DVB-C有線電視數(shù)字綜合解碼接收機（易鵬,、解煒）【提要】本文從數(shù)字有線電視機項盒的系統(tǒng)構(gòu)成,、應(yīng)用、市場潛力等方面分別進(jìn)行了闡述,，結(jié)合我國的國情,，提出了一些觀點和看法，并且以ST公司的系統(tǒng)方案為例,，對其做了更加深入的探討,。【關(guān)鍵詞】數(shù)字有線電視機項盒 QAM調(diào)制 DVB－C MPEG－2 SmartCard 1引言 在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的推動下,，電視數(shù)字化步伐加快了,。從模擬電視到數(shù)字電視，大大提高了電視節(jié)目的質(zhì)量,。原來傳輸一套模擬電視節(jié)目的頻帶,，可以傳輸4～10套數(shù)字節(jié)目，增加了節(jié)目數(shù)量,，降低了傳送成本,。就容量來說，如果采用64QAM,，8MHz帶寬的信道可容納 38.5Mbit／s的凈荷容量,，不會外溢到鄰頻道。這也為廣電網(wǎng)發(fā)展成為寬帶多媒體綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)打下了堅實的基礎(chǔ),，促進(jìn)了信息技術(shù)的更大發(fā)展,。所以說，數(shù)字電視取代模擬電視是大勢所趨,。早在1998年3月美國政府聯(lián)邦通信委員會FCC就通過了采用數(shù)字化電視的決議,，它要求美國四大電視網(wǎng)必須在1999年5月1目前，在全美最大的10個有線電視收視地區(qū)播送數(shù)字電視節(jié)目；2000年5月1日,，所有商用電視臺都應(yīng)數(shù)字化,；2003年 5月1日所有非商用電視臺也要實現(xiàn)數(shù)字化。歐洲,、日本,、東南亞、中東等地區(qū)都先后開展了相關(guān)業(yè)務(wù),。 在中國,，有線電視已進(jìn)入千家萬戶，從模擬電視到高清晰度數(shù)字電視,，估計過渡期為15年左右,。在此期間，模擬電視與數(shù)字電視將共存,。目前,，全國模擬彩電的社會擁有量2億臺以上，對用戶來說,，用機頂盒收看數(shù)字電視是最經(jīng)濟,、最有效的過渡方案。機頂盒將數(shù)字信號處理并轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出,，用現(xiàn)有模擬彩電收看,，使用戶同樣能看到圖像較清晰、音質(zhì)較優(yōu)美的數(shù)字節(jié)目,。我國各地有線電視臺都在規(guī)劃,，積極準(zhǔn)備開播數(shù)字電視節(jié)目。我國有8000萬有線電視用戶,，而且每年以近10％的速度增長,。如果有2％的用戶希望接收數(shù)字電視節(jié)目，則需要150萬臺數(shù)字機項盒（set toPbox）,。如果每年以 5％的速度增長,，對機頂盒的需求量為 400萬臺?？梢娡茝V數(shù)字電視后,，將會形成家用數(shù)字有線機頂盒的廣闊市場。本文正是立足于此,，探討一下數(shù)字有線機頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成及在我國的發(fā)展概況,、展望。 2數(shù)字有線電視機頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成 當(dāng)前,，國外數(shù)字有線電視的機頂盒類型十分廣泛,，各自都有自己的特點和優(yōu)點,。但是,，其系統(tǒng)構(gòu)成大同小異,。 我們大體上可把機頂盒分為四個主要單元。 2.1網(wǎng)絡(luò)接口單元 該單元主要完成信號接收,、變頻和信號的解調(diào),。它主要包括CATV TUNER（調(diào)諧器）、 QAM解調(diào)芯片,、一級A／D轉(zhuǎn)換及聲表面波濾波等相關(guān)組件,。 調(diào)諧器可選的種類很多，如ALPS公司的TDBE1,、TDBE 2,；MITSUMI公司的CATV19； THOMSON公司的 CIP55015,；PHILIPS公司的CD1516等等,。此器件的作用是將從信道來的射頻信號下變頻到一個固定的中頻上去，使配套器件能夠準(zhǔn)確采樣,。 A／D轉(zhuǎn)換器件是通用的,，在市場上很多，但是其采樣率必須要滿足具體的要求,，例如ST公司的STV0197就推薦采用10bit,，40M采樣率的HI5746或ADC9050；也有些器件將 A／D部分集成人QAM器件中,，例如LSILOGIC的L94768,、L9A5004QAM解調(diào)芯片，這種方式是比較好的方式,，因為A／D轉(zhuǎn)換部分往往是指標(biāo)很難調(diào)的部分,，放在電路板上遠(yuǎn)不如集成在芯片中穩(wěn)定，成本也降低很多,。 QAM解調(diào)芯片許多大公司都有各自成型的產(chǎn)品,，到國內(nèi)推廣比較多的主要就是上述兩家公司的芯片，這兩家公司都有一整套的DVB－C機項盒的參考設(shè)計,，QAM解調(diào)的芯片也包括其中,。 2.2 MPEG－2傳輸流解復(fù)用、音視頻解碼及系統(tǒng)控制單元 它包括中心處理器芯片（CPU）,，外圍存儲器及相關(guān)電路,。 它主要完成： （1）中心處理器：用于系統(tǒng)控制和機項盒與外界的通信控制； （2）解復(fù)用部分：這個模塊的功能實現(xiàn),，有些系統(tǒng)是用軟件來完成的,，這種方式對CPU的資源占用較大,，系統(tǒng)靈活性不好；有些使用固定的硬件解復(fù)用,，占用CPU的資源較少,，僅僅是用來識別MPEG的各種表并設(shè)置寄存器而已，這種方式系統(tǒng)靈活性較大,，解復(fù)用后,，生成 MPEG的PES流，傳給專用的解碼芯片,。 （3）解擾部分：這個模塊運算量較大,，幾乎所有的 DVB專用的解復(fù)用芯片都將解擾的硬件模塊集成進(jìn)去，此模塊控制相應(yīng)的一塊內(nèi)存,，一旦解復(fù)用時發(fā)現(xiàn)了加擾的MPEG 數(shù)據(jù)包,，則使用DMA方式將數(shù)據(jù)包傳入解憂模塊對應(yīng)的內(nèi)存中去，解憂后再傳回來,，繼續(xù)以后的解碼過程,。這個過程，所要占用的系統(tǒng)資源較多,，而且時間上也很緊張,，所以，針對有加密系統(tǒng)的機頂盒,，其軟件往往要經(jīng)過優(yōu)化,。不同的CA系統(tǒng)有不同加抗方式，一般的DVB專用的解復(fù)用芯片中的解憂模塊都是針對DVB的通用解憂算法的,，也有的將一些專用CA系統(tǒng)的解擾算法集成過去,。 （4）MPEG解碼：此部分對MPEG－2碼流進(jìn)行音視頻解碼，它需要有自己的相應(yīng)外部存儲器（如SDRAM）來完成運算,。它的重要性不言而喻,，其算法是否優(yōu)秀決定了整個系統(tǒng)的運行速度。 代表芯片有ST公司的STI3520,， LSI公司的 L64005,，IBM公司的 MPEGCD1， NEC的 HPD61020等,。 2.3模擬視音頻電視信號編碼單元 包括一級D／A轉(zhuǎn)換器,、音視頻放大器等相關(guān)電路用于音視頻的輸出，具體的就是將解碼芯片輸出的數(shù)字音頻信號進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換,，輸出模擬聲,，同時將解碼芯片輸出的視頻信號進(jìn)行PAL或NTSC編碼，輸出基頻或射頻的PAL／ NTSC信號,，也可同時輸出 Y／C,、 YUV,、RGB格式的視頻信號。 2.4外圍數(shù)據(jù)接口單元 包括SmartCard讀寫器,、高速數(shù)據(jù)傳輸口和低速數(shù)據(jù)傳輸口等外圍接口,。Smartcard 讀寫器主要是協(xié)助完成解密的工作，它是為各種加密數(shù)據(jù)廣播等業(yè)務(wù)服務(wù)的,，其CA軟件必須和發(fā)端設(shè)備相匹配,。解密系統(tǒng)解開接收機收到的已加密的密鑰,，它是解擾模塊工作所必須的,；解擾器則是讓收到的圖像和聲音恢復(fù)正常。 高速數(shù)據(jù)接口指IEEE1284或IEEE1394等數(shù)據(jù)接口,，主要完成MPEG碼流的輸入或輸出,。 低速數(shù)據(jù)接口是指RS232，USB的接口,，主要是完成機頂盒與外界的低速數(shù)據(jù)通訊,。 為了更加直觀地說明，下面我們就以目前在國內(nèi)比較流行的ST公司的一套解決方案為例,，進(jìn)行詳細(xì)闡述,。 該方案的系統(tǒng)和解復(fù)用芯片為 ST20－TPx，其常用的為ST20－TP2,。它的性能為： （1）集成了32位可變長精簡指令集的CPU,，主頻速度為0～50Hz，有8K的在片SRAM,，支持最大200MB／s的數(shù)據(jù)寬度,； （2）具有可編程的存儲器接口，支持SRAM和DRAM混用的形式,，數(shù)據(jù)寬度可為8,， 16，32bit,，支持PCMCIA模式,； （3）支持異步和同步兩種串行通訊方式； （4）有內(nèi)部集成的解憂模塊,，支持DVB的通用加擾方式的解擾,。本模塊具有多種接口：包括兩個MPEG解碼的DMA接口、兩個SmartCard的接口,、碼流輸入的DMA接口,、塊移動的DMA接口、圖文接口和IEEE1284接口等,； （5）其開發(fā)工具中包括標(biāo)準(zhǔn)C的編譯器和庫,，可利用軟件實現(xiàn)以下功能：①MPEG系統(tǒng)層的解復(fù)用,；②對其它設(shè)備（模塊）的驅(qū)動和同步；③電子節(jié)目表的過濾和顯示,；④ 條件接收的實現(xiàn),。 解復(fù)用過程是一個軟件和硬件混合的方式，ST20－TP2用DMA方式將接口芯片輸入的碼流直接放人存儲器中,，用軟件來判斷碼流的類型并解復(fù)用,。若判斷出碼流是用DVB標(biāo)準(zhǔn)加擾的碼流，則通過存儲器到存儲器的DMA傳輸方式傳到解擾模塊中去,，進(jìn)行解擾后再利用軟件解復(fù)用,。 解復(fù)用后的碼流經(jīng)DMA方式傳到外存儲器的緩沖段中或作為消息傳給另一個進(jìn)程，當(dāng)解碼模塊發(fā)出DMA申請時,，ST20從內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入解碼模塊,，輸入碼流中提取的視頻和音頻壓縮數(shù)據(jù)通過兩個獨立的DMA控制器來傳給解碼模塊。 ST20－TP2 系列有獨特的結(jié)構(gòu),，因在典型應(yīng)用中,，解復(fù)用操作占不到一半的CPU運行周期。 ST20系列CPU有兩個異步串行接口（ASC2）,，用于與調(diào)制解調(diào)器或其它外圍設(shè)備相連,，使機頂盒可以和收費電視系統(tǒng)相連。這兩個異步串行接口可支持多種波特率和數(shù)據(jù)格式的傳輸,，也可將碼流中的圖文或私有數(shù)據(jù)通過串行口傳給計算機等設(shè)備,。 ST20系列同時提供兩個同步串行接口，一般使用I2C總線協(xié)議進(jìn)行通信,，可用于外圍芯片的控制,，例如前端的調(diào)諧器、STV0197（QAM解調(diào)）,、STV0199（QPSK解調(diào)）,、后瑞的PAL／NTSC編碼芯片STV0118等。 ST20系列也提供高速的數(shù)據(jù)接口,，TP2提供一個IEEE1284接口,，這是一個7bit寬度的并行接口，支持高速數(shù)據(jù)的輸入輸出操作,，數(shù)據(jù)的輸入輸出通過一個專用的DMA控制器在接口和存儲器中進(jìn)行,。 ST20系列提供智能卡接口，使機項盒適應(yīng)CA系統(tǒng)的需要,，智能卡接口符合ISO7816 － 3的規(guī)范,，使用異步協(xié)議。 在新一代的ST20－TP3中,，傳送流解復(fù)用改為硬件實現(xiàn),，通過可編程控制的解復(fù)用接口進(jìn)行控制,， CPU被占用的資源更少，同時其解憂模塊也進(jìn)行了改進(jìn),，可很方便地應(yīng)用于很多的CA系統(tǒng)中,。 ST方案的解碼芯片使用STI 3520，它包括視頻解碼部分,、音頻解碼部分和一個鎖柏環(huán),。視頻解碼部分可實時解碼符合MPEG－1和MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)的，視頻分辨率為720× 480×60Hz或720×576×50Hz的碼流,，通過垂直和水平方向的過濾器來實現(xiàn)顯示圖像格式的轉(zhuǎn)換,。音頻解碼部分可解符合MPEG標(biāo)準(zhǔn)的音頻碼流，采樣率可為32,、44.1,、48kHz。音視頻數(shù)據(jù)通過8bit的數(shù)據(jù)接口輸入,，3520能自動抽出時碼進(jìn)行音視頻同步。有在屏顯示的功能,，用戶定義的位圖可以疊加在顯示圖像上,，要顯示的位圖由ST20百接寫入內(nèi)存中。 STI3520有四個主要接口：微控器接口,、存儲器（DRAM或 SDRAM）接口,、視頻接口、音頻接口,。微控器接口用來傳送數(shù)據(jù),、音視頻的中斷請求以及其它一些控制信息；存儲器接口傳送控制動態(tài)存儲的地址和數(shù)據(jù),；視頻接口輸出復(fù)合,、分量、S－Video等格式的信號,，信號中可包含在屏顯示信息,；音頻接口輸出音頻的時鐘及PCM數(shù)據(jù)。在存儲器容量大于2MByte的時候,，PAL解碼和在屏顯示可同時執(zhí)行,，在屏顯示的顏色為16色。 STI 3520A可以接收多種格式的壓縮碼流數(shù)據(jù)： 由ISO／IEC13818－1標(biāo)準(zhǔn)定義的MPEG的PES流,； 由ISO／ IEC13818－ 2標(biāo)準(zhǔn)定義的MPEG視頻ES（EIementary Stream）流,； 由ISO／IEC11172－3標(biāo)準(zhǔn)定義的音頻ES流； 由ISO／IEC11172－1標(biāo)準(zhǔn)定義的MPEG視頻ES流,； 由ISO／ IEC11172－ 2標(biāo)準(zhǔn)定義的MPEG的PES流,。 在解碼前,，3520先從PES碼流中抽出時間標(biāo)志，同時將碼流其它有用的信息抽出,，將它們放入3520的寄存器中,。 3520的存儲器接口控制DRAM的讀寫和刷新，DRAM提供顯示緩存,、數(shù)據(jù)緩存,、已解碼數(shù)據(jù)緩存和在屏顯示緩存。在視頻解碼過程中,，四個過程同時進(jìn)行,，即輸入碼流到緩存、尋找輸入碼流的啟始碼,、對一副圖像進(jìn)行解碼,、顯示一幅圖像。對每一個進(jìn)程,，ST20都要設(shè)置參數(shù)并通過中斷監(jiān)視其事件的通訊,。 3520輸入數(shù)據(jù)緩存的大小由軟件定義，輸入數(shù)據(jù)寫入DRAM的進(jìn)程獨立于其它的解碼進(jìn)程,，寫入DRAM前,，數(shù)據(jù)先通過1kbit的內(nèi)部 FIFO（先入先出寄存器），在對 MPEG－2 （MP@ML）進(jìn)行解碼時,，最大持續(xù)輸入碼率為 15MbPS,，最大碎發(fā)輸入碼率為280Mbps，碎發(fā)輸入深度為1kbit,。 啟始碼探測器搜尋緩存中碼流的圖像層的啟始碼,，當(dāng)找到一個之后，啟始碼探測器啟動一個中斷,，微控器此時就可開始讀出啟始碼后的數(shù)據(jù),。當(dāng)一個新圖像開始 Piture 的解碼時，或當(dāng)軟件對其進(jìn)行調(diào)用時,，啟始碼探測器啟動,。 圖像解碼進(jìn)行整幅圖像的解碼，當(dāng)整幅圖像解碼完成時,，此進(jìn)程停止,，等待解下一幅圖像的指令。在一幅圖像的解碼進(jìn)程開始后,，碼流從壓縮數(shù)據(jù)緩存中讀出,，進(jìn)入變長解碼器（Variable-length Code Decoder），圖像重建過程開始，重建后的圖像寫入 DRAM中的已解碼緩存段中,，當(dāng)一幅圖像解碼在進(jìn)行時,，下一幅圖像的啟始碼探測也已開始。 圖像數(shù)據(jù)的輸出格式符合I－TU－ R656規(guī)范,，為使解碼圖像的水平尺寸與顯示圖像相適應(yīng),，3520O可對亮度和色度信號進(jìn)行采樣率的轉(zhuǎn)換。 在屏顯示功能允許軟件將位圖疊加到任何區(qū)域的解碼圖像上,， ST20可在任何時候?qū)⑽粓D數(shù)據(jù)讀出和寫入,。 音頻解碼部分主要包括四大塊：主機接口和控制寄存器塊，用于主機和音頻部分的通信以及音頻控制器的設(shè)定,；輸入處理塊,，用于包一層的解復(fù)用響應(yīng)，有一段256Byte的內(nèi)部FIFO,，在將音頻數(shù)據(jù)輸入DRAM之前,，先解出時間標(biāo)志，將音頻數(shù)據(jù)段與時間標(biāo)志捆綁起來,；數(shù)字信號處理塊,，利用MPEG的Layer1和Layer2的算法進(jìn)行音頻解碼；PCM輸出決,，將 PCM的音頻輸出組織為所需要的串行輸出格式,，并產(chǎn)生音頻D／A轉(zhuǎn)換器的所有控制信號。 片內(nèi)鎖相環(huán)進(jìn)行頻率合成及分割,，從單一的輸入時鐘中，得到所有解碼過程所需要的時鐘,。輸入時鐘可以是PCM時鐘,、系統(tǒng)時鐘或視頻像素時鐘中的一種，鎖相環(huán)可進(jìn)行編程控制,，產(chǎn)生內(nèi)部的MPEG視頻解碼時鐘,、音頻解碼時鐘、PCM時鐘以及外存儲器時鐘,。 3DVB－C機頂盒軟件結(jié)構(gòu) 硬件之上是一層 DRIVERS（驅(qū)動程序）,，這部分主要包括接口驅(qū)動，MPEG解復(fù)用接口的設(shè)置及監(jiān)視,，MPEG解碼控制寄存器的設(shè)置及監(jiān)視,，在屏顯示功能的實現(xiàn)，前端的調(diào)諧器,、解調(diào)芯片的驅(qū)動,，板上數(shù)據(jù)庫的寫入及更新，各種表的過濾，解憂部分的驅(qū)動,，若有回傳信道還包括其驅(qū)動,，若解復(fù)用是由軟件實現(xiàn)的話，則包括軟件解復(fù)用部分,，SI 信息的過濾,，電子節(jié)目表的過濾與顯示，也包括其中,。DRIVERS之上是實時操作系統(tǒng)（Real Time Operation System）,，主要作用是控制各種資源，包括各種硬件的控制,，及軟件各個進(jìn)程之間的協(xié)調(diào)控制,，系統(tǒng)資源的分配等，此部分往往簡單而高效,。ST公司的ST20系列,，STI55xx系列，使用的操作系統(tǒng)為OS20或稱STLite,；LSI公司的L64008系列使用的是MK1000的操作系統(tǒng),。此部分往往已經(jīng)提供了簡單的API，用于用戶的編程來實現(xiàn)系統(tǒng)控制和簡單的用戶界面,。 中間層是指建立于實時操作系統(tǒng)之上的操作系統(tǒng),，例如OPENTV，POWERTV,，或 JA－ VA TVOS等,，這部分提供了完整的功能，便于用戶界面的編制及完善,，便于用戶管理系統(tǒng)的管理,，也有利于多功能業(yè)務(wù)（例如回傳、軟件下載等功能）實現(xiàn),，但是代碼效率較低,，而且如果使用這種操作系統(tǒng)，要額外支付不低的軟件使用費,。 用戶可編程接口由操作系統(tǒng)提供（中間層或?qū)崟r操作系統(tǒng)）,，使用戶能夠?qū)浖M(jìn)行修改。 4我國研制開發(fā)該類機頂盒的方向 數(shù)字有線電視機頂盒在我國的發(fā)展還剛剛起步,，許多科研院所,、企業(yè)單位都在開發(fā)研制過程中。筆者認(rèn)為該類機項盒的開發(fā)應(yīng)遵循以下4點,，僅供參考： （1）以批量生產(chǎn)和規(guī)?；笊a(chǎn)為目標(biāo),。 數(shù)字有線電視機項盒是技術(shù)發(fā)展快的高科技產(chǎn)品，市場一旦成熟會呈爆炸型趨勢發(fā)展,。因此,，我們的產(chǎn)品不能是一個功能樣機和宣傳產(chǎn)品，必須從一開始就以批量生產(chǎn)和規(guī)?；a(chǎn)為目標(biāo),，迅速形成DVB－C數(shù)字電視機頂盒的規(guī)模生產(chǎn)基地。 在技術(shù)選型方面,，要選擇性能價格比,、集成度高，穩(wěn)定可靠的方案,。 在元器件選型方面,，盡量采用易于采購、正在量產(chǎn)和低成本的器件,。 （2）以DVB－C標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)即將發(fā)布的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo),。 電視廣播類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作十分重要，標(biāo)準(zhǔn)的選擇正確與否直接影響產(chǎn)品的生命力,。如國內(nèi)就有一些企業(yè)宣布開發(fā)成功了美國標(biāo)準(zhǔn)（ATSC）的全數(shù)字電視,，但是這種產(chǎn)品只能在美國銷售，而在國內(nèi)只能起到廣告效應(yīng),。 （3）緊密結(jié)合市場,。 對于各地區(qū)有線臺數(shù)字電視的播出計劃有大致了解，以判斷該地區(qū)的市場潛力,，提出適合該地區(qū)發(fā)展的機項盒類型,。 （4）與數(shù)字電視發(fā)端緊密結(jié)合。 機頂盒產(chǎn)品是和前端系統(tǒng)中的編碼器,、條件接收系統(tǒng),、復(fù)用器、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)緊密相連的,，在市場的開始階段也是“系統(tǒng)帶終端”的方式進(jìn)行。因此,，開發(fā)產(chǎn)品時,，要廣泛了解前端系統(tǒng)的應(yīng)用和集成。 5未來與展望 數(shù)字電視的開通,，僅僅是圖像處理數(shù)字化的起步,，今后，完全可以利用有線數(shù)字寬帶網(wǎng)已接入千家萬戶這一優(yōu)勢,，大力開展相關(guān)業(yè)務(wù),，例如：數(shù)據(jù)廣播,、視頻點播、遠(yuǎn)程教育,、家庭購物等等,，與之對應(yīng)的各種數(shù)字電視機頂盒也將迅速步入市場。與它同類產(chǎn)品相比,，數(shù)字電視機頂盒有著自己獨特的優(yōu)勢,，更為適合我國的國情。由于其集成度變得越來越高,，隨之產(chǎn)生的效果將是穩(wěn)定性,、可靠性大大提高，而且產(chǎn)品各個模塊的價格相應(yīng)下降,。低廉的價格,、完善的高科技、廣闊的市場和諸多的消費群體為數(shù)字電視機項盒的發(fā)展描繪出了一幅無限美好的前景,，正是“莫愁前路無知己,，天下誰人不識君”。 摘自＜廣播與電視技術(shù)＞