數(shù)字有線電視機頂盒單芯片QAMi5516及應用

　　摘要：QAMi5516是STMicro(意法半導體)公司最新推出的數(shù)字有線電視(DVB-C)機頂盒解調(diào)、解碼單芯片。文章介紹了QAMi5516的主要功能和特點，分析了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了基于該芯片的DVB-C數(shù)字有線電視機頂盒的典型應用。

　　關(guān)鍵詞：QAMi5516;DVB-C;數(shù)字電視;機頂盒;解調(diào);解碼

　　1　概述

　　QAMi5516是STMicro(意法半導體)公司最新推出的一款專門針對中低端市場的高性價比數(shù)字有線電視(DVB-C)機頂盒單芯片，同時也是ST推出的第一個將前端QAM(正交幅度調(diào)制)數(shù)字有線信號解調(diào)器與后端MPEG視頻解碼集成在一起的芯片，因而能夠很好的使模擬電視用戶收看數(shù)字有線電視節(jié)目。

　　除了傳統(tǒng)的音頻、視頻解碼功能以外，QA-Mi5516還具有很強的擴展能力、增強型圖形處理功能和提高音視頻質(zhì)量的后處理功能。同時，由于將QAM解調(diào)器和MPEG解碼器集成在了一起，因而降低了硬件芯片組的成本，簡化了電路設計，提高了產(chǎn)品的可靠性和性價比，也有助于降低生產(chǎn)成本，這對有著近一億個有線電視家庭用戶的中國機頂盒市場來說無疑具有重要意義。

　　2 功能特點

　　QAMi5516是一款高集成度、高性價比的解調(diào)解碼單芯片，它內(nèi)部集成了32位ST20 CPU 、QAM解調(diào)器、音頻/視頻MPEG-2 譯碼器、顯示及圖像處理功能和各種系統(tǒng)外設接口等。除了具有數(shù)字有線電視機頂盒的全部基本功能外，它還可以運行中間件以實現(xiàn)數(shù)字電視營運商的增值服務，同時具有以太網(wǎng)接口、USB接口等豐富的外設接口，從而不僅為實現(xiàn)增值服務建立了很好的硬件環(huán)境，而且也能夠滿足用戶上網(wǎng)瀏覽、電子商務以及電子節(jié)目指南等方面的需求。

　　QAMi5516的基本特點如下：

　　·符合ITU-T J.83 Annexes A/B/C、DVB-C標準;

　　·支持TSMF;

　　·集成有QAM解調(diào)器，可支持16、32、64、128和256QAM等不同調(diào)制方式的解調(diào);

　　·集成有MPEG-2 MP@ML視頻譯碼器、PAL/NTSC/SECAM視頻編碼器、匹配濾波器和自適應均衡器;

　　·支持時鐘可編程;

　　·功耗低;

　　·支持兩層PCB布板設計;

　　·采用PBGA封裝形式，416引腳。

　　3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

　　圖1 QAMi5516功能框圖

　　圖1是QAMi5516內(nèi)部功能框圖?，F(xiàn)將QA-Mi5516中各主要模塊工作原理作以介紹。

　　5 0x7F80 0000 0x7FFF FFFF 8 ROM

　　4 0x7F00 0000 0x7F7F FFFF 8 SDRAM

　　3 0x7000 0000 0x7EFF FFFF 240 外設

　　2 0x6000 0000 0x6FFF FFFF 256 外設

　　1 0x5000 0000 0x5FFF FFFF 256 SDRAM

　　0 0x4000 0000 0x4FFF FFFF 256 SDRAM

　　3.1 高性能的CPU

　　QAMi5516中的ST20-C201 CPU內(nèi)核由ST20C2+CPU、一個用于實時調(diào)試的診斷控制器單元(DCU)、內(nèi)部存儲器(8kB SRAM、8kB指令緩存、8kB數(shù)據(jù)緩存)和一個16級中斷控制器組成。其中，ST20C2+CPU是高性能的32位增強型RISC CPU，主頻高達180MHz。DCU用于引導CPU，并通過符合IEEE1194.1標準的測試訪問端口Test Access PortTAP來實現(xiàn)對所有片上系統(tǒng)的監(jiān)控。DCU內(nèi)部帶有在線仿真單元(ICE)和邏輯狀態(tài)分析單元(LSA)，可支持軟件的實時跟蹤調(diào)試。對于中斷，用中斷級控制器(ILC)可將38個中斷源映射到中斷控制器的16個可編程中斷級輸入端，并可由軟件來控制和改變，在所有16級中斷中，第15級優(yōu)先級最高，第0級優(yōu)先級最低。

　　3.2 外部存儲器及其接口

　　QAMi5516的外存可通過外部存儲器接口(EMI)來進行擴展，其工作頻率最高達100MHz，并支持1GB的地址空間，這對于嵌入式系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了。整個存儲地址空間分為四個區(qū)域，區(qū)域0映射到片內(nèi)SRAM，區(qū)域1映射到片外SDRAM(通過SMI接口擴展)，區(qū)域2映射到片內(nèi)外圍設備寄存器，區(qū)域3映射到外部存儲器(通過EMI接口擴展)。其中區(qū)域3又分為6個大小可編程設置的BANK，最大為256MB，最小為4MB。表1是該區(qū)域的典型配置方式。

　　表1 區(qū)域3的典型配置方式

　　BANK 起始地址 結(jié)束地址 大小(MB) 使用類型

　　3.3 QAM解調(diào)器

　　QAM解調(diào)器全面兼容I-TU-T J.83 Annexes A/B/C和DVB-C標準，支持16、32、64、128和256QAM等不同調(diào)制方式的解調(diào)。對于日本DBS系統(tǒng)，它還能夠?qū)SMF進行后處理，以從多路幀中提取單獨的傳輸流(TS)。

　　QAMi5516解調(diào)器內(nèi)部集成有一個高性能的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以直接處理從調(diào)諧器出來的中頻信號(包括7.2 MHz、36 MHz和44 MHz，最高達57MHz)。另外，還帶有用于調(diào)諧器增益控制和中頻增益控制的數(shù)字AGC等，并可降低QAM調(diào)制比特流恢復的比特誤碼率(BER)。

　　3.4 STBus互連總線

　　為了改善芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸總線瓶頸問題，QAMi5516采用基于OMEGA2 (奧米加)技術(shù)的高速先進的STBus來實現(xiàn)互聯(lián)。OMEGA2能夠為各個模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸提供較高的片上帶寬和較低的訪問延遲，其多路路由器允許多模塊之間進行同步讀和寫，這樣使得有效帶寬得到最大的使用率。

　　3.5 MPEG視頻解碼器

　　MPEG視頻解碼器用于MPEG2比特流的解壓縮和視頻流的構(gòu)建，它實際上是通過對一副副圖片(畫面)進行解碼來實現(xiàn)的。一般來說，在新畫面顯示的同時，下一副畫面就已開始插入相應的啟動代碼檢測器，這樣CPU就可以自動設置相應的寄存器對下一副畫面進行解碼。此外，該視頻解碼器還包括MPEG子圖解碼器、圖像顯示單元及OSD單元，而其多層顯示功能也大大豐富了電視顯示效果。

　　3.6 數(shù)字編碼器

　　數(shù)字編碼器用于將4:2:2的數(shù)字視頻流轉(zhuǎn)換成標準的PAL/SECAM/NTSC模擬基帶信號，也可以將4:4:4的數(shù)字視頻流轉(zhuǎn)換為RGB和YUV信號。它提供有6路模擬輸出，可以支持S-VHS(Y/C)+CVBS+RGB、S-VHS(Y/C)+CVBS+YUV、Y1+C1+CVBS1+C2+Y2+CVBS2等三種組合輸出方式。此外，QAMi5516內(nèi)部還集成有音頻子系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器、時鐘發(fā)生器等單元模塊，還有智能卡接口、異步串口、I2C收發(fā)器以及IEEE1284增強型高速并口等片內(nèi)外設接口。 電源電壓1 VDD3MAX 3.0 3.3 3.6 V

　　電源電壓2 VDD18MAX 1.6 1.8 2.0 V

　　輸入和雙向引腳容限電壓 VI18MAX GND-0.5 VDD18+0.5 V

　　輸入、輸出和雙向引腳容限電壓1 VI5MAX GND-0.5 5.5 V

　　輸入、輸出和雙向引腳容限電壓2 VO3MAX GND-0.5 VDD3+0.5 V

　　輸出電流 IOMAX 20 mA

　　貯存溫度 TSMAX 55 20 125 ℃

　　偏置溫度 TAMAX -55 20 125 ℃

　　4　典型應用

　　在應用設計中，要充分考慮到芯片的性能要求和極限參數(shù)，表2給出了QAMi5516的主要參數(shù)。

　　表2 QAMi5516極限參數(shù)和電特性參數(shù)

　　參 數(shù) 符 號 最小值 典型值 最大值 單位

　　圖2 典型DVB-C應用功能示意圖

　　圖2是一個基于QAMi5516的典型DVB-C數(shù)字有線電視機頂盒的功能示意圖。當DVB-C有線電視網(wǎng)利用同軸電纜傳送的數(shù)字電視射頻信號(頻率范圍為50MHz～870MHz)送到前端調(diào)諧器(Tuner)后，該信號會變換為一個中心頻率為43.75MHz的中頻信號，并通過IF in輸入到QAMi5516內(nèi)部的QAM解調(diào)器，以完成信號的定時恢復、載波恢復、數(shù)據(jù)成型、自適應均衡和維特比解碼(Viterbi，又叫格形解碼)、解交織、RS解碼和去隨機化，最后將得到的符合MPEG-2標準的傳輸流經(jīng)過TSOUT串/并口輸出。這樣就完成了整個信道解碼。顯然，這部分功能主要是由硬件來完成的，軟件只需對相應的寄存器進行初始化和控制。

　　從TSOUT輸出的MPEG-2傳輸流又將從TSIN1/2送到信源解碼模塊以進行解復用、視頻解碼和音頻解碼;然后再經(jīng)過PAL/SECAM /NTSCS視頻編碼器、音頻DAC等處理模塊，就可以輸出相應格式的音視頻信號了。

　　存儲器模塊主要包括FLASH、EEPROM和SDRAM等。其中FLASH用于存放用戶應用程序，EEPROM用于存放系統(tǒng)、用戶配置信息以及所有的節(jié)目信息，SDRAM是系統(tǒng)和應用程序運行的地方，而視頻SDRAM則用作視頻解碼緩沖區(qū)以存放OSD數(shù)據(jù)。

　　外圍接口模塊包括與外界的接口及控制電路。其中RS-232和RJ45網(wǎng)絡接口用于系統(tǒng)和主機的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于系統(tǒng)軟件升級和機頂盒故障診斷。前面板和遙控接口用于接收前面板和遙控器的輸入。智能卡接口用于支持CA有條件訪問控制系統(tǒng)，該接口符合ISO7816-3國際標準。此外，JTAG接口用于軟件調(diào)試和下載。

　　在工程設計中，對芯片操作系統(tǒng)的選取也是至關(guān)重要的，但這方面較易被忽視。事實上，操作系統(tǒng)往往會對系統(tǒng)的開發(fā)時間、難度和整機價格起到相當大的作用。ST在其配套的軟件開發(fā)包中帶有專門針對ST20內(nèi)核優(yōu)化的專用嵌入式操作系統(tǒng)STLite/OS20，因而可大大減輕軟件程序員的工作。

　　5　結(jié)束語

　　為了盡可能地最小化設計成本，加速數(shù)字電視機頂盒的開發(fā)速度，ST在推出QAMi5516的同時，還提供了完整的設計支持，包括電路設計方案、PCB布線布板硬件、核心嵌入式操作系統(tǒng)、完整的軟件開發(fā)包和相應的DEMO程序代碼等軟件，因而可大大縮短機頂盒產(chǎn)品的上市時間，滿足競爭需要。