DVB-C機(jī)頂盒信源解碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘  要：本文實(shí)現(xiàn)了以SC2005為主芯片的機(jī)頂盒信源解碼器，并將該解碼器配接L64768前端，組成了符合DVB-C標(biāo)準(zhǔn)的完整機(jī)頂盒方案；可對符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的音視頻流進(jìn)行解碼并兼容PAL/NTSC/SECAM制式的模擬電視接收。
關(guān)鍵詞：DVB-C；機(jī)頂盒；信源解碼器；SC2005

引言
    近年來，我國廣播電視數(shù)字化發(fā)展的進(jìn)程明顯加快，從而直接引發(fā)了對機(jī)頂盒(Set-top Box)的巨大市場需求，凸顯了其重要性。在機(jī)頂盒的研發(fā)過程中，信源解碼器的研制是整個(gè)開發(fā)工作的基礎(chǔ)和核心。隨著機(jī)卡分離政策的出臺，信源解碼器的通用性和復(fù)雜性，使其在機(jī)頂盒終端的開發(fā)過程中變得更加重要。本文論述的即為符合DVB-C標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字有線電視機(jī)頂盒信源解碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
　　
總體方案
    機(jī)頂盒大體可以分成兩個(gè)功能部分：信道解調(diào)解碼部分和信源解碼部分。信道部分即前端，負(fù)責(zé)對數(shù)字電視信號進(jìn)行解調(diào)接收和信道解碼。由于前端的不同，機(jī)頂盒可分為數(shù)字衛(wèi)星機(jī)頂盒、數(shù)字地面機(jī)頂盒和數(shù)字有線機(jī)頂盒三種。

　　該信源解碼器是針對數(shù)字有線電視機(jī)頂盒研制的，將配接L64768前端，組成符合DVB-C標(biāo)準(zhǔn)的完整機(jī)頂盒方案。本文采用LSI Logic公司的基于SC2005的第二代單片信源解碼方案來實(shí)現(xiàn)解碼功能。該解碼器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，按功能可分為4個(gè)部分：以SC2005為核心的CPU及存儲控制子系統(tǒng)；傳輸流解復(fù)用和音視頻解碼子系統(tǒng)；圖形處理和屏幕菜單顯示及輸出子系統(tǒng)；外圍接口子系統(tǒng)。

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圖1  機(jī)頂盒信源解碼器

硬件實(shí)現(xiàn)
    該信源解碼器的啟動代碼存儲在Flash Boot ROM中，所用字體則存儲在Flash Font ROM中。SC2005的兩個(gè)SDRAM存儲器接口分別與SDRAM-A和SDRAM-B相接。系統(tǒng)加電后，保存在Flash Boot ROM中的啟動代碼被調(diào)到SDRAM-B中執(zhí)行。時(shí)鐘由27MHz壓控振蕩器經(jīng)倍頻后提供。壓控振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號經(jīng)過74LVC14整形后送到SC2005的VCXO引腳，并通過SDET引腳的輸出進(jìn)行同步恢復(fù)。傳輸流復(fù)用、音視頻解碼、圖形處理等功能均由SC2005內(nèi)部相應(yīng)的集成模塊配合外部相關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。

CPU及存儲控制子系統(tǒng)
    SC2005集傳輸解復(fù)用器 L641x8和MPEG-2音視頻解碼器L64105的功能于一體，內(nèi)含EZ4102內(nèi)核、16KB指令Cache和8KB數(shù)據(jù)Cache，這是SC2005的核心組成部分。

    該信源解碼器所用的兩片1M×16bit Flash ROM均為AM29LV160DT-70，使用單一電源供電，讀寫和編程均使用3.3V電壓，高速70ns讀寫時(shí)間。它們通過E-Bus與SC2005相連，地址總線A[6:0]和SC2005的ADDR[7:1]相連，A[19:7]和SC2005的AD[28:16]相連，數(shù)據(jù)總線DQ[15:0]和SC2005的AD[15:0]相連。芯片內(nèi)部共有35個(gè)扇區(qū)，其中4個(gè)作為引導(dǎo)扇區(qū)，大小為4k字~16k字，其余31個(gè)扇區(qū)為32k字；有一個(gè)字節(jié)/字模式選擇引腳BYTE#，本設(shè)計(jì)中該引腳接高電平，選擇字模式。

    81MHz/1M×16bit的SDRAM-A和108MHz/2M×16bit的SDRAM-B通過S-BUS 與CPU的SDRAM存儲器接口相連。其中SDRAM-A專門用于MPEG解碼時(shí)存儲視頻幀和相關(guān)信息，SDRAM-B存儲解復(fù)用、OSG和外圍設(shè)備接口子系統(tǒng)的信息。SDRAM-A與SDRAM-B之間可通過一個(gè)DMA引擎直接傳送數(shù)據(jù)。

傳輸流解復(fù)用和音視頻解碼子系統(tǒng)
    SC2005首先接收來自信道解碼器或碼流發(fā)生器的TS流，然后自動進(jìn)行傳輸包同步檢測。一旦同步建立，就會將傳輸包發(fā)送到PID預(yù)處理器中。PID預(yù)處理器分析輸入的傳輸包，檢查它們的PID值，只有和PID表匹配的PID值才能通過第一步濾波，不匹配的包被丟棄。通過PID濾波器的傳輸包被送到DVB解擾碼器中，經(jīng)過解擾的包進(jìn)入PID后處理器，在經(jīng)過濾波后，音視頻PES數(shù)據(jù)直接進(jìn)入A/V解碼器中，而其它數(shù)據(jù)被送到外部SDRAM-B的循環(huán)緩沖器中，CPU能直接從存儲器中讀數(shù)據(jù)。傳輸流解復(fù)用子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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圖2  傳輸流解復(fù)用子系統(tǒng)

    解復(fù)用后的音視頻PES流通過A/V接口進(jìn)入L64105 MPEG-2解碼器進(jìn)行分組解碼。L64105輸出數(shù)字視頻和數(shù)字音頻信號各兩組。一組數(shù)字視頻和一組數(shù)字音頻信號直接輸出。另一組的數(shù)字視頻信號送到視頻編碼器中，被轉(zhuǎn)換成全電視信號(CVBS)或S端子信號(Y/C)，經(jīng)過外部低通濾波后，直接送到電視機(jī)中；數(shù)字音頻信號送到音頻DAC中，轉(zhuǎn)換成立體聲模擬信號，經(jīng)外部低通濾波后輸出。

圖形處理和屏幕菜單顯示輸出子系統(tǒng)
    SC2005集成了高性能的OSG(On-Screen Graphics)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)可產(chǎn)生文本和圖形并疊加到解碼的視頻上。OSG子系統(tǒng)產(chǎn)生靜止層、OSD層和光標(biāo)層；解碼子系統(tǒng)提供視頻層；混合器/編碼器子系統(tǒng)產(chǎn)生背景顏色層，并在視頻輸出之前將上述5層進(jìn)行編碼復(fù)合，從而根據(jù)需要顯示所要輸出的復(fù)合視頻。這個(gè)子系統(tǒng)將來自O(shè)SG子系統(tǒng)的圖形和解碼視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行混合編碼，然后輸出NTSC/PAL/SECAM制式的RGB/YPbPr、CVBS或S視頻信號給電視機(jī)或監(jiān)視器。

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圖3  ATA硬盤接口

外圍接口子系統(tǒng)
    該信源解碼器集成了一個(gè)ATA硬盤接口，如圖3所示。用戶可以通過此接口實(shí)現(xiàn)個(gè)人數(shù)字錄像機(jī)PVR(Personal Video Recorder)功能；還可在硬盤中開設(shè)海量緩存區(qū)，在播放數(shù)字電視的同時(shí)，對節(jié)目進(jìn)行長達(dá)數(shù)小時(shí)的實(shí)時(shí)存儲。依賴這種緩存技術(shù)，用戶可以進(jìn)行時(shí)移播放。

    該解碼器擁有一個(gè)TDA8004T智能卡接口和符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG模塊，提供了基本的調(diào)試功能，還提供了LVDS接口，用來接收碼流發(fā)生器輸出的TS流。由DB-25接口輸入的LVDS信號通過3片DS90C032進(jìn)行電平變換后，進(jìn)入解碼器。此外，該系統(tǒng)還使用了一個(gè)UART，用于機(jī)頂盒的調(diào)試和軟件升級。

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圖4  機(jī)頂盒軟件分層框架

　　
軟件設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)基于一個(gè)分層的框架，其中，部分由LSI Logic在其參考軟件中提供，其它部分需要由用戶自行開發(fā)。軟件的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層(RTOS)是所有上層程序代碼運(yùn)行的基礎(chǔ)，主要負(fù)責(zé)多任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)資源管理、中斷處理、通信操作和同步處理等。本文使用的是WindRiver公司專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的一個(gè)模塊化、高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)pSOSystem。RTOS層用板級支持包(BSP) 來實(shí)現(xiàn)與硬件層接口。

　　　操作系統(tǒng)移植層(OSP)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能：一個(gè)是動態(tài)配置任務(wù)的屬性，如上下文的切換，優(yōu)先級等；另一個(gè)是管理任務(wù)之間的通信，如數(shù)據(jù)傳輸與同步。硬件抽象層(HAL)負(fù)責(zé)直接對硬件寄存器編程；設(shè)備驅(qū)動層(DDL)是硬件抽象層的一個(gè)明了、方便的備份和封裝，主要針對各硬件模塊提供相應(yīng)的驅(qū)動程序，如SC2005異常處理的驅(qū)動、時(shí)鐘服務(wù)模塊的驅(qū)動和OSG圖形庫的驅(qū)動等。應(yīng)用程序接口層(API)為上層的應(yīng)用程序提供API函數(shù)。

   驅(qū)動適配層(DAL)是對設(shè)備驅(qū)動層功能的進(jìn)一步集合，通過功能組合可以直接應(yīng)用到應(yīng)用程序?qū)?，它起到了接口的作用。例如對Flash的操作，可以用這樣的一個(gè)驅(qū)動適配層進(jìn)行功能的進(jìn)一步封裝，以利于上層應(yīng)用程序的調(diào)用。

　　　用戶應(yīng)用程序?qū)邮菣C(jī)頂盒用戶應(yīng)用軟件的主體部分，也是軟件開發(fā)的重點(diǎn)。與機(jī)頂盒有關(guān)的所有上層功能的實(shí)現(xiàn)都在這層完成，如關(guān)于用戶界面功能的實(shí)現(xiàn)、EPG的實(shí)現(xiàn)、節(jié)目數(shù)據(jù)庫的管理、用戶信息輸入/輸出控制和軟件升級等。
　　
性能測試結(jié)果
　　該信源解碼器配接L64768前端后，經(jīng)測試，達(dá)到預(yù)定功能。其性能特點(diǎn)如下：
1.整機(jī)系統(tǒng)完全符合DVB-C/MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)
2.信道解碼支持16/32/64/128/256QAM，轉(zhuǎn)換率為：3MSPS~ 7MSPS
3.TS解復(fù)用器最大輸入比特率：60Mbps(串行1)/7.5Mbps(并行)
4.視頻解碼分辨率：Max720×576，支持圖文和字幕
5.音頻解碼器采樣率：32/44.1/48kHz，支持32級音量調(diào)節(jié)
6.支持ATA硬盤接口
 
結(jié)語
    本文實(shí)現(xiàn)了基于SC2005的DVB-C機(jī)頂盒信源解碼器，集成了個(gè)人數(shù)字錄像機(jī)，并配接L64768前端，組成了符合標(biāo)準(zhǔn)的功能樣機(jī)。