數(shù)字電視條件接收卡的硬件結構及實現(xiàn)方法

CAM的結構一般可以以一個高性能的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，卻要實現(xiàn)一個能處理高清電視節(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的關鍵點。

2 相關芯片市場狀況

目前歐美的數(shù)字機頂盒都是機卡分離的條件接收方式，技術早已成熟，用于條件接收的芯片形成了強大的市場供貨。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)，而且不久將淘汰機頂盒，銷售真正意義上的機卡分離數(shù)字條件接收一體化電視機。然而在國內市場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主要可以實現(xiàn)數(shù)字電視信號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，采用此類芯片的機頂盒還具有網(wǎng)絡瀏覽功能和多種交互式應用功能。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核心是一個高性能的ST20，工作頻率為200 MHz；支持目前機頂盒市場上所有的中間件，同時能夠支持未來的軟件升級；支持統(tǒng)一的存儲器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。

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；通過嵌入的高級音頻編碼(AAC)解碼器，提高了在低位率時的音頻功能。

芯片集成了由SRS實驗室開發(fā)的先進的音響技術SRS TruSurround XT，該技術通過兩個揚聲器的電視機或娛樂系統(tǒng)，可以再現(xiàn)影院級的虛擬環(huán)繞聲。

傳輸速率可達480 Mbit／s，比USB標準1.1版快40倍，使許多外設可以連接到一臺基本型高清機頂盒上，提供更多的附加功能。如增加一個硬盤驅動器(HDD)，把機頂盒變成一個數(shù)字錄像機(DVR)，允許機頂盒制造商為用戶提供一個低成本的軟件升級途徑；連接數(shù)碼相機或存儲卡等多種外設。支持未來多重多媒體功能。顯然是一款高端的機頂盒芯片，目前國內已有公司采用該芯片設計高性價比的數(shù)字高清機頂盒。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基本是一致的。

目前，我國一些新興的技術公司在學習和消化引進技術的同時，自行研制開發(fā)了一些具有自主知識產(chǎn)權的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。它們的共同特點是通過對歐洲的DVB-CI標準的潛心研究，結合自身在嵌入式產(chǎn)品領域和集成電路領域的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，對以ARM7或ARM9為核心的SoC技術進行攻關，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)模推廣機卡分離標準的價格瓶頸。表1是3種芯片的性能比較。

3 CAM的結構及硬件體系

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構及實現(xiàn)方法。SM1658是一個典型的用于CAM系統(tǒng)的專用嵌入式微處理器，它集成了一個CAM的全部主要功能模塊，以它為核心構成的CAM結構非常簡單。SM1658采用32位的ARM7TDMI作為CPU核心，除了集成一般的SoC芯片具有的存儲器管理、中斷控制器、定時器、看門狗、異步串口通訊、PLL等常用電路模塊外，還在內部集成了256 Kbyte的高速SRAM、智能卡接口、PCMCIA(DVB-CI)接口、高速TS流解復用／過濾引擎和DVB通用解擾器等模塊。其基本結構如圖1所示，只需要一片外接的FLASH程序存儲器芯片就可以構成一個高性能CAM卡。

3.1 SM1658芯片的特點

1) 簡潔高效率的本地總線

在SoC設計中，一個高效、簡潔的總線可以讓芯片的運行效率和可擴充性提高。在SM1658中，只有一個主設備ARM7TDMI，其他模塊電路都處于從設備狀態(tài)，由CPU統(tǒng)一進行調度，而且所有的外部從設備都與主設備采用相同的時鐘，可以在單個時鐘內立即響應CPU的訪問。因此，在這個方面采用ARM7本地的總線更有優(yōu)勢。

2) 帶有軟件冗余的內部SRAM

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

3) 可動態(tài)調整的時鐘電路

在SM1658芯片中，集成了一個可軟件配置的時鐘管理電路，稱之為動態(tài)時鐘電路。可以通過軟件對芯片的時鐘處理模塊進行編程，既可以讓芯片的工作時鐘頻率隨需要不斷變化，降低芯片在輕任務負載下的功耗，又可以適應多種外部時鐘源的輸入，增加CAM系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)中的適應能力。

4) 高度靈活的智能卡接口

在SM1658的功能中，還包括一個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用戶收看節(jié)目進行授權和管理。在標準的使用情況下，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。在此固核的設計中充分考慮到了芯片對將來可能出現(xiàn)的多路高清節(jié)目的適應能力，解擾模塊的處理能力到了175 Mbit／s，可以滿足同時處理2路高清節(jié)目流或4路標清節(jié)目流的水平。

6) 高性能的TS流處理引擎

在SM1658中，內嵌TS流處理引擎，用來對CI接口傳送過來的TS流進行整形、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PID過濾器和16個SECTION過濾器，根據(jù)不同的配置狀態(tài)，此引擎可以完成對TS流7種不同的路由功能。

3.2 SM1658性能指標

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。由于對芯片的總線、內部存儲器進行了優(yōu)化，使用ARM公司提供的參考測試程序Dhrystone2.1(C語言編寫)，以性能最優(yōu)的方式進行編譯。該測試程序在芯片的內部SRAM中運行。表2是測試結果以及與軟件仿真測試結果的比較?？梢钥吹?，芯片在最高性能時的執(zhí)行效率已經(jīng)基本達到了ARM7TDMI的最好的指標。

4 軟件體系

SM1658的軟件體系可以分為兩個大的部分：API庫(應用程序接口)和應用程序。API類似Windows下的API庫，它完成了與芯片硬件相關的所有驅動和上層軟件開發(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庫的基礎上可以比較方便地建立起用戶應用程序。

5 小結

作為數(shù)字電視傳播環(huán)節(jié)中一個部分，CAM還有一個重要的特色是內容保護和復制管理(CPCM)功能。由于機卡分離導致的透明節(jié)目流在接口上出現(xiàn)，不利于節(jié)目產(chǎn)品的版權保護，所以，必須要在機頂盒與CAM之間加入一種防復制機制。在美國和歐洲，有關標準早已制定了CPCM方面的內容；目前在國內，有關CP保護的標準也在制訂中。一旦國家的CP標準宣布，就可以在SM1658的基礎上加入符合標準的CPCM結構，完成一個真正的CAM需要的全部基本功能。