數(shù)字衛(wèi)星接收機中Unicable功能的設計與實現(xiàn)

杜偉慶

(福州大學福建省數(shù)字電視工程研究中心，福建 福州 350002)

近年來，隨著數(shù)字衛(wèi)星廣播技術的飛速發(fā)展以及數(shù)字高清節(jié)目源的日益豐富，多功能高清衛(wèi)星接收機正在被越來越多的家庭廣泛采用。這類接收機普遍具有實時個人視頻錄制(Real－PVR)功能，因此都帶有多個調諧器(Tuner)。目前在歐洲及中東地區(qū)，單個家庭內就可能安裝有多個衛(wèi)星接收天線和多臺高清衛(wèi)星接收機。傳統(tǒng)情況下，為了保證每個Tuner的接收信號不互相干擾，接收天線上的低噪聲模塊(Low－Noise Block，LNB)輸出的信號必須通過獨立電纜與每個Tuner相連，這就大大增加了電纜安裝的復雜程度以及成本。而Unicable技術僅利用單根同軸電纜傳輸控制信號和頻段信號，配合Unicable器件，很好地解決了多個Tuner的信號連接問題，大大降低了布線的復雜度與成本。

1 Unicable技術簡介

Unicable技術最早是由著名衛(wèi)星運營商SES ASTRA領導的行業(yè)協(xié)會開發(fā)出來的一種共用總線協(xié)議。它通過單根同軸電纜向多個用戶終端傳送衛(wèi)星信號，有效地減少了衛(wèi)星接收設備安裝時的布線復雜度［1］。該協(xié)議在2007年3月被正式定為歐洲行業(yè)標準CENELEC EN50494，并在歐美和中東地區(qū)得到廣泛采用。

對于Ku波段(10.7～12.75 GHz)衛(wèi)星信號的接收，通常采用Universal LNB先將極其微弱的信號進行低噪聲放大，然后再將高波段/水平極化、高波段/垂直極化、低波段/水平極化和低波段/垂直極化這4類寬帶信號的頻譜分別搬移到第一中頻(950～2150 MHz)［2］。在傳統(tǒng)情況下，每臺接收機是通過獨立電纜控制Multi－Switch或DiSEqC設備，從而進行4路中頻信號的選擇性接收［3］。而采用Unicable技術的設備則是先將每臺接收機所要接收頻點的頻譜搬移到預先分配的某個固定中頻(User Band，又稱用戶頻帶)，然后通過一個帶通濾波器產生一路窄帶子信號，最后將每臺接收機要接收的窄帶子信號復合成一個頻帶信號輸出給每臺接收機。為了保證各個窄帶子信號復合后不會互相干擾，分配給每臺接收機的固定中頻之間的間隔較大。Unicable設備頻譜處理示意圖如圖1所示。

圖1 頻譜處理示意圖

2 Unicable設備控制原理

2.1 Unicable設備控制信號

Unicable設備的控制信號主要由極化控制電壓和DiSEqC控制信號復合而成，這樣有助于提高Unicable技術的開放性和適用范圍。Unicable設備控制信號的時序和數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2 信號時序與數(shù)據(jù)格式

其中對于直流電壓信號的要求:低直流電壓范圍為12.5～14 V，高直流電壓范圍為17～19 V，該電壓與傳統(tǒng)LNB的垂直/水平極化控制電壓范圍一致。電壓建立與撤銷延時要求分別為:Ta范圍為4～22 ms，Td范圍為2～60 ms。合適的時延保證Unicable設備能夠準確及時地識別到總線的占用狀態(tài)［4］。Unicable指令序列采用DiSEqC信號傳輸方式，疊加在高直流電壓上發(fā)送。普通的Unicable指令采用5 byte編碼格式能有效降低總線占用時間，從而減小了沖突的風險。而擴展的Unicable指令采用6 byte編碼格式，極少用到，因此不在本文討論范圍。對于上述信號的時序和格式，支持DiSEqC設備的數(shù)字衛(wèi)星接收機不需要更改硬件，只要通過修改軟件就可滿足要求，因此可以很好地支持Unicable功能。

2.2 Unicable設備控制指令

Unicable設備控制指令分成標準操作指令和特殊模式指令兩大類［4］。標準操作指令是所有Unicable設備必須支持的，該類指令主要用于切換接收頻點、選擇用戶頻帶和釋放用戶頻帶，這類指令的命令字段值為0x5A。特殊模式指令為可選指令，并要求所有的Unicable設備都完全支持這類指令，如Unicable開關等。這類指令主要用于檢測Unicable設備所支持的輸入波段數(shù)和類型、輸出用戶頻帶數(shù)和頻率、采用的本振頻率等，接收機可用這類型指令對Unicable設備參數(shù)進行自動初始化，這類指令的命令字段值為0x5B。為了最小化總線上的通信總量，圖2所示的Unicalbe指令數(shù)據(jù)格式中幀頭值固定為E0h，這類指令無須應答。Unicable設備可識別的地址為00h，10h和11h三種，一般默認為00h。通過在命令字段和2個數(shù)據(jù)字段填寫不同的值，可以控制Unicable設備實現(xiàn)不同功能，各類指令的命令字段、數(shù)據(jù)字段和功能如表1所示。

輸入波段序號由接收頻點的頻率值和極化方式計算得出，用戶頻點序號則是用戶預先配置給每臺接收機的，每個序號所對應的固定中頻間隔較大，目前的Unicable設備一般支持4或者8個固定中頻。Signal_ON指令用于在每個固定中頻頻點同時產生能量信號，以便接收機自動檢測固定中頻頻率值;Config指令可用于自動檢測Unicable的輸入波段數(shù)和用戶中頻數(shù);LoFreq指令用于自動檢測Unicable設備采用的本振頻率，這兩個指令的子函數(shù)類型分別為0x01和0x02。

表1 Unicable指令與功能表

3 軟件控制模塊的設計與實現(xiàn)

3.1 軟件控制模塊設計

軟件控制模塊是數(shù)字衛(wèi)星接收機中實現(xiàn)Unicable功能的核心，它通過調用底層硬件的驅動程序產生相應的信號控制Unicable設備，然后在內部實現(xiàn)Unicable設備的資源管理、總線通信實現(xiàn)和沖突處理，最后通過一組簡單的API(應用程序接口)向應用層屏蔽了模塊功能實現(xiàn)的細節(jié)。軟件控制模塊的結構框圖如圖3所示。

圖3 軟件控制模塊架構

軟件控制模塊的設計采用分層設計的思想。最底層為平臺接口層，該層抽象了所有軟件控制模塊需要用到的底層接口，包括信號調諧、鎖定狀態(tài)獲取、極化電壓控制和DiSEqC指令操作等函數(shù)。良好的底層接口將使得軟件控制模塊更易于在不同平臺的移植，使得設計出來的軟件模塊更具通用性。位于中間的是資源管理層和通信處理層，資源管理層負責保存Unicable設備使用的本振參數(shù)、輸入波段參數(shù)和輸出固定中頻參數(shù)等，并將應用層傳下來的頻點調諧參數(shù)轉化成具體的控制指令;通信處理層則負責具體控制信號的邏輯實現(xiàn)、固定中頻調諧以及通信沖突的處理。最上層為模塊API層，該層提供了一組簡單、規(guī)范的接口供應用層調用，這些接口包括Unicable設備參數(shù)設置和頻點調諧等。

3.2 軟件模塊流程設計

接收機在上電后，必須對Unicable軟件控制模塊的資源管理層的相關參數(shù)進行初始化。對于帶Unicable功能的Switch，這些參數(shù)由Flash中的默認配置區(qū)讀取或者由用戶從相關界面中輸入配置。對于帶Unicable功能的LNB，參數(shù)可由用戶從界面中輸入配置，也可以通過調用特殊模式指令進行自動初始化，模塊初始化流程如圖4所示。

圖4 模塊初始化流程

在模塊初始化完成后，就可以對具體的頻點進行調諧操作，頻點調諧時必須根據(jù)目標頻點的參數(shù)計算輸入波段序號和頻率轉換值 (10 bit)，同時計算因頻率轉換值精度有限所帶來實際的固定中頻誤差，對實際設置到Tuner中的固定中頻做細微調整。整個調諧操作流程如圖5所示。

圖5 頻點調諧流程

Unicable設備采用的是共用總線技術，通過單根同軸電纜連接多臺接收機，因此總線通信沖突是不可避免的。并且由于通信過程中采用無應答類型的DiSEqC指令，所以接收機必須可以自己檢測到總線沖突并進行異常處理。在當前頻點與目標頻點的符號率相近且信號鎖定的情況下，如果接收機發(fā)送的Channel_Change指令因總線沖突無法被Unicable設備識別，此時用戶固定頻點輸出的仍然為原來頻點的信號，但接收機將會誤判成已調諧成功且信號鎖定。本設計采用Channel_Change與PowerOFF指令配合使用的沖突檢測方法和隨機延時的處理方法，使得軟件模塊不依賴于平臺解復用驅動和解調器驅動，并且有效解決了相近符號率且不同頻點間的信號切換誤判問題。具體通信沖突檢測與異常處理流程如圖6所示。

圖6 通信沖突檢測與異常處理

3.3 模塊實現(xiàn)與驗證測試

當前所有的主流接收機平臺都是采用C語言開發(fā)，因此整個Unicable軟件控制模塊也都采用標準的C語言進行編碼實現(xiàn)，并且運用面向對象的思想對模塊中的數(shù)據(jù)和函數(shù)進行封裝，這樣可以使得設計出來的軟件模塊更適合移植和重載［5］。面向對象主要體現(xiàn)在對UNI_CB結構體的設計上，結構體主要有成員變量和一系列函數(shù)指針組成，其定義大體如下所示:

在結構體中，數(shù)據(jù)用于存儲當前調諧器所采用的Unicable設備的資源以及接收頻點等相關信息。以Module開頭的函數(shù)指針分別指向模塊內部各個流程的實現(xiàn)函數(shù)，這些流程函數(shù)在實現(xiàn)過程中必須可重載，因為對于不同的UNI_CB元素，這類函數(shù)指針指向的實際為同一個函數(shù);以Interface開頭的函數(shù)指針則指向各個平臺的接口函數(shù)，每個平臺的這些接口函數(shù)可能不一樣。對于具有雙調諧器的接收機，只要定義兩個UNI_CB元素，然后在模塊初始化階段根據(jù)各個調諧器的配置參數(shù)對元素進行初始化即可。

將實現(xiàn)后的軟件控制模塊在不同的接收機平臺 (低端如GX6105、中端如ALI3601等)進行移植和調試，然后分別結合Unicable LNB(如FRW_LSL_23)和Unicable Switch(如Sam_81KT)進行頻點 (S或S2)切換和搜臺的多次驗證測試，測試方法和結果歸納如下:

1)單接收機切換頻點與傳統(tǒng)Universal接收情況對比，時間大體一致，用戶無感覺延遲。

2)2臺接收機同時切換頻點，用戶無感覺明顯延遲;多臺接收機同時切換頻點，有的接收機略有延遲，延遲基本為1 s內，最大不超過2 s。

3)2臺接收機同時在同符號率的頻點間進行切換測試，無鎖定誤判現(xiàn)象出現(xiàn)。

4)3臺接收機同時搜臺，無漏臺現(xiàn)象出現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)模式下，搜臺時間延遲并不會隨搜索頻點總數(shù)線性增大，因為通信沖突僅在少數(shù)頻點調諧過程發(fā)生，而不是每個頻點都發(fā)生。

5)傳統(tǒng)Univeral接收情況下的切臺和搜臺不受影響，并且這兩種模式下的高清、標清音視頻播放效果也都不受影響，因為Unicable的設備的采用只是改變了接收機調諧頻點的方法，并不會影響到音視頻解碼的解碼工作。

在Unicable工作模式下，調諧頻點的時間延遲主要由3個方面引入:1)發(fā)送Unicable命令所耗費的時間;2)Unicable設備本身的響應時間;3)總線通信沖突所導致的延遲。前兩者的延遲時間基本固定，采用本文提出的總線沖突處理方法，可以使得切換頻點時間延遲降到最低。

4 總結

隨著Unicable設備使用范圍的不斷擴大，用戶對于支持Unicable功能的衛(wèi)星接收的需求也越來越大。目前，本文設計的易移植Unicable軟件控制模塊已在多種中、高端數(shù)字衛(wèi)星接收機平臺以及數(shù)字尋星設備中移植使用，并且功能的實現(xiàn)和對于不同Unicable設備的兼容性也都得到用戶的充分認可。

［1］沈永明.衛(wèi)星接收方案設計中的Unicable技術［J］.實用影音技術，2009(10):27－34.

［2］沈永明.衛(wèi)星電視接收完全DIY［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

［3］ 李春光，劉國棟.DVB－S中基于STV0299的DiSEqC功能設計與實現(xiàn)［J］.計算機工程與設計，2004，25(10):1820－1823.

［4］ EN50494，Satellite signal distribution over a single coaxial cable in single dwelling installations［S］.2007.

［5］高煥堂.UML+OOPC嵌入式C語言開發(fā)精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.