基于大规模并播技术的数据接收卡的研究与设计

文丽　姚远程

西南科技大学

　　摘 要 本文介绍了一种基于大规模并播技术的数据接收卡的软硬件实现方法和大规模并播技术的原理，数据广播传输系统实现的实验平台以及数据接收卡的应用前景。

　　关键词 并播 数据广播 DVB-C IP/DVB网关

1 引言

　　由于通信技术和计算机技术的发展，促进了数据广播技术的发展，同时数字技术为广播电视带来了一场革命。这场革命的意义不仅仅是电视业本身，而是为任何数字信息的广播开启了大门。数字技术的迅速发展已将CATV网、电话网及数据网紧密联系在一起，提供各种不同类型的信息服务。而互联网与广播电视网的结合更是克服了互联网“带宽平颈”、“信息垃圾”及昂贵的上网费用等诸多不利因素，又充分发挥了它的“信源丰富”和广播电视网“地域广阔”、“用户无限”的优势。本文论述的基于大规模并播技术数据接收卡正是基于这种新一代的信息共享网络之上，接收符合“第五媒体”标准的数据格式和传输方式并符合TCP/IP、MPEG-2标准和DVB-C、DVB-MPE，与符合标准的前端设备完全兼容。数据接收卡可插在PC上，除了可收看到数据广播外，还可以在计算机上看到金融信息及实时股票行情、远程教育、音频直播、视音频及数据点播、综合信息广播等内容丰富的数字信号，使用户真正感受到信息无处不在、无时不有。本文将讨论应用于基于大规模并播技术的数据接收卡的关键技术和实现方法。

2 大规模并行广播原理

　　目前的Internet由于其双向交互的特点，能够提供服务和用户的交流，但由于因特网的传输带宽有限，成本较高，传输速率会随着上网人数的增加而越来越慢。而广播网地域广阔、用户无限，数据传输不受带宽的限制，大规模并行广播技术正是基于互联网和广播网的结合才得已实现。

　　并行数据广播是以一个预先设定的固有速率V0（典型速率可为32kbit/s、64kbit/s或128kbit/s）及其正整数倍数为量化单位（元数据广播速率），将拥有较高传输速率的整个信道，按着某种复用方式，划分为大量独立的子信道或子通道。一个或若干个子信道或子通道可以提供给不同的信息内容提供者租用，为其提供全天候的、信息可通达所有用户的专用信息通道。

　　在有线电视系统中，以64QAM调制，每个8MHz带宽的有线电视频段如采用6MHz的符号率，可以得到高达36Mbit/s的数据传输速率；链路层采用DVB-C技术，除去信道上的链路控制信息和纠错信息，有32Mbit/s的净数据速率，因此可以划分为512个、每个通道64kbit/s，或1024个、每个通道32kbit/s的并行原子量化通道。

　　在数字卫星电视系统中，通常采用QPSK调制，典型符号率为2~45Msymbol/s。国内数字卫星电视广播链路层采用DVB-S技术，传输的净数据速率往往超过40Mbit/s，因此可以划分为数百个并行原子量化通道。

3 大规模数据广播传输系统的实验平台

　　传输系统的实验平台我们可以看出其数据广播传输系统实验平台主要由三个部分组成：前端系统、转发平台、用户终端。

　　前端系统由课件源、数据处理服务器等设备组成，其中信元给数据处理服务器提供课件内容（以比特流形式提供），与数据处理服务器之间通过Internet标准协议方式连接；数据处理服务器将所有课件内容进行处理、封装，形成一定格式的IP包通过并播复用器将数据送给IP-DVB网关。传输系统由IP-DVB网关、MPEG-2复接器、64QAM调制器、cable线缆等组成。IP-DVB网关将接收到的IP包转换为符合MPEG-2标准的TS码流，此TS码流MPEG-2复接器进行再次复接，输出TS码流64QAM调制器调制后送CATV线缆传送出去，这部分完成的功能为：IP-DVB中完成IP包到TS码流的封装、映射、转换并以一定的比特率输出；在MPEG-2复接器中完成与其他码流的复接；64QAM调制器将TS码流（数字信号）调制到一个特定的8MHz带宽的模拟电视信号上，利于在CATV有线电视电缆上进行传输。此部分的数据传播符合DVB-C协议标准。用户终端可分为两类：PC用户和TV用户。

4 数据接收卡总体设计方案

数据接收卡接收并行广播中心（IP/DVB网关）通过CATV网络发送过来的视频、音频和数据信号后，完成下变频、解调、信道解码、解复用，提取特定的TS码流，完成TS码流到IP包的解封装并将IP包送给PC。由PC对接收到的IP包进行数据识别、恢复并进行镜像存储，由应用程序调用执行。

5 数据接收卡的硬件实现方案

5.1 高频头

　　由于低频信号不适合进行远距离传输，因此信号发送前必须经过调制，转换为高频信号后才发送出去。CATV网络上传送的是45～860MHz的高频信号，数据接收卡首先必须对高频信号进行下变频，由高频头来实现。本系统通过I2C总线可对高频头进行调谐，控制高频头以输出中频信号，其中一路为36.15MHz的第一中频，另一路为7MHz的第二中频，带宽都为8MHz，本系统采用第二中频信号。 本系统中采用ALPS公司的TDD或TDE系列高频头来实现。

5.2 QAM解调和信道解码

　　系统信道编码采用RS+交织方式，而调制方式则采用QAM调制。因此数据接收卡必须完成QAM解调制、解交织和RS（里德—所罗门）解码。本系统中采用ATMEL公司的AT76C651B来实现。AT76C651B是一个与DVB兼容的正交振幅调制解调电路集成的数字接收/传输QAM解调器，从调谐器和相邻的信道抑制滤波器中出来的信号在中频处被采样，经过AD变换、基带转换、时钟恢复连续可变滤波、升余弦滚降平方根滤波、均衡、差分解码、符号到字节映射、去交织、RS解码、去能量扩散处理步骤之后被转化为数字信号。信号经过QAM解调和信道解码后，将以MPEG-2传送流的形式送出，由下级模块进行解复用。

5.3 数据解复用

　　数据解复用电路是整个数据接收卡的核心部分，也是硬件设计中工作量最大的部分。它将由前级解调出来的TS流根据它的PID值进行解复用，从TS流中解出IP包，DVB网络与Internet的无缝连接。其数据处理芯片采用Xilinx公司的SPARTAN2系列，其具体型号是XC2S200，采用PQ208封装，速度等级为5ns。

5.4 数据与计算机的接口

　　计算机的接口传送到PC，PC对接收到的IP包进行识别、恢复并进行镜像存储，由应用程序调用执行。接口电路可由专用的PCI总线控制器来实现。

6 数据接收卡的软件实现方案

6.1 数据接收卡的驱动程序设计

　　接收端是DVB-C数据接收卡，实现射频信号解调、信道解码得到DVB传输流。接收端软件由若干个层次构成，包括接收卡驱动程序，NDIS接口，协议驱动程序，上层的广播接口库等。

6.2 数据接收卡的应用程序设计

　　应用程序将包括各种应用协议模块和用户界面程序。主要包括调谐函数的编写，信号锁定函数的编写，PID搜索函数的编写，数据接收函数的编写等。

7 结束语

　　随着数字电视的迅速发展和在全国的试行播出，目前国内许多家公司都在研制数字信号的接收设备，其中数字机顶盒和数据接收卡最为普遍。我们研制的数据接收卡同时能识别1024路课件源并可同时处理64路数据。该数据接收卡的研制成功可用于国家规模的远程教育，并可同时接收音视频等数字数据。

----《中国数据通信》