，PID搜索函數(shù)的編寫(xiě)，數(shù)據(jù)接收函數(shù)的編寫(xiě)等。

7 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著數(shù)字電視的迅速發(fā)展和在全國(guó)的試行播出，目前國(guó)內(nèi)許多家公司都在研制數(shù)字信號(hào)的接收設(shè)備，其中數(shù)字機(jī)頂盒和數(shù)據(jù)接收卡最為普遍。我們研制的數(shù)據(jù)接收卡同時(shí)能識(shí)別1024路課件源并可同時(shí)處理64路數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)接收卡的研制成功可用于國(guó)家規(guī)模的遠(yuǎn)程教育，并可同時(shí)接收音視頻等數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

----《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》