DVB-C机顶盒信源解码器的设计与实现

摘  要：本文实现了以SC2005为主芯片的机顶盒信源解码器，并将该解码器配接L64768前端，组成了符合DVB-C标准的完整机顶盒方案；可对符合MPEG-2标准的音视频流进行解码并兼容PAL/NTSC/SECAM制式的模拟电视接收。
关键词：DVB-C；机顶盒；信源解码器；SC2005

引言
    近年来，我国广播电视数字化发展的进程明显加快，从而直接引发了对机顶盒(Set-top Box)的巨大市场需求，凸显了其重要性。在机顶盒的研发过程中，信源解码器的研制是整个开发工作的基础和核心。随着机卡分离政策的出台，信源解码器的通用性和复杂性，使其在机顶盒终端的开发过程中变得更加重要。本文论述的即为符合DVB-C标准的数字有线电视机顶盒信源解码器的设计与实现。
　　
总体方案
    机顶盒大体可以分成两个功能部分：信道解调解码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。由于前端的不同，机顶盒可分为数字卫星机顶盒、数字地面机顶盒和数字有线机顶盒三种。

　　该信源解码器是针对数字有线电视机顶盒研制的，将配接L64768前端，组成符合DVB-C标准的完整机顶盒方案。本文采用LSI Logic公司的基于SC2005的第二代单片信源解码方案来实现解码功能。该解码器的结构框图如图1所示，按功能可分为4个部分：以SC2005为核心的CPU及存储控制子系统；传输流解复用和音视频解码子系统；图形处理和屏幕菜单显示及输出子系统；外围接口子系统。

图1  机顶盒信源解码器

硬件实现
    该信源解码器的启动代码存储在Flash Boot ROM中，所用字体则存储在Flash Font ROM中。SC2005的两个SDRAM存储器接口分别与SDRAM-A和SDRAM-B相接。系统加电后，保存在Flash Boot ROM中的启动代码被调到SDRAM-B中执行。时钟由27MHz压控振荡器经倍频后提供。压控振荡器产生的时钟信号经过74LVC14整形后送到SC2005的VCXO引脚，并通过SDET引脚的输出进行同步恢复。传输流复用、音视频解码、图形处理等功能均由SC2005内部相应的集成模块配合外部相关电路来实现。

CPU及存储控制子系统
    SC2005集传输解复用器 L641x8和MPEG-2音视频解码器L64105的功能于一体，内含EZ4102内核、16KB指令Cache和8KB数据Cache，这是SC2005的核心组成部分。

    该信源解码器所用的两片1M×16bit Flash ROM均为AM29LV160DT-70，使用单一电源供电，读写和编程均使用3.3V电压，高速70ns读写时间。它们通过E-Bus与SC2005相连，地址总线A[6:0]和SC2005的ADDR[7:1]相连，A[19:7]和SC2005的AD[28:16]相连，数据总线DQ[15:0]和SC2005的AD[15:0]相连。芯片内部共有35个扇区，其中4个作为引导扇区，大小为4k字~16k字，其余31个扇区为32k字；有一个字节/字模式选择引脚BYTE#，本设计中该引脚接高电平，选择字模式。

    81MHz/1M×16bit的SDRAM-A和108MHz/2M×16bit的SDRAM-B通过S-BUS 与CPU的SDRAM存储器接口相连。其中SDRAM-A专门用于MPEG解码时存储视频帧和相关信息，SDRAM-B存储解复用、OSG和外围设备接口子系统的信息。SDRAM-A与SDRAM-B之间可通过一个DMA引擎直接传送数据。

传输流解复用和音视频解码子系统
    SC2005首先接收来自信道解码器或码流发生器的TS流，然后自动进行传输包同步检测。一旦同步建立，就会将传输包发送到PID预处理器中。PID预处理器分析输入的传输包，检查它们的PID值，只有和PID表匹配的PID值才能通过第一步滤波，不匹配的包被丢弃。通过PID滤波器的传输包被送到DVB解扰码器中，经过解扰的包进入PID后处理器，在经过滤波后，音视频PES数据直接进入A/V解码器中，而其它数据被送到外部SDRAM-B的循环缓冲器中，CPU能直接从存储器中读数据。传输流解复用子系统的结构框图如图2所示。

图2  传输流解复用子系统

    解复用后的音视频PES流通过A/V接口进入L64105 MPEG-2解码器进行分组解码。L64105输出数字视频和数字音频信号各两组。一组数字视频和一组数字音频信号直接输出。另一组的数字视频信号送到视频编码器中，被转换成全电视信号(CVBS)或S端子信号(Y/C)，经过外部低通滤波后，直接送到电视机中；数字音频信号送到音频DAC中，转换成立体声模拟信号，经外部低通滤波后输出。

图形处理和屏幕菜单显示输出子系统
    SC2005集成了高性能的OSG(On-Screen Graphics)子系统，该子系统可产生文本和图形并叠加到解码的视频上。OSG子系统产生静止层、OSD层和光标层；解码子系统提供视频层；混合器/编码器子系统产生背景颜色层，并在视频输出之前将上述5层进行编码复合，从而根据需要显示所要输出的复合视频。这个子系统将来自OSG子系统的图形和解码视频数据进行混合编码，然后输出NTSC/PAL/SECAM制式的RGB/YPbPr、CVBS或S视频信号给电视机或监视器。

图3  ATA硬盘接口

外围接口子系统
    该信源解码器集成了一个ATA硬盘接口，如图3所示。用户可以通过此接口实现个人数字录像机PVR(Personal Video Recorder)功能；还可在硬盘中开设海量缓存区，在播放数字电视的同时，对节目进行长达数小时的实时存储。依赖这种缓存技术，用户可以进行时移播放。

    该解码器拥有一个TDA8004T智能卡接口和符合IEEE 1149.1标准的JTAG模块，提供了基本的调试功能，还提供了LVDS接口，用来接收码流发生器输出的TS流。由DB-25接口输入的LVDS信号通过3片DS90C032进行电平变换后，进入解码器。此外，该系统还使用了一个UART，用于机顶盒的调试和软件升级。

图4  机顶盒软件分层框架

　　
软件设计
    软件系统基于一个分层的框架，其中，部分由LSI Logic在其参考软件中提供，其它部分需要由用户自行开发。软件的整体结构如图4所示。

    实时操作系统层(RTOS)是所有上层程序代码运行的基础，主要负责多任务调度、系统资源管理、中断处理、通信操作和同步处理等。本文使用的是WindRiver公司专门为嵌入式系统设计和开发的一个模块化、高性能的实时操作系统pSOSystem。RTOS层用板级支持包(BSP) 来实现与硬件层接口。

　　　操作系统移植层(OSP)实现两个主要功能：一个是动态配置任务的属性，如上下文的切换，优先级等；另一个是管理任务之间的通信，如数据传输与同步。硬件抽象层(HAL)负责直接对硬件寄存器编程；设备驱动层(DDL)是硬件抽象层的一个明了、方便的备份和封装，主要针对各硬件模块提供相应的驱动程序，如SC2005异常处理的驱动、时钟服务模块的驱动和OSG图形库的驱动等。应用程序接口层(API)为上层的应用程序提供API函数。

   驱动适配层(DAL)是对设备驱动层功能的进一步集合，通过功能组合可以直接应用到应用程序层，它起到了接口的作用。例如对Flash的操作，可以用这样的一个驱动适配层进行功能的进一步封装，以利于上层应用程序的调用。

　　　用户应用程序层是机顶盒用户应用软件的主体部分，也是软件开发的重点。与机顶盒有关的所有上层功能的实现都在这层完成，如关于用户界面功能的实现、EPG的实现、节目数据库的管理、用户信息输入/输出控制和软件升级等。
　　
性能测试结果
　　该信源解码器配接L64768前端后，经测试，达到预定功能。其性能特点如下：
1.整机系统完全符合DVB-C/MPEG-2标准
2.信道解码支持16/32/64/128/256QAM，转换率为：3MSPS~ 7MSPS
3.TS解复用器最大输入比特率：60Mbps(串行1)/7.5Mbps(并行)
4.视频解码分辨率：Max720×576，支持图文和字幕
5.音频解码器采样率：32/44.1/48kHz，支持32级音量调节
6.支持ATA硬盘接口
 
结语
    本文实现了基于SC2005的DVB-C机顶盒信源解码器，集成了个人数字录像机，并配接L64768前端，组成了符合标准的功能样机。

参考文献：
1 SC2005 Single-Chip Source Decode Technical Manual. LSI Logic, 2000
2 俞斯乐,侯正信,冯启明等.电视原理(第五版).北京：国防工业出版社，2000
3 国澄明,章悦,高宏伟等.一种新型数字SDTV信源解码器的实现. 信号处理,2004,20(2)：204~207