USB數(shù)字電視接收棒的設(shè)計與實現(xiàn)

徐 芳 程 恩

摘 要:對一種基于USB 2.0的國標(biāo)DMB-TH數(shù)字電視接收棒的系統(tǒng)實現(xiàn)方案進(jìn)行了研究,采用ADMTV102高頻頭,凌汛DMB-TH信道解調(diào)器,CY7C68013-USB 2.0傳輸控制芯片和基于DirectShow技術(shù)的媒體播放器。介紹了系統(tǒng)各部分相應(yīng)的軟硬件構(gòu)成以及整個系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。經(jīng)驗證,該方案體積小、功耗低、支持熱插拔、接收播放效果良好,有很好的市場前景。

關(guān)鍵詞:USB;DMB-TH;數(shù)字電視接收棒;ADMTV102

中圖分類號:TN949.292 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-173-03

Design and Implementation of USB-TV Stick

XU Fang,CHENG En

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen,361005,China)

Abstract:A design of USB-TV stick of national DMB-TH is researched,using Tuner chip ADMTV102,DMB-TH demodulator chip of Legend Silicon Corporation,USB2.0 transmission and control chip CY7C68013,and player which is based on DirectShow.The processing of hardware and software of the system are introduced.The excellence of the design is small,low power wastage,supporting hot plug,playing easily.The market prospect is favorable.

Keywords:USB;DMB-TH;USB-TV stick;ADMTV102

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月正式實施自主開發(fā)的國家地面數(shù)字電視廣播DMB-TH標(biāo)準(zhǔn)[1],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,市場潛力巨大。

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[2],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?/p>

本文所研究與設(shè)計的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,它可實現(xiàn)在筆記本電腦,臺式機(jī)等帶USB接口的設(shè)備上對數(shù)字電視的接收,并通過相應(yīng)的上層播放軟件實時的播放數(shù)字電視節(jié)目。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

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轉(zhuǎn)換為基帶信號,并將信號傳輸至信道解調(diào)器。

(2) 信道解調(diào)器:完成自動增益控制、PN幀頭捕獲、信道估計與均衡、自動偵測與鎖頻、FFT變換等,將基帶信號轉(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)動程序后,通過I2C總線完成對高頻頭和信道解調(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:實現(xiàn)對TS碼流的接收,并通過播放器實時播放節(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,移動性好的便攜式設(shè)備,且針對的是國標(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ADMTV102,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)[3],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時播放器,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[4]。

2 硬件驅(qū)動程序的設(shè)計

硬件驅(qū)動程序是系統(tǒng)設(shè)計中很關(guān)鍵的一個部分,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,完成對前端的驅(qū)動。

硬件驅(qū)動程序設(shè)計主要是根據(jù)硬件電路的設(shè)計特點來編寫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[5]。整個硬件驅(qū)動流程圖如圖2所示。

(1) 設(shè)定USB芯片的工作方式為Slave FIFO,Auto In模式,利用端點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)到一個較高的速度,滿足USB 2.0高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

(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)定為自動模式,使其自動檢測信號參數(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,直到鎖定。如果曾經(jīng)鎖頻過,則無需改變頻率,再次自動檢測即可。

(5) 在鎖定信號以后,每間隔5 s再次檢測鎖定情況,如果失鎖則返回第四步再次進(jìn)行檢測。循環(huán)判斷信號鎖定情況的目的是為了避免系統(tǒng)在正常工作時,由于信號質(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)接收時進(jìn)入隧道等環(huán)境),通過定時檢測信號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

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平臺。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)。這個功能相對簡單,利用Cypress公司提供的通用驅(qū)動程序和一些相應(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,這也是實測所能得到的最大數(shù)值,在這個參數(shù)下節(jié)目播放出來的效果最好。

(2) 搭建實時媒體播放器,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。在選擇搭建實時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平臺下編寫的,要在Windows平臺下使用需要經(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[6]。基于以上原因,本方案選擇基于DirectShow技術(shù)搭建實時媒體播放器。

3.2 DirectShow技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

在DirectShow技術(shù)中,一個播放器由多個功能不同的Filter連接而成,這些Filter不是獨立工作,而是互相聯(lián)系、互相配合,是一個有機(jī)的整體,這個整體稱之為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 實驗結(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)計之后,根據(jù)所選用的芯片,參照相應(yīng)技術(shù)手冊,設(shè)計了電路原理圖并制作了印刷電路板。在硬件制作期間,同時進(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)和運動狀態(tài)下分別進(jìn)行了長時間(12 h)測試,USB端口接收數(shù)據(jù)的速度穩(wěn)定在1.8 MB/s。測得廈門地區(qū)國標(biāo)DMB-TH數(shù)字電視的參數(shù)見表2。

實驗結(jié)果表明:無論在靜止和運動狀態(tài)下,整個系統(tǒng)長時間工作穩(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)計方案,然后詳細(xì)介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的兩個關(guān)鍵點——硬件驅(qū)動程序的設(shè)計和PC主機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計。隨著國標(biāo)DMB-TH的標(biāo)準(zhǔn)的實施和推廣,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,實用價值和市場前景看好。

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作者簡介 徐 芳 男,1985年出生,碩士研究生。研究方向為無線數(shù)字電視技術(shù)、水聲通信。