基于ARM和STi5x數字網絡機頂盒的設計

1　 前 言

隨著計算機技術的縱深發展，后PC機時代的來臨，有線電視網絡、互聯網、電信網絡的融合成為時代發展的必然趨勢。但由于三網在數據傳輸方式上有很大的不同，所以要將三網在技術層面上融合，目前來講還不太可能，所以要實現三網的融合，還必須借助于類似網絡機頂盒(IPTV)的設備來完成三網的融合。中國有線數字電視標準采用的是歐洲的DVB-C標準，現在雖然市面上有數字電視機頂盒，但它們采用的都是一些企業完整的機頂盒方案，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，這些完整的數字機頂盒方案的中央控制模塊往往將重點放到數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，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。

２　傳統數字機機頂盒和數字網絡機盒的比較

數字電視系統分成數字電視的發送,數字電視的傳輸和數字電視的接收。數字電視的發送主要包括數字節目的制作，音視頻編碼，其標準采用MPEG-2標準的MP@ML，其數據的壓縮率可達到30~50倍，以便于信息的存儲和傳輸；然后將數字節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）。傳統的數字機頂盒的邏輯結構如下圖1所示：

圖１　傳統的數字機頂盒邏輯結構

本設計將數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有線數字網絡機頂盒。有線數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的數據通信采用IDT公司的雙口RAM。其硬件結構如下圖2所示：

圖２　數字網絡機頂盒邏輯結構

該數字網絡機頂盒和傳統的機頂盒相比較,僅多了ARM模塊和雙口RAM模塊,而功能卻大為增加,數字網絡機頂盒主要的功能是完成數字電視節目的接收,將處理好的節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網的連接。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、互聯網接口等。其主要功能是對整個數字網絡機頂盒進行控制，完成與Internet的連接，電視節目的存儲，完成視頻點播等功能。利用雙口RAM完成與STi5518的數據交換，利用I2C完成對前端解調器的控制。

３　網絡數字機頂盒的硬件結構

３.1 數字網絡機頂盒前端硬件設計

數字網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，通過內部10位A/D轉換器將模擬信號轉換成數字信號。芯片包括兩個前向糾錯編碼器（FEC）,在DVB-C模式中，使用MPEG-2的同步字節進行糾錯，能夠糾正８個錯誤字節，在MCNS模式決策中，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

本數字網絡機頂盒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和數據Cache分設各2KB，另帶4KB SRAM可以設置為數據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，其內部解復用器解調出不同的節目頻道，提取相應的音視頻流和數據流，其輸出為MPEG-2音視基本流及一些數據凈荷。MPEG-2解碼器和相應的解析軟件用數字信息的還原。對于加密的電視節目，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，同步存儲器SDRAM用來運行程序，Flash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數據緩沖器^[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；處理數字電視信號的部件主要由硬盤、互聯網接口、紅外線發送與接收和雙口RAM組成。該模塊的主要功能是完成數字電視節目的存儲，連接到互聯網，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的數據交換。系統中的64M閃存用來存放CPU的啟動程序和Linux操作系統；64M的同步存儲器用來運行操作系統和應用程序；鍵盤用來輸入數字；USB接口用來外接USB設備，如USB 移動硬盤、USB打印機等等；硬盤用來存儲數字電視節目和其它信息、數據；互聯網接入模塊用于寬帶接入互聯網；紅外線模塊控制遙控器的發送與接收，選擇電視節目或實現其它功能；雙口RAM用來實現與STI5518的數據交換。

４　數字網絡機頂盒的軟件和功能

由于嵌入式系統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，一旦硬件模塊發生變化，軟件的修改只發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。

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

1)數字電視節目的接收?。?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　５)遠程教育　６)按次付費電視收看

７)電子節目指南　８)互聯網的接入^[4]?。?數字電視節目存儲　10)視頻點播（VOD）

11)交互式電視游戲等等，可以看出，數字網絡電視機頂盒的功能十分強大。

５　總結

本文作者的創新點是完成了基于ARM9和STi5518的數字網絡機頂盒硬件平臺的設計。文中對傳統的數字機頂盒和數字網絡機頂盒作了比較，同時給出了數字網絡機頂盒的硬件邏輯方框圖，以及軟件模型和功能。該設計實現后，不僅能夠完成傳統數字機頂盒的功能，還能夠完成電視節目的存儲和連上互聯網的功能，有理由相信，隨著數字電視時代的到來，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的遠程數據采集平臺的設計[J]，機電產品開發與創新.2006,2:84~85.

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