數(shù)字電視條件接收卡的硬件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法

CAM的結(jié)構(gòu)一般可以以一個(gè)高性能的32位SoC芯片為核心，配合智能卡接口、CI接口、專用的TS傳輸流處理引擎、DVB通用解擾等部分組成。

1 引言

CAM卡的體積空間非常有限，卻要實(shí)現(xiàn)一個(gè)能處理高清電視節(jié)目流的高速32位嵌入式系統(tǒng)，所以其核心的SoC芯片的規(guī)模和性能就成了技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 相關(guān)芯片市場(chǎng)狀況

目前歐美的數(shù)字機(jī)頂盒都是機(jī)卡分離的條件接收方式，技術(shù)早已成熟，用于條件接收的芯片形成了強(qiáng)大的市場(chǎng)供貨。有些國家甚至開通了多媒體、多聲道、交互式的數(shù)字電視系統(tǒng)，而且不久將淘汰機(jī)頂盒，銷售真正意義上的機(jī)卡分離數(shù)字條件接收一體化電視機(jī)。然而在國內(nèi)市場(chǎng)上最受歡迎的是一些低成本芯片產(chǎn)品，這類產(chǎn)品多采用如ST的STi5518B，LSI的AViA-9700和富士通的SmartMPEG等芯片。這類低成本解碼器中集成的處理器時(shí)鐘頻率一般在150 MHz以下，不帶硬盤接口和USB接口，如ST的STi5518B主要可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)條件接收以及股票信息接收等基本功能。

另一類是像ST的STi5528和STi7710芯片，則是高端產(chǎn)品的代表。采用這些芯片的機(jī)頂盒往往集成了雙CPU，多數(shù)支持IEEE 1394接口、USB接口以及IDE硬盤接口，除了具有優(yōu)秀的音頻和視頻處理能力外，采用此類芯片的機(jī)頂盒還具有網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能和多種交互式應(yīng)用功能。以STi7710來說它支持HD-STB，DVB-S，DVB-C格式的解決方案。該芯片集嵌入式CPU、傳輸流復(fù)用／解碼、視頻解碼、圖像處理、音頻解碼、高速USB2.0接口、數(shù)字視頻接口(DVI)、高清多媒體接口(HDMI)等功能于一體。STi7710集成的CPU核心是一個(gè)高性能的ST20，工作頻率為200 MHz；支持目前機(jī)頂盒市場(chǎng)上所有的中間件，同時(shí)能夠支持未來的軟件升級(jí)；支持統(tǒng)一的存儲(chǔ)器DDR和SDRAM接口，提高了RAM芯片的利用率和性能；嵌入的高性能圖像引擎支持圖形密集型任務(wù)。

顯示接口方面，STi7710具有數(shù)字視頻接口(DVI)和高清多媒體接口(HDMI)，以確保STB以最小的系統(tǒng)成本獲得最高的輸出靈活性；通過嵌入的高級(jí)音頻編碼(AAC)解碼器，提高了在低位率時(shí)的音頻功能。

芯片集成了由SRS實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的先進(jìn)的音響技術(shù)SRS TruSurround XT，該技術(shù)通過兩個(gè)揚(yáng)聲器的電視機(jī)或娛樂系統(tǒng)，可以再現(xiàn)影院級(jí)的虛擬環(huán)繞聲。

傳輸速率可達(dá)480 Mbit／s，比USB標(biāo)準(zhǔn)1.1版快40倍，使許多外設(shè)可以連接到一臺(tái)基本型高清機(jī)頂盒上，提供更多的附加功能。如增加一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)，把機(jī)頂盒變成一個(gè)數(shù)字錄像機(jī)(DVR)，允許機(jī)頂盒制造商為用戶提供一個(gè)低成本的軟件升級(jí)途徑；連接數(shù)碼相機(jī)或存儲(chǔ)卡等多種外設(shè)。支持未來多重多媒體功能。顯然是一款高端的機(jī)頂盒芯片，目前國內(nèi)已有公司采用該芯片設(shè)計(jì)高性價(jià)比的數(shù)字高清機(jī)頂盒。至于HD-STB／DVB-S／C的制式問題在硬件上主要是前端高頻頭部分有一定的區(qū)別，而在軟件部分整體架構(gòu)基本是一致的。

目前，我國一些新興的技術(shù)公司在學(xué)習(xí)和消化引進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，自行研制開發(fā)了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SoC芯片。例如深圳國微公司的SM1658和杭州國芯公司的GX1201、上海杰得微電子公司的Z228芯片。它們的共同特點(diǎn)是通過對(duì)歐洲的DVB-CI標(biāo)準(zhǔn)的潛心研究，結(jié)合自身在嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域和集成電路領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以ARM7或ARM9為核心的SoC技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，成功開發(fā)出了自己的CAM芯片，因此大幅度降低了CAM的生產(chǎn)成本，消除了大規(guī)模推廣機(jī)卡分離標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)格瓶頸。表1是3種芯片的性能比較。

3 CAM的結(jié)構(gòu)及硬件體系

下面以深圳國微公司的SM1658芯片為例來說明數(shù)字電視條件接收卡的硬件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法。SM1658是一個(gè)典型的用于CAM系統(tǒng)的專用嵌入式微處理器，它集成了一個(gè)CAM的全部主要功能模塊，以它為核心構(gòu)成的CAM結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。SM1658采用32位的ARM7TDMI作為CPU核心，除了集成一般的SoC芯片具有的存儲(chǔ)器管理、中斷控制器、定時(shí)器、看門狗、異步串口通訊、PLL等常用電路模塊外，還在內(nèi)部集成了256 Kbyte的高速SRAM、智能卡接口、PCMCIA(DVB-CI)接口、高速TS流解復(fù)用／過濾引擎和DVB通用解擾器等模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，只需要一片外接的FLASH程序存儲(chǔ)器芯片就可以構(gòu)成一個(gè)高性能CAM卡。

3.1 SM1658芯片的特點(diǎn)

1) 簡(jiǎn)潔高效率的本地總線

在SoC設(shè)計(jì)中，一個(gè)高效、簡(jiǎn)潔的總線可以讓芯片的運(yùn)行效率和可擴(kuò)充性提高。在SM1658中，只有一個(gè)主設(shè)備ARM7TDMI，其他模塊電路都處于從設(shè)備狀態(tài)，由CPU統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，而且所有的外部從設(shè)備都與主設(shè)備采用相同的時(shí)鐘，可以在單個(gè)時(shí)鐘內(nèi)立即響應(yīng)CPU的訪問。因此，在這個(gè)方面采用ARM7本地的總線更有優(yōu)勢(shì)。

2) 帶有軟件冗余的內(nèi)部SRAM

SM1658中嵌入了一個(gè)256 Kbyte容量的SRAM，此SRAM容量可以滿足相當(dāng)部分CAM系統(tǒng)的應(yīng)用需求。同時(shí)，芯片也支持各種外部高速和低速SRAM，對(duì)于一些SRAM需求非常大的系統(tǒng)也可滿足要求。SM1658內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的SRAM具有非常高的性能，可以單時(shí)鐘周期完成ARM的各種指令的操作，也就是當(dāng)CPU在內(nèi)部SRAM中進(jìn)行取指或存取數(shù)據(jù)時(shí)不需要任何等待。

3) 可動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)鐘電路

在SM1658芯片中，集成了一個(gè)可軟件配置的時(shí)鐘管理電路，稱之為動(dòng)態(tài)時(shí)鐘電路?？梢酝ㄟ^軟件對(duì)芯片的時(shí)鐘處理模塊進(jìn)行編程，既可以讓芯片的工作時(shí)鐘頻率隨需要不斷變化，降低芯片在輕任務(wù)負(fù)載下的功耗，又可以適應(yīng)多種外部時(shí)鐘源的輸入，增加CAM系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)中的適應(yīng)能力。

4) 高度靈活的智能卡接口

在SM1658的功能中，還包括一個(gè)高度靈活的智能卡接口。它是為了保證CA公司可以通過智能卡對(duì)用戶收看節(jié)目進(jìn)行授權(quán)和管理。在標(biāo)準(zhǔn)的使用情況下，SM1658芯片可以不需要任何外部有源器件就完成智能卡接口的功能，而且抗ESD的能力可以保證大于4 000 V。

5) 內(nèi)嵌高速DVB通用解擾算法

在SM1658芯片中，是以固核的模式嵌入到芯片中的。在此固核的設(shè)計(jì)中充分考慮到了芯片對(duì)將來可能出現(xiàn)的多路高清節(jié)目的適應(yīng)能力，解擾模塊的處理能力到了175 Mbit／s，可以滿足同時(shí)處理2路高清節(jié)目流或4路標(biāo)清節(jié)目流的水平。

6) 高性能的TS流處理引擎

在SM1658中，內(nèi)嵌TS流處理引擎，用來對(duì)CI接口傳送過來的TS流進(jìn)行整形、過濾、提取特定數(shù)據(jù)、回送解擾后的節(jié)目流等。在此引擎中，有64個(gè)PID過濾器和16個(gè)SECTION過濾器，根據(jù)不同的配置狀態(tài)，此引擎可以完成對(duì)TS流7種不同的路由功能。

3.2 SM1658性能指標(biāo)

在常溫下以1.8 V的核心電壓和3.3 V的I／O口電壓條件，SM1658可以工作在125～135 MHz的頻率下，幾乎是已經(jīng)商用化的ARM7TDMI類芯片的最高工作頻率了。由于對(duì)芯片的總線、內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行了優(yōu)化，使用ARM公司提供的參考測(cè)試程序Dhrystone2.1(C語言編寫)，以性能最優(yōu)的方式進(jìn)行編譯。該測(cè)試程序在芯片的內(nèi)部SRAM中運(yùn)行。表2是測(cè)試結(jié)果以及與軟件仿真測(cè)試結(jié)果的比較?？梢钥吹剑酒谧罡咝阅軙r(shí)的執(zhí)行效率已經(jīng)基本達(dá)到了ARM7TDMI的最好的指標(biāo)。

4 軟件體系

SM1658的軟件體系可以分為兩個(gè)大的部分：API庫(應(yīng)用程序接口)和應(yīng)用程序。API類似Windows下的API庫，它完成了與芯片硬件相關(guān)的所有驅(qū)動(dòng)和上層軟件開發(fā)需要的一些基本和專用的函數(shù)庫(包括OS系統(tǒng)的基本功能函數(shù))，用戶在API庫的基礎(chǔ)上可以比較方便地建立起用戶應(yīng)用程序。

5 小結(jié)

作為數(shù)字電視傳播環(huán)節(jié)中一個(gè)部分，CAM還有一個(gè)重要的特色是內(nèi)容保護(hù)和復(fù)制管理(CPCM)功能。由于機(jī)卡分離導(dǎo)致的透明節(jié)目流在接口上出現(xiàn)，不利于節(jié)目產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)，所以，必須要在機(jī)頂盒與CAM之間加入一種防復(fù)制機(jī)制。在美國和歐洲，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)早已制定了CPCM方面的內(nèi)容；目前在國內(nèi)，有關(guān)CP保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)也在制訂中。一旦國家的CP標(biāo)準(zhǔn)宣布，就可以在SM1658的基礎(chǔ)上加入符合標(biāo)準(zhǔn)的CPCM結(jié)構(gòu)，完成一個(gè)真正的CAM需要的全部基本功能。