普及型有线数字电视机顶盒的电路分析a

第五章,普及型有线数字电视机顶盒的电路分析,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.1数字电视机顶盒的通用电路模式及代表性芯片5.2数字高频头的分类及基本工作原理5.3解复用和视音频解码电路分析5.4解复用和解码芯片STi5518简介5.5有线数字电视专用芯片QAMi5516简介5.6以STi5518和QAMi5516为中心的主板电路5.7数字电视智能卡及读卡电路5.8数字电视机顶盒的操作显示及相关电路5.9数字电视机顶盒开关电源的电路分析,本章主要内容,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.1.1有线数字电视机顶盒的通用电路模式5.1.2富士通（Fujitsu）公司的MB87L2250芯片方案5.1.3LSILogic公司的SC2000/2005芯片方案5.1.4ST公司的STi5518和QAMi5516芯片方案5.1.5其他芯片方案,5.1有线数字电视机顶盒的通用电路模式及代表性芯片,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.1.1有线数字电视机顶盒的通用电路模式,从电路的基本结构来看，通常是采用单芯片解决方案。即由专门的芯片制造厂商将信源解码必须的主要电路和一个嵌入式CPU都集成在一块单芯片上，数字机顶盒的生产厂一般是购买这块专用芯片及来自芯片制造厂商的完整解决方案，在此基础上进行二次开发并配置相应的外围元件，即可组成一台完整的数字电视机顶盒。通用电路模式是主芯片高频头外配存储器（Flash、SDRAM、DRAM等）不同的机顶盒生产厂如果采用了同一芯片制造厂商的同一种芯片，他们的电路结构就会是大同小异。我们在研究数字电视机顶盒的电路结构时，首先需要关心的是该机顶盒的主芯片，包括主芯片的制造厂商和该主芯片的产品定位。,5.1.2富士通（Fujitsu）公司的MB87L2250芯片方案,该芯片的产品定位为适用于低端数字电视机顶盒。其基本特征是：32位高集成度RISCCPU；1KB高速缓冲存储器；只需要大于2Mbit的SDRAM；支持32路PID；支持红外遥控接收，8位屏幕显示；机顶盒格式转换；配有I2C兼容接口，两个智能卡接口；16位通用可编程输入/输出；自动时钟恢复等。,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.1.3LSILogic公司的SC2000/2005芯片方案,该芯片的产品定位为适用于性能比较完善的中、高档机顶盒产品，其基本特征是：除具有解复用器以及MPEG-2视音频解码电路外，还集成了音频D/A转换器、视频D/A转换器、多标准的编码器，支持PAL、NTSC、SECAM多种制式。该芯片中集成了一个嵌人式32位高性能微处理器CPU(108MHz)和32位RISC系统，3个RS-232接口，1个IEEE1394链路接口，1个IEEE1284并行接口，1个10Base-T以太网接口和若干个通用I/O接口。以及DRAM控制器、Smart卡接口和12C总线接口等。,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.1.4ST公司的STi5518芯片方案,该产品定位为中档机顶盒，但价格较低，性价比较高，所以很受机顶盒生产厂的欢迎，成为2005年以前主流机顶盒优选主芯片。该芯片的基本特征是：传输流解复用器支持并/串行输入，内置DES和DVB解扰器，支持多达32个PID；其视频解码器支持MPEG-2MPML解码，可编程的任意比例伸缩，具有高性能屏显功能，多标准的编码器支持PAL、NTSC、SECAM多种制式，支持RGB、CVBS和亮色分离的Y/C及Y、B-Y、R-Y输出；MPEG-2音频解码器支持5.1通道的杜比解码，IEC60958-IEC61937数字输出，DTS数字输出和MP3解码。,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.1.4ST公司的QAMi5516芯片方案,该芯片是专门针对中低端有线数字电视机顶盒而设计，性价比很高，除具备有线数字电视机顶盒的全部基本功能外，还具有很强的扩展能力，为实现增值服务建立了很好的硬件环境，能够满足用户多方面的需求。是2005年后主流机顶盒优选主芯片。该芯片的突出特点是：芯片中已集成了QAM解调器，这种将信道解码与MPEG解码集成在一起的方案，简化了机顶盒生产过程中的电路设计，提高了产品的可靠性和性价比；而且由于其可以与普通的模拟高频头相配合，更降低了硬件的总成本，进一步提高了性价比；QAMi5516的主频为180MHz，比STi5518的80MHz提高了一倍多，这也使选用该芯片的新一代机顶盒在处理数据业务时，将表现出极大的优越性。,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.1.5其他芯片方案,以上介绍的仅仅是一些比较典型的芯片方案，随着高清晰度数字电视节目的增多和交互式数字电视市场的逐渐成熟，单一的普及型机顶盒显然不能满足用户的多样化、个性化需求。一些中、高端的芯片方案及相应的机顶盒也会得到更加广泛的应用。这些方案的共同特点是：处理器性能得到更大的提高，功能更加强大，具有更多的外围接口、更高的集成度和更加优越的性能。按照ST公司“搭一个统一平台来支持所有产品”的设计理念，在众多的ST系列芯片方案中，我们只要认真研究了其中的一种方案，这对于我们理解其它的芯片方案都会有帮助，因为该系列芯片搭建的是一个“统一”的硬件平台和软件平台。低、中、高三种芯片方案的性能可能会有较大的差别，以这些方案为基础可以开发出低、中、高三种档次的数字电视机顶盒。但是，这三档机顶盒的基本结构很类似，整体布局相差并不很大。本书的讨论重点是以STi5518和QAMi5516为主芯片的机顶盒方案，这不仅是考虑到眼前的需要，同时也是为下一步理解高清及交互式机顶盒打下基础，甚至会对将来学习高清晰度数字电视机有所帮助。,5.2.1数字高频头的主要技术要求5.2.2数字高频头的分类5.2.3两类数字高频头的内部结构比较5.2.4调谐、解调一体化高频头的基本工作原理,5.2数字高频头的分类及基本工作原理,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.2.1数字高频头的主要技术要求,1、U/V全波段接收，频率范围：65MHz862MHz；2、输入电平范围：4780dBV(64QAM信号)；5050dBV（256QAM信号）；3、频率捕捉范围150KHz；4、输入反射损耗8dB；5、具有射频输出环通功能；6、传送流误码率(纠错前)110-47、载噪比门限：26dB(64QAM)；33dB（256QAM）；8、支持符号率范围3.66.952MBaud；9、节目时基(PCR)抖动适应能力500ns；10、节目切换时间2s；11、输出MPEG-2规格的TS流；12、本振泄露43dBV；13、抗单频干扰能力：27dB(64QAM)；40dB（256QAM）；14、抗脉冲干扰能力(宽度)25s（10Hz重复频率）；15、抗50Hz调幅干扰能力3%。,5.2.2数字高频头的分类,按照数字信号的传输方式可以分为三类，这三类高频头中的解调器存在较大差异。1.卫星数字高频头2.有线数字高频头3.地面数字高频头有线数字高频头又可分为两类：1.不带QAM解调器的单调谐数字高频头2.带QAM解调器的调谐、解调一体化高频头,两类有线数字高频头的外观及引出脚比较,原理与维修,数字电视和机顶盒,(a)调谐、解调一体化数字高频头,(b)单调谐数字高频头,这些带QAM解调器的调谐、解调一体化数字高频头，在以STi5518及同类主芯片的机顶盒中得到广泛应用，它共计需要2029个引出脚。,这些不带QAM解调器的单调谐数字高频头，在以QAMi5516及同类主芯片的机顶盒中得到广泛应用，它的引出脚就要少得多。,两类有线数字高频头的内部结构比较,原理与维修,数字电视和机顶盒,(a)调谐、解调一体化数字高频头,(b)单调谐数字高频头,这些一体化高频头的内部必须配置QAM解调器，完成QAM解调和信道解码功能，它们的输出是符合规定的TS传输流。而QAM解调器中最关键的器件是位于其右边的信道解码芯片，通常是选用ST公司的信道解码专用芯片STV0297，可支持16QAM、32QAM、64QAM、128QAM和256QAM多种解调方式。,这些不带QAM解调器的单调谐数字高频头中，没有信道解码芯片只能完成调谐及频率转换功能，它们的输出是未经解调的中频信号IF。,调谐及频率转换,5.2.3单调谐数字高频头的基本工作原理,此类高频头采用的是频率合成器调谐系统，电路结构及基本工作原理与模拟电视机中的高频头非常类似。需要特别注意的是：在数字电视机顶盒中的一次中频IF指的是中心频率36MHz，其IF频率带宽指的是从32MHz40MHz，在此8MHz的带宽中常常混有68套数字节目的音、视频码流和相关数据流。,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.2.4调谐、解调一体化高频头的基本工作原理,此类高频头中增加了QAM解调和信道解码这两部分，这两部分的信号处理功能都是在单片ICSTV0297中，图中的第一中频（IF1=36MHz）最后是送入ICSTV0297进行后续的信号处理。,原理与维修,数字电视和机顶盒,单片ICSTV297的内部功能方框图,中频差分信号进入STV0297后首先进行A/D转换(ADC模块)，然后经正交解调输出I、Q基带信号，它可以将最终的数据按照MPEG特定的“通用接口”格式，形成原始基带MPEG-2信号输出TS流，可以按照8位并行的格式输出，也可以按照串行格式输出，以满足不同的应用需求。,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.3.1解复用器5.3.2视频解码5.3.3音频解码,5.3解复用和视音频解码电路分析,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.3.1解复用器,机顶盒中的解复用模块，主要是用于对TS传输流中各复用内容，如音视频流、MPEG-2数据、图文流、字幕流等解析复原的一个功能模块，其功能结构如下面示意图所示。,原理与维修,数字电视和机顶盒,TS传输流在解复用模块中的分解过程示意图,TS传输流首先进入同步字节提取模块，由该模块提取传输流中的同步字节，找到传输流TS包的起始位置。再由包解析器从TS包头中提取包识别符PID，PID通过与PID过滤器中事先设置的PID过滤值比较而得到。若输入包的PID与预定PID匹配，则该包数据被提取，并送到解扰器接口，由解扰器恢复TS数据包中的原始数据。,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.3.2视频解码,数字机顶盒中的视频解码是指从输入基本分组数据流一直到恢复成模拟视频信号的全部视频信号处理过程，包括拆分数据包、视频解压缩、与有关业务同步、数/模转换及输出模拟视频信号等处理环节。其主要过程如下图所示。,原理与维修,数字电视和机顶盒,视频解码按照视频编码的逆过程进行。要保证视频解码的正确进行，必须要保持视频解码与参考系统时钟同步。当视频流来源于解复用模块时，由于MPEG-2音视频流均分开为两个独立的基本节目流，且视频流中不同帧的顺序也需要重新排列，所以视频解码模块必须从包中提取PTS信息，使视频流的播放与参考系统时钟（STC）同步，而STC又与从TS流中提取的节目时钟基准信息保持一致。系统通过对节目时钟基准PCR的控制，以保证音视频播放的同步。,数字电视图像显示过程中的“定帧”现象,在切换频道或发生错误执行恢复时，有可能需要重新确定同步的起始点，此时视频解码器从视频打包基本流PESv中提取图像显示时间标签PTS，与系统时钟STC进行比较，决定是否需要重新同步。当图像显示时间标签PTS与STC的比较结果不超过允许范围时，解码器按正常操作输出图像；若超过允许范围，则解码器的图像输出根据误差的极性，或者重复当前图像，或者丢弃下一个B帧图像。当下一个图像不是B帧图像时，丢弃P帧图像，而在没有P帧图像可丢弃的情况下，丢弃I帧图像。所以数字电视系统中出现同步问题时，不会象模拟电视机中出现行、场不同步的故障现象，它在荧光屏上的反映是图像的瞬间停顿，即“定帧”。,5.3.1解复用器,机顶盒中的解复用模块，主要是用于对TS传输流中各复用内容，如音视频流、MPEG-2数据、图文流、字幕流等解析复原的一个功能模块，其功能结构如下面示意图所示。,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.3.3音频解码,数字机顶盒中的音频解码是指从输入基本分组数据流一直到恢复成模拟及数字音频输出的全部音频信号处理过程。其主要过程如下图所示。,原理与维修,数字电视和机顶盒,音频解码器工作时，必须保持音频解码与系统参考时钟同步。当音频流来源于解复用模块时，音频解码器从包中提取显示时间标记PTS信息，使音频流的播放与参考系统时钟（STC）同步，而STC又与从TS流中提取的节目时钟基准PCR信息保持一致。系统通过对显示时间标记PTS的跟踪，从而保证了音频播放与视频图像显示的严格同步。,5.4.1芯片STi5518的基本性能5.4.2芯片内的CPUST20-C2+及周边电路5.4.3TS流解复用及解扰5.4.4芯片内的MPEG解码子系统5.4.5芯片内的PALNTSCSECAM编码器,5.4解复用和解码芯片STi5518简介,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.4.1芯片STi5518的基本性能,STi5518采用SMD贴片封装形式，共有引出脚208个（实物见右图），表5-3对这208个引出脚的功能及去向作了简要说明。一体化高频头输出的TS传输流有效数据以8位并行的方式从613脚进入STi5518；时钟信号(CLK)、有效数据指示信号(DVALID)及传送包的同步字节信号PSYNC等也分别由17、18和19脚送到STi5518中，指示传送包的起始位置和有效数据的位置，使STi5518正确解读数据。,原理与维修,数字电视和机顶盒,在STi5518内首先进行传输流的解复用，取出选定的节目，然后进行解密、数据码流的解压缩、及数/模转换等，最后按照节目本身的制式（如PAL）进行彩色编码，由34脚输出模拟视频信号；由32-33脚输出模拟分量Y/C。与此同时，解复用后取得的音频数据也要在STi5518内完成相关的解码处理程序，其音频数据流以串行形式从52输出，系统时钟信号及音频数据的位时钟、左右声道时钟也分别由55脚51脚和56脚输出。,5.4.2芯片内的CPUST20-C2+及周边电路,STi5518内部框图如下图所示，主要功能及模块如下：1.中央处理器(CPU)采用的是ST20-C2+，是1个32bit可变长度精简指令(VL-RISC)的微处理器内核，时钟信号频率为81MHz。2.存储器子系统包括芯片内置的在片存储器和外部存储器接口。3.4个异步串行控制器(ASC)和两个同步串行控制器(SSC)。4.链路接口接收来自DVB或DSS的传输流输入，从传输码流中提取用于解码和播放的基本码流包(PES)，并存入由解码器控制单元使用的缓冲器中。5.STi5518内的中断系统由在片中断级控制器和在片中断控制两大部分组成。,STi5518的内部功能框图,5.4.3TS流解复用及解扰,1.前端和链路接口前端接口使用同步串行规程，在外部高频头和存储器之间接收和传送信号；在存储器缓冲器和前端接口模块之间，用DMA方式传送采样数据；先进先出存储器(FIFO)用来确定存储器的存取等待时间；该接口允许为改进存储器带宽效率使用突发脉冲，支持V22bis标准。链路接口从传输码流中提取用于解码和播放的打包基本流(PES)，并存入由解码器控制单元使用的缓冲器中，链路连接前端接口到MPEG解码器和CPU-ST20。2.TS流解复用及解扰STi5518利用置于芯片内部的硬件模块来完成TS流解复用的功能。芯片内置的DVB和DES解扰器支持DVB、TP和PES级解扰，可设置8个不同的键来解扰32个码流。TS流进行分析和解扰后，数据可转移到外部存储器的缓冲器中，再从缓冲器中用DMA方式进人MPEG解码器；数据也可直接加到MPEG音频和视频解码器。,5.4.4芯片内的MPEG解码子系统,1.视频解码该芯片内的解码器支持MPEG-1和MPEG-2标准的实时视频压缩处理，视频率可以达到720像素480像素50Hz或720像素576像素60Hz。图像显示格式转换由垂直和水平滤波器实现，用户定义的位图可通过使用在屏显示功能叠加在显示图像上。2.子图像解码器包含子图像单元的子图像位缓冲器集成在外部SDRAM存储器中，且尺寸大小是可编程的，其位置和尺寸可用2K字节的倍数设置。子图像位缓冲器在上电复位时设置，在工作期间，其尺寸和位置是连续的。3.显示平面显示单元是MPEG视频解码器的一部分，以图解顺序叠加了四个显示平面。4.音频解码器音频解码器用来解码音频PES码流，输出6个声道的PCM音频数据，还能输出外部数模转换器所需的时钟信号。,5.4.5芯片内的PALNTSCSECAM编码器,芯片内集成的DENC（数字视频编码器）将标准的422数字视频流转换成以下信号，然后用6个输出脚输出6种不同的视频信号。标准的模拟基带PALNTSC/SECAM信号；复合视频信号；RGB和模拟分量YCbCr。,5.5.1芯片QAMi5516的基本性能及特点5.5.2QAM解调、信道解码及解复用5.5.3芯片内的MPEG解码子系统及数字编码器,5.5有线数字电视专用芯片QAMi5516简介,原理与维修,数字电视和机顶盒,5.5.1芯片QAMi5516的基本性能及特点,QAMi5516采用PBGA封装形式，共有引出脚416个。由于它支持两层PCB布板设计，在右面的实物图中，正面看不到它的引出脚，但在其背面的焊盘图中可以看到它的引脚分成了几组而且每组又分成几排。表5-4对其中一些重要引脚的功能作了简要说明。,原理与维修,数字电视和机顶盒,该芯片的最大特点是内部集成了可支持16、32、64、128和256等不同调制方式的QAM解调器，从而将有线数字电视接收所需要的QAM解调、信道解码、解复用、MPEG视音频解码和PAL/NTSC多制式编码等所有重要功能都集成在一块芯片之中，还具有很强的扩展能力，增强了音视频质量的后处理功能。而且功耗低，支持时钟可编程，非常适合于有线数字电视机顶盒的生产，成为2005年后非常受欢迎的有线数字电视机顶盒专用芯片。,QAMi5516芯片内的一些重要功能模块,QAMi5516内部框图如下图所示，部分功能及模块如下：1.芯片内的中央处理器(CPU)QAMi5516中的CPU内