摘 要： 提出了CATV网络环境下视频点播(VOD)机顶盒的设计。机顶盒由五大模块组成：数字调谐器，QAM数字解调芯片，MPEG-2解复用芯片，I2C总线控制器和接口电路。它由一块PC机插卡实现，该插卡运行在Windows 95环境下。作为其软件支持的虚拟设备驱动程序完成插卡与微机之间的通信。通过多次调试和试验，它能够成功地实现视频业务的正常接收。
关键词： 机顶盒 QAM解调 MPEG-2解复用 接口电路 虚拟设备驱动程序
机顶盒是视频点播(VOD)系统的终端设备，是用户与VOD服务器之间的智能接口。它用于视频业务的接收和用户请求的发送。因此，VOD系统中的数据传输被分成两个通路：下行通路用于把视频信息传送到用户；上行通路用于把用户的点播需求传送到发送端。基于PC机的机顶盒是将机顶盒的功能做成普通的ＰＣ插卡形式，利用计算机实现视频点播的所有功能。这样做有几点好处：
1 充分利用微机的软、硬件资源，从而降低了用户终端设备的成本；
2 兼容性好，可适应不同的接入网和不同类型的业务；
3 软件维护和升级方便，适应未来发展；
4 可设计易操作、美观和基于Windows95/98的用户界面。
该机顶盒由两块普通PC机插卡构成，它们分别完成下行数据的接收和上行数据的发送。上行数据的发送由一块内置MODEM卡通过电话线完成，下行数据的接收则由另一块插卡通过CATV网实现。
本文研究的主要内容是在微机上如何实现下行数据的正常接收。为此，提出了一种以数字调谐器、最新QAM数字解调芯片和高性能MPEG-2解复用芯片为核心的机顶盒设计方案。在机顶盒的硬件设计中，采用了先进的I2C总线技术、QAM数字解调技术、MPEG-2解复用技术、FIFO存储器技术以及通用的ISA总线接口技术；在软件设计中，采用了VC++编程技术和Windows95/98环境下利用VToolsD开发虚拟设备驱动程序即VxD的技术。
1 机顶盒的硬件设计
机顶盒的主要功能是为人们提供一个访问VOD业务的途径，为合法用户提供一个友好的界面，其接收部分的总体硬件框图如图1所示。
QAM解调后的数字信号送到MPEG-2解复用电路，实现通道选择，即选出用户点播的一路节目。该节目的数据为MPEG-1标准的压缩形式。为了节约成本和简化电路，并考虑到目前微机的速度很高、且为Windows95操作系统，本设计中不采用硬件解压缩方式，而是将数据经主机接口电路以DMA传输方式传送到计算机的内存中，用软件方法对该路节目进行实时解压缩处理并播放出来。
上述整个电路可分为几个相对独立的模块，下面分别对它们进行介绍。
1.1 数字调谐电路1
数字调谐电路实际上就是一个高频头，它的作用是接收来自CATV网的下行数据，根据微处理器的指令，实现频点选择(与模拟电视相似)。某一选定频点的数据流中仍含有多路节目的数字信号，每个用户只收看某一频点中的一路节目。频点选择由微处理器通过I2C总线控制。数字调谐电路与后级电路的连接如图2所示。
高频头输出的模拟中频信号的幅值已满足A/D转换器的输入要求，因此将它直接送给A/D转换器数字化，以供后续的数字电路进一步处理。该模/数转换器采用Philips公司的芯片，它将模拟视频信号转换成二进制编码的数字视频信号。A/D转换电路的连接如图2所示。
1.3 QAM解调电路1～2?
QAM解调电路是机顶盒接收部分的重点和难点之一，芯片的选型十分重要。它的作用是将A/D视频转换电路输出的数字信号进行QAM解调和其它处理后输出基带数字信号。
QAM解调电路采用最新QAM数字解调芯片。该芯片的功能强大，全数字化处理，芯片外部不需要反馈环路，支持16、32、64、128和256QAM的解调。为了实现芯片的强大功能，其内部有大批的控制/配置寄存器供用户编程使用，这些寄存器可通过I2C总线或并行总线进行读或写操作。芯片输出纠错后的MPEG-2传输流。
上述介绍的调谐电路、A/D视频转换电路和QAM解调电路组成了一个相对独立的整体，它们的应用电路框图如图2所示。
1.4 I2C总线控制电路3～4?
在上述电路中，调谐电路的频点选择、QAM解调芯片内部一系列寄存器的读写操作均由微处理器通过I2C总线控制。而微处理器芯片内没有I2C总线接口? 因此需要设计I2C总线控制电路。该电路由I2C 总线控制器芯片PCF8584构成，它可用作大多数并行总线与串行的I2C总线之间进行双向通信的接口。 利用它可以很方便地将微处理器接入I2C总线?实现芯片间的数据传输和控制。
I2C总线控制电路与其它电路的连接方法如图3所示。
1.5 MPEG-2 系统解复用电路1～2?5
在视频点播系统中，发送端的节目源是基于MPEG-1标准的数据流，它只适合相对无误差的环境，如CD-ROM、VCD的传输。为了适应有噪声或损耗介质信道的传输，需将多路不同节目的MPEG-1格式的码流按照MPEG-2标准进行传输复用。因此，在接收端需要相应的MPEG-2解复用电路的支持。
MPEG-2解复用电路从微处理器接收指令实现通道选择，即从调谐电路已选定的频点中选择用户点播的一路节目，满足用户的点播要求。
MPEG-2解复用电路采用高性能的MPEG-2系统解复用芯片。该芯片在接收到MPEG-2系统传输码流后，对传输层和PES(Packetized Elementary Stream)层作解复用处理，提供某一路的码流缓冲，其输出送到主机接口电路，其应用电路框图如图3所示。
1.6 计算机的接口电路设计6～8?
本设计中，计算机的接口电路有两大任务：一是微处理器通过该接口电路实现对调谐电路、QAM解调电路、MPEG-2解复用电路的控制与访问，以便完成多路节目数据流的分接；二是接口电路将解复用电路输出的一路节目数据传送到计算机的内存中，供微机对其进行软件解压缩并播放出来。
由图3可知，微处理器对调谐电路和QAM解调电路的访问与控制是通过I2C总线控制器芯片PCF8584实现的，而微处理器对解复用电路的访问与控制则直接通过解复用芯片的微处理器接口实现。此外，解复用芯片输出的一路节目数据还需通过接口电路传送到微机的内存中。为了适合实时、高速或突发数据的传输，接口电路采用DMA传输技术，并利用FIFO(First In First Out)存储器作为数据缓冲电路。由于FIFO具有一定的存储容量，能起到缓冲作用，故能很好地解决外设与计算机之间的速率匹配问题。此外，当外设进行连续的数据传输时，主机的DMA传输可以间歇地进行，从而能够让主机有时间执行数据处理和显示等后台任务。
2 机顶盒的软件设计
在机顶盒中，软件设计主要包括三个部分：各芯片的读写操作。接口软件编程和用户界面的设计。数字调谐电路、QAM解调电路、I2C总线控制器和MPEG-2解复用电路的芯片中都含有大量的控制和配置寄存器供用户进行读写操作，以便预置有关的参数或对某些参数进行控制。这需要通过编程来实现。机顶盒的用户界面是一个典型的WINDOWS界面，机顶盒的所有功能(包括解压缩)都通过它来完成，因此可采用VC++进行编程。接口软件的功能是把插卡接收到的数据以DMA方式传送到计算机的内存中，要实现Windows95/98下DMA方式的数据传输，需要编写虚拟设备驱动程序。这是整个软件设计中的重点和难点。限于篇幅下面简单说明虚拟设备驱动程序的设计思想。