（信号与信息处理专业论文）新一代hdtv机顶盒信源解码器主控部分硬件研究与实现.pdf

摘要 数字电视是继黑白电视和彩色电视后的第三代电视。通过数字高清晰度电视 机顶盒可以使用高清晰度电视收看高清晰度的数字电视节目，也可用现有的模拟 电视收看标准清晰度的数字电视节目，是模拟电视向数字电视过度的桥梁。 本论文完成的任务是设计与实现“新一代高清晰度数字电视机顶盒”项目中 信源解码器硬件的s t i 5 5 1 4 部分。我们选择了s t 公司的s t i 5 5 1 4 q - s t i 7 0 2 0 高清 晰度数字电视信源解码器方案。本论文系统介绍了s t i 5 5 1 4 及其相关外围电路的 硬件设计和实现原理，并介绍了电路板的设计方法。 s t i 5 5 1 4 是一个高集成度的单片标清机顶盒信源解码器芯片，同时具有强大 的控制功能，可以配合s t i 7 0 2 0 实现高清晰度音视频解码。它集成了一个高性能 的3 2 位c p u 、三个专用的d v b 传输流解复用和解扰模块、一个m p e gm p m l 视频解码模块，一个多标准音频解码模块、一个数字视频编码器。另外，它内置 了a t a p i 接口，可以和硬盘驱动器无缝连接，实现录放像和时移播放等功能。 它还集成了多种外设，如s s c ，a s c ，红外等，可以实现条件接收，软件升级， 遥控接收等功能。 本系统s t i 5 5 1 4 部分提供了c v b s 、s 端子两种视频格式输出和双声道音频 输出。 关键词：数字电视，信源解码器，机顶盒，s t i 5 5 1 4 ，硬盘 a b s t r a c t d i g i t a lt v i st h et h i r dg e n e r a t i o nt va f t e rb l a c ka n dw h i t et v a n dc o l o rt v t h r o u g ht h eh d t vs e t a o pb o x ，w ec a d _ r e c e i v et h e d i g i t a lh i g hd e f i n i t i o nt v p r o g r a m w i t hh d t vo rd i g i t a ls t a n d a r dd e f i n i t i o nt v p r o g r a mw i t ha n a l o gt v t h e s e t t o pb o x i sa n b r i d g ef r o ma n a l o gt v t od i g i t a lt v t h e p u r p o s eo f t h ep a p e r i s t od e s i g na n d i m p l e m e n t t h e h a r d w a r eo f s t i 5 5 1 4o f t h ed e wg e n e r a t i o nh d t vs e t - t o pb o x w ec h o s es t sh d t vs o u r c e d e c o d e r s o l u t i o nw i t hs t i 5 5 1 4 + s t i 7 0 2 0 t h eh a r d w a r ed e s i g na n d r e a l i z i n go fs t i 5 5 1 4a n d p e r i p h e r a la n d t h ep c b d e s i g na r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h i sp a p e r s t i 5 5 1 4i sa h i g h l yi n t e g r a t e ds i n g l e c h i pd e c o d e rf o rs d t vs e t t o pb o x a l s o ， i tc a nc o n t r o ls t i 7 0 2 0t or e a l i z eh d t v d e c o d i n g i ti n t e g r a t e sah i g h - p e r f o r m a n c e 3 2 一b i tc p u ，t h r e ed e d i c a t e db l o c kf o rd v bt sd e m u l t i p l e x i n ga n dd e s c r a m b l i n g ， m o d u l e sf o rm p e g 一2m p m lv i d e oa n da u d i od e c o d i n ga n d d i g i t a lv i d e oe n c o d e r a na t a p ii n t e r f a c ei sb u i l t - i nf o rt h eg l u e l e s sc o n n e c t i o nw i t hs t a n d a r dh a r dd i s k d r i v e r i nt h i sw a y ，i tc a nr e a l i z et r i c km o d e ss u c ha sl i v et v r e c o r d i n g 、p a u s i n ga n d t i m e s h i f t i n g i t a l s o i n t e g r a t e sm a n yo n - c h i pp e r i p h e r a l ss u c ha sa s c 、s s cf o r s o f t w a r eu p d a t ea n dc o n d i t i o n a la c c e s s t h ep a r to fs t i 5 51 4p r o v i d e sc v b sa n ds - v i d e ov i d e oo u t p u tf o r m a t sa n d2 c h a n n e l sa u d i o o u t p u t k e yw o r d s ：d i g i t a lt v ，s o u r c ed e c o d e r , s e t - t o p b o x ，s t i 5 5 1 4 ，h a r dd i s k 独创性声明 j # 人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谓 之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗基鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：睬；最 签字目期： 加午年土月缈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：陈强 签字日期：0 册毕年2 月8 ，日 导师繇绷膨衫 签字日期：。? 卅年三月，沪日 第一章绪论 1 1 数字电视概述1 】 第一章绪论 近年来随着计算机技术、集成电路技术、数字信号处理技术以及通信技术的 发展，数字电视技术也随之快速发展。数字电视是继黑白电视和彩色电视后的第 三代电视。数字电视包括标准清晰度电视( s d t v ) d 高清晰度电视( h d t v ) 。标准 清晰度电视的图像和伴音质量都比目前模拟电视有较大提高，图像的解析度相当 于d v d 的图像水平。并且其频道利用率高，在目前模拟电视的一个频道内可以 同时传输4 套( 或更多) 标准清晰度节目。高清晰度电视，画面可提供相当于标准 清晰度电视画面5 倍的信息量，因此具有更高的图像分辨率和清晰度。高清晰度 电视的图像格式最高解析度为1 9 2 0 1 0 8 0 即最高显示是目前模拟电视画面清晰 度的2 3 倍。高清晰度电视采用1 6 ：9 的图像模式，而不是传统的4 ：3 模式， 标准清晰度电视则采用兼容1 6 ：9 和4 ：3 模式，由电视台最终确定广播的模式。 与模拟电视相比数字电视有以下优点： ( 1 ) 图像清晰度高。使用效果不受传输、转播影响，在接收端可以达至0 发射 端的水平。 ( 2 ) 音频质量高。支持5 1 声道的数字环绕声节目源，可以通过电视节目获得 家庭影院效果。 ( 3 ) 抗干扰。数字视频不受干扰、增益、相位错误和串音的影响。同等传输 条件下的抗干扰能力明显优于模拟电视。 ( 4 ) 传输效率高。进行地面方式发送时，原模拟电视的一个频道内可同时播 放至少4 套s d t v ，有线电视网中的一个频道可同时播8 一i o 套s d t v 。 ( 5 ) 可以兼容现有模拟电视。通过在普通电视机前加装数字电视机顶盒即可 接收数字电视节目，电视台的电视节目制作设备也可部分沿用。 ( 6 ) 提供全新的多业务用途。普通的模拟电视只能是按电视台预定的节目表 播放节目，用户只能被动地接收。数字电视网与电信网及计算机网相结合，实现 三网融合，不仅使信息源更为丰富，还可增加用户与各种信息源之间的交互性， 实现用户自由点播节目、自由选取网上的各种信息，可以提供多种数据服务业务， 使电视机可以真正融入到信息网络中去，可以实现多种新的功能，例如，家长可 对部分电视节目设定密码，以防止未成年人收看限制级节目等。 第一章绪论 1 2 数字电视技术的发展现状1 1 , 2 , 3 1 2 1 国际上数字电视技术的发展 日本的高清晰度电视起步较早，1 9 7 2 年就向c c i r 提出h d t v 提案，首先开 发了1 1 2 5 行高清晰度电视系统。1 9 8 8 年又用高清晰度电视成功地对汉城奥运会 进行了实况转播。日本处理高清晰度电视和普通电视关系的方法是使用单独的卫 星通道传送高清晰度电视节目，使用被称为多重亚取样编码( m u s e ) 的传输方式， 基本上是模拟传输。 起先欧洲不甘心全部h d t v 市场由日本独占，设计了一条从m a c 到h 口一 m a c 的逐步过渡到h d t v 的道路，但m a c 和h d m a c 也都是模拟传输。最 终不得不因美国先进的数字方案而放弃h d m a c 转而推动d v b 。由德国通信 部建议成立了欧洲开发小组，由1 7 0 多个组织共同开发全数字电视系统，包括地 面广播、卫星广播和有线电视传输的数字标准清晰度( s d ) 电视和高清晰度( h d ) 电视。并于1 9 9 3 年9 月创建了数字视频广播项目( d v b ) 。但欧洲一直认为h d t v 的市场尚远，因此当前致力于数字标准清晰度电视的研究开发。相继出台了卫星 数字电视广播传输标准( d v b s ) 、有线数字电视广播传输标准( d v b c ) 和地 面数字电视广播传输标准( d v b t ) 。欧洲的策略是：利用s d t v 在目前便于普 及的优势，抢占数字电视的世界市场，加速在全世界普及d v b 标准，以此来与 美国的数字电视标准相抗衡。 同日本和欧洲相比，美国在数字电视的研究方面起步较晚，但却是发展最快 的。尽管美国曾支持过日本推出的1 1 2 5 行h d t v 规格作为统一的世界标准，但 当意识到h d t v 潜在的巨大市场之后，美国加速了这方面的研究，并从一开始 就采用了全数字化的方案。美国在1 9 9 1 1 9 9 2 年对五种建议的h d t v 地面广播制 式进行了测试，由于被测试的各种全数字制式在技术和经济上的优劣没有显著的 差别，为了取长补短，同时统一国内市场，其中四个数字系统的提出者于1 9 9 3 年5 月组成了“大联盟”( g a ) ，合作提出了一个统一的标准。1 9 9 5 年4 月a t s c 通过了“a t s c 数字电视标准”，同年8 月g a 样机研制成功，1 0 月“a t s c 数字 电视标准”被提交给f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月2 6 目，f c c 批准了该标准。1 9 9 7 年4 月f c c 宣布：以4 月7 日为起点，1 8 个月内有2 2 座电视台转为数字电视 播出；2 4 个月内，四大商业电视网在全美十大城市进行数字电视播出( 其中三 大电视网播出数字h d t v ) ；3 0 个月内有1 7 0 0 个电视台在3 0 个城市转为数字电 视；最终计划在2 0 0 6 年取消模拟电视的播出。 当前世界上基本形成了两种数字广播电视系统标准：一种是美国的a t s c 系 统，一种是欧洲的d v b 系统，两者的图像编码都采用m p e g 一2 标准，系统结构 第一章绪论 也很相似。声音编码上，a t s c 采用a c 3 压缩技术而d v b 则采用m p e g 一2 的 声音压缩标准。 1 2 2 我国数字电视的发展现状 我国对数字电视的跟踪研究从2 0 世纪8 0 年代末就已经开始了，在“八五” 期间，国务院组织成立了国家高清晰度电视研究开发协调领导小组，国家科委组 织成立了h d t v 发展战略专家组，组织实施了“八五”国家重点科技攻关项目 “高清晰度电视技术研究”，对数字高清晰度电视进行了理论研究和计算机模拟。 1 9 9 5 年，经国家高清晰度电视研究开发协调领导小组批准，成立了国家高清晰 度电视( h d t v ) 研究总体组。1 9 9 6 年7 月，由总体组负责，组织实施了“九五” 国家重大科技产业工程项目“高清晰度电视功能样机系统研究与开发工程”。经 总体组和全国多所大学、研究所以及企业的共同努力，于1 9 9 8 年6 月，成功地 研制出了我国第一台数字高清晰度电视功能样机系统。1 9 9 8 年9 月，利用该功 能样机系统在北京中央电视台进行了开路演示，取得了很好的效果。在1 9 9 9 年 1 0 月1 日，中华人民共和国建国5 0 周年之际，对天安门广场的国庆大典进行了 现场直播，获得了成功。目前我国中央电视台和众多省市、地方电视台都已实现 了电视节目的数字卫星传输，电视台的发送和接收设备正在逐步实现数字化。国 家，“电总局在十五规划和2 0 1 0 年远景规划中提出：我国将在卫星和有线电视中 采用国际通用的d v b 标准，在2 0 0 3 年完成具有我国自主知识产权的地面数字电 视广播标准制定工作，并在2 0 0 5 年全面推进地面数字电视广播。我们相信随 着我国申办2 0 0 8 年奥运会的成功，为我国数字电视的发展提供了难得的机遇， 数字电视发展前景广阔。 1 3 数字电视机顶盒技术的发展状况 数字电视机顶盒是信息家电之一，它是一种能够让用户在现有模拟电视上观 看数字电视节目，进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费类电子产品。 根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒可分为卫星数字电视机顶盒、地面数字电 视机顶盒和有线数字电视机顶盒三种。 数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具有多种广播和 交互式多媒体应用功能，如：( 1 ) 电子节目指南( e p g ) 。用户可以通过该功能 看到一个或多个频道甚至所有频道上近期将播放的电视节目；( 2 ) 高速数据广播。 能给用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种消息；( 3 ) 因特 网接入和电子邮件。数字电视机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现因 特网按入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网，收发电子邮件。( 5 ) 条 件接收。条件接收的核心是加密和解密，数字电视机顶盒通过条件接收系统实现 付费电视。( 6 ) 数字个人录像机( p v r ) 。通过硬盘实现数字电视节目的录制和 播放。 目前国外的很多芯片生产商对于高清晰度的数字电视机项盒系统已有较完 整的解决方案，相应芯片的研制也已达到了比较完善的阶段。比如s t 公司的 s t 2 0 q - s t i 7 0 0 0 + s t i 4 6 0 0 、s t i 5 5 1 4 + s t i 7 0 2 0 方案等。中间件技术和条件接收技 术也不断的更新、完善。 1 4 本论文的任务 - 研究m p e g 2 标准、a t a p i 标准； 一研究s t i 5 5 1 4 、s t i 7 0 2 0 、s d r a m 、f l a s h 、硬盘和t d a 8 0 0 4 a t 等芯片 的资料； 一研制信源解码器科研样机的硬件主控部分，参加整机调试工作； 1 5 本课题的研制进展与成果 本课题于2 0 0 2 年下半年开始准备，2 0 0 3 年3 月份正式启动。由于前期准备 充分，课题进展比较顺利。于2 0 0 3 年9 月，完成了科研样机音视频解码的调试 工作。之后，又逐步完善了智能卡接口、r s 2 3 2 、数字音视频入调试。现在，硬 件系统已基本调试完成，软件系统还在开发和完善中。 第二章m p e g 。2 标准简介 2 1m p e g 2 概述【4 ，5 ，6 ，7 】 i v p e g 为m o v i n gp i c t m ee x p e r t sg r o u p 的缩写，可译为活动图像专家组。 m p e g 一2 是由m p e g 开发的第2 个标准。于1 9 9 4 年1 1 月正式确定为国际标准， m p e o 一2 是”活动图像及有关声音信息的通用编码”( g e n e r i cc o d i n go fm o v i n g p i c t u r e s a s s o c i a t e d a u d i oi n f o r m a t i o n ) 标准。m p e g 2 标准制定始于1 9 9 0 年7 月。 m p e g 为制定m p e g 2 经常与有关国际组织，如i s o 、i e c 、i t u t 、i t u r 等 开会协调，并注意到了与m p e g 1 的兼容性。国际电联的无线电通信部f q ( i t u 一鼬 从广播电视方面提出的不同需求构成了m p e g 一2 的档次等级( p r o f i l e l e v e l ) 概 念的基础。i t u r 在m p e g - 2 的质量检验、测试方面做了大量工作。 初期的m p e g 一2 标准的基本要求有两条：其一是视频图像格式采用7 2 0 4 8 0 像素，其二是传输码率为4 1 0 m b p s 。另外要求m p e g 2 兼容m p e g 一1 标准， 以便充分发挥设备兼容能力和降低价格。随着大量提案的涌入，m p e g 2 也被寄 予了更高的期望。人们希望它能囊括视频通信的各种领域，例如包括多点电视会 议、异步传输模式网络视频通信、嵌入式标准电视等。这样，就要求编码输出码 流的句法能够适应上述各种要求，而且要求解码器能识别并解出各种等级的图 像。这就要求有一种能够区分图像等级的编码器和解码器。另外也要把美国和欧 洲不同的d t v 方案都包括进去。 m p e g 一2 标准主要有：系统、视频、音频、符合性测试、软件、数字存储媒 体的指令和控制、非向后兼容的音频、实时接口等。 为了适应广播、通信、计算机和家电视听工业的广阔需求以及不同的数字电 视体系，i s o i e c1 3 8 1 8 2 ( 即m p e g 2 视频部分) 制定了5 类，4 个等级。类 等级的组合将给出2 0 种不同规格，但并非所有组合都有实际意义。下面四种技 术规范比较重要： 口 m p m l ，主类主级。用于s d t v 。 口s p 国m l ，简单类主级。用于数字有线电视和数字录像机。 口 m p h l ， 主类高级。用于全数字h d t v 。美国的a 1 n 采用此规范。 口 s s p h 1 4 4 0 ，空间可分级类高1 4 4 0 级。用于h d t v 。 第= 章m p e g 2 标准简介 2 2 m p e g 2 标准系统层简介h ，5 i s o i e c 1 3 8 1 8 - 1 定义了m p e g 一2 系统层编码方法，主要用于支持把按 i s o i e c1 3 8 1 8 2 ，i s o i e c1 3 8 1 8 - 3 编码的视频、音频及数据复用在一起。它定 义了两种复用的码流格式；节目流( p r o g r a ms t r e a m ) 矛d 传送流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 。 节目流有点类似于m p e g l ，它是由一个或多个p e s 包组成，在节目流中的 各个包要具有相同的时间基准，节目流包的大小是可变的，节目流通常用于基本 无误码的环境下，如：交互式多媒体应用等。 传送流每个包的长度为1 8 8 个字节，其中包头的长度为4 个字节。由于传送 流主要用于较易出现误码的环境，因此在其构成中加人一些说明传输方面的标志 符。传送包的第一个字节( 8 比特) 为包同步，便于信道解码器的同步。误码指 示和捆扰控制告诉解码器，传输过程中是否有不可纠正的误码和信号是否被加 扰。传送流是复用后形成的，所以在一个传送流中会有多个码流，包识别符( p i d ) 是解码器识别各种节目码流的识别标志。节目参考时钟( p c r ) 是解码器的定时 基准。 m p e g 2 中定义了节目特定信息( p s i ) ，用于解码器的自动设置。p s i 由4 个表组成，它们是节目相关表( p a t ) 、节日映射表( p m t ) 、条件接收表( c a t ) 和网络信息表( n i t ) 。p a t 表说明传送流中有多少节目及其相应p m t 表的p i d ： p m t 表说明一个节目中有多少种码流及其各自的p i d ；c a t 表说明码流是否加 密，解码器利用c a t 表寻找加密控制信息( e c m ) 和加密管理信息( e m m ) ； n i t 表说明提供节目的网络信息。在m p e g - - 2 的p s i 基础上，d v b 经过扩充形 成d v b 的业务信息( s i ) 标准。 m p e g 一2 的系统层提供了有效的系统同步措施。在传输流中m p e g 主要使用 了三个参数：节目参考时钟( p c r ) 、显示时间标记( p t s ) 和解码时间标记( d t s ) 来保证视频、音频和辅助数据之间的同步。p c r 是编码器系统时钟某一时刻的 值，它被周期性地插入到m p e g 的输出比特流中。在解码器端，p c r 被提取出 来，用于更新内部时钟。每个节目只有一个p c r 。p t s 和d t s 也是编码器系统 时钟某一时刻的值，通常和某个编码单元相联系( 如视频序列中某个图象显示或 解码的开始位置) 。它们规定了数据在解码器中的预定显示时间和解码时间。 在此需要特别指出的是，虽然我们在谈论m p e g 2 的编码、复用规则，但实 际上m p e g 一2 制订的是解码器的标准。因为，m p e g 2 标准只定义码流的语义和 句法，编码器和复用器的具体的实现算法是由生产厂家自行设计的。因此，无论 是谁提供的编码器和复用器，解码器只要是符合规范的，就能够进行正确的接收。 图2 - 1 为m p e g 2 标准中的解码器示意图。 第二章m p e g 2 标准简介 图2 - 1m p e g 2 解码器示意框图 2 3 m p e g 2 标准视频部分简介【6 】 频 频 目前，m p e g 一2 标准已经在全世界范围内得到了广泛的应用，它是数字电视 系统研究的基础，其中的系统、视频和音频部分是信源解码器研制工作的理论依 据。美国a t s c 数字电视标准及欧洲d v b 标准均将m p e g 2 作为其数字电视视 频编码的标准蓝本。许多国家亦纷纷宣布本国未来的数字电视将采用符合 m p e g 2 标准的系统。并且世界上许多知名的a s i c 生产产家都推出了m p e g 一2 视频专用解码芯片，许许多多基于m p e g 一2 标准的应用产品，d v d 、m p 3 、d t v 己经进入了千家万户。 m p e g 一2 标准充分利用数字图像处理技术的最新发展来尽量压缩数字视频 信号。它根据活动图像的特点和人眼的视觉特性，并利用下列技术对图像数据进 行压缩： 1 采用帧内编码( i 帧) 、预测编码( p 帧) 和双向预测编码( b 帧) 三种编码 方式，p 帧和b 帧采用了运动预测和运动补偿。去除序列图像在时间域 上的相关性，仅传送很小的帧差信号，大大压缩了图像数据； 2 ，编码后的数据分成8 8 的像素块进行离散余弦变换，以消除图像在空 间域上的相关性； 3 在离散余弦变换中对8 x 8 的d c t 系数设置自适应量化器，以充分利用 人眼特性，量化后的系数再利用一定的扫描方式进行排序； 4 对排序后的d c t 系数进行h u f f m a n 变字长编码，即对于出现概率小的 系数可以采用长字长的码子，对于出现概率大的码子则采用短字长的码 子。这样就可以消除图像中的统计相关性； 5 此外对d c t 系数的游程编码、色度分量的水平垂直亚取样以及防止码 率上下溢的编码控制策略都极大地提高了系统的编码效率。 m p e g - 2 的视频数据编码采用多层结构。它们从高到低是序列层( s e q u e n c e 第二章m p e g 一2 标准简介 l a y e r ) 、图像组层( g r o u p o f p i c t u r e sl a y e r ) 、图像层( p i c t u r e l a y e r ) 、g 混( s l i c e l a y e r ) 、宏块层( m a c r o b l o c kl a y e r ) 、块层( b l o c kl a y e r ) ，如图2 2 所示。 这种多层嵌套结构使得编出的码流结构明了、易读，便于演播室实现快进、 快退、暂停和插入临时图像组等特技效果。 总之，m _ p e g 一2 标准的出台，结束了全世界数字图像编解码的各自为政的混 乱局面，为今后全球数字电视制式的统一打下了基础。 p i i _ 。_ _ _ _ - 一 回国回国 v i d e os e q u e n ce g r o u po fp i c t u r e 回回回回回回回回回国 图2 - 2 视频序列多层结构 翼圈 跺 齑 第三章高清晰度电视机顶盒概述 第三章高清晰度电视机顶盒概述 3 1 标准数字电视机顶盒的结构特点 数字电视机顶盒从其结构上讲大体上可以分成两部分：信道部分和信源解码 部分。信道部分即前端，负责对数字电视信号进行解调接收和信道解码，针对不 同的信道可以配以不同的信道解调解码器。目前，信道部分主要有三种，即卫星、 有线和地面传输。在d v b 标准中卫星传输采用q p s k 方式调制，有线传输采用 q a m 方式调制，地面传输则采用c o f d m 方式。信源解码部分也称后端，它主 要完成从t s 流输入到解码后的音、视频输出之间的所有功能，包括传输流解复 用、音频解码和视频解码等，是机顶盒的核心部分。 数字电视机顶盒的主要功能是完成对数字电视信号的接收，具体讲就是把从 信道传输过来的调制信号，通过机顶盒前端的高频头和信道解码芯片完成解调和 信道解码，解出传输流( t s ) 数据，然后通过后端进行解复用分出音、视频基 本流，再经过音、视频解码，最后通过d a 转换和音视频后处理单元形成p a l 、 n t s c 或s e c a m 制式的模拟视频信号或高清晰度模拟视频信号及模拟音频信 号，送入显示器。此外，机顶盒还可以通过硬件和软件的功能扩展实现w e b 浏 览，交互业务、条件接收以及个人数字录像机等功能。 3 2s t 公司的s t i 5 5 1 4 + s t i 7 0 2 0 方案的特点和结构 8 , 9 1 根据本次课题的任务和内容，选择的整体系统方案是s t 公司的基于 s t i 5 5 1 4 + s t i 7 0 2 0 的数字高清晰度电视机顶盒系统解决方案，与其他厂商同类方 案相比，本方案具有以下几个特点： 1 技术相对成熟。本方案中的核心芯片s t i 5 5 1 4 的c p u 内核s t 2 0 曾经作 为s t i 5 5 0 0 ，s t i 5 5 1 8 等芯片的c p u 核在标准清晰度的d v b 产品中得 到了长时间的考验；s t i 7 0 2 0 在成熟芯片s t i 7 0 0 0 的基础上，以s t i 7 0 1 5 为过渡，逐步发展成功能强大的高清晰度音视频解码芯片。 2 双片解决方案，集成度高。本方案核心芯片为s t i 5 5 1 4 和s t i 7 0 2 0 。 s t i 5 51 4 能完成系统控制、解复用、标清视、音频解码和标清视频d a 变换等功能，并且可以输入三路t s 流，配合s t i 7 0 2 0 可实现画中画功 能；s t i 7 0 2 0 完成m p e gm p h l 视频解码和多标准音频解码、高清视 第三章高清晰度电视机顶盒概述 频数字输出、d a 变换输出、标准p a l s e c o m n t s c 视频信号输出等。 比起s t 2 0 + s t i 7 0 0 0 + s t i 4 6 0 0 方案，不仅集成度提高，而且功能也进一 步提高。 3 外部接口完善。s t i 5 5 1 4 提供了多个可编程i o 口( p i o ) 、u a k t 口、 智能卡接口、1 2 c 总线、a t a p i 接口、红外接收发送接口、i e e e l 3 9 4 等。通过a t a p i 接口，可以实现数字录像机功能，通过智能卡接口， 可以实现条件接收：s t i 7 0 2 0 则提供了多种音视频输入和输出接口。 4 s t 公司提供完善的嵌入式实时操作系统s t l i t e o s 2 0 和强大的s t a p l 软件包，这些方便的开发工具提高了开发速度。 本次课题所研制的高清晰度电视机顶盒符合欧洲d v b c 标准。数字电视信 号从电视台经过有线电缆传输到接收者所在位置后，首先要进行信道解码，即信 道编码的逆过程。然后，对输出的打包的传输流进行信源解码，该部分包括解复 用、音频解码、视频解码、音视频后处理等。另外，本系统还包括硬盘录像机、 r s 2 3 2 接口和智能卡接口。为了满足用户需求，还应配备遥控接收和手动控制板。 机顶盒功能方框图见图3 - 1 。 + + + + + + + + yp rp bc v i t sycrll sr scl 1 1 e 图3 - 1 高清晰度数字电视机顶盒功能框图 图 输入信源解码板的t s 流信号可以来自信道解调与解码板也可以来自码流发 生器。 第三章高清晰度电视机项盒概述 信道解调与解码板( 前端) 输出的信号可以直接输入到信源解码板。来自码 流发生器的t s 流是符合l v d s 电平标准的。输入信号首先要经过l v d s 板，将 l v d s 电平转化为t t l 电平，这样才能符合信源解码板的电气特性。 当输入的t s 流来自信道解调与解码板时，h d t v 有线数字电视机顶盒方案 的工作过程是：首先，前端在s t i 5 5 1 4 内部的c p u 模块的控制下( 通过1 2 c 总 线) 把高频头调谐到某个数字频道，通过前端的q a m 解调芯片s t v 0 2 9 7 进行 o a m 解调，解出数字电视的传输流( t s 流) 数据，连同一些标志信号一起，通 过前端接口进入s t i 5 5 1 4 。在s t i 5 5 1 4 内，t s 流数据通过解复用功能模块分出音、 视频p e s 流，分别送往s t i 7 0 2 0 音频解码器和视频解码器或直接在s t i 5 51 4 内部 解码，同时，提取出码流中的p c r 信息，用于时钟恢复；解复用模块分出的音 频p i e s 流通过s t i 7 0 2 0 芯片内的音频解码器解码，输出音频的p c m 信号，再经 过片外的音频数模变换和音频后处理部分后，输出最多六个声道的模拟音频信 号，或直接输出s p d i f 信号；视频p e s 流在d d r - s d r a m 的配合下经过s t i 7 0 2 0 的视频解码器的处理之后输出解码后的亮度和色差数字信号或r g b 视频分量数 字信号，也可通过s t i 7 0 2 0 片内的数模变换模块和片外的视频后处理部分的处 理，输出模拟高清r 、g 、b 或y 、p r 、p b 视频分量信号，s t i 7 0 2 0 内部也集成 了一个标清视频编码器d e n c ，可以输出p a l n t s c s e c a m 制式的c v b s 和 y c 信号；机顶盒的软件固化在f l a s h 里，开机后程序被调到s d r a m 中运行； 系统与用户的接口是前面板和o s d 菜单。前面板具有按键和红外接收装置。用 户观看o s d 菜单上的信息，通过按键或遥控器操作，前面板接收到信息后传送 到c p u 中，由c p u 控制实现具体功能。 本系统电源采用的是开关电源，输入为交流2 2 0 v 电压，输出+ 1 2 v ，1 2v ，+ 5 v 三种直流电压。 在本项目中本人负责的是信源解码板主控芯片s t i 5 5 1 4 的硬件研制，因此， 这部分在后面将详细地论述。 第四章高清晰度电视信源解码板的研制 第四章高清晰度电视信源解码板的研制 4 1 信源解码板功能结构概述【8 ，9 信源解码板，主要的任务是从输入的传输流中解出音视频信号并转换成需要 的形式输出。另外本系统还包括三个有特色的功能： ( 1 ) 加入了硬盘接口电路，实现硬盘录像机( p v r ) 的功能：由于s t j 5 5 1 4 提供了与硬盘存储器的无缝连接接口，因此可以实现硬盘的连接。 这样把节目流存入硬盘就能实现数字电视节目的录制和播放。并且 由于硬盘与磁带的线性存储不同，它可以进行非线性存取，因而硬 盘录像机还可以实现时移录像( t i m e s h i f t i n g ) 的功能。 ( 2 )条件接收模块：条件接收就是对视频、音频和数据等信息加密、传 输，并为合法用户接收、解密的过程。条件接收主要应用于收费电 视。这就必须在机顶盒上增加条件接收功能。条件接收从硬件上讲 主要有两种接口方式，一种是智能卡方式，另一种是c i ( c o m m o n i n t e r f a c e ，公共接口) 方式。本系统使用的是智能卡方式。 ( 3 )画中画功能。s t i 5 5 1 4 的传输流接口有三个，两个是并口，一个是串 口。本系统中用了两个并口，可以一次输入两路t s 流，配合s t i 7 0 2 0 的多路解码能力，可以实现画中画功能。 信源解码板主要由以下几部分组成： 口s t i 5 5 1 4 一机顶盒后端解码器主控芯片 口s t i 7 0 2 0 - - 一机顶盒后端解码器高清解码芯片 口3 2 m b i tf l a s h 口6 4 m b i ts ms d r a m 口1 2 8 m b i te m is d r a m ( 可选) 口5 1 2 m b i tl m id d r s d r a m 口4 0 g 硬盘 口s m a r t c a r d 接口 口e 2 p r o m 用于节目数据库存储 口 前面板接口：负责接受前面板输入的信息，如：手动控制键盘、红 外接收等。 口r s 2 3 2 接口：接p c 机进行软件升级。 下图是信源解码板的功能方框图。 双声道 图4 - 1 信源解码器功能方框图 信源解码板的主控芯片是s t i 5 5 1 4 ，它负责： 1 系统初始化和系统控制； 2 将来自前端或l v d s 板的t s 流解复用，并将p e s 流传给s t i 7 0 2 0 ： 3 标清视频解码，数模转换。 4 标清音频解码。 为了配合s t i 5 5 1 4 的运行，需要配备一定数量的外部存储器，用来缓存码流 流、解码帧、显示帧等，本系统使用了三片s d r a m 。为了调试程序需要有j t a g 接口。信源解码板启动时，需要从r o m 中读取程序，加载到s d r a m 中运行。 考虑到将来的软件升级，我们采用了可现场擦除与改写的f l a s hr o m 来固化 系统软件。 第四章高清晰度电视信源解码板的研制 s t i 5 5 1 4 输出的视频信号是已经过数模转换转换的模拟信号，经过放大滤 波后可以直接输出。本系统可以输出c v b s 、s - v i d e o 两种视频信号。 音频解码后的数字信号通过外部d a c 转变为模拟信号，再经过放大滤波处 理就可以输出。此系统可以提供杜比a c 3 或m p e g 一2 音频输出。 另外，本系统还配备了e e p r o m ，用于存储节目和频道信息。提供了r s 2 3 2 接口，用于软件升级。 信源解码板的另一核心芯片是s t i 7 0 2 0 ，它主要负责： 1 多路视频( 包括h d 、s d ) 的解码； 2 一路音频的解码及届处理； 3 视频后处理及数模转换。 下面将详细介绍s t i 5 5 1 4 部分各模块的功能。 r s 2 3 2 接口| 【视频输出ll 音频输出 翌! ! ! j 1 视频后处理ll ；丽赢 机顶盒主控芯片 s t i s 5 1 4 i d p e g s d r a m 6 4 m b l t s m i e m i 硬盘im o 接口l 【5 繁嚣肋ll 前面板接口 图4 - 2s t i 5 5 1 4 系统功能框图 s t i 7 0 2 0 部分 s d r a m 1 2 8 m b i t ( 可选) f l a s h 3 2 m b i t 一理一处盟黼 第四章高清晰度电视信源解码板的研制 4 2s q 7 i 5 5 1 4 介绍【8 】 4 2 1 概述 s q i 5 5 1 4 本身是一个高度集成的单片标清机顶盒信源解码器芯片，是 s t i 5 51 2 币t l s t i 5 5 1 8 的升级版本，同时它具有强大的控制功能，本系统中就用来控 制s t i 7 0 2 0 进行高清解码。它集成了一个高性能的3 2 位c p u ，三个专用的d v b 传 输流解复用和解扰模块，一个具有先进的显示和图形性能的m p e g 一2 视频解码模 块，一个支持杜比和m p e g 的音频解码模块，还有数字视频编码器和所有的典型 低成本交互式接收机所需的系统外设。 内置a t a p i 接口可和标准硬盘驱动器无缝连接。这样s t i 5 5 1 4 就可以实现实 时电视录像、暂停和时移( t i m e s h i f f i n g ) 等功能。通过智能卡接g l 可以实现条 件接收。 s i i 5 5 1 4 与已经广泛使用的s t i 5 5 1 8 机顶盒解码器芯片软件兼容，软件可以很 容易地在它们之间移植。 4 2 2 s t i 5 5 1 4 的特征 集成有3 2 位的主控c p u ，频率可达1 6 6 m h z 8k b y t e s 指令c a c h e ，8k b y t e s 数据c a c h e ，和8 k b y t e ss r a m 。 _ 音频解码器 5 1 声道杜e l m p e g 。2 多声道解码，3 2 通道p c m 输出 i e c 6 0 9 5 8 - i e c 6 1 9 3 7 数字输出 m p e g 一1 层1 、层2 、m p 3 解码 视频解码器 支持m p e g 一2m f m l ，超过两个标清视频解码的速度 可编程的水平和垂直的放大和缩小功能 平滑的快进和回放等特技模式 高性能的o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 每像素2 至1 8 b i t s 可选 防闪烁、防跳动和防混淆滤波器 p a l n t s c s e c a m 编码器 1 0 b i t sd a c 支持c v b s ，y c ，r g b 或y u v 输出 _ 共享s d r a m 存储器接口( s m i ) 1 个或2 个1 6 m b i t ，或一个6 4 m b i t 或一个1 2 8 m b i t1 2 0 m h z1 6 b i t 宽s d r a m 第四章高清晰度电视信源解码板的研制 接口 一可编程的外部存储器接口( e m i ) ， 可接s d r a m 、s r a m 、f l a s h 、m p x 设备、外设等 6 个独立可配置的组，支持8 、1 6 、3 2 b i t 带宽 支持总线主模式和从模式 _ 三个前端接口 一个串行，两个并行传输流接口( t s i n ) 输入t s 流可配置输入到任意f t i 一三个可编程传输接i z p t i 并行、串行t s 流解复用 d e s 和d v b 解扰器 硬件s e c t i o n 滤波 _ 遵循a t a 5 的h d d ( 硬盘驱动器) 接口 支持高达u l t r ad m a 模式5 的所有传输方式，最大b u r s t 方式数据速率为 6 6 m 字节秒 输入硬盘和由硬盘输出的d e s ! j n 解扰 一五通道通用d m a 控制器 集成的外设有 5 个带有t x 和r xf i f o 的u a r t 2 个s m a r t c a r d 接口和时钟产生器 2 个1 2 c 总线控制器 4 个p w m 模块 支持m o d e m ( 此功能本项目没有开发) 4 8 b i t 可编程i o 接口 红外发射器和接收器 _ 支持专业的工具集 a n s i c 编译器和函数库 一3 8 8 p i n ( 3