數(shù)字有線電視機(jī)頂盒單芯片QAMi5516及應(yīng)用

　　摘要：QAMi5516是STMicro(意法半導(dǎo)體)公司最新推出的數(shù)字有線電視(DVB-C)機(jī)頂盒解調(diào)、解碼單芯片。文章介紹了QAMi5516的主要功能和特點(diǎn)，分析了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了基于該芯片的DVB-C數(shù)字有線電視機(jī)頂盒的典型應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：QAMi5516;DVB-C;數(shù)字電視;機(jī)頂盒;解調(diào);解碼

　　1　概述

　　QAMi5516是STMicro(意法半導(dǎo)體)公司最新推出的一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)中低端市場(chǎng)的高性價(jià)比數(shù)字有線電視(DVB-C)機(jī)頂盒單芯片，同時(shí)也是ST推出的第一個(gè)將前端QAM(正交幅度調(diào)制)數(shù)字有線信號(hào)解調(diào)器與后端MPEG視頻解碼集成在一起的芯片，因而能夠很好的使模擬電視用戶收看數(shù)字有線電視節(jié)目。

　　除了傳統(tǒng)的音頻、視頻解碼功能以外，QA-Mi5516還具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力、增強(qiáng)型圖形處理功能和提高音視頻質(zhì)量的后處理功能。同時(shí)，由于將QAM解調(diào)器和MPEG解碼器集成在了一起，因而降低了硬件芯片組的成本，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的可靠性和性價(jià)比，也有助于降低生產(chǎn)成本，這對(duì)有著近一億個(gè)有線電視家庭用戶的中國(guó)機(jī)頂盒市場(chǎng)來(lái)說(shuō)無(wú)疑具有重要意義。

　　2 功能特點(diǎn)

　　QAMi5516是一款高集成度、高性價(jià)比的解調(diào)解碼單芯片，它內(nèi)部集成了32位ST20 CPU 、QAM解調(diào)器、音頻/視頻MPEG-2 譯碼器、顯示及圖像處理功能和各種系統(tǒng)外設(shè)接口等。除了具有數(shù)字有線電視機(jī)頂盒的全部基本功能外，它還可以運(yùn)行中間件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視營(yíng)運(yùn)商的增值服務(wù)，同時(shí)具有以太網(wǎng)接口、USB接口等豐富的外設(shè)接口，從而不僅為實(shí)現(xiàn)增值服務(wù)建立了很好的硬件環(huán)境，而且也能夠滿足用戶上網(wǎng)瀏覽、電子商務(wù)以及電子節(jié)目指南等方面的需求。

　　QAMi5516的基本特點(diǎn)如下：

　　·符合ITU-T J.83 Annexes A/B/C、DVB-C標(biāo)準(zhǔn);

　　·支持TSMF;

　　·集成有QAM解調(diào)器，可支持16、32、64、128和256QAM等不同調(diào)制方式的解調(diào);

　　·集成有MPEG-2 MP@ML視頻譯碼器、PAL/NTSC/SECAM視頻編碼器、匹配濾波器和自適應(yīng)均衡器;

　　·支持時(shí)鐘可編程;

　　·功耗低;

　　·支持兩層PCB布板設(shè)計(jì);

　　·采用PBGA封裝形式，416引腳。

　　3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

　　圖1 QAMi5516功能框圖

　　圖1是QAMi5516內(nèi)部功能框圖?，F(xiàn)將QA-Mi5516中各主要模塊工作原理作以介紹。

　　5 0x7F80 0000 0x7FFF FFFF 8 ROM

　　4 0x7F00 0000 0x7F7F FFFF 8 SDRAM

　　3 0x7000 0000 0x7EFF FFFF 240 外設(shè)

　　2 0x6000 0000 0x6FFF FFFF 256 外設(shè)

　　1 0x5000 0000 0x5FFF FFFF 256 SDRAM

　　0 0x4000 0000 0x4FFF FFFF 256 SDRAM

　　3.1 高性能的CPU

　　QAMi5516中的ST20-C201 CPU內(nèi)核由ST20C2+CPU、一個(gè)用于實(shí)時(shí)調(diào)試的診斷控制器單元(DCU)、內(nèi)部存儲(chǔ)器(8kB SRAM、8kB指令緩存、8kB數(shù)據(jù)緩存)和一個(gè)16級(jí)中斷控制器組成。其中，ST20C2+CPU是高性能的32位增強(qiáng)型RISC CPU，主頻高達(dá)180MHz。DCU用于引導(dǎo)CPU，并通過(guò)符合IEEE1194.1標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試訪問(wèn)端口Test Access PortTAP來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有片上系統(tǒng)的監(jiān)控。DCU內(nèi)部帶有在線仿真單元(ICE)和邏輯狀態(tài)分析單元(LSA)，可支持軟件的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)試。對(duì)于中斷，用中斷級(jí)控制器(ILC)可將38個(gè)中斷源映射到中斷控制器的16個(gè)可編程中斷級(jí)輸入端，并可由軟件來(lái)控制和改變，在所有16級(jí)中斷中，第15級(jí)優(yōu)先級(jí)最高，第0級(jí)優(yōu)先級(jí)最低。

　　3.2 外部存儲(chǔ)器及其接口

　　QAMi5516的外存可通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口(EMI)來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展，其工作頻率最高達(dá)100MHz，并支持1GB的地址空間，這對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。整個(gè)存儲(chǔ)地址空間分為四個(gè)區(qū)域，區(qū)域0映射到片內(nèi)SRAM，區(qū)域1映射到片外SDRAM(通過(guò)SMI接口擴(kuò)展)，區(qū)域2映射到片內(nèi)外圍設(shè)備寄存器，區(qū)域3映射到外部存儲(chǔ)器(通過(guò)EMI接口擴(kuò)展)。其中區(qū)域3又分為6個(gè)大小可編程設(shè)置的BANK，最大為256MB，最小為4MB。表1是該區(qū)域的典型配置方式。

　　表1 區(qū)域3的典型配置方式

　　BANK 起始地址 結(jié)束地址 大小(MB) 使用類(lèi)型

　　3.3 QAM解調(diào)器

　　QAM解調(diào)器全面兼容I-TU-T J.83 Annexes A/B/C和DVB-C標(biāo)準(zhǔn)，支持16、32、64、128和256QAM等不同調(diào)制方式的解調(diào)。對(duì)于日本DBS系統(tǒng)，它還能夠?qū)SMF進(jìn)行后處理，以從多路幀中提取單獨(dú)的傳輸流(TS)。

　　QAMi5516解調(diào)器內(nèi)部集成有一個(gè)高性能的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以直接處理從調(diào)諧器出來(lái)的中頻信號(hào)(包括7.2 MHz、36 MHz和44 MHz，最高達(dá)57MHz)。另外，還帶有用于調(diào)諧器增益控制和中頻增益控制的數(shù)字AGC等，并可降低QAM調(diào)制比特流恢復(fù)的比特誤碼率(BER)。

　　3.4 STBus互連總線

　　為了改善芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸總線瓶頸問(wèn)題，QAMi5516采用基于OMEGA2 (奧米加)技術(shù)的高速先進(jìn)的STBus來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。OMEGA2能夠?yàn)楦鱾€(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸提供較高的片上帶寬和較低的訪問(wèn)延遲，其多路路由器允許多模塊之間進(jìn)行同步讀和寫(xiě)，這樣使得有效帶寬得到最大的使用率。

　　3.5 MPEG視頻解碼器

　　MPEG視頻解碼器用于MPEG2比特流的解壓縮和視頻流的構(gòu)建，它實(shí)際上是通過(guò)對(duì)一副副圖片(畫(huà)面)進(jìn)行解碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般來(lái)說(shuō)，在新畫(huà)面顯示的同時(shí)，下一副畫(huà)面就已開(kāi)始插入相應(yīng)的啟動(dòng)代碼檢測(cè)器，這樣CPU就可以自動(dòng)設(shè)置相應(yīng)的寄存器對(duì)下一副畫(huà)面進(jìn)行解碼。此外，該視頻解碼器還包括MPEG子圖解碼器、圖像顯示單元及OSD單元，而其多層顯示功能也大大豐富了電視顯示效果。

　　3.6 數(shù)字編碼器

　　數(shù)字編碼器用于將4:2:2的數(shù)字視頻流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的PAL/SECAM/NTSC模擬基帶信號(hào)，也可以將4:4:4的數(shù)字視頻流轉(zhuǎn)換為RGB和YUV信號(hào)。它提供有6路模擬輸出，可以支持S-VHS(Y/C)+CVBS+RGB、S-VHS(Y/C)+CVBS+YUV、Y1+C1+CVBS1+C2+Y2+CVBS2等三種組合輸出方式。此外，QAMi5516內(nèi)部還集成有音頻子系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器、時(shí)鐘發(fā)生器等單元模塊，還有智能卡接口、異步串口、I2C收發(fā)器以及IEEE1284增強(qiáng)型高速并口等片內(nèi)外設(shè)接口。 電源電壓1 VDD3MAX 3.0 3.3 3.6 V

　　電源電壓2 VDD18MAX 1.6 1.8 2.0 V

　　輸入和雙向引腳容限電壓 VI18MAX GND-0.5 VDD18+0.5 V

　　輸入、輸出和雙向引腳容限電壓1 VI5MAX GND-0.5 5.5 V

　　輸入、輸出和雙向引腳容限電壓2 VO3MAX GND-0.5 VDD3+0.5 V

　　輸出電流 IOMAX 20 mA

　　貯存溫度 TSMAX 55 20 125 ℃

　　偏置溫度 TAMAX -55 20 125 ℃

　　4　典型應(yīng)用

　　在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，要充分考慮到芯片的性能要求和極限參數(shù)，表2給出了QAMi5516的主要參數(shù)。

　　表2 QAMi5516極限參數(shù)和電特性參數(shù)

　　參 數(shù) 符 號(hào) 最小值 典型值 最大值 單位

　　圖2 典型DVB-C應(yīng)用功能示意圖

　　圖2是一個(gè)基于QAMi5516的典型DVB-C數(shù)字有線電視機(jī)頂盒的功能示意圖。當(dāng)DVB-C有線電視網(wǎng)利用同軸電纜傳送的數(shù)字電視射頻信號(hào)(頻率范圍為50MHz～870MHz)送到前端調(diào)諧器(Tuner)后，該信號(hào)會(huì)變換為一個(gè)中心頻率為43.75MHz的中頻信號(hào)，并通過(guò)IF in輸入到QAMi5516內(nèi)部的QAM解調(diào)器，以完成信號(hào)的定時(shí)恢復(fù)、載波恢復(fù)、數(shù)據(jù)成型、自適應(yīng)均衡和維特比解碼(Viterbi，又叫格形解碼)、解交織、RS解碼和去隨機(jī)化，最后將得到的符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的傳輸流經(jīng)過(guò)TSOUT串/并口輸出。這樣就完成了整個(gè)信道解碼。顯然，這部分功能主要是由硬件來(lái)完成的，軟件只需對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行初始化和控制。

　　從TSOUT輸出的MPEG-2傳輸流又將從TSIN1/2送到信源解碼模塊以進(jìn)行解復(fù)用、視頻解碼和音頻解碼;然后再經(jīng)過(guò)PAL/SECAM /NTSCS視頻編碼器、音頻DAC等處理模塊，就可以輸出相應(yīng)格式的音視頻信號(hào)了。

　　存儲(chǔ)器模塊主要包括FLASH、EEPROM和SDRAM等。其中FLASH用于存放用戶應(yīng)用程序，EEPROM用于存放系統(tǒng)、用戶配置信息以及所有的節(jié)目信息，SDRAM是系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的地方，而視頻SDRAM則用作視頻解碼緩沖區(qū)以存放OSD數(shù)據(jù)。

　　外圍接口模塊包括與外界的接口及控制電路。其中RS-232和RJ45網(wǎng)絡(luò)接口用于系統(tǒng)和主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于系統(tǒng)軟件升級(jí)和機(jī)頂盒故障診斷。前面板和遙控接口用于接收前面板和遙控器的輸入。智能卡接口用于支持CA有條件訪問(wèn)控制系統(tǒng)，該接口符合ISO7816-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。此外，JTAG接口用于軟件調(diào)試和下載。

　　在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)芯片操作系統(tǒng)的選取也是至關(guān)重要的，但這方面較易被忽視。事實(shí)上，操作系統(tǒng)往往會(huì)對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間、難度和整機(jī)價(jià)格起到相當(dāng)大的作用。ST在其配套的軟件開(kāi)發(fā)包中帶有專(zhuān)門(mén)針對(duì)ST20內(nèi)核優(yōu)化的專(zhuān)用嵌入式操作系統(tǒng)STLite/OS20，因而可大大減輕軟件程序員的工作。

　　5　結(jié)束語(yǔ)

　　為了盡可能地最小化設(shè)計(jì)成本，加速數(shù)字電視機(jī)頂盒的開(kāi)發(fā)速度，ST在推出QAMi5516的同時(shí)，還提供了完整的設(shè)計(jì)支持，包括電路設(shè)計(jì)方案、PCB布線布板硬件、核心嵌入式操作系統(tǒng)、完整的軟件開(kāi)發(fā)包和相應(yīng)的DEMO程序代碼等軟件，因而可大大縮短機(jī)頂盒產(chǎn)品的上市時(shí)間，滿足競(jìng)爭(zhēng)需要。