DVB-C有線電視數(shù)字綜合解碼接收機(jī)（上）

【提要】本文從數(shù)字有線電視機(jī)頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成、應(yīng)用、市場(chǎng)潛力等方面分別進(jìn)行了闡述，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，提出了一些觀點(diǎn)和看法，并且以ST公司的系統(tǒng)方案為例，對(duì)其做了更加深入的探討。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字有線電視機(jī)頂盒 QAM調(diào)制 DVB－C MPEG－2 SmartCard

1 引言

在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，電視數(shù)字化步伐加快了。從模擬電視到數(shù)字電視，大大提高了電視節(jié)目的質(zhì)量。原來(lái)傳輸一套模擬電視節(jié)目的頻帶，可以傳輸4～10套數(shù)字節(jié)目，增加了節(jié)目數(shù)量，降低了傳送成本。就容量來(lái)說(shuō)，如果采用64QAM，8MHz帶寬的信道可容納 38.5Mbit／s的凈荷容量，不會(huì)外溢到鄰頻道。這也為廣電網(wǎng)發(fā)展成為寬帶多媒體綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了信息技術(shù)的更大發(fā)展。所以說(shuō)，數(shù)字電視取代模擬電視是大勢(shì)所趨。早在1998年3月美國(guó)政府聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC就通過(guò)了采用數(shù)字化電視的決議，它要求美國(guó)四大電視網(wǎng)必須在1999年5月1目前，在全美最大的10個(gè)有線電視收視地區(qū)播送數(shù)字電視節(jié)目；2000年5月1日，所有商用電視臺(tái)都應(yīng)數(shù)字化；2003年 5月1日所有非商用電視臺(tái)也要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。歐洲、日本、東南亞、中東等地區(qū)都先后開(kāi)展了相關(guān)業(yè)務(wù)。 在中國(guó)，有線電視已進(jìn)入千家萬(wàn)戶，從模擬電視到高清晰度數(shù)字電視，估計(jì)過(guò)渡期為15年左右。在此期間，模擬電視與數(shù)字電視將共存。目前，全國(guó)模擬彩電的社會(huì)擁有量2億臺(tái)以上，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，用機(jī)頂盒收看數(shù)字電視是最經(jīng)濟(jì)、最有效的過(guò)渡方案。機(jī)頂盒將數(shù)字信號(hào)處理并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，用現(xiàn)有模擬彩電收看，使用戶同樣能看到圖像較清晰、音質(zhì)較優(yōu)美的數(shù)字節(jié)目。我國(guó)各地有線電視臺(tái)都在規(guī)劃，積極準(zhǔn)備開(kāi)播數(shù)字電視節(jié)目。我國(guó)有8000萬(wàn)有線電視用戶，而且每年以近10％的速度增長(zhǎng)。如果有2％的用戶希望接收數(shù)字電視節(jié)目，則需要150萬(wàn)臺(tái)數(shù)字機(jī)頂盒（set toPbox）。如果每年以 5％的速度增長(zhǎng)，對(duì)機(jī)頂盒的需求量為 400萬(wàn)臺(tái)?？梢?jiàn)推廣數(shù)字電視后，將會(huì)形成家用數(shù)字有線機(jī)頂盒的廣闊市場(chǎng)。本文正是立足于此，探討一下數(shù)字有線機(jī)頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成及在我國(guó)的發(fā)展概況、展望。

2 數(shù)字有線電視機(jī)頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)前，國(guó)外數(shù)字有線電視的機(jī)頂盒類型十分廣泛，各自都有自己的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。但是，其系統(tǒng)構(gòu)成大同小異。 我們大體上可把機(jī)頂盒分為四個(gè)主要單元。

2.1 網(wǎng)絡(luò)接口單元

該單元主要完成信號(hào)接收、變頻和信號(hào)的解調(diào)。它主要包括CATV TUNER（調(diào)諧器）、 QAM解調(diào)芯片、一級(jí)A／D轉(zhuǎn)換及聲表面波濾波等相關(guān)組件。 調(diào)諧器可選的種類很多，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。此器件的作用是將從信道來(lái)的射頻信號(hào)下變頻到一個(gè)固定的中頻上去，使配套器件能夠準(zhǔn)確采樣。 A／D轉(zhuǎn)換器件是通用的，在市場(chǎng)上很多，但是其采樣率必須要滿足具體的要求，例如ST公司的STV0197就推薦采用10bit，40M采樣率的HI5746或ADC9050；也有些器件將 A／D部分集成人QAM器件中，例如LSILOGIC的L94768、L9A5004QAM解調(diào)芯片，這種方式是比較好的方式，因?yàn)锳／D轉(zhuǎn)換部分往往是指標(biāo)很難調(diào)的部分，放在電路板上遠(yuǎn)不如集成在芯片中穩(wěn)定，成本也降低很多。 QAM解調(diào)芯片許多大公司都有各自成型的產(chǎn)品，到國(guó)內(nèi)推廣比較多的主要就是上述兩家公司的芯片，這兩家公司都有一整套的DVB－C機(jī)頂盒的參考設(shè)計(jì)，QAM解調(diào)的芯片也包括其中。

2.2 MPEG－2傳輸流解復(fù)用、音視頻解碼及系統(tǒng)控制單元

它包括中心處理器芯片（CPU），外圍存儲(chǔ)器及相關(guān)電路。 它主要完成： （1）中心處理器：用于系統(tǒng)控制和機(jī)頂盒與外界的通信控制； （2）解復(fù)用部分：這個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)，有些系統(tǒng)是用軟件來(lái)完成的，這種方式對(duì)CPU的資源占用較大，系統(tǒng)靈活性不好；有些使用固定的硬件解復(fù)用，占用CPU的資源較少，僅僅是用來(lái)識(shí)別MPEG的各種表并設(shè)置寄存器而已，這種方式系統(tǒng)靈活性較大，解復(fù)用后，生成 MPEG的PES流，傳給專用的解碼芯片。 （3）解擾部分：這個(gè)模塊運(yùn)算量較大，幾乎所有的 DVB專用的解復(fù)用芯片都將解擾的硬件模塊集成進(jìn)去，此模塊控制相應(yīng)的一塊內(nèi)存，一旦解復(fù)用時(shí)發(fā)現(xiàn)了加擾的MPEG 數(shù)據(jù)包，則使用DMA方式將數(shù)據(jù)包傳入解憂模塊對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中去，解憂后再傳回來(lái)，繼續(xù)以后的解碼過(guò)程。這個(gè)過(guò)程，所要占用的系統(tǒng)資源較多，而且時(shí)間上也很緊張，所以，針對(duì)有加密系統(tǒng)的機(jī)頂盒，其軟件往往要經(jīng)過(guò)優(yōu)化。不同的CA系統(tǒng)有不同加抗方式，一般的DVB專用的解復(fù)用芯片中的解憂模塊都是針對(duì)DVB的通用解憂算法的，也有的將一些專用CA系統(tǒng)的解擾算法集成過(guò)去。 （4）MPEG解碼：此部分對(duì)MPEG－2碼流進(jìn)行音視頻解碼，它需要有自己的相應(yīng)外部存儲(chǔ)器（如SDRAM）來(lái)完成運(yùn)算。它的重要性不言而喻，其算法是否優(yōu)秀決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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 模擬視音頻電視信號(hào)編碼單元

包括一級(jí)D／A轉(zhuǎn)換器、音視頻放大器等相關(guān)電路用于音視頻的輸出，具體的就是將解碼芯片輸出的數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，輸出模擬聲，同時(shí)將解碼芯片輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行PAL或NTSC編碼，輸出基頻或射頻的PAL／ NTSC信號(hào)，也可同時(shí)輸出 Y／C、 YUV、RGB格式的視頻信號(hào)。

2.4 外圍數(shù)據(jù)接口單元

包括SmartCard讀寫器、高速數(shù)據(jù)傳輸口和低速數(shù)據(jù)傳輸口等外圍接口。Smartcard 讀寫器主要是協(xié)助完成解密的工作，它是為各種加密數(shù)據(jù)廣播等業(yè)務(wù)服務(wù)的，其CA軟件必須和發(fā)端設(shè)備相匹配。解密系統(tǒng)解開(kāi)接收機(jī)收到的已加密的密鑰，它是解擾模塊工作所必須的；解擾器則是讓收到的圖像和聲音恢復(fù)正常。 高速數(shù)據(jù)接口指IEEE1284或IEEE1394等數(shù)據(jù)接口，主要完成MPEG碼流的輸入或輸出。 低速數(shù)據(jù)接口是指RS232，USB的接口，主要是完成機(jī)頂盒與外界的低速數(shù)據(jù)通訊。 為了更加直觀地說(shuō)明，下面我們就以目前在國(guó)內(nèi)比較流行的ST公司的一套解決方案為例，進(jìn)行詳細(xì)闡述。 該方案的系統(tǒng)和解復(fù)用芯片為 ST20－TPx，其常用的為ST20－TP2。它的性能為： （1）集成了32位可變長(zhǎng)精簡(jiǎn)指令集的CPU，主頻速度為0～50Hz，有8K的在片SRAM，支持最大200MB／s的數(shù)據(jù)寬度； （2）具有可編程的存儲(chǔ)器接口，支持SRAM和DRAM混用的形式，數(shù)據(jù)寬度可為8， 16，32bit，支持PCMCIA模式； （3）支持異步和同步兩種串行通訊方式； （4）有內(nèi)部集成的解憂模塊，支持DVB的通用加擾方式的解擾。本模塊具有多種接口：包括兩個(gè)MPEG解碼的DMA接口、兩個(gè)SmartCard的接口、碼流輸入的DMA接口、塊移動(dòng)的DMA接口、圖文接口和IEEE1284接口等； （5）其開(kāi)發(fā)工具中包括標(biāo)準(zhǔn)C的編譯器和庫(kù)，可利用軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：①M(fèi)PEG系統(tǒng)層的解復(fù)用；②對(duì)其它設(shè)備（模塊）的驅(qū)動(dòng)和同步；③電子節(jié)目表的過(guò)濾和顯示；④ 條件接收的實(shí)現(xiàn)。 解復(fù)用過(guò)程是一個(gè)軟件和硬件混合的方式，ST20－TP2用DMA方式將接口芯片輸入的碼流直接放人存儲(chǔ)器中，用軟件來(lái)判斷碼流的類型并解復(fù)用。若判斷出碼流是用DVB標(biāo)準(zhǔn)加擾的碼流，則通過(guò)存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的DMA傳輸方式傳到解擾模塊中去，進(jìn)行解擾后再利用軟件解復(fù)用。 解復(fù)用后的碼流經(jīng)DMA方式傳到外存儲(chǔ)器的緩沖段中或作為消息傳給另一個(gè)進(jìn)程，當(dāng)解碼模塊發(fā)出DMA申請(qǐng)時(shí)，ST20從內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入解碼模塊，輸入碼流中提取的視頻和音頻壓縮數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的DMA控制器來(lái)傳給解碼模塊。 ST20－TP2 系列有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，因在典型應(yīng)用中，解復(fù)用操作占不到一半的CPU運(yùn)行周期。 ST20系列CPU有兩個(gè)異步串行接口（ASC2），用于與調(diào)制解調(diào)器或其它外圍設(shè)備相連，使機(jī)頂盒可以和收費(fèi)電視系統(tǒng)相連。這兩個(gè)異步串行接口可支持多種波特率和數(shù)據(jù)格式的傳輸，也可將碼流中的圖文或私有數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳給計(jì)算機(jī)等設(shè)備。

ST20系列同時(shí)提供兩個(gè)同步串行接口，一般使用I2C總線協(xié)議進(jìn)行通信，可用于外圍芯片的控制，例如前端的調(diào)諧器、STV0197（QAM解調(diào)）、STV0199（QPSK解調(diào)）、后瑞的PAL／NTSC編碼芯片STV0118等。 ST20系列也提供高速的數(shù)據(jù)接口，TP2提供一個(gè)IEEE1284接口，這是一個(gè)7bit寬度的并行接口，支持高速數(shù)據(jù)的輸入輸出操作，數(shù)據(jù)的輸入輸出通過(guò)一個(gè)專用的DMA控制器在接口和存儲(chǔ)器中進(jìn)行。 ST20系列提供智能卡接口，使機(jī)頂盒適應(yīng)CA系統(tǒng)的需要，智能卡接口符合ISO7816 － 3的規(guī)范，使用異步協(xié)議。 在新一代的ST20－TP3中，傳送流解復(fù)用改為硬件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)可編程控制的解復(fù)用接口進(jìn)行控制， CPU被占用的資源更少，同時(shí)其解憂模塊也進(jìn)行了改進(jìn)，可很方便地應(yīng)用于很多的CA系統(tǒng)中。 ST方案的解碼芯片使用STI 3520，它包括視頻解碼部分、音頻解碼部分和一個(gè)鎖柏環(huán)。視頻解碼部分可實(shí)時(shí)解碼符合MPEG－1和MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)的，視頻分辨率為720× 480×60Hz或720×576×50Hz的碼流，通過(guò)垂直和水平方向的過(guò)濾器來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示圖像格式的轉(zhuǎn)換。音頻解碼部分可解符合MPEG標(biāo)準(zhǔn)的音頻碼流，采樣率可為32、44.1、48kHz。音視頻數(shù)據(jù)通過(guò)8bit的數(shù)據(jù)接口輸入，3520能自動(dòng)抽出時(shí)碼進(jìn)行音視頻同步。有在屏顯示的功能，用戶定義的位圖可以疊加在顯示圖像上，要顯示的位圖由ST20百接寫入內(nèi)存中。