一種具有條件接收功能數(shù)字電視的設(shè)計

摘要：為了設(shè)計一種具有條件接收功能的DVB_C數(shù)字電視，采用Trident SoC SXL為核心的處理芯片，DDR3 SDRAM采用NT5CB64M16DP，SPI FLASH為MX25L4006E，NAND FLASH為NAND512W3A2D。采用內(nèi)置數(shù)字電視高頻頭進(jìn)行接收和解碼數(shù)字電視節(jié)目信號的方法，實現(xiàn)全程數(shù)字化，降低數(shù)字電視信號在傳輸過程中導(dǎo)致的干擾和損耗，提高了電視接收的信號質(zhì)量。用戶在使用該電視過程中。只需要使用一個遙控器，把原來機(jī)頂盒的遙控器省掉，增強(qiáng)方便使用等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電視；條件接收；機(jī)頂盒；閃存

0 引言
    數(shù)字電視涉及很多領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，其中傳輸標(biāo)準(zhǔn)分為：地面?zhèn)鬏?無線)、有線傳輸、衛(wèi)星傳輸。隨著數(shù)字電視廣播的迅猛發(fā)展，數(shù)字電視技術(shù)的不斷推廣和發(fā)展，人們對電視的需求不僅僅停留在對聲音、視頻節(jié)目的需要，而是需要獲取更多的信息。數(shù)據(jù)廣播是傳統(tǒng)聲音和視頻以外新的電視服務(wù)業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)能夠為用戶帶來更多的圖形、文本、游戲、數(shù)據(jù)下載、在線升級等功能。在中國擁有眾多的電視用戶，因此研究數(shù)據(jù)廣播技術(shù)，發(fā)展符合地區(qū)特色的數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)對提高我國信息化水平具有深遠(yuǎn)意義。未來幾年，中國數(shù)字電視市場以有線數(shù)字電視為主，有線數(shù)字電視將長期保持主要地位，有線數(shù)字電視市場規(guī)模占據(jù)整體數(shù)字電視的主要市場。中國的有線電視網(wǎng)絡(luò)一般采用的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)DVB-C。本文介紹了一種基于帶有CA功能的DVB-C數(shù)模一體數(shù)字電視的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計
    帶有CA功能的DVB-C的數(shù)字電視以Trident SoC SXL為核心處理芯片，并以Trident SoC SXL為中心設(shè)計視頻解碼、數(shù)據(jù)流MPEG解碼、條件接收CA控制等功能。系統(tǒng)胡硬件主要有Trident SoC SXL，DDR3 SDRAM NT5CB64M16DP，SPI FLASH MX25L-4006E，NAND FLASH NAND512W3A 2D、電源管理芯片等。該系統(tǒng)的框圖如圖1所示。本文主要介紹了視頻信號輸入部分、外部存儲器部分、視頻信號輸出部分。

    Trident SoC SXL高度集成了眾多組件的單芯片，其中包括符合生產(chǎn)要求的H．264／VCI／MPEG-4／MPEG-2解碼器，集成ATSC／DVBT／C ／Aanalog解調(diào)器，支持DVB_CI+，one PCMCIA卡，支持NICAM／BTSC／FM stereo radio，A2聲音解調(diào)，支持CVBS／YC分離／HDMI／YPbPr ／RGB信號輸入，集成MCU，F(xiàn)LASH，Memory控制器，可以滿足帶有CA功能的DVB-C數(shù)模一體的數(shù)字電視的解決方案，可降低系統(tǒng)成本。
    數(shù)字電視信號經(jīng)過編碼調(diào)制后進(jìn)行傳輸，需要對經(jīng)過數(shù)字化壓縮的圖像和聲音信號進(jìn)行解調(diào)解碼還原，產(chǎn)生視頻和聲音信號，通過電視顯示器和音響設(shè)備給觀眾提供高質(zhì)量的電視節(jié)目。需要對DVB調(diào)制的數(shù)字電視信號進(jìn)行信道解碼，和MPEG-2的傳輸流分成視頻、音頻，使視頻、音頻和數(shù)據(jù)分離開。若現(xiàn)有的模擬電視要看數(shù)字電視節(jié)目，則需要外置數(shù)字電視機(jī)頂盒，它是一種將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的變換設(shè)備，再由轉(zhuǎn)換后的模擬信號輸入到模擬電視顯示。它的信號模式是數(shù)字化信號通過機(jī)頂盒轉(zhuǎn)換為模擬信號AV輸出，由AV連接到電視，而在電視內(nèi)又轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號處理，這樣“數(shù)-模-數(shù)”的多次轉(zhuǎn)換對信號有損傷。
    數(shù)字電視信號通常采用“數(shù)字電視機(jī)頂盒+模擬電視”的結(jié)構(gòu)，數(shù)字電視機(jī)頂盒將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的變換設(shè)備，它對經(jīng)過數(shù)字化壓縮的圖像和聲音信號進(jìn)行解碼還原，產(chǎn)生模擬的視頻和聲音信號。它所涉及的模塊有開關(guān)電源、遙控器接收、按鍵控制面板、高頻頭Tuner、升級串口RS 232、閃存FLASH、音視頻輸出接口RCA以及條件接收系統(tǒng)CA模塊。“數(shù)-數(shù)”轉(zhuǎn)換模型的數(shù)字電視實質(zhì)上是一種內(nèi)置數(shù)字電視機(jī)頂盒、并能接收模擬信號的“雙模”電視。它不必將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，機(jī)頂盒的開關(guān)電源可以和電視的電源系統(tǒng)共用，遙控器接收和按鍵控制面板也采用電視的遙控器接收和按鍵控制面板，數(shù)字高頻頭Tuner要內(nèi)置到電視的主板中，閃存FLASH也和電視中的閃存共用，不必對解碼的數(shù)字音視頻信號進(jìn)行重新轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過RCA接口輸出。Trident SoC SXL高度集成芯片可以滿足“數(shù)-數(shù)”轉(zhuǎn)換模型并帶有CA功能。DVB-C數(shù)模一體的數(shù)字電視設(shè)計的需要。
1．1 視頻信號輸入設(shè)計
    接收調(diào)諧器，一般稱之為Tuner，主要作用是對射頻信號進(jìn)行QAM模擬解調(diào)，對信號下變頻至中頻信號。下變頻的中頻信號經(jīng)過信道解碼器芯片，進(jìn)行信道處理，可輸出符合DVB接口標(biāo)準(zhǔn)的并行或串行的TS流信號。SXL可以實現(xiàn)對輸入的數(shù)據(jù)流處理，包括數(shù)據(jù)流的解復(fù)用、解壓、解擾、同步、校驗、緩存等。SXL和TURN BOARD的接口框圖如圖2所示。SXL先對傳輸流解復(fù)用，分離出各個獨(dú)立的節(jié)目PES流以及SI等服務(wù)信息，接著對節(jié)目PES流進(jìn)行解復(fù)用，分離出視頻、音頻、數(shù)據(jù)的ES流。MPEG-2主要包含視頻的解壓縮和音頻解壓縮兩大部分。它們按照MPEG-2的解碼算法分別對壓縮的視頻碼流和音頻碼流進(jìn)行解碼，從而得到正常的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)碼流。

    圖2中TS2_D[0．．7]為數(shù)據(jù)輸入引腳與FE_D[0．．7]相連，實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)信號數(shù)據(jù)的傳輸。TS2_SYNC和FE_START相連，是一位幀同步信號。TS2_DE和FE_VALID相連，是一位數(shù)據(jù)有效信號。TS2_CLK和FE_CLK相連，數(shù)據(jù)流傳輸?shù)臅r鐘信號。SDAM1和I2C_M1_SDA相連，實現(xiàn)I2C通信的數(shù)據(jù)傳輸。SCLM1和I2C_M1_SCL相連，實現(xiàn)I2C通信的時鐘信號。RESET#和RESET相連，實現(xiàn)復(fù)位控制。幀同步信號對應(yīng)TS包的同步字節(jié)047H，TS2_DE信號用來區(qū)分TS包的長度為188 B或204 B。當(dāng)TS包長為188 B時，TS2_DE信號一直為高，同時所有信號都與時鐘信號保持同步。
    條件接收CA系統(tǒng)是一個綜合性的系統(tǒng)，集成了數(shù)據(jù)加密和解密、加擾和解擾、智能卡等技術(shù)，同時也涉及到用戶管理、節(jié)目信息管理、收費(fèi)管理等信息應(yīng)用管理技術(shù)，能實現(xiàn)各項數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)的授權(quán)管理和接收控制。SXL和CI CARD的接口框圖如圖3所示。圖3中TS2_D[0．．7]數(shù)據(jù)引腳與CI_INDATA[0．．7]相連，實現(xiàn)加密的數(shù)據(jù)輸入到CA卡。TS2_SYNC和CI_INSYNC相連，是一位幀同步信號。TS2_DE和CI_ INVALID相連，是一位數(shù)據(jù)有效信號。TS2_CLK和CI_INCLK相連，數(shù)據(jù)流傳輸?shù)臅r鐘信號。TS1_D[0．．7]數(shù)據(jù)引腳與CI_OUTDATA[0．．7]相連，實現(xiàn)解密的數(shù)據(jù)輸入到SXL。TS1_SYNC和CI_OUTSYNC相連，是一位幀同步信號。TS1_DE和CI_OUTVALID相連，是一位數(shù)據(jù)有效信號。TS1 _CLK和CI_OUTCLK相連，數(shù)據(jù)流傳輸?shù)臅r鐘信號。

    條件接收的核心是控制字CW傳輸?shù)目刂?。在采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視系統(tǒng)中，與節(jié)目流條件接收系統(tǒng)相關(guān)的有兩個數(shù)據(jù)流：授權(quán)控制信息ECM(Entitle Control Message)和授權(quán)管理信息EMM(EntitleManage Message)。由業(yè)務(wù)密鑰SK(Service Key)加密處理后的CW在ECM中傳送，ECM中還包括節(jié)目來源、時間、內(nèi)容分類和節(jié)目價格等節(jié)目信息。對CW加密的SK在EMM中傳送，而SK在傳送前要經(jīng)過用戶個人分配密鑰PDK(Personal Distribute Key)的加密處理，EMM中還包含地址、用戶授權(quán)信息。
1．2 外部存儲器設(shè)計
    在該系統(tǒng)中，選用的外部存儲器為兩個DDR3SDRAM芯片，一個SPI FLASH芯片和一個NANDFLASH芯片。在該系統(tǒng)中，采用南亞科技Nanya公司的兩顆1 GB DDR3 SDRAM作為主存儲器，型號為NT5CB64-M16DP。SXL和NT5CB64-M16DP的接口框圖如圖4所示。

    其中，CK和是時鐘引腳，芯片時鐘通過這兩個引腳輸入。為行地址鎖存，為列地址鎖存，為寫使能，這三個引腳可對輸入命令進(jìn)行規(guī)定。A0～A14為地址總線，芯片中行地址為A0～A12，列地址為A0～A9，其中的A10是自動預(yù)充電標(biāo)志，A12是突發(fā)突變標(biāo)志。是系統(tǒng)復(fù)位信號控制，CKE時鐘使能控制，用于內(nèi)部時鐘，設(shè)備輸入緩存，外部驅(qū)動。在復(fù)位時，至少保持低電平100 ns；CKE在解除復(fù)位前10 ns開始置低電平，CKE保持低電平500μs后active為高電平，DRAM開始做內(nèi)部狀態(tài)初始化。
    該單元選用1 GB的DDR3 SDRAM，所以選擇BA0和BA2兩個引腳對片內(nèi)8個組進(jìn)行選擇。DQL0～DQL7和DQU0～DQU7為雙向數(shù)據(jù)總線引腳，可支持16為寬度的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)DQS進(jìn)行寫操作時，數(shù)據(jù)輸出到芯片中；當(dāng)DQS進(jìn)行讀操作時，芯片的數(shù)據(jù)輸入到SXL中。差分控制信號MMDQS1用于MMDQ8～MMDQ15，差分控制信號MMDQS0用于MMDQ0～MMDQ7。差分控制信號LDQS和MMDQS0相連，LDQS與DQL0～DQL7數(shù)據(jù)相對應(yīng)；差分控制信號UDQS和差分控制信號MMDQS1相連，UDQS與DQU0～DQU7數(shù)據(jù)相對應(yīng)。LDQS和UDQS分別為低位和高位數(shù)據(jù)選通。
    SPI(Serial Peripheral Interface)意為串行外圍接口。系統(tǒng)中選用的SPI FLASH為旺宏電子的MX25L4006E，它為一個4 MB的內(nèi)存，有128個扇區(qū)，每個扇區(qū)4 kB；可分為8個塊，每個塊大小64 kB。閃存的電源為3．3 V。SXL和NAND512-W3A2D的接口框圖如圖5所示。
    圖5中CS#引腳與SF_CES引腳相連，從器件使能信號，實現(xiàn)片選功能。SI／SIO0引腳與SF_SI引腳相連，實現(xiàn)對串行數(shù)據(jù)主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入。SO／SIO1引腳與SF_SO引腳相連，實現(xiàn)對串行數(shù)據(jù)主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出。SCLK引腳與SF_SCK引腳相連，由主器件產(chǎn)生時鐘信號，SPI串行時鐘引腳SCLK用于控制主機(jī)與從機(jī)之問的數(shù)據(jù)傳輸。從主機(jī)發(fā)出啟動傳輸信號開始，此時要傳送的數(shù)據(jù)裝入8位移位寄存器，同時產(chǎn)生8個時鐘信號從SF_SCK引腳依次送出，在SF_SCK信號的控制下，主機(jī)中8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)依次從SF_SI引腳送出，到從機(jī)的SI／SIO0引腳送入它的8位移位寄存器，在此過程中，從機(jī)的數(shù)據(jù)也通過SO／SIO1引腳到主機(jī)中。WP#引腳與SF_WPN引腳相連，控制寫保護(hù)。HOLD#引腳與SF_HOLDN引腳相連，當(dāng)?shù)碗娖綍r，表示暫停串行通信，不會停止寫操作，程序，擦除過程。
    系統(tǒng)中選用的Micron公司的NAND FLASH為NAND512W3A2D，它為一個512 MB的內(nèi)存，每頁的大小為528 B(512+16備用)，每個塊的大小為16 KB+512 B備用字節(jié)，它的8個I／O引腳是地址復(fù)用的，這樣可以減少引腳數(shù)，并方便系統(tǒng)升級，閃存的電源為3．3V。SXL和NAND512W3A2D的接口框圖如圖6所示。

    圖6中I／O0～I(xiàn)／O7為數(shù)據(jù)輸入／輸出引腳，與FRA0，F(xiàn)RA5～FRA12引腳相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。I／O引腳用于輸入命令、地址和數(shù)據(jù)，還用于在讀操作時輸出數(shù)據(jù)，被鎖在脈沖上升沿。引腳與BOOTCS引腳相連，實現(xiàn)片選功能。引腳與FOE#引腳相連，實現(xiàn)對串行數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行控制。引腳與FWE#引腳相連，控制對I／O端口的寫操作，命令、地址和數(shù)據(jù)被鎖在脈沖的上升沿。為輸出引腳，與FRDY引腳相連，表明設(shè)備操作的狀態(tài)，當(dāng)?shù)碗娖綍r，它表明一個程序、擦除或隨機(jī)讀操作正在進(jìn)程中，并在結(jié)束后返回到高電平狀態(tài)。AL引腳與ALE引腳相連，實現(xiàn)輸入命令的地址鎖，當(dāng)AL高電平時，地址被鎖在脈沖的上升沿。CL引腳與CLE引腳相連，實現(xiàn)輸入命令的命令鎖，當(dāng)CL高電平時，地址被鎖在脈沖的上升沿。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    數(shù)字電視是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的一個典型應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)中，硬件在系統(tǒng)的最底層，軟件在其上控制它。數(shù)字電視硬件被設(shè)計成許多獨(dú)立的模塊，各個模塊之間功能相對獨(dú)立。這些模塊可以分為高頻頭、條件接收、信道解調(diào)器、解復(fù)用器、主機(jī)編程接口(主控制器)、音頻解碼器、視頻解碼器、OSD顯示控制、圖形處理器等。除此之外，還有一些簡單模塊，如：紅外遙控、面板按鍵控制、LCD顯示、串行通信端口等。音視頻解碼器以及解復(fù)用器這些功能相對復(fù)雜的模塊，通常在硬件上被設(shè)計成一個單獨(dú)的RISC DSP處理器。這些單獨(dú)的RISC處理器采用軟硬件結(jié)合的思想，硬件采用DSP架構(gòu)，軟件采用微碼驅(qū)動，其中微碼在系統(tǒng)啟動后由主機(jī)編程接口加載。
    數(shù)字電視的軟件工作流程如下：數(shù)字電視的源程序裝載于FLASH ROM內(nèi)。加電啟動后，各芯片進(jìn)行上電復(fù)位，主控CPU從FLASH ROM內(nèi)加載并運(yùn)行程序。程序首先完成軟硬件初始化，包括時鐘初始化，系統(tǒng)內(nèi)存初始化，前端解調(diào)初始化以及音視頻解碼寄存器初始化等，并建立多個工作進(jìn)程。多進(jìn)程模式使主控CPU能同時處理多個工作流程，并進(jìn)行進(jìn)程間的通信控制。系統(tǒng)完成初始化后，用戶通過遙控器選擇頻道，頻道選擇界面通過OSD顯示。主控CPU響應(yīng)遙控器指令，通過I2C總線設(shè)置調(diào)諧器，使調(diào)諧器將來自天線的高頻信號經(jīng)過調(diào)諧輸出為中頻信號。中頻信號經(jīng)信道解調(diào)器處理后，輸出TS流。主控CPU內(nèi)PID過濾器實現(xiàn)TS流解復(fù)用，將相關(guān)的ES或PES流分別送入音視頻解碼器，最終輸出音頻和視頻信號。TS流中的節(jié)目信息經(jīng)過解析并存儲，用戶通過OSD查詢菜單，了解相關(guān)的節(jié)目信息。對于多節(jié)目復(fù)合的TS流，用戶還可以通過節(jié)目指南EPG指定收看TS流中的某個具體節(jié)目。

    嵌入式系統(tǒng)都有一個實時操作系統(tǒng)。視頻設(shè)備的軟件系統(tǒng)對實時性的要求較高，系統(tǒng)要完成的任務(wù)有：受理用戶操作、設(shè)定調(diào)諧器工作狀態(tài)、搜索PSI、SI表、解復(fù)用、條件接收、搜索節(jié)目指南(EPG)等。除實時操作系統(tǒng)外，系統(tǒng)中最復(fù)雜的模塊是設(shè)備驅(qū)動。驅(qū)動層是連接軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的紐帶。應(yīng)用服務(wù)程序?qū)又饕‵LASH分區(qū)管理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、TUNER管理模塊。應(yīng)用服務(wù)模塊的運(yùn)行方式是同時向各種獨(dú)立的應(yīng)用模塊提供調(diào)用服務(wù)。有時是幾個應(yīng)用模塊都要調(diào)用，而且各個應(yīng)用模塊之間都是獨(dú)立的，而且各應(yīng)用模塊的性能直接依賴向它提供服務(wù)調(diào)用模塊的性能。用戶應(yīng)用程序?qū)邮怯脩魬?yīng)用軟件的主體部分，也是軟件開發(fā)的主要部分。與數(shù)字電視有關(guān)的所有上層功能的實現(xiàn)都在這層完成，如關(guān)于用戶界面、用戶信息輸入／輸出控制、節(jié)目搜索、節(jié)目播放、節(jié)目信息的分析處理和節(jié)目操作的管理等。人機(jī)交互程序?qū)影脩鬉PI函數(shù)，用戶進(jìn)行頻點(diǎn)設(shè)置、搜索節(jié)目、選臺操作的接口等。

3 結(jié)語
    該系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字電視信號流程建立“數(shù)-數(shù)”轉(zhuǎn)換模型，該模型將作為系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型。它是數(shù)字化信號通過數(shù)字高頻頭直接解調(diào)數(shù)字信號輸入到電視內(nèi)數(shù)字處理器處理顯示，不必通過外置的機(jī)頂盒進(jìn)行解調(diào)解碼，可以實現(xiàn)全程數(shù)字化。同時實現(xiàn)了全內(nèi)置，避免了雜亂的接線，節(jié)省空間及成本。本文研發(fā)的樣機(jī)已經(jīng)經(jīng)過實驗運(yùn)行驗證了其有效性和實用價值，并已投入小批量試生產(chǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。