数字机顶盒的设计与研究-毕业设计论文.doc

数字机顶盒的设计与研究 摘要数字电视如今成为全世界广播电视行业的热点，而高清数字电视 是目前世界上数字电视的最高分辨模式，通过高清数字电视机顶盒便能够接收到高清的数字电视信号，享受到高清晰度的画面效果。 本论文针对高清数字电视机顶盒的发展现状，介绍了有线数字电视机顶盒的工作原理和软硬件结构，数字电视机顶盒nim（调制器+tuner）的测试指标、原理和方法和机顶盒的关键技术，以及设计一个能提供模拟和数字电视信号输入端口，并实现数字高清信号输出的数字机顶盒。通过这个机顶盒,模拟电视信号和数字电视信号以及其它一些消费电子产品如dvd机，游戏机的输出信号，都可以真正数字化的输出到用户的数字电视机上，完全满足用户对高清画面的需求。这在当前数字电视快速普及的市场中，无疑将获得巨大的商机。系统采用st (意法半导体）公司的sti5514+sti7020高清数字电视信源解码器解决方案，sti5514是一个高集成度的单片标清机顶盒信源解码器芯片，同时具有强大的控制功能，可以配合sti7020实现高清晰度音视频解码。它集成了一个高性能的32位cpu、三个专用的dvb传输流解复用和解扰模块、一个mpeg mpml 视频解码模块，一个多标准音频解码模块、一个数字视频编码器。另外，它内置了 atapi接口，可以和硬盘驱动器无缝连接，实现录放像和时移播放等功能。它还集成了多种外设，如ssc，asc,红外等，可以实现条件接收，软件升级，遥控接收等功能。本论文完成的任务是设计与实现系统中信源解码器和高频头模块功能，并详细介绍了各部分的硬件构成和实现方法。关键词：高清数字电视机顶盒；sti5514+sti7020方案；信源解码器；机顶盒关键技术abstract digital tv now became the hotspot, radio and television industry and high definition digital tv is digital tv in the worlds highest resolution model, through high-definition digital tv set-top box can receive high-definition digital tv signal, enjoy the high definition picture.this paper in view of the development status quo of high-definition digital tv set-top boxes, digital cable tv set-top box is introduced the working principle and structure of software and hardware, and digital tv set-top box nim (modulator + tuner) test indicators, principle and methods and the key technology of set-top box, and design a can provide analog and digital tv signal input port, and realize the digital high definition signal output of the digital set-top boxes. through the set-top boxes, digital tv and analog tv signals and other consumer electronic products such as dvd player, game console output signal, can be truly digital output to the users digital tv, fully meet user demand for high-resolution images. it spread rapidly in the current digital tv market, undoubtedly will be huge business opportunities.system adopts st (stmicroelectronics) company sti5514 + sti7020 high definition digital television source decoder, sti5514 is a high level of integration of monolithic sd set-top box source decoder chip, and has strong control function, can cooperate sti7020 realize high-definition audio and video decoding. it integrates a high performance 32 bit cpu, three of the dvb transport stream multiplexing settlement one module, a mpeg mp ml video decoding module, more than a standard audio decoding module, a digital video encoder. in addition, it has built-in atapi interface, can the seamless connection and hard disk drives, realize the playback as and when the broadcast, etc. it also integrates a variety of peripherals, such as ssc, asc, infrared, etc., can implement conditional access, software upgrade, remote control receiver, and other functions.task this paper is to design and implementation of system has the function of citic source decoder and a high frequency head module, and introduces in detail the hardware and realization method of each part.key words: high definition digital tv set-top boxes; sti5514 + sti7020 scheme; the source decoder; set-top box key technology第一章 绪论数字电视系统一般可分为普通清晰度（pdtv)、标准淸晰度电视(sdtv)和高清晰度电视(hdtv)。高淸晰度数字电视由于能提供更淸晰的图像、更逼真的声音、更大的屏幕，以及数字化传输方式所特有的高效数据传输率，可以在有限的传输频带内传送较多的电视节目，正成为数字化视听技术发展的一个新方向。然而，由于模拟电视在我国家庭中的普遍存在，数字电视不可能很快完全取代传统的模拟电视，机顶盒(set-top box, stb)正是传统模拟电视向数字电视过渡的最好解决方案。1.1 课题背景及意义随着全球广播电视数字化的快速发展，我国在数字广播电视的发展上也作出了相应的规划，其中提出我国将在2015年停止模拟电视播出。到目前为止，我国已有部分地区实现了广播电视的数字化。那么，数字电视如何接收呢?其实，数字电视的接收并不一定要数字电视接收机，由于数字电视的传输仍保留了现有模拟电视的是视频格式，因此在用户端，用户只需要加装一台数字电视机顶盒，并不需要对家里电视线路和电视机做任何的改动，用户便可以使现有电视机接收数字电视节目了。我国数字电视产业仍处于起步阶段，我国的国情决定了我国的电视系统的数字化不可能一步到位，只能是有选择，分段进行的，从数字电视的发展趋势来看，我国数字电视发展将经历三个阶段;机顶盒，标准清晰度数字电视sdtv和高清清晰度数字电视hdtv，这三者将在一个很长的时期内并存。随着高清数字电视机的普及和数字电视信号的开播，越来越多的家庭购买了高清数字电视机。从目前我国的实际情况来看，市场上还没有出现真正的商用化数字电视一体式接收机。也就是内置了机顶盒的电视机。目前我们要收看到数字节目，就必须利用机顶盒把数字广播信号转化为电视机能够识别的模拟信号(如av端子输入)。但是对于目前大多数的机顶盒而言，只能输出模拟信号，无法实现高清化，同时电视机的优点也被削弱。因此，发展和研究高清数字机顶盒成为了高清技术和高清市场的发展带来的必然结果。1.2 机顶盒国内外研究的现状1.2.1 国外发展现状数字电视机顶盒，是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟的视频和声音信号， 通过电视显示器和音响设备给观众提供高质量的电视节目。自从1994年开播卫星数字电视，到1998年底开播地面数字电视广播，数字 电视实现了全面启动。到1999年底，全球约有2500万台卫星数字电视机顶盒， 700万台有线网数字机顶盒和40万台地面数字电视机顶盒和接收机，主要分布 于欧洲、美国和日本。由于客观情况、标准、制式等不同，各国的数字电视发展 状况也不尽相同，其中美国、欧洲、日本的数字电视发展比较迅速，已经逐步实 施数字电视的普及，对我国的数字电视发展模式、技术标准的选择有一定的指导 和借鉴意义。美国是世界上最早发展数字电视的国家，不仅在技术领域完成了数字电视三 大标准的制订工作，而且率先实现了商用播出。到2003年其地面数字电视的覆 盖率己达94%。欧洲数字电视的卫星广播于1996年开播，目前用户已超过500 万，并己扩展至东欧。整个欧洲采用以dvb为框架的数字电视标准，发展的侧重点放在标准清晰度数字电视(sdtv)。日本也于2006年实现地面数字电视全国覆盖，主要是高清晰度数字电视(hdtv)节目。荷兰己于2006年12月11日正式停播模拟电视信号的播出,这是全世界首个 完全实现数字电视信号播出的国家，此后，还将有一些北欧国家和比利时在近两 年陆续停播模拟电视信号。美国和日本将分别在2009年和2011年停播模拟电视 信号，我国计划将在2015年全面停播模拟电视。1.2.2 国内发展现状我国一直非常关注数字电视技术的发展，从上个世纪的80年代开始跟踪国技术 发展动态，90年代完成数字电视关键技术的理论储备。我国对数字电视的研究从20 世纪80年代末就已经开始了，在“八五”期间，国务院组织成立国家高清晰度电视研究开发协调领导小组，国家科委组织成立了hdtv发展战专家组，组织实施了“八五” 国家重点科技攻关项目“高清晰度电视技术研究和计算机模拟” 。1995年，经国家高清晰度电视研究开发协调领导小组批准，成立了国家高清晰度电视（hdtv)研究 小组。1996年7月，由总体组负责，组织实施了“九五”国家重大科技产业工程项目“高 清晰度电视功能样机系统研究与开发工程”。经总体组和全国多所大学、研究所及企业的共同努力，于1998年6月，成功地研制出了我国第一台数字高清晰度电视功能样机系统。1998年9月，利用该功能样机系统在北京中央电视台进行了演示，取得了很好的效果。在1999年10月1日，中华人民共和国建国50周年之际，对天安门广场的国庆大典进行了现场直播，获得了成功。目前我国中央电视台和众多省市、地方电视台都己实现了电视节目的数字卫星传输，电视台的传送和接收设备正在逐步实现 数字化。国家广电总局在十五规划和2010年远景规划中提出2:我国将在卫星和有线 电视中采用国际通用的dvb标准，在2003年完成具有我国自主知识产权的地面数字电视广播标准制定工作，并在2005年全面推广地面数字电视广播。清华大学地面数字广播系统方案（dvb-t)和上海交通大研制的（advb-t)标准都己确立通过。与美国、欧洲等西方发达国家不同的是，我国城市人口居住相对集中，90%以上的人是通过有线电视收看电视节目的，城市居民物质生活水平较高，这为发展数字电视创造了条件。同时，有线数字电视传输、条件接收系统等标准已经颁实施，为有线数字电视试验提供了良好的技术标准支持。另外，全长37000多公里的国家广播电视光缆干线网的开通，为全国有线数字电视开展创造了网络条件。政府规定，2015年将全面实现数字化，完成模拟向数字的过渡，逐步停止模拟电视的播出。1.3 课题的研究内容本课题基于现在机顶盒市场的现状，采取st公司的sti5514+sti7020高清数字电视信源解码器方案，开发一种高清晰的交互式机顶盒,实现接收高清晰的数字电视信号,然后经过解调、 解复用、解码后输出模拟信号给模拟电视机，并且达到分辨率1000线以上的高 清晰显示效果。论文共分为五章：第1章 为绪论，主要介绍了课题研究的背景、意义、国内外发展现状和课题 的研究内容等。第2章 阐述了整个数字电视机顶盒的系统构成,包括硬件架构和软件体系层次，并介绍了机顶盒能够实现的各项功能。第3章 主要阐述机顶盒的关键技术。第4章 主要研究数字电视机顶盒nim（网络接口）的测试指标、原理和方法。第5章 主要介绍了目前流行的几款高淸数字电视机顶盒的解决方案，并比较它们的优势和劣势，综合考虑所需功能、可扩展性、性价比等因素，选择了基于st公司的sti5514+sti7020的解决方案。第6章 主要进行信源解码模块的设计。第7章 主要进行高频头模块的设计，介绍了数字电视调谐器的原理和芯片构成。第2章 数字电视机顶盒的原理及构成2.1 机顶盒的工作原理sdram视频输出pal/nts编码mpeg_2解码器ts流解复用qam解调高频头cpu主处理器rs232接口rs232条件接受智能卡接口智能卡e2promi2c前面板dramflash音频输出 图2-1-1 有线数字电视原理框图图2-2-1是有线数字电视机顶盒原理框图，机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、mpeg-2解码器、视频编码器、音频d/a、嵌入式cpu系统和外围接口、条件接收模块等组成。具有交互功能的机顶盒则需回传通道。高频头接收来自有线网的高频信号，通过qam解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音、视频和其它数据信息的传送流(ts)。传送流中一般包含多个音、视频流及一些数据信息。解复用器则用来区分不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流，送入mpeg-2解码器和相应的解析软件，完成数字信息的还原。对于付费电视，条件接收模块对音、视频流实施解扰，并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合法用户正常收看。mpeg-2解码器完成音、视频信号的解压缩，经视频编码器和音频d/a变换，还原出模拟音、视频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。2.2 机顶盒的硬件系统构成机顶盒的基本功能是接收数字电视节目、处理数据业务和完成各种应用的解 析，主要由调谐器(高频头）、信道解调器、信源解复用器、mpeg-2解码 器、音频d/a、嵌入式cpu和外围接口、条件接收模块等组成。基本结构如图 2-2-1所示。 图2-2-1 机顶盒硬件系统构成信道解码：数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。在数字电视机顶盒中，高频头是必须的，不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。根据dtv目前已有的调制方式，信道解码应包括qpsk、qam、ofdm、vsb解调功能。信源解码：模拟信号数字化后，信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。数字电视广播采用mpeg2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有ac3和mpeg2两种标准。信源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原始音、视频数据。嵌入式cpu：嵌入式cpu是数字电视机顶盒的心脏，当数据完成信道解码以后，首先要解复用，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在数字电视机顶盒专用的cpu中集成了32个以上可编程pid滤波器，其中两个用于视频和音频滤波，其余的用于psi、si和private数据滤波。cpu是嵌入式操作系统的运行平台，它要和操作系统一起完成网络管理，显示管理、有条件接收管理（ic卡和smart卡）、图文电视解码、数据解码、osd、视频信号的上下变换等功能。为了达到这些功能，必须在普通3264位cpu上扩展许多新的功能，并不断提高速度，以适应高速网络和三维游戏的要求。mpeg2解码：mpeg2是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在mpeg2技术基础上，mpeg2是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。mpll用于vcd，可视电话会议和可视电话用的h.263和h.261是它的子集。mpml用于dvd、sdtv，mpmh用于hdtv。mpeg2图像信号处理方法分运动预测、dct、量化、可变长编码4步完成，电路是由risc处理器为核心的asic电路组成。2.3 机顶盒的软件系统电视数字化后，数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置。除了音视频的解码由硬件实现外，包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现，直至机顶盒和个人计算机的互联以及和internet的互联都需要由软件来实现。 图2-3-1 机顶盒软件系统结构图硬件驱动层软件：驱动程序驱动硬件功能，如射频解调器、传输解复用器、a/v解码器、osd、视频编码器等。机顶盒作为一个客户端系统，除了要具有良好的硬件平台外还需要配备不同的软件系统才能使其完成各种任务。驱动层包括机顶盒硬件的驱动程序和api接口，它主要用于完成对硬件设备的操作。中间解释层将stb的应用程序指令翻译成cpu能识别的指令，从而通过驱动层去调动硬件设备完成相应的操作。该层包括嵌入式操作系统、中间件、ca驻留软件等。虽然中间件的使用可以给stb软件的设计和应用带来极大好处，但高昂的使用费用，对硬件需求的增加以及技术上的不成熟使中间件在国内鲜有应用。目前许多软件设计者采用直接调用驱动层的软件来编写应用程序，这虽然可以满足一时的需求，但随着应用需求的增加，在stb中使用中间件才是一个很好的解决方案。应用层可以分成驻留应用程序和可下载应用程序两部分，不同的stb软件设计理念使这两个部分包含的应用程序也不尽相同，合理规划这两部分的组成将有助于提高stb的可靠性和相应时间。目前国内机顶盒中的应用较少，主要以epg、数据广播、股票、简单的下载游戏等为主，而数字电视的魅力并不在于看电视，而在于这种基于数字电视平台的业务应用，这些应用将会改善人们的一些日常生活习俗。随着双向网络的建设，交互式应用的普及，基于交互式的应用软件也将越来越多，这也会给运营商带来难以预料的增值收入。 有线电视数字机顶盒的技术含量非常高，它集中反映了多媒体、计算机、数字压缩编码、 加解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术发展水平。2.4 机顶盒能实现的功能接收数字电视广播节目，提供高质量的视频和音频信号输出，这是机顶盒的最基本功能。支持交互式应用（如视频点播、互动游戏等）。作为用户前端设备，机顶盒是用户控制交 互电视的接口，所以具有回传信道，提供系统的交互操作，这也是机顶盒的最基本功能。具有电子节目指南（epg)功能。它为用户提供一种使用方便、界面友好的操作窗口，用 户通过交互操作，可以方便地看到所有频道上近期将播放的电视节目及选取自己所需的节目。有条件接收功能。有条件接收的核心是加扰和加密，数字机顶盒应具有解扰和解密 功能。支持数据广播应用功能。向用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种 信息。软件在线升级功能。软件在线升级可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器按 dvb数据广播标准将升级软件广播下来，机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该 软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。internet接人和电子邮件。数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现internet接人功能。用户可通过机顶盒内置的浏览器上网、发送电子邮件、网上购物，打ip电话等。同时机顶盒也可以提供各种接口与pc机相连，使用pc机接人internet。视频点播功能。该功能可让用户在所希望的时间和地点收看想看的节目，这是服务提供 商的主要目标。有线电视数字机顶盒利用交互式的数据信道和广播信道，为实现该功能提供理 想的技术支持。 第三章 机顶盒的关键技术数字电视机顶盒的技术含量非常高，它集中反映了多媒体技术、计算机技术、数字压缩编码 技术、通信技术、网络技术、加解扰技术、加解密技术的发展水平。目前数字电视机顶盒的主要关键技术有下面几个方面。（1）解调及信道解码技术在机顶盒中，高频调谐器（高频头）是必需的，其调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频 道、有线电视增补频道。卫星数字电视广播采用r -s码和卷积码进行信道编码，同时采用 qpsk方式调制;有线数字电视广播由于信道质量好，只用r -s编码作为纠错编码，较少采用 tcm卷积码，以降低接收端的复杂性，同时采用qam调制方式，其中16qam、32qam、64qam必 选，128qam和256qam可选;地面数字电视广播采用cofdm或vsb调制方式。因此，对于接 收端的机顶盒来说，针对不同的传输信道需分别采用qpsk、qam、cofdm或vsb方式解调；在 信道解码方面需进行相应的r-s码或卷积码纠错解码。（2）解复用和信源解码技术为实现实时的解复用和数据信息处理，目前的系统大多采用专用芯片，将cpu内核与 mpeg-2传送流解复用器、dvb通用解扰器、mpeg -2视频解码器、mpeg -2aac (或dolby ac-3)音频解码器、pal/ntsc编码器集成，形成数字电视机顶盒的核心芯片。另外，也有一些高档的可编程数字信号处理器（dsp)也能实现这一功能。（3）上行数据的调制编码技术开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制问题。由于上行数据相对于下行数据要少得多， 目前在catv网中一般采用qpsk或16qam方式进行调制。在实际应用中，如果catv网是单向的，则也可通过公共电话网采用adsl或vdsl接人技术来传送上行数据。（4）条件接收技术ca系统是数字电视项目中的重要组成部分，完成系统用户的认证、授权和节目加扰工作。 它需要解决两个问题，即如何从用户处收取费用和如何阻止用户收看那些未经授权的付费频道。 ca系统是一个综合性的系统，它涉及数据加扰解扰算法、加密解密算法、智能卡技术以及用户管理、节目管理、收费管理等数据应用技术，其中加扰解扰技术、加密解密技术是条件接收系统的 核心技术，用于对数字电视节目进行加密与解密。（5）嵌人式实时多任务操作系统技术与pc机上的操作系统不同，数字电视机顶盒中的操作系统采用实时操作系统（real time operation system，rtos )，可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。目前流行的实时操作系统有wind river system公司的vx works、microware公司的os -9、 st公司的os20、microsoft公司的windows ce以及专为机顶盒开发的power tv等。这些操作系 统各有所长，在机顶盒中都有应用。其中vx works、os -9、os20等是通用的实时操作系统，在 其他的嵌人式系统中也有广泛的应用。当开发机顶盒时，实时操作系统应与下面将要介绍的中 间件结合使用。power tv是专为机顶盒开发的并将中间件集成在一起的操作系统，在美国应用 较广。另外，随着嵌人式linux的逐渐成熟，不仅为机顶盒厂商提供了一种选择，而且由于linux 的开放性和先进的结构，会对上述的实时操作系统构成巨大的威胁。（6）中间件( middle ware) 技术在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题：实时多任务操作系统，硬件平台原理细节， 复杂的行业标准，繁杂的用户界面以及实用功能等各项跨行业的难题。为了解决上述问题，中间 件应运而生，并成为数字电视核心技术。中间件的核心作用是将应用程序与底层的实时操作系统、硬件实现的技术细节隔离开来，支 持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行，使应用程序不依赖于特定的硬件平台和实时操作系统， 从而使得应用程序的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强，为机顶盒的制造商和 交互业务提供商建立一个理想的开发与应用平台。（7）应用软件技术执行服务商提供的各种服务功能，如电子节目指南、视频点播、数据广播、ip电话和可视电 话等。应用软件独立于机顶盒的硬件，它可以用于各种机顶盒硬件平台，避免应用软件对硬件的 依赖。（8）显示技术就电视和计算机显示器而言，crt显示是一种成熟的技术，但是用低分辨率的电视机显示 文字，尤其是小于24 x24的小字，问题就变得复杂了。电视机的crt显像管是大节距的低分辨 率管，只适合显示720 x576或640 x480的图像，它的偏转系统是固定不变的，是为525行60hz 或625行50hz设计的，而数字电视的显示格式有18种以上。上网则要符合vesa格式，显然， 电视机的显示系统无法适应这么多格式。另外，电视采用低帧频的隔行扫描方式，当显示图形和 文字时，亮度信号存在背景闪烁，水平扫描线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换 到电视机上，水平边沿就会仅出现在奇场或偶场，屏显时间接近人眼的视觉暂留，会产生严重的 边缘闪烁现象，因而要用电视机上网，必须要补救电视机显示的缺陷。根据技术难度和成本，目前用两种方法进行改进，一种是抗闪烁滤波器，把相邻三行的图像按比例相加成一行，使仅出现在奇场的图像重现在每场中，这种方式叫三行滤波法。三行滤波法 简单易实现，但降低了图像的清晰度，适用于隔行扫描方式的电视机。另一种方法是把隔行扫描变成逐行扫描，并适当提高帧频，这种方式要成倍地增加扫描的行数和场数，为了使增加的像素不是无中生有，保证活动画面的连续性，必须要做行、场内插运算和运动补偿，必须用专用的芯片和复杂的技术才能实现，这种方式在电视机上显示计算机图文的质量非常好，但必须在有逐行和倍扫描功能的电视机上才能实现。（9）软件无线电技术软件无线电技术是最近几年提出的一种实现无线通信的新体系结构，其基本思想是以硬件作 为通用的基本平台，硬件基础是可编程的高速数字信号处理器（dsp )，其余部分则是基本的射频处理单元和输人/输出接口。在高速的dsp芯片上进行物理层、数据链路层、网络层及应用层的软件开发，将尽可能多的应用功能用软件来实现，从而将新系统、新产品的开发转换到软件上来。第4章 数字电视机顶盒nim（网络接口）的研究4.1 数字电视机顶盒网络接口的重要参数和测量方法数字电视机顶盒网络接口性能的好坏，直接影响着用户对数字电视的接受程度。为此很多国家和地区都对机顶盒的必备功能提出了明确的要求。武汉广播电视总局对 数字电视机顶盒的接收质量也有明确的要求。这些参数也直接反应了机顶盒网络接口性能的优劣。主要参数包括：1.接收电平 在有线电视系统中，选择正确的信号电平是保证系统正常工作的基本条件，由于 dvb-c采用的是抑制载波的正交幅度调制（qam),在通道带宽内调制信号非常类似于噪声，所以电平定义为所选信号的均方根。在有线数字电视系统中，要求机顶盒收到的电平在5585dbuv。其中55为最低电平，表示机顶盒能正常锁频并播放节目的最小接收电平。85为最高电平，表示机顶盒能正常锁频并播放节目的最高接收电平。2.载噪比（c/n) 在dvb-c中将已调的射频/中频信号的总功率对有效带宽内噪声的比，定义为载噪比c/n。x寸于64qam调制方式，当误码率为kt4时，载噪比为24.28db。也就是说釆用64qam调制方式的机顶盒所能正常锁频并播放节目的载噪比应当不低于24.28db。3.高频头频率捕捉范围 高频头频率捕捉范围指的是高频头在锁频状态时能经受的频率抖动误差范围。例如，高频头在435mhz正常锁住节目频点，则要求高频头在频点出现抖动时 434.85mhz435.15mhz的频率范围内都能锁住中心频率为435mhz的电视信号。它反应了高频头的抗干扰能力。4.支持符号率范围 符号率（symbol rate)：指数据传输的速率，与信号的比特率及信道参数有关，单位为mb/s。当一个载波信号携带的节目数越多时，此值越大。4.2 优化网络接口的关键技术与研究方法 要提高机顶盒网络接口性能，最主要是解决两个问题：（1）机顶盒在全频点范围内的一致性（2）提高机顶盒高频头的抗干扰能力之所以要解决全频点范围内的一致性，是因为高频头是一个高频敏感器件，在机顶盒的源解码板上极易受到各种高频信号的干扰。电磁干扰（emc)、电磁癌射(emi) 等问题比较明显。容易在要求正常工作的频点范围内产生不稳定或工作不正常的畸点，这样将直接导致用户无法正常观看数字电视业务。其次，提高机顶盒高频头抗干扰能力，也就是提升机顶盒网络接口的各项参数指标，例如降低机顶盒的最低接收电 平值、提升最高接收电平值、扩大高频头频率捕捉范围、扩大高频头符号率支持范围等，使之不受外界信号的干扰，更可靠更稳定的工作。为达到优化网络接口的目的，我将从硬件和软件两方面入手，通过对比验证，归纳总结的方法来进行研究。硬件方面从数字电视机顶盒主板布线入手，重点考虑网络接口的电磁干扰、电磁辐射等问题，通过理论研究和对比验证提出提高机顶盒抗干扰能力的优化方法。其次, 研究高频信号的完整性、高频电子设备的合理化布局、电源质量以及数字模拟地线的 分割等问题，对高频头硬件电路进行修改，并做出对比性实验。软件方面对高频头性能的优化，主要是优化高频头驱动程序的各个模块。其中的demod驱动模块和tuner驱动模块将是研究重点。首先，优化demod驱动的初始化参数。因为高频头资料文档中对于高频头的初始化参数和默认的工作状态并不是适合所有硬件平台。通过合理的初始化配置，可以直接提高高频头的频率捕捉范围和符号率支持范围，并提高高频头的工作效率和稳定性。其次，在demod驱动模块和tuner 驱动模块中，通过合理的分配i2c总线资源，可以有效提高cpu对高频头控制的可靠性和稳定性，从而提升高频头的工作性能。最后，可以在嵌入式操作系统中，改进任务的调度机制和通讯机制，优化高频头锁频任务的锁频时间和任务堆栈大小，提高锁频速度和稳定性。第五章 高清数字电视机顶盒解决方案的对比5.1 几种高清方案比较目前，市面上有多种高清数字电视解码方案，如博通（broadcom)公司的 bcm7401、bcm7402;卓然 zuran 公司的r391055，zr39640，zr39660，zr39680高清系列；ati公司的xilleon22系列；美国西格玛设计公司（sigma designs) 的smp8630、smp8634; st公司（意法半导体公司）的sti7710、sti5514、sti7020 等。5.1.1 bcm7401解决方案bcm7401是博通的一款单芯片 avc/mpeg-2/v(m(h,264/mpeg4 part 10) 高清视频解码soc,面向有线电视、卫星、宽带线路机顶盒与目前电视广播领域普遍釆用的影像解码方式mpeg-2相比，broadcom的avcnc-1芯片解决方案所需的带宽仅为其1/2-1/3。bcm7401单芯片解决方案是原来获得广泛应用的bcm7038和bcm7411双芯片方案的改进型，是面向机顶盒和客户端网关设备应用的高清晰度芯片级系统 soc解决方案。优点：功能强大，扩展接口丰富，而且兼容性强，除在数字电视领域广泛应 用外，还可应用于dvd、电视电话等系统中。采用这种方案的好处在于灵活性髙，能够支持多种视频编解码标准，而且相对节省带宽资源。 缺点：和其他两款芯片相比成本太高，主要用于设计中、高档的高清机顶盒。5.1.2 sti5514+sti7020解决方案sti5514是一个高集成度的单片标清机顶盒信源解码器芯片，同时具有强大的控制功能，可以配合sti7020实现高清晰度音视频解码。它集成了一个高性能的32位cpu、三个专用的dvb传输流解复用和解扰模块、一个mpeg mpml 视频解码模块，一个多标准音频解码模块、一个数字视频编码器。另外，它内置了 atapi接口，可以和硬盘驱动器无缝连接，实现录放像和时移播放等功能。它还集成了多种外设，如ssc，asc,红外等，可以实现条件接收，软件升级，遥控接收等功能。5.1.3 zr39680解决方案zr39680为卓然公司的单芯片解决方案。它继承了 5个独立部件的功能，如视频解码、hdmi接口、eee-1394及lvds驱动和先进的视频处理引擎，以控制和驱动液晶显示屏lcd、背投和等离子。zr39680包括数字地面接收器、atsc兼容的高清电视解码器，以及对单向数字电缆(udc)的更多支持及一个cable card 接口。卓然的zr39680设计方案具有成本较低的特点，但是这款芯片的功能相对 较弱，集成度也不高，扩展功能不如sti5514强，在一定程度上增加了成本。5.2 本论文选择的方案综上考虑各解决方案的优势与劣势，本系统采用了sti5514芯片。虽然相对 于bcm7401,速度、功能和兼容性都略逊一筹，但是，它仍然具备了高清接收机的所有功能,能够满足目前市场上大多数用户的需求,并且具有较高的性价比。第六章 高清数字电视机顶盒信源解码板的设计6.1 信源解码板的组成信源解码板主要由以下几部分组成：1.sti5514一机顶盒后端解码器主控芯片2.sti7020一机顶盒后端解码器高清解码芯片3.32mbit flash4.64mbit smi sdram5.128mbit emi sdram (可选）6.512mbit lmiddr-sdram7.40g硬盘8.smartcard接口9.e2prom用于节目数据库存储10.前面板接口：负责接受前面板输入的信息，如：手动控制键盘、红外接收等。11.rs232接口：接pc机进行软件升级。信源解码板的主控芯片是sti5514，它负责：（1）系统初始化和系统控制；（2）将来自前端或lvds板的ts流解复用，并将pes流传给sti7020；（3）标清视频解码，数/模转换；（4）标清音频解码。为了配合sti5514的运行，需要配备一定数量的外部存储器，用来缓存码流 流、解码帧、显示帧等，本系统使用了三片sdram。信源解码板启动时，需要从rom中读取程序，加载到sdram中运行。 考虑到将来的软件升级，我们采用了可现场擦除与改写的flash rom来固化系统软件。st15514输出的视频信号是己经过数/模转换转换的模拟信号，经过放大滤 波后可以直接输出。本系统可以输出cvbs、s-video两种视频信号。音频解码后的数字信号通过外部dac转变为模拟信号，再经过放大滤波处 理就可以输出。此系统可以提供杜比ac3或mpeg-2音频输出。另外，本系统还配备了eeprom，用于存储节目和频道信息。提供了 rs232 接口，用于软件升级。信源解码板的另一核心芯片是sti7020，它主要负责：（1）多路视频（包括hd、sd)的解码； （2）路音频的解码及后处理；（3）视频后处理及数/模转换。 图6-1-1 sti5514系统功能框图6.2 sti5514芯片6.2.1 概述sti5514本身是一个高度集成的单片标清机顶盒信源解码器芯片，是sti55 12和sti5518的升级版本，同时它具有强大的控制功能，本系统中就用来控制sti7020进行高清解码。它集成了一个高性能的32位cpu,三个专用的dvb传输流解复用和解扰模块，一个具有先进的显示和图形性能的mpeg-2视频解码模块，一个支持杜比和mpeg的音频解码模块，还有数字视频编码器和所有的典型低成本交互式接收机所需的系统外设。内置atapi接口可和标准硬盘驱动器无缝连接。这样sti5514就可以实现实时电视录像、暂停和时移（time-shifting)等功能。通过智能卡接口可以实现条件接牧。st15514与己经广泛使用的sti5518机顶盒解码器芯片软件兼容，软件可以很容易地在它们之间移植。6.2.2 sti5514的特点1. 集成有32位的主控cpu,频率可达166mhz（1）8 kbytes 指令cache，8 kbytes 数据cache,和8 kbytes sram。2.音频解码器（1）5.1声道杜比/mpeg-2多声道解码，3 x 2通道pcm输出（2）iec60958-iec61937数字输出（3）mpeg-1层1、层2、mp3解码 3.视频解码器（1）支持mpeg-2 mpml,超过两个标清视频解码的速度 （2）可编程的水平和垂直的放大和缩小功能 （3）平滑的快进和回放等特技模式 4.高性能的osd (on screen display)（1）每像素2到8bits可选 （2）防闪烁、防跳动和防混淆滤波器5.pal/ntsc/secam编码器（1）lobitsdac支持cvbs，y/c, rgb或yuv输出 6.共享sdram存储器接口（smi)（1）1个或2个16mbit，或一个64mbit或一个128mbit 120mhz 16bit宽sdram接口7. 可编程的外部存储器接口（emi)（1）可接sdram、sram、flash、mpx设备、外设等（2）6个独立可配置的组，支持8、16、32bit带宽 （3）支持总线主模式和从模式8.三个前端接口（1）一个串行，两个并行传输流接口（tsin)（2）输入ts流可配置输入到任意pti9.三个可编程传输接口pti（1）并行、串行ts流解复用（2）des和dvb解扰器（3）硬件section滤波10.遵循ata-5的hdd (硬盘驱动器）接口（1）支持高达ultta dma模式5的所有传输方式，最大burst方式数据速率为 66m字节/秒 （2）输入硬盘和由硬盘输出的des加/解扰 11.五通道通用dma控制器 12.集成的外设有（1）5个带有tx和rx fifo的uart（2）2个smartcard接口和时钟产生器（3）2个i2c总线控制器（4）4个pwm模块（5）支持modem (此功能本项目没有开发）（6）48bit可编程i/o接口 （7）红外发射器和接收器13.支持专业的工具集（1）ansi c编译器和函数库14.388pin (35*35) pbga封装6.3 前端接口为了兼容信道解码板和lvds板输入，本系统把前端接口分为两个接口，一个为信道解码板和lvds板公用的ts流输入接口； 一个为i2c总线接口，用于完成信源解码板对信道解码板的控制。i2c总线是philips公司推出的一种芯片之间的双向通信协议。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线数少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个i2c总线器件同时接到i2c总线上，通过地址来识别通信对象。 该协议规定了两个信号：串行时钟sci.和串行数据/地址sda。时钟信号始终由主器件发出，通过scl发往从器件。地址和数据则在sda上传送。每一个时钟脉冲传送一比特数据，sda在时钟脉冲为高电平时传输数据，因此在时钟脉沖为高电平时sda上的数据必须保持稳定，数据线的状态只能在时钟线为低电平时改变。当总线空闲时数据和时钟线均为高。当时钟为高时，数据由高到低的变化定义为起始状态（s),反之为停止状态（p)。在i2c通信中，产生信息的器件为“发方”，接收信息的器件为“收方”；发动数据传输的器件为“主”，它产生时钟信号和停止状态，被“主”访问的器件为“从”。i2c总线的数据传输速率在标准模式下为lookbit/s,在快速模式下可达到400kbit/s，在高速模式下可达到3.4mbit/s。在s和p状态之间由发方至收方的数据字节数不受限制。每一字节后跟一个 应答（acknowledge)位。和应答位对应的时钟脉冲是由主器件发出。发方在应答对应的时钟期间释放sda (高电平)，接收方在此期间将sda线拉低，即产生一个应答位。如果传输中有一个主收器件，它通过在收到最后一个字节数据后不产生应答信号来通知从发器件释放sda线，这样主收器件就可以产生停止状态或重复开始状态。传输中有主发器件的情况比较简单，它在发完数据之后，直接产生停止状态。数据发送方向由从器件地址的最后一位来表示：“0”为写地 址，“1”为读地址。i2c接口用来向前端相关器件写入控制信息并从中读出低速的诊断信息。本系统中有3个设备使用了i2c总线，它们是stv0700、eeprom和前端。6.4 sti5514前端接口信号sti5514为机顶盒应用提供了串行和并行两种前端接口。本系统釆用了两路 并行接口，可接两个前端实现画中画功能。