USB數(shù)字電視接收棒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    近年來，電視數(shù)字化的發(fā)展十分迅速，我國于2007年8月正式實(shí)施自主開發(fā)的國家地面數(shù)字電視廣播DMB-TH標(biāo)準(zhǔn)，基于DMB-TH標(biāo)準(zhǔn)的便攜產(chǎn)品成為數(shù)字電視技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)，市場(chǎng)潛力巨大。USB 2．0標(biāo)準(zhǔn)于2004年4月推出，增加了高速模式，將USB接口的速度提高到了480 Mb／s，是原來全速模式速度的40倍，拓展了USB接口的應(yīng)用范圍，使得通過USB接口傳輸高速率的標(biāo)清乃至高清數(shù)字電視變?yōu)榭赡堋?br />    本文所研究與設(shè)計(jì)的USB數(shù)字電視接收棒正是基于USB 2．0以及DMB-TH標(biāo)準(zhǔn)的便攜式設(shè)備，它可實(shí)現(xiàn)在筆記本電腦，臺(tái)式機(jī)等帶USB接口的設(shè)備上對(duì)數(shù)字電視的接收，并通過相應(yīng)的上層播放軟件實(shí)時(shí)的播放數(shù)字電視節(jié)目。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
1．1 系統(tǒng)框架
    USB數(shù)字電視接收棒系統(tǒng)主要有以下4個(gè)模塊構(gòu)成，如圖1為系統(tǒng)的原理圖。

    (1)高頻頭：負(fù)責(zé)將天線接收到的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，并將信號(hào)傳輸至信道解調(diào)器。
    (2)信道解調(diào)器：完成自動(dòng)增益控制、PN幀頭捕獲、信道估計(jì)與均衡、自動(dòng)偵測(cè)與鎖頻、FFT變換等，將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成TS碼流輸出，并將TS碼流輸至USB傳輸控制芯片。
    (3)USB傳輸控制模塊：該模塊作為主控模塊，加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序后，通過I2C總線完成對(duì)高頻頭和信道解調(diào)器的初始化和后續(xù)控制，并將TS碼流傳輸至PC機(jī)端。
    (4)PC機(jī)端應(yīng)用軟件：實(shí)現(xiàn)對(duì)TS碼流的接收，并通過播放器實(shí)時(shí)播放節(jié)目。
1．2 硬件資源
    硬件方面，由于USB數(shù)字電視接收棒是一種體積小，功耗低，移動(dòng)性好的便攜式設(shè)備，且針對(duì)的是國標(biāo)DMB-TH，所以選擇的芯片也必須在這些方面特別考慮。經(jīng)過研究，高頻頭選擇Analog Device公司的AD-MTV102，信道解調(diào)芯片選擇凌汛公司的LGS-8GL5芯片，它們都支持DMB-TH標(biāo)準(zhǔn)，USB傳輸控制芯片選擇Cypress公司的CY7C68013芯片，由這三塊芯片搭建的硬件系統(tǒng)只需要USB接口的5 V電壓就可以滿足其功耗要求，且體積小巧(普通U盤大小)，便于攜帶，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
1．3 軟件資源
    軟件方面，PC機(jī)端應(yīng)用程序的核心部分是實(shí)時(shí)播放器，需要播放的是TS碼流，這是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)定義的一種碼流。本方案采用基于DirectShow技術(shù)搭建的媒體播放器。DirectShow是DirectX家族中的成員，它為在Windows平臺(tái)上處理各種格式的多媒體文件的回放、音視頻采集等高性能要求的多媒體應(yīng)用提供了完整的解決方案，重要的是它很好地支持了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，它使應(yīng)用程序開發(fā)人員從復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸、硬件差異、同步性等工作解脫出來，總體應(yīng)用框架和底層工作由DirectShow來完成，大大加快了開發(fā)進(jìn)度。

2 硬件驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)
    硬件驅(qū)動(dòng)程序是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵的一個(gè)部分，它直接關(guān)系到各硬件芯片是否能正常穩(wěn)定的工作。硬件的驅(qū)動(dòng)是由主控芯片來完成，在本方案中將uSB傳輸控制芯片CY7C68013作為主控芯片，它內(nèi)置增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，通過I2C總線來控制前端的高頻頭和信道解調(diào)芯片，完成對(duì)前端的驅(qū)動(dòng)。
    硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要是根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)來編寫CY7C68013的固件程序。固件程序可以處理來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事物處理。CypreSS公司提供了固件程序框架，用戶可在此框架上增加自己的功能代碼以完成相應(yīng)功能。整個(gè)硬件驅(qū)動(dòng)流程圖如圖2所示。

    (1)設(shè)定USB芯片的工作方式為Slave FIFO，Au-to In模式，利用端點(diǎn)2(設(shè)為1 024×4 b大小)進(jìn)行傳輸。在這種模式下USB芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸不需要8051內(nèi)核的干預(yù)，利用CY7C68013特有的量子FIFO自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的傳輸，這樣可以保證數(shù)據(jù)的傳輸速率不受到8051內(nèi)核的頻率限制而達(dá)到一個(gè)較高的速度，滿足USB 2．0高速傳輸?shù)囊蟆?br />    (2)打開I2C總線，初始化高頻頭，延遲1 s后設(shè)定高頻頭的掃描頻率，這里延遲1 s是為了保證高頻頭在初始化后能正常穩(wěn)定的工作，是芯片在技術(shù)上的要求。
    (3)初始化信道解調(diào)器，并將其設(shè)定為自動(dòng)模式，使其自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)參數(shù)并將信息反饋給高頻頭，協(xié)調(diào)兩塊芯片之間的某些參數(shù)(如增益等)，使兩者配合工作。
    (4)判斷信號(hào)是否鎖定，如未鎖定，再判斷是否是第一次進(jìn)行鎖頻，如果先前未曾鎖頻過則需改變高頻頭的掃描頻率，再次檢測(cè)，直到鎖定。如果曾經(jīng)鎖頻過，則無需改變頻率，再次自動(dòng)檢測(cè)即可。
    (5)在鎖定信號(hào)以后，每間隔5 s再次檢測(cè)鎖定情況，如果失鎖則返回第四步再次進(jìn)行檢測(cè)。循環(huán)判斷信號(hào)鎖定情況的目的是為了避免系統(tǒng)在正常工作時(shí)，由于信號(hào)質(zhì)量變差而造成失鎖導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作(例如系統(tǒng)接收時(shí)進(jìn)入隧道等環(huán)境)，通過定時(shí)檢測(cè)信號(hào)鎖定情況就可以在發(fā)生此類事件后進(jìn)行必要的操作，讓系統(tǒng)重新正常工作。

3 PC機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
3．1 應(yīng)用程序的主要功能
    PC機(jī)應(yīng)用程序是用戶與底層資源信息交互的一個(gè)平臺(tái)。在本方案中，應(yīng)用程序主要完成以下兩大功能。
    (1)從USB端口接收CY7C68013所傳輸進(jìn)來的TS碼流，存入緩沖區(qū)內(nèi)。這個(gè)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，利用Cy-press公司提供的通用驅(qū)動(dòng)程序和_些相應(yīng)的API函數(shù)，在打開USB設(shè)備獲得設(shè)備句柄之后，設(shè)置每次讀取數(shù)據(jù)量的大小，然后開啟一個(gè)線程循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，就能連續(xù)不斷的得到TS碼流。其中每次讀取數(shù)據(jù)量的大小對(duì)于播放的流暢度影響很大，在本方案中曾經(jīng)將該參數(shù)分別設(shè)為1 024 B，8 192 B，10 240 B，30 720 B，61 440 B等數(shù)值進(jìn)行測(cè)試比較，發(fā)現(xiàn)該參數(shù)的值越大播放效果越好，它直接影響著丟包率。最終本方案將該值設(shè)為61 440 B，這也是實(shí)測(cè)所能得到的最大數(shù)值，在這個(gè)參數(shù)下節(jié)目播放出來的效果最好。
    (2)搭建實(shí)時(shí)媒體播放器，將所接收到的TS碼流解碼播放。這是PC機(jī)應(yīng)用程序的核心部分。在選擇搭建實(shí)時(shí)媒體播放器的策略上有兩種方法：一是利用開源的播放器進(jìn)行修改，但絕大多數(shù)開源播放器都是基于Linux平臺(tái)下編寫的，要在Windows平臺(tái)下使用需要經(jīng)過移植才行，移植工作量很大，且移植后播放器穩(wěn)定性較難控制。另一個(gè)是基于DirectShow技術(shù)，自行編寫播放器。DirectShow是微軟DirectX家族中的成員，與Windows有著天然的“血緣”關(guān)系，是Windows平臺(tái)下搭建媒體播放器的最佳選擇。并且微軟提供了相應(yīng)的開發(fā)套件，使得開發(fā)工作量得以減少，開發(fā)周期大大縮短。基于以上原因，本方案選擇基于DirectShow技術(shù)搭建實(shí)時(shí)媒體播放器。
3．2 DirectShow技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用
    在DirectShow技術(shù)中，一個(gè)播放器由多個(gè)功能不同的Filter連接而成，這些Filter不是獨(dú)立工作，而是互相聯(lián)系、互相配合，是一個(gè)有機(jī)的整體，這個(gè)整體稱之為Filter Graph。一般將Filter分為以下幾類，見表1。

    本系統(tǒng)搭建的Filter Graph如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在完成了USB數(shù)字電視接收棒的系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)之后，根據(jù)所選用的芯片，參照相應(yīng)技術(shù)手冊(cè)，設(shè)計(jì)了電路原理圖并制作了印刷電路板。在硬件制作期間，同時(shí)進(jìn)行軟件的開發(fā)工作。在硬件制作完成后，利用KEILC和VC6++進(jìn)行了調(diào)試。利用筆記本電腦在室內(nèi)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下分別進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間(12 h)測(cè)試，USB端口接收數(shù)據(jù)的速度穩(wěn)定在1．8 MB／s。測(cè)得廈門地區(qū)國標(biāo)DMB-TH數(shù)字電視的參數(shù)見表2。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無論在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定，體積小，功耗低，接收效果好，誤碼率低，音視頻同步，節(jié)目播放清晰流暢，頻道切換小于1 s，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。播放效果如圖4所示，播放頻道為廈門衛(wèi)視，圖中右下腳為USB數(shù)字電視接收棒及配套天線。

5 結(jié) 語
    本文首先介紹了USB數(shù)字電視接收棒的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，然后詳細(xì)介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)——硬件驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和PC主機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。隨著國標(biāo)DMB-TH的標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和推廣，各地地面數(shù)字電視節(jié)目的增多，USB數(shù)字電視接收棒作為便攜式、可熱插拔的數(shù)字電視接收設(shè)備必將受到人們的青睞，實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)前景看好。