新一代數字有線電視機頂盒單芯片QAMi5516及其應用

    關鍵詞：QAMi5516；DVB-C；數字電視；機頂盒；解調；解碼

１　概述

ＱＡＭｉ５５１６是ＳＴＭｉｃｒｏ（意法半導體）公司最新推出的一款專門針對中低端市場的高性價比數字有線電視（ＤＶＢ－Ｃ）機頂盒單芯片，同時也是ＳＴ推出的第一個將前端ＱＡＭ（正交幅度調制）數字有線信號解調器與后端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字有線電視節(jié)目。

除了傳統的音頻、視頻解碼功能以外，ＱＡ-Ｍｉ５５１６還具有很強的擴展能力、增強型圖形處理功能和提高音視頻質量的后處理功能。同時，由于將ＱＡＭ解調器和ＭＰＥＧ解碼器集成在了一起，因而降低了硬件芯片組的成本，簡化了電路設計，提高了產品的可靠性和性價比，也有助于降低生產成本，這對有著近一億個有線電視家庭用戶的中國機頂盒市場來說無疑具有重要意義。

２ 功能特點

ＱＡＭｉ５５１６是一款高集成度、高性價比的解調解碼單芯片，它內部集成了３２位ＳＴ２０ ＣＰＵ 、ＱＡＭ解調器、音頻／視頻ＭＰＥＧ－２ 譯碼器、顯示及圖像處理功能和各種系統外設接口等。除了具有數字有線電視機頂盒的全部基本功能外，它還可以運行中間件以實現數字電視營運商的增值服務，同時具有以太網接口、ＵＳＢ接口等豐富的外設接口，從而不僅為實現增值服務建立了很好的硬件環(huán)境，而且也能夠滿足用戶上網瀏覽、電子商務以及電子節(jié)目指南等方面的需求。

圖1

    ＱＡＭｉ５５１６的基本特點如下：

●符合ＩＴＵ－Ｔ Ｊ．８３ Ａｎｎｅｘｅｓ Ａ／Ｂ／Ｃ、ＤＶＢ－Ｃ標準；

●支持ＴＳＭＦ；

●集成有ＱＡＭ解調器，可支持１６、３２、６４、１２８和２５６ＱＡＭ等不同調制方式的解調；

●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均衡器；

●支持時鐘可編程；

●功耗低；

●支持兩層ＰＣＢ布板設計；

●采用ＰＢＧＡ封裝形式，４１６引腳。

３ 內部結構原理

圖１是ＱＡＭｉ５５１６內部功能框圖。現將ＱＡ-Ｍｉ５５１６中各主要模塊工作原理作以介紹。

３．１ 高性能的ＣＰＵ

ＱＡＭｉ５５１６中的ＳＴ２０－Ｃ２０１ ＣＰＵ內核由ＳＴ２０Ｃ２＋ＣＰＵ、一個用于實時調試的診斷控制器單元（ＤＣＵ）、內部存儲器（８ｋＢ ＳＲＡＭ、８ｋＢ指令緩存、８ｋＢ數據緩存）和一個１６級中斷控制器組成。其中，ＳＴ２０Ｃ２＋ＣＰＵ是高性能的３２位增強型ＲＩＳＣ ＣＰＵ，主頻高達１８０ＭＨｚ。ＤＣＵ用于引導ＣＰＵ，并通過符合ＩＥＥＥ１１９４．１標準的測試訪問端口Ｔｅｓｔ Ａｃｃｅｓｓ ＰｏｒｔＴＡＰ來實現對所有片上系統的監(jiān)控。ＤＣＵ內部帶有在線仿真單元（ＩＣＥ）和邏輯狀態(tài)分析單元（ＬＳＡ），可支持軟件的實時跟蹤調試。對于中斷，用中斷級控制器（ＩＬＣ）可將３８個中斷源映射到中斷控制器的１６個可編程中斷級輸入端，并可由軟件來控制和改變，在所有１６級中斷中，第１５級優(yōu)先級最高，第０級優(yōu)先級最低。

３．２ 外部存儲器及其接口

ＱＡＭｉ５５１６的外存可通過外部存儲器接口（ＥＭＩ）來進行擴展，其工作頻率最高達１００ＭＨｚ，并支持１ＧＢ的地址空間，這對于嵌入式系統來說已經足夠了。整個存儲地址空間分為四個區(qū)域，區(qū)域０映射到片內ＳＲＡＭ，區(qū)域１映射到片外ＳＤＲＡＭ（通過ＳＭＩ接口擴展），區(qū)域２映射到片內外圍設備寄存器，區(qū)域３映射到外部存儲器（通過ＥＭＩ接口擴展）。其中區(qū)域３又分為６個大小可編程設置的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

３．３ ＱＡＭ解調器

ＱＡＭ解調器全面兼容Ｉ-ＴＵ－Ｔ Ｊ．８３ Ａｎｎｅｘｅｓ Ａ／Ｂ／Ｃ和ＤＶＢ－Ｃ標準，支持１６、３２、６４、１２８和２５６ＱＡＭ等不同調制方式的解調。對于日本ＤＢＳ系統，它還能夠對ＴＳＭＦ進行后處理，以從多路幀中提取單獨的傳輸流（ＴＳ）。

ＱＡＭｉ５５１６解調器內部集成有一個高性能的模－數轉換器，可以直接處理從調諧器出來的中頻信號（包括７．２ ＭＨｚ、３６ ＭＨｚ和４４ ＭＨｚ，最高達５７ＭＨｚ）。另外，還帶有用于調諧器增益控制和中頻增益控制的數字ＡＧＣ等，并可降低ＱＡＭ調制比特流恢復的比特誤碼率（ＢＥＲ）。

３．４ ＳＴＢｕｓ互連總線

為了改善芯片內部數據傳輸總線瓶頸問題，ＱＡＭｉ５５１６采用基于ＯＭＥＧＡ２ （奧米加）技術的高速先進的ＳＴＢｕｓ來實現互聯。ＯＭＥＧＡ２能夠為各個模塊之間的數據傳輸提供較高的片上帶寬和較低的訪問延遲，其多路路由器允許多模塊之間進行同步讀和寫，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建，它實際上是通過對一副副圖片（畫面）進行解碼來實現的。一般來說，在新畫面顯示的同時，下一副畫面就已開始插入相應的啟動代碼檢測器，這樣ＣＰＵ就可以自動設置相應的寄存器對下一副畫面進行解碼。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 數字編碼器

數字編碼器用于將４:２:２的數字視頻流轉換成標準的ＰＡＬ／ＳＥＣＡＭ／ＮＴＳＣ模擬基帶信號，也可以將４:４:４的數字視頻流轉換為ＲＧＢ和ＹＵＶ信號。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內部還集成有音頻子系統、調制解調器、時鐘發(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增強型高速并口等片內外設接口。

４　典型應用

在應用設計中，要充分考慮到芯片的性能要求和極限參數，表２給出了ＱＡＭｉ５５１６的主要參數。

表2 QAMi5516極限參數和電特性參數

圖２是一個基于ＱＡＭｉ５５１６的典型ＤＶＢ－Ｃ數字有線電視機頂盒的功能示意圖。當ＤＶＢ－Ｃ有線電視網利用同軸電纜傳送的數字電視射頻信號（頻率范圍為５０ＭＨｚ～８７０ＭＨｚ）送到前端調諧器（Ｔｕｎｅｒ）后，該信號會變換為一個中心頻率為４３．７５ＭＨｚ的中頻信號，并通過ＩＦ ｉｎ輸入到ＱＡＭｉ５５１６內部的ＱＡＭ解調器，以完成信號的定時恢復、載波恢復、數據成型、自適應均衡和維特比解碼（Ｖｉｔｅｒｂｉ，又叫格形解碼）、解交織、ＲＳ解碼和去隨機化，最后將得到的符合ＭＰＥＧ－２標準的傳輸流經過ＴＳＯＵＴ串／并口輸出。這樣就完成了整個信道解碼。顯然，這部分功能主要是由硬件來完成的，軟件只需對相應的寄存器進行初始化和控制。

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行解復用、視頻解碼和音頻解碼；然后再經過ＰＡＬ／ＳＥＣＡＭ ／ＮＴＳＣＳ視頻編碼器、音頻ＤＡＣ等處理模塊，就可以輸出相應格式的音視頻信號了。

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

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網絡接口用于系統和主機的數據傳輸，也可用于系統軟件升級和機頂盒故障診斷。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有條件訪問控制系統，該接口符合ＩＳＯ７８１６－３國際標準。此外，ＪＴＡＧ接口用于軟件調試和下載。

在工程設計中，對芯片操作系統的選取也是至關重要的，但這方面較易被忽視。事實上，操作系統往往會對系統的開發(fā)時間、難度和整機價格起到相當大的作用。ＳＴ在其配套的軟件開發(fā)包中帶有專門針對ＳＴ２０內核優(yōu)化的專用嵌入式操作系統ＳＴＬｉｔｅ／ＯＳ２０，因而可大大減輕軟件程序員的工作。

５　結束語

為了盡可能地最小化設計成本，加速數字電視機頂盒的開發(fā)速度，ＳＴ在推出ＱＡＭｉ５５１６的同時，還提供了完整的設計支持，包括電路設計方案、ＰＣＢ布線布板硬件、核心嵌入式操作系統、完整的軟件開發(fā)包和相應的ＤＥＭＯ程序代碼等軟件，因而可大大縮短機頂盒產品的上市時間，滿足競爭需要。