基于大規模并播技術的數據接收卡的研究與設計

2019-11-03 09:06:21

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供稿：網友

文麗　姚遠程
西南科技大學

　　摘要本文介紹了一種基于大規模并播技術的數據接收卡的軟硬件實現方法和大規模并播技術的原理，數據廣播傳輸系統實現的實驗平臺以及數據接收卡的應用前景。

　　關鍵詞并播數據廣播 DVB-C ip/DVB網關

1 引言

　　由于通信技術和計算機技術的發展，促進了數據廣播技術的發展，同時數字技術為廣播電視帶來了一場革命。這場革命的意義不僅僅是電視業本身，而是為任何數字信息的廣播開啟了大門。數字技術的迅速發展已將CATV網、電話網及數據網緊密聯系在一起，提供各種不同類型的信息服務。而互聯網與廣播電視網的結合更是克服了互聯網“帶寬平頸”、“信息垃圾”及昂貴的上網費用等諸多不利因素，又充分發揮了它的“信源豐富”和廣播電視網“地域廣闊”、“用戶無限”的優勢。本文論述的基于大規模并播技術數據接收卡正是基于這種新一代的信息共享網絡之上，接收符合“第五媒體”標準的數據格式和傳輸方式并符合TCP/IP、MPEG-2標準和DVB-C、DVB-MPE，與符合標準的前端設備完全兼容。數據接收卡可插在PC上，除了可收看到數據廣播外，還可以在計算機上看到金融信息及實時股票行情、遠程教育、音頻直播、視音頻及數據點播、綜合信息廣播等內容豐富的數字信號，使用戶真正感受到信息無處不在、無時不有。本文將討論應用于基于大規模并播技術的數據接收卡的關鍵技術和實現方法。

2 大規模并行廣播原理

　　目前的Internet由于其雙向交互的特點，能夠提供服務和用戶的交流，但由于因特網的傳輸帶寬有限，成本較高，傳輸速率會隨著上網人數的增加而越來越慢。而廣播網地域廣闊、用戶無限，數據傳輸不受帶寬的限制，大規模并行廣播技術正是基于互聯網和廣播網的結合才得已實現。

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

　　在有線電視系統中，以64QAM調制，每個8MHz帶寬的有線電視頻段如采用6MHz的符號率，可以得到高達36Mbit/s的數據傳輸速率；鏈路層采用DVB-C技術，除去信道上的鏈路控制信息和糾錯信息，有32Mbit/s的凈數據速率，因此可以劃分為512個、每個通道64kbit/s，或1024個、每個通道32kbit/s的并行原子量化通道。

　　在數字衛星電視系統中，通常采用QPSK調制，典型符號率為2~45Msymbol/s。國內數字衛星電視廣播鏈路層采用DVB-S技術，傳輸的凈數據速率往往超過40Mbit/s，因此可以劃分為數百個并行原子量化通道。

3 大規模數據廣播傳輸系統的實驗平臺

　　傳輸系統的實驗平臺我們可以看出其數據廣播傳輸系統實驗平臺主要由三個部分組成：前端系統、轉發平臺、用戶終端。

　　前端系統由課件源、數據處理服務器等設備組成，其中信元給數據處理服務器提供課件內容（以比特流形式提供），與數據處理服務器之間通過Internet標準協議方式連接；數據處理服務器將所有課件內容進行處理、封裝，形成一定格式的IP包通過并播復用器將數據送給IP-DVB網關。傳輸系統由IP-DVB網關、MPEG-2復接器、64QAM調制器、cable線纜等組成。IP-DVB網關將接收到的IP包轉換為符合MPEG-2標準的TS碼流，此TS碼流MPEG-2復接器進行再次復接，輸出TS碼流64QAM調制器調制后送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、轉換并以一定的比特率輸出；在MPEG-2復接器中完成與其他碼流的復接；64QAM調制器將TS碼流（數字信號）調制到一個特定的8MHz帶寬的模擬電視信號上，利于在CATV有線電視電纜上進行傳輸。此部分的數據傳播符合DVB-C協議標準。用戶終端可分為兩類：PC用戶和TV用戶。

4 數據接收卡總體設計方案

數據接收卡接收并行廣播中心（IP/DVB網關）通過CATV網絡發送過來的視頻、音頻和數據信號后，完成下變頻、解調、信道解碼、解復用，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對接收到的IP包進行數據識別、恢復并進行鏡像存儲，由應用程序調用執行。

5 數據接收卡的硬件實現方案

5.1 高頻頭

　　由于低頻信號不適合進行遠距離傳輸，因此信號發送前必須經過調制，轉換為高頻信號后才發送出去。CATV網絡上傳送的是45～860MHz的高頻信號，數據接收卡首先必須對高頻信號進行下變頻，由高頻頭來實現。本系統通過I2C總線可對高頻頭進行調諧，控制高頻頭以輸出中頻信號，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，本系統采用第二中頻信號。本系統中采用ALPS公司的TDD或TDE系列高頻頭來實現。

5.2 QAM解調和信道解碼

　　系統信道編碼采用RS+交織方式，而調制方式則采用QAM調制。因此數據接收卡必須完成QAM解調制、解交織和RS（里德—所羅門）解碼。本系統中采用ATMEL公司的AT76C651B來實現。AT76C651B是一個與DVB兼容的正交振幅調制解調電路集成的數字接收/傳輸QAM解調器，從調諧器和相鄰的信道抑制濾波器中出來的信號在中頻處被采樣，經過AD變換、基帶轉換、時鐘恢復連續可變濾波、升余弦滾降平方根濾波、均衡、差分解碼、符號到字節映射、去交織、RS解碼、去能量擴散處理步驟之后被轉化為數字信號。信號經過QAM解調和信道解碼后，將以MPEG-2傳送流的形式送出，由下級模塊進行解復用。

5.3 數據解復用

　　數據解復用電路是整個數據接收卡的核心部分，也是硬件設計中工作量最大的部分。它將由前級解調出來的TS流根據它的PID值進行解復用，從TS流中解出IP包，DVB網絡與Internet的無縫連接。其數據處理芯片采用Xilinx公司的SPARTAN2系列，其具體型號是XC2S200，采用PQ208封裝，速度等級為5ns。

5.4 數據與計算機的接口

　　計算機的接口傳送到PC，PC對接收到的IP包進行識別、恢復并進行鏡像存儲，由應用程序調用執行。接口電路可由專用的PCI總線控制器來實現。

6 數據接收卡的軟件實現方案

6.1 數據接收卡的驅動程序設計

　　接收端是DVB-C數據接收卡，實現射頻信號解調、信道解碼得到DVB傳輸流。接收端軟件由若干個層次構成，包括接收卡驅動程序，NDIS接口，協議驅動程序，上層的廣播接口庫等。

6.2 數據接收卡的應用程序設計

　　應用程序將包括各種應用協議模塊和用戶界面程序。主要包括調諧函數的編寫，信號鎖定函數的編寫，PID搜索函數的編寫，數據接收函數的編寫等。

7 結束語

　　隨著數字電視的迅速發展和在全國的試行播出，目前國內許多家公司都在研制數字信號的接收設備，其中數字機頂盒和數據接收卡最為普遍。我們研制的數據接收卡同時能識別1024路課件源并可同時處理64路數據。該數據接收卡的研制成功可用于國家規模的遠程教育，并可同時接收音視頻等數字數據。

----《中國數據通信》