基于SAA7214與SAA7215機(jī)頂盒的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了PHILIPS公司推出的適合于交互式數(shù)字電視應(yīng)用的SAA7214和SAA7215芯片的功能特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)。提出了二者相結(jié)合組成的交互式數(shù)字有線電視機(jī)頂盒的方案，并給出了具體的軟件和硬件系統(tǒng)構(gòu)成。
關(guān)鍵詞：有線電視；機(jī)頂盒；系統(tǒng)；音頻；視頻

0  前言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，通信技術(shù)、電視技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)已進(jìn)入了相互結(jié)合的新時(shí)代。交互式電視（ITV）正是這種結(jié)合的具體體現(xiàn)。所謂交互式電視，是一種受用戶控制的電視，在節(jié)目間和節(jié)目?jī)?nèi)用戶能夠作出選擇和決定，是一種非對(duì)稱雙工通信模式的新型電視技術(shù)。其中，數(shù)字機(jī)頂盒（STB）是實(shí)現(xiàn)交互功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為ITV系統(tǒng)中的用戶終端，它是普通電視與寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。通過(guò)STB用戶坐在家中的電視機(jī)前，可以實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播（VOD）、家庭購(gòu)物、家庭辦公、電子游戲等多種服務(wù)，而且還能在普通電視機(jī)上收看到高清晰度的數(shù)字電視節(jié)目。

1  SAA7214與SAA7215功能特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

SAA7214和SAA7215是PHILIPS公司推出的一套STB解決方案。前者負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)性要求較高的硬件解復(fù)用、視頻音頻源解碼，并分離出視音頻數(shù)據(jù)流，以及與解碼相關(guān)聯(lián)的外圍I/O設(shè)備控制等。后者負(fù)責(zé)音頻、視頻和圖形的解碼、編碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)流分成音頻信號(hào)和視頻信號(hào)輸出。

1.1  SAA7214的功能特點(diǎn)及接口

SAA7214主要用來(lái)傳輸MPEG—2格式信息的源解碼器。SAA7214內(nèi)含一個(gè)MIPS PR3001芯片，該芯片是一個(gè)通過(guò)擴(kuò)展設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)置控制的32位每秒百萬(wàn)條指令的RISC規(guī)格的CPU，該芯片工作主頻為40.5MHZ。SAA7214還包含有通用異步收發(fā)器（UART）、I²C單元和IEEE1284接口。SAA7214的串行通信控制器包括三個(gè)UART。它具有兩個(gè)UART特性的TxD和RxD管腳，并且通過(guò)兩條數(shù)據(jù)線RTS和CTS來(lái)支持自動(dòng)的數(shù)據(jù)流控制。另一UART是唯一的雙工接口(TXD、RXD)且支持RTS、CTS數(shù)據(jù)流控制。UART也能工作在雙線方式,且在這種方式下他們通過(guò)RXD和TXD簡(jiǎn)單接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。SAA7214的I²C控制器包括2個(gè)串行接口，它適合I²C總線規(guī)格，并且支持標(biāo)準(zhǔn)和快速I(mǎi)²C總線模式。在相同的總線情況下，通過(guò)不同的編程I²C邏輯可以在主發(fā)送器模式、主接受器模式、從發(fā)送器模式、從接受器模式中任選一個(gè)進(jìn)行操作。

1.2  SAA7215的功能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)

SAA7215是一個(gè)包括音頻解碼和視頻解碼的MPEG-2格式的源解碼器。除了一些基本的MPEG功能外，SAA7215還提供像編碼輸出視頻一樣的增強(qiáng)圖表﹑背景顯示和滿屏顯示的方法。由于對(duì)音頻和視頻解碼有著最佳的結(jié)構(gòu)，因此能夠在外部存儲(chǔ)器和CPU處理能力方面最大限度地支持圖表處理功能。

SAA7215有著完善的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，用于低端設(shè)備的16Mbits和用于中高端設(shè)備的32Mbits，因此它能很好地進(jìn)行MPEG數(shù)據(jù)流和圖表的處理和控制。當(dāng)訪問(wèn)圖表寄存器時(shí)，其還為CPU提供了高的帶寬和短的等待時(shí)間。SAA7215內(nèi)部集成了帶有Y/C，CVBS和RGB輸出的視頻編碼器。SAA7215具有以下幾個(gè)特征：

（1）有單個(gè)或兩個(gè)外部同步DRAM。由于在MPEG解碼器中有效地使用了存儲(chǔ)器，因而有超過(guò)1Mbit的存儲(chǔ)空間用于圖表處理，而在雙SDRAM配置中可用的存儲(chǔ)空間為17Mbit。

（2）在以字節(jié)寬度或串行位格式的PES或ES中，有專用于壓縮音頻和視頻的輸入設(shè)備，并用選通信號(hào)來(lái)區(qū)分視頻和音頻數(shù)據(jù)。

（3）靈活的存儲(chǔ)器分配能最好地區(qū)分不同任務(wù)的存儲(chǔ)器。

（4）支持邊界掃描測(cè)試和外部SDRAM自檢。

2  基于SAA7214與SAA7215的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)SAA7214和SAA7215的功能特點(diǎn)，該系統(tǒng)硬件電路采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由四部分組成：通信模塊、主控模塊、控制面板模塊、IC卡模塊。各模塊可各自獨(dú)立更換，系統(tǒng)硬件功能框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)硬件功能框圖

2.1  通信模塊

通信模塊具體包括：QAM解調(diào)板和電話板（或雙向模塊）。

QAM解調(diào)板可將HFC網(wǎng)傳送來(lái)的經(jīng)QAM調(diào)制的信號(hào)，經(jīng)調(diào)諧頻率變換，QAM解碼、解交織、解RS碼、解擾等處理后，輸出MPEG—2解復(fù)用前的標(biāo)準(zhǔn)碼流（即TS流）。這部分主要由一片VES1820X芯片完成。

電話板采用DTMF方式調(diào)制上行信號(hào)，以電話網(wǎng)作為上行通道，下行采用64QAM的數(shù)字調(diào)制方式。有線電視網(wǎng)進(jìn)行雙向改造后，可選用雙向模塊實(shí)現(xiàn)交互功能，雙向模塊采用BPSK方式調(diào)制上行信號(hào)，以有線電視網(wǎng)作為上行通道。

2.2  主控模塊

主控模塊：具體指主板。主要有SAA7214、SAA7215、UDA1320A芯片和存儲(chǔ)器組成。

SAA7214芯片能將TS流進(jìn)行MPEG-2源解碼，并分離出視頻和音頻數(shù)據(jù)流，以及與解碼相關(guān)聯(lián)的外圍I/O設(shè)備的控制等。

SAA7215負(fù)責(zé)音頻、視頻以及圖形的解碼、編碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)流分成音頻信號(hào)和視頻信號(hào)，視頻信號(hào)由SAA7215輸出。SAA7215還具有完善的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，采用了DRAM、SDRAM、FLASH等，通過(guò)這些存儲(chǔ)芯片使軟件的運(yùn)行速度大大加快。

音頻信號(hào)由UDA1320A輸出。UDA1320A是一個(gè)具備位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換技術(shù)的單芯片正相立體DAC，它具有低功率消耗和低電壓工作模式；具有256、384和512三種不同頻率的系統(tǒng)時(shí)鐘；通過(guò)靜態(tài)管腳控制可以選擇不同的頻率；支持16KHZ至48KHZ的抽樣頻率；集成了數(shù)字濾波和正相DAC。

2.3  控制面板模塊

控制面板模塊包括：鍵控板和顯示板。它是通過(guò)一塊AT89C2051單片機(jī)來(lái)控制面板的各項(xiàng)功能，并與主板模塊中的SAA7214相聯(lián)系。將已解調(diào)、解碼和編碼后的視頻、音頻信號(hào)（即模擬信號(hào)）分別由機(jī)頂盒的各相應(yīng)端口輸出，完成對(duì)STB的功能控制和顯示。同時(shí)可用遙控器實(shí)現(xiàn)所有基本功能的控制與切換。

2.4  IC卡模塊

IC卡模塊：指IC卡板，具有智能IC卡CA解擾功能。該板中使用了TDA8004接口芯片，它位于IC卡與微處理器之間，無(wú)需接大量的外部元件就能完成保護(hù)和控制功能。信號(hào)通過(guò)接口與主板中的SAA7214相連，具有相應(yīng)的權(quán)限確認(rèn)功能，當(dāng)機(jī)頂盒接收到權(quán)限確認(rèn)信息后，才對(duì)數(shù)字電視節(jié)目進(jìn)行解碼，供用戶收看。實(shí)現(xiàn)有條件接收解密處理，這樣通過(guò)IC卡可實(shí)現(xiàn)收費(fèi)電視、付費(fèi)點(diǎn)播、征訂等業(yè)務(wù)。

3  系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

該機(jī)頂盒系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)層次：業(yè)務(wù)軟件應(yīng)用層、實(shí)時(shí)事件處理層、系統(tǒng)內(nèi)核及驅(qū)動(dòng)層。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1  業(yè)務(wù)軟件應(yīng)用層

業(yè)務(wù)軟件應(yīng)用層相當(dāng)是覆蓋在驅(qū)動(dòng)和操作系統(tǒng)之上的一層接口，它是根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需要而制定的，為用戶應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)頂盒的各種功能服務(wù)的。如綜合信息、電子商務(wù)、電子游戲等。
                                                        
3.2  實(shí)時(shí)事件處理層                                     

實(shí)時(shí)事件處理層是將應(yīng)用程序與低層的操作系統(tǒng)、硬件細(xì)節(jié)隔離開(kāi)來(lái)的軟件環(huán)境，它使應(yīng)用程序不依賴于具體的硬件平臺(tái)，是業(yè)務(wù)軟件應(yīng)用程序與硬件平臺(tái)的中間件，此軟件系統(tǒng)采用了OpenTV中間件。OpenTV中間件提供給用戶應(yīng)用程序完整的應(yīng)用程序接口，使應(yīng)用程序只需調(diào)用這些函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)頂盒系統(tǒng)所應(yīng)具有的所有功能。這樣，使得用戶應(yīng)用程序部分的工作變得非常簡(jiǎn)單。

3.3  系統(tǒng)內(nèi)核及驅(qū)動(dòng)層

本系統(tǒng)所采用的操作系統(tǒng)是pSOS，硬件驅(qū)動(dòng)層主要是針對(duì)各種硬件模塊，提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。主要的驅(qū)動(dòng)包括：接口模塊，包括I²C接口操作控制，智能卡的控制等；音頻模塊；視頻模塊；解復(fù)用模塊；解碼模塊，F(xiàn)lash驅(qū)動(dòng)模塊等。

4  結(jié)束語(yǔ)

以上介紹了基于SAA7214與SAA7215芯片的有線電視機(jī)頂盒軟軟硬件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能框圖。該系統(tǒng)采用高度開(kāi)放的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)前端將模擬的視、音頻信號(hào)經(jīng)MPEG-2視像編碼壓縮成數(shù)字信號(hào)，把多路數(shù)字信號(hào)經(jīng)復(fù)接器復(fù)接后，再進(jìn)行QAM調(diào)制發(fā)射，作為用戶的下行數(shù)字信號(hào)。用戶采用電話DTMF或BPSK作為上行，通過(guò)上行通道就能把用戶的選擇信息傳送給系統(tǒng)服務(wù)中心（系統(tǒng)前端）。這樣就能夠在寬帶網(wǎng)（既有線電視網(wǎng)）中實(shí)現(xiàn)交互式視頻點(diǎn)播（VOD）、股票信息及分析和及時(shí)交易、遠(yuǎn)程教育、信息發(fā)送等。且該有線電視機(jī)頂盒的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件可由控制服務(wù)器通過(guò)下行信道廣播下來(lái)，如需擴(kuò)展機(jī)頂盒的應(yīng)用能力，只須修改或增加相應(yīng)的軟件即可，無(wú)需對(duì)機(jī)頂盒的硬件作大的改動(dòng)，給系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)了方便。

目前，國(guó)內(nèi)廣播電視系統(tǒng)已開(kāi)始了向數(shù)字電視的轉(zhuǎn)變，雖然近期的數(shù)字應(yīng)用更多的還是將模擬彩電數(shù)字化，但隨著用戶對(duì)功能需求的增加，以及有線運(yùn)營(yíng)商服務(wù)內(nèi)容的豐富，具有多功能的交互式的有線電視機(jī)頂盒也會(huì)得到日益廣泛的應(yīng)用，并且會(huì)有較大的市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

〔1〕 薛惠鋒  信息港理論與實(shí)踐〔M〕  西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2000
〔2〕 劉裕輝  ADSL應(yīng)用技術(shù)研究〔J〕  微計(jì)算機(jī)信息，2004，（8）：111—113
〔2〕 楊貴明  寬帶互動(dòng) 多媒融合〔J〕  廣播與電視技術(shù)，2002，（7）：46—49
〔3〕 肖運(yùn)虹  電視技術(shù)〔M〕  西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004