DVB-C有线电视数字综合解码接收机

1  引言

         在信息技术迅猛发展的推动下，电视数字化步伐加快了。从模拟电视到数字电视，大大提高了电视节目的质量。原来传输一套模拟电视节目的频带，可以传输4～10套数字节目，增加了节目数量，降低了传送成本。就容量来说，如果采用64QAM，8MHz带宽的信道可容纳 38.5Mbit／s的净荷容量，不会外溢到邻频道。这也为广电网发展成为宽带多媒体综合业务网打下了坚实的基础，促进了信息技术的更大发展。所以说，数字电视取代模拟电视是大势所趋。早在1998年3月美国政府联邦通信委员会FCC就通过了采用数字化电视的决议，它要求美国四大电视网必须在1999年5月1目前，在全美最大的10个有线电视收视地区播送数字电视节目；2000年5月1日，所有商用电视台都应数字化；2003年 5月1日所有非商用电视台也要实现数字化。欧洲、日本、东南亚、中东等地区都先后开展了相关业务。在中国，有线电视已进入千家万户，从模拟电视到高清晰度数字电视，估计过渡期为15年左右。在此期间，模拟电视与数字电视将共存。目前，全国模拟彩电的社会拥有量2亿台以上，对用户来说，用机顶盒收看数字电视是最经济、最有效的过渡方案。机顶盒将数字信号处理并转换成模拟信号输出，用现有模拟彩电收看，使用户同样能看到图像较清晰、音质较优美的数字节目。我国各地有线电视台都在规划，积极准备开播数字电视节目。我国有8000万有线电视用户，而且每年以近10％的速度增长。如果有2％的用户希望接收数字电视节目，则需要150万台数字机顶盒（set toPbox）。如果每年以 5％的速度增长，对机顶盒的需求量为 400万台。可见推广数字电视后，将会形成家用数字有线机顶盒的广阔市场。本文正是立足于此，探讨一下数字有线机顶盒的系统构成及在我国的发展概况、展望。

2  数字有线电视机顶盒的系统构成

         当前，国外数字有线电视的机顶盒类型十分广泛，各自都有自己的特点和优点。但是，其系统构成大同小异。我们大体上可把机顶盒分为四个主要单元。

2.1   网络接口单元

        该单元主要完成信号接收、变频和信号的解调。它主要包括CATV TUNER（调谐器）、 QAM解调芯片、一级A／D转换及声表面波滤波等相关组件。 调谐器可选的种类很多，如ALPS公司的TDBE1、TDBE 2；MITSUMI公司的CATV19； THOMSON公司的 CIP55015；PHILIPS公司的CD1516等等。此器件的作用是将从信道来的射频信号下变频到一个固定的中频上去，使配套器件能够准确采样。 A／D转换器件是通用的，在市场上很多，但是其采样率必须要满足具体的要求，例如ST公司的STV0197就推荐采用10bit，40M采样率的HI5746或ADC9050；也有些器件将 A／D部分集成人QAM器件中，例如LSILOGIC的L94768、L9A5004QAM解调芯片，这种方式是比较好的方式，因为A／D转换部分往往是指标很难调的部分，放在电路板上远不如集成在芯片中稳定，成本也降低很多。 QAM解调芯片许多大公司都有各自成型的产品，到国内推广比较多的主要就是上述两家公司的芯片，这两家公司都有一整套的DVB－C机顶盒的参考设计，QAM解调的芯片也包括其中。

2.2   MPEG－2传输流解复用、音视频解码及系统控制单元

         它包括中心处理器芯片（CPU），外围存储器及相关电路。 它主要完成： （1）中心处理器：用于系统控制和机顶盒与外界的通信控制；（2）解复用部分：这个模块的功能实现，有些系统是用软件来完成的，这种方式对CPU的资源占用较大，系统灵活性不好；有些使用固定的硬件解复用，占用CPU的资源较少，仅仅是用来识别MPEG的各种表并设置寄存器而已，这种方式系统灵活性较大，解复用后，生成 MPEG的PES流，传给专用的解码芯片。 （3）解扰部分：这个模块运算量较大，几乎所有的 DVB专用的解复用芯片都将解扰的硬件模块集成进去，此模块控制相应的一块内存，一旦解复用时发现了加扰的MPEG 数据包，则使用DMA方式将数据包传入解忧模块对应的内存中去，解忧后再传回来，继续以后的解码过程。这个过程，所要占用的系统资源较多，而且时间上也很紧张，所以，针对有加密系统的机顶盒，其软件往往要经过优化。不同的CA系统有不同加抗方式，一般的DVB专用的解复用芯片中的解忧模块都是针对DVB的通用解忧算法的，也有的将一些专用CA系统的解扰算法集成过去。（4）MPEG解码：此部分对MPEG－2码流进行音视频解码，它需要有自己的相应外部存储器（如SDRAM）来完成运算。它的重要性不言而喻，其算法是否优秀决定了整个系统的运行速度。代表芯片有ST公司的STI3520， LSI公司的 L64005，IBM公司的 MPEGCD1， NEC的 HPD61020等。

2.3  模拟视音频电视信号编码单元

        包括一级D／A转换器、音视频放大器等相关电路用于音视频的输出，具体的就是将解码芯片输出的数字音频信号进行D／A转换，输出模拟声，同时将解码芯片输出的视频信号进行PAL或NTSC编码，输出基频或射频的PAL／ NTSC信号，也可同时输出 Y／C、 YUV、RGB格式的视频信号。

2.4  外围数据接口单元

        包括SmartCard读写器、高速数据传输口和低速数据传输口等外围接口。Smartcard 读写器主要是协助完成解密的工作，它是为各种加密数据广播等业务服务的，其CA软件必须和发端设备相匹配。解密系统解开接收机收到的已加密的密钥，它是解扰模块工作所必须的；解扰器则是让收到的图像和声音恢复正常。高速数据接口指IEEE1284或IEEE1394等数据接口，主要完成MPEG码流的输入或输出。低速数据接口是指RS232，USB的接口，主要是完成机顶盒与外界的低速数据通讯。为了更加直观地说明，下面我们就以目前在国内比较流行的ST公司的一套解决方案为例，进行详细阐述。 该方案的系统和解复用芯片为 ST20－TPx，其常用的为ST20－TP2。它的性能为：（1）集成了32位可变长精简指令集的CPU，主频速度为0～50Hz，有8K的在片SRAM，支持最大200MB／s的数据宽度；（2）具有可编程的存储器接口，支持SRAM和DRAM混用的形式，数据宽度可为8， 16，32bit，支持PCMCIA模式；（3）支持异步和同步两种串行通讯方式；（4）有内部集成的解忧模块，支持DVB的通用加扰方式的解扰。本模块具有多种接口：包括两个MPEG解码的DMA接口、两个SmartCard的接口、码流输入的DMA接口、块移动的DMA接口、图文接口和IEEE1284接口等；（5）其开发工具中包括标准C的编译器和库，可利用软件实现以下功能：①MPEG系统层的解复用；②对其它设备（模块）的驱动和同步；③电子节目表的过滤和显示；④ 条件接收的实现。解复用过程是一个软件和硬件混合的方式，ST20－TP2用DMA方式将接口芯片输入的码流直接放人存储器中，用软件来判断码流的类型并解复用。若判断出码流是用DVB标准加扰的码流，则通过存储器到存储器的DMA传输方式传到解扰模块中去，进行解扰后再利用软件解复用。解复用后的码流经DMA方式传到外存储器的缓冲段中或作为消息传给另一个进程，当解码模块发出DMA申请时，ST20从内存中读出数据并将数据写入解码模块，输入码流中提取的视频和音频压缩数据通过两个独立的DMA控制器来传给解码模块。 ST20－TP2 系列有独特的结构，因在典型应用中，解复用操作占不到一半的CPU运行周期。 ST20系列CPU有两个异步串行接口（ASC2），用于与调制解调器或其它外围设备相连，使机顶盒可以和收费电视系统相连。这两个异步串行接口可支持多种波特率和数据格式的传输，也可将码流中的图文或私有数据通过串行口传给计算机等设备。 [page]

        ST20系列同时提供两个同步串行接口，一般使用I2C总线协议进行通信，可用于外围芯片的控制，例如前端的调谐器、STV0197（QAM解调）、STV0199（QPSK解调）、后瑞的PAL／NTSC编码芯片STV0118等。 ST20系列也提供高速的数据接口，TP2提供一个IEEE1284接口，这是一个7bit宽度的并行接口，支持高速数据的输入输出操作，数据的输入输出通过一个专用的DMA控制器在接口和存储器中进行。 ST20系列提供智能卡接口，使机顶盒适应CA系统的需要，智能卡接口符合ISO7816 － 3的规范，使用异步协议。在新一代的ST20－TP3中，传送流解复用改为硬件实现，通过可编程控制的解复用接口进行控制， CPU被占用的资源更少，同时其解忧模块也进行了改进，可很方便地应用于很多的CA系统中。 ST方案的解码芯片使用STI 3520，它包括视频解码部分、音频解码部分和一个锁柏环。视频解码部分可实时解码符合MPEG－1和MPEG－2标准的，视频分辨率为720× 480×60Hz或720×576×50Hz的码流，通过垂直和水平方向的过滤器来实现显示图像格式的转换。音频解码部分可解符合MPEG标准的音频码流，采样率可为32、44.1、48kHz。音视频数据通过8bit的数据接口输入，3520能自动抽出时码进行音视频同步。有在屏显示的功能，用户定义的位图可以叠加在显示图像上，要显示的位图由ST20百接写入内存中。 

      STI3520有四个主要接口：微控器接口、存储器（DRAM或 SDRAM）接口、视频接口、音频接口。微控器接口用来传送数据、音视频的中断请求以及其它一些控制信息；存储器接口传送控制动态存储的地址和数据；视频接口输出复合、分量、S－Video等格式的信号，信号中可包含在屏显示信息；音频接口输出音频的时钟及PCM数据。在存储器容量大于2MByte的时候，PAL解码和在屏显示可同时执行，在屏显示的颜色为16色。 STI 3520A可以接收多种格式的压缩码流数据： 由ISO／IEC13818－1标准定义的MPEG的PES流； 由ISO／ IEC13818－ 2标准定义的MPEG视频ES（EIementary Stream）流；由ISO／IEC11172－3标准定义的音频ES流； 由ISO／IEC11172－1标准定义的MPEG视频ES流； 由ISO／ IEC11172－ 2标准定义的MPEG的PES流。在解码前，3520先从PES码流中抽出时间标志，同时将码流其它有用的信息抽出，将它们放入3520的寄存器中。 3520的存储器接口控制DRAM的读写和刷新，DRAM提供显示缓存、数据缓存、已解码数据缓存和在屏显示缓存。在视频解码过程中，四个过程同时进行，即输入码流到缓存、寻找输入码流的启始码、对一副图像进行解码、显示一幅图像。对每一个进程，ST20都要设置参数并通过中断监视其事件的通讯。 3520输入数据缓存的大小由软件定义，输入数据写入DRAM的进程独立于其它的解码进程，写入DRAM前，数据先通过1kbit的内部 FIFO（先入先出寄存器），在对 MPEG－2 （MP@ML）进行解码时，最大持续输入码率为 15MbPS，最大碎发输入码率为280Mbps，碎发输入深度为1kbit。启始码探测器搜寻缓存中码流的图像层的启始码，当找到一个之后，启始码探测器启动一个中断，微控器此时就可开始读出启始码后的数据。当一个新图像开始 Piture 的解码时，或当软件对其进行调用时，启始码探测器启动。图像解码进行整幅图像的解码，当整幅图像解码完成时，此进程停止，等待解下一幅图像的指令。在一幅图像的解码进程开始后，码流从压缩数据缓存中读出，进入变长解码器（Variable-length Code Decoder），图像重建过程开始，重建后的图像写入 DRAM中的已解码缓存段中，当一幅图像解码在进行时，下一幅图像的启始码探测也已开始。 图像数据的输出格式符合I－TU－ R656规范，为使解码图像的水平尺寸与显示图像相适应，3520O可对亮度和色度信号进行采样率的转换。在屏显示功能允许软件将位图叠加到任何区域的解码图像上，ST20可在任何时候将位图数据读出和写入。

         音频解码部分主要包括四大块：主机接口和控制寄存器块，用于主机和音频部分的通信以及音频控制器的设定；输入处理块，用于包一层的解复用响应，有一段256Byte的内部FIFO，在将音频数据输入DRAM之前，先解出时间标志，将音频数据段与时间标志捆绑起来；数字信号处理块，利用MPEG的Layer1和Layer2的算法进行音频解码；PCM输出决，将 PCM的音频输出组织为所需要的串行输出格式，并产生音频D／A转换器的所有控制信号。片内锁相环进行频率合成及分割，从单一的输入时钟中，得到所有解码过程所需要的时钟。输入时钟可以是PCM时钟、系统时钟或视频像素时钟中的一种，锁相环可进行编程控制，产生内部的MPEG视频解码时钟、音频解码时钟、PCM时钟以及外存储器时钟。 3DVB－C机顶盒软件结构 硬件之上是一层 DRIVERS（驱动程序），这部分主要包括接口驱动，MPEG解复用接口的设置及监视，MPEG解码控制寄存器的设置及监视，在屏显示功能的实现，前端的调谐器、解调芯片的驱动，板上数据库的写入及更新，各种表的过滤，解忧部分的驱动，若有回传信道还包括其驱动，若解复用是由软件实现的话，则包括软件解复用部分，SI 信息的过滤，电子节目表的过滤与显示，也包括其中。DRIVERS之上是实时操作系统（Real Time Operation System），主要作用是控制各种资源，包括各种硬件的控制，及软件各个进程之间的协调控制，系统资源的分配等，此部分往往简单而高效。

        ST公司的ST20系列，STI55xx系列，使用的操作系统为OS20或称STLite；LSI公司的L64008系列使用的是MK1000的操作系统。此部分往往已经提供了简单的API，用于用户的编程来实现系统控制和简单的用户界面。中间层是指建立于实时操作系统之上的操作系统，例如OPENTV，POWERTV，或 JA－ VA TVOS等，这部分提供了完整的功能，便于用户界面的编制及完善，便于用户管理系统的管理，也有利于多功能业务（例如回传、软件下载等功能）实现，但是代码效率较低，而且如果使用这种操作系统，要额外支付不低的软件使用费。用户可编程接口由操作系统提供（中间层或实时操作系统），使用户能够对软件进行修改。

4  我国研制开发该类机顶盒的方向

        数字有线电视机顶盒在我国的发展还刚刚起步，许多科研院所、企业单位都在开发研制过程中。笔者认为该类机项盒的开发应遵循以下4点，仅供参考：（1）以批量生产和规模化大生产为目标。数字有线电视机项盒是技术发展快的高科技产品，市场一旦成熟会呈爆炸型趋势发展。因此，我们的产品不能是一个功能样机和宣传产品，必须从一开始就以批量生产和规模化生产为目标，迅速形成DVB－C数字电视机顶盒的规模生产基地。在技术选型方面，要选择性能价格比、集成度高，稳定可靠的方案。 在元器件选型方面，尽量采用易于采购、正在量产和低成本的器件。（2）以DVB－C标准和国内即将发布的数字电视标准为指导。电视广播类产品的标准化工作十分重要，标准的选择正确与否直接影响产品的生命力。如国内就有一些企业宣布开发成功了美国标准（ATSC）的全数字电视，但是这种产品只能在美国销售，而在国内只能起到广告效应。（3）紧密结合市场。 对于各地区有线台数字电视的播出计划有大致了解，以判断该地区的市场潜力，提出适合该地区发展的机项盒类型。（4）与数字电视发端紧密结合。机顶盒产品是和前端系统中的编码器、条件接收系统、复用器、网络管理系统紧密相连的，在市场的开始阶段也是“系统带终端”的方式进行。因此，开发产品时，要广泛了解前端系统的应用和集成。

5  未来与展望

        数字电视的开通，仅仅是图像处理数字化的起步，今后，完全可以利用有线数字宽带网已接入千家万户这一优势，大力开展相关业务，例如：数据广播、视频点播、远程教育、家庭购物等等，与之对应的各种数字电视机顶盒也将迅速步入市场。与它同类产品相比，数字电视机顶盒有着自己独特的优势，更为适合我国的国情。由于其集成度变得越来越高，随之产生的效果将是稳定性、可靠性大大提高，而且产品各个模块的价格相应下降。低廉的价格、完善的高科技、广阔的市场和诸多的消费群体为数字电视机项盒的发展描绘出了一幅无限美好的前景，正是“莫愁前路无知己，天下谁人不识君”。