基于ARM和STi5x數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒的設計

1　 前 言

隨著計算機技術的縱深發(fā)展，后PC機時代的來臨，有線電視網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)絡的融合成為時代發(fā)展的必然趨勢。但由于三網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸方式上有很大的不同，所以要將三網(wǎng)在技術層面上融合，目前來講還不太可能，所以要實現(xiàn)三網(wǎng)的融合，還必須借助于類似網(wǎng)絡機頂盒(IPTV)的設備來完成三網(wǎng)的融合。中國有線數(shù)字電視標準采用的是歐洲的DVB-C標準，現(xiàn)在雖然市面上有數(shù)字電視機頂盒，但它們采用的都是一些企業(yè)完整的機頂盒方案，如采用菲利浦公司的DVB-C機頂盒方案，調諧器和信道解碼器分別采用TDA8274和TDA10023^[1]，CPU采用MIPS核的PNX831X；美國ST公司的以STi5518為CPU的機頂盒方案^[2]，其CPU核心是ST20等等，這些完整的數(shù)字機頂盒方案的中央控制模塊往往將重點放到數(shù)字電視信號的解復用、視頻解碼、音頻解碼及PAL/NTSC編碼等功能，所以這些機頂盒的刻錄功能和上網(wǎng)功能等都非常的弱，再者因為它們不能夠很好的嵌入常見的嵌入式操作系統(tǒng)，所以很多應用程序的編寫工作量都非常的大，很多功能都難以實現(xiàn)。

２　傳統(tǒng)數(shù)字機機頂盒和數(shù)字網(wǎng)絡機盒的比較

數(shù)字電視系統(tǒng)分成數(shù)字電視的發(fā)送,數(shù)字電視的傳輸和數(shù)字電視的接收。數(shù)字電視的發(fā)送主要包括數(shù)字節(jié)目的制作，音視頻編碼，其標準采用MPEG-2標準的MP@ML，其數(shù)據(jù)的壓縮率可達到30~50倍，以便于信息的存儲和傳輸；然后將數(shù)字節(jié)目復用以增加通道傳輸容量；信號調制，不同的傳輸方式采用不同的調制方式。信號的傳輸方式有三種形式，衛(wèi)星傳輸，調制方式采用四相移位鍵控（QPSK）。地面廣播傳輸，其調制方式采用DMB。有線電纜傳輸方式，其調制方式采用正交幅度調制（MQAM）。傳統(tǒng)的數(shù)字機頂盒的邏輯結構如下圖1所示：

圖１　傳統(tǒng)的數(shù)字機頂盒邏輯結構

本設計將數(shù)字電視的解復用模塊STi5518和ARM9核技術有機的結合起來，設計一款基于ARM9和STi5518有線數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒。有線數(shù)字機頂盒前端的調諧器和信道解碼器采用菲利浦公司的TDA8274和TDA10023，解復用器采用STi5518，ARM9核采用三星公司S3C2410A，兩個CPU的數(shù)據(jù)通信采用IDT公司的雙口RAM。其硬件結構如下圖2所示：

圖２　數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒邏輯結構

該數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒和傳統(tǒng)的機頂盒相比較,僅多了ARM模塊和雙口RAM模塊,而功能卻大為增加,數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒主要的功能是完成數(shù)字電視節(jié)目的接收,將處理好的節(jié)目信號保存到存儲設備和送到顯示設備顯示,同時能夠完成與互聯(lián)網(wǎng)的連接。由這樣幾步完成：機頂盒的硅調諧器接收到射頻信號，下行變換到中頻信號后放大，然后送AD轉換器進行模擬量到數(shù)字的轉換，再送入解調器模塊進行解調，輸出串行或并行的MPEG-２格式的傳輸流（ＴＳ）。這部分的功能主要由菲利浦公司的TDA8274和TDA10023芯片組完成，經(jīng)過該芯片組的調諧、下變換放大、ＡＤ轉換后輸出傳輸流(TS)。

STi5518接收前端送來的傳輸流后，先進行解復用、解擾，MPEG-2音視頻解碼，然后再完成PAL/NTSCSECAM編碼和VGA轉換輸出，送給電視機或CRT顯示，同時支持多種音頻編碼和杜比5.1音頻標準輸出。前端接口支持VCD、DVD、SVCD和CD-DA I2S、串行口，并且支持I2C控制接口。并且通過雙口RAM完成與ARM CPU的通信。

機頂盒的主CPU采用三星公司ARM核S3C2410A，該CPU的工作頻率可達203MHz,集成Flash、SDRAM控制器，硬盤接口、USB接口、I2C控制器、多串行口、互聯(lián)網(wǎng)接口等。其主要功能是對整個數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒進行控制，完成與Internet的連接，電視節(jié)目的存儲，完成視頻點播等功能。利用雙口RAM完成與STi5518的數(shù)據(jù)交換，利用I2C完成對前端解調器的控制。

３　網(wǎng)絡數(shù)字機頂盒的硬件結構

３.1 數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒前端硬件設計

數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒前端功能是完成射頻信號的接收、下變換放大、通道解碼輸出傳輸流（TS）。RF接收器和通道解碼器采用菲利浦公司TDA8274和TDA10023。TDA274是一款功能強大的RF集成電路，嵌入了低噪聲的輸入放大器，并且為處理RF信號提供了一個圖像拋棄混合和向下轉換成IF的電路，經(jīng)過濾波后送給通道解碼器TDA10023，完成通道解碼功能。

TDA10023是一款電纜通道解碼器，提供4,16,32,64,128和256正交頻幅解調功能，具備IF信號輸入接口，通過內(nèi)部10位A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號。芯片包括兩個前向糾錯編碼器（FEC）,在DVB-C模式中，使用MPEG-2的同步字節(jié)進行糾錯，能夠糾正８個錯誤字節(jié)，在MCNS模式?jīng)Q策中，使用軟解碼器糾正隨機的通道錯誤，送給TDA10023的IF信號經(jīng)過A/D轉換，QAM解調，前向糾錯、濾波，最后輸出串行/并行傳輸流。

３.2 解復用及音視頻處理

本數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒CPU采用ST公司的專用解復用和音視頻處理器芯片STi5518, STi5518是一款32位的高性能的CPU，專門用于DVB數(shù)字電視信號的解復用、解擾和MPEG-2音視頻解碼的專用芯片。其指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分設各2KB，另帶4KB SRAM可以設置為數(shù)據(jù)Cache。它支持PAL/NTSC/SECAM編碼輸出，音視頻解碼器的支持多種編碼格式。前端接口兼容DVD、VCD、SVCD、和CD-DA，硬件TS解復用器支持串/并輸入，集成了豐富的外圍接口，它支持ANSI C編譯器和庫，給開發(fā)帶來極大的方便。

STi5518以串行或并行的方式接收來自前端輸出的傳輸流，其內(nèi)部解復用器解調出不同的節(jié)目頻道，提取相應的音視頻流和數(shù)據(jù)流，其輸出為MPEG-2音視基本流及一些數(shù)據(jù)凈荷。MPEG-2解碼器和相應的解析軟件用數(shù)字信息的還原。對于加密的電視節(jié)目，條件接收模塊可以通過智能卡對音視頻進行解擾。MPEG-2解碼器用于音視頻解壓縮，經(jīng)過視頻編碼器和音頻編碼器還原模擬音視頻信號。解復用及音視頻解碼STi518擴展功能模塊如下圖所示：

圖３　解復用、音視頻解碼模塊

在STi5518模塊中，E2PROM用于存放工作過程中的配置參數(shù)，同步存儲器SDRAM用來運行程序，F(xiàn)lash用于燒寫啟動程序，智能卡接口用于完成條件接收功能。同時該擴展模塊輸出數(shù)字電視和VGA顯示器所需要的信號，雙口RAM用于完成STi5518和ARM板之間的通信。

３.3中央處理器ARM9模塊

S3C2410是三星公司設計開發(fā)的基于精簡指令集的ARM9核的CPU,工作頻率可以達到了203MHz，且具有豐富的外圍組件，其中主要包括：存儲器管理單元MMU，16KB的指令緩沖器和16KB數(shù)據(jù)緩沖器^[3]，存儲器控制器（SDRAM控制器）、NAND Flash 和NOR Flash 控制器，4通道的外部DMA請求控制，3個串行口，SD存儲卡讀取接口，2個USB接口（1個USB主機接口和1個USB設備接口），5個脈寬調制定時器，看門狗定時器，117個通用I/O端口（其中24可用于中斷請求）。正因為S3C2410有如此強大的外圍控制組件，所以在電子產(chǎn)品中的應用十分廣泛。其ARM9擴展板的邏輯結構如下圖４所示：

圖４　ARM9擴展板的邏輯結構

ARM9擴展板中由S3C2410CPU、64M閃存、64M的同步存儲器、鍵盤和USB接口；處理數(shù)字電視信號的部件主要由硬盤、互聯(lián)網(wǎng)接口、紅外線發(fā)送與接收和雙口RAM組成。該模塊的主要功能是完成數(shù)字電視節(jié)目的存儲，連接到互聯(lián)網(wǎng)，紅外線的控制,通過I2C接口控制前端調諧器，通過雙口RAM完成與STI5518的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)中的64M閃存用來存放CPU的啟動程序和Linux操作系統(tǒng)；64M的同步存儲器用來運行操作系統(tǒng)和應用程序；鍵盤用來輸入數(shù)字；USB接口用來外接USB設備，如USB 移動硬盤、USB打印機等等；硬盤用來存儲數(shù)字電視節(jié)目和其它信息、數(shù)據(jù)；互聯(lián)網(wǎng)接入模塊用于寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)；紅外線模塊控制遙控器的發(fā)送與接收，選擇電視節(jié)目或實現(xiàn)其它功能；雙口RAM用來實現(xiàn)與STI5518的數(shù)據(jù)交換。

４　數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒的軟件和功能

由于嵌入式系統(tǒng)軟件和微處理器密切相關，所以通常采用分層模型來描述，軟件層次結構自底而上分為固件層、驅動層、中間件、應用層，這樣，一旦硬件模塊發(fā)生變化，軟件的修改只發(fā)生在和硬件相關的固件層，中間件和應用層可以保持不變，能夠減少編程工作量，縮短軟件開發(fā)時間。層次構建遵循的原則：某一層的模塊可調用下層模塊，同時又能被上層調用，同層之間一般不能調用。

數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒的硬件組成相當于一臺奔Ⅲ的計算機和數(shù)字機頂盒，所以其功能既能夠完成計算機的功能又能夠完成數(shù)字機頂盒的功能。該數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒的能完成主要功能是：

1)數(shù)字電視節(jié)目的接收?。?DVB公共解擾算法和條件接收?。?支持PAL/NTSC/SECAM 4)支持MPEG-2圖像和MP3、杜比5.1音質?。?遠程教育?。?按次付費電視收看

７)電子節(jié)目指南?。?互聯(lián)網(wǎng)的接入^[4]?。?數(shù)字電視節(jié)目存儲　10)視頻點播（VOD）

11)交互式電視游戲等等，可以看出，數(shù)字網(wǎng)絡電視機頂盒的功能十分強大。

５　總結

本文作者的創(chuàng)新點是完成了基于ARM9和STi5518的數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒硬件平臺的設計。文中對傳統(tǒng)的數(shù)字機頂盒和數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒作了比較，同時給出了數(shù)字網(wǎng)絡機頂盒的硬件邏輯方框圖，以及軟件模型和功能。該設計實現(xiàn)后，不僅能夠完成傳統(tǒng)數(shù)字機頂盒的功能，還能夠完成電視節(jié)目的存儲和連上互聯(lián)網(wǎng)的功能，有理由相信，隨著數(shù)字電視時代的到來，該設計能得到廣泛的應用。

[1] Philips Electronics Co., Ltd. TDA827x User’s Manual[OL].2003.

[2] ST Electronics Co., Ltd. Sti5518 User’s Manual[OL].2001.

[3] 張穎，林孝康.基于ARM和FPGA的嵌入式網(wǎng)關設計[J].微計算機信息，2006，8-2：32~35.

[4] 侯冬晴，趙金.基于ARM9和GSM的遠程數(shù)據(jù)采集平臺的設計[J]，機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新.2006,2:84~85.

[5] Samsung Electronics Co., Ltd. S3C2410X Microprocessor User’s Manual[OL].2003.