基于STi5202解码板的数字电视机顶盒

1、目 录 摘 要.i abstract.ii 第 1 章 绪 论.1 1.1 数字电视的发展与优势.1 1.2 数字电视技术的发展及现状.2 1.2.1 国际上数字电视技术的发展.2 1.2.2 国内数字电视的发展现状.3 1.3 数字电视机顶盒的概念.3 第 2 章 mpeg-2 标准.5 2.1 mpeg-2 概述.5 2.2 mpeg-2 标准的解码器结构.5 2.3 mpeg-2 标准中的视频编解码器.6 第 3 章 数字电视机顶盒结构与原理.8 3.1 数字电视机顶盒的结构特点.8 3.2 新一代高清晰度电视机顶盒方案.9 3.3 st 公司的 sti5202 方案的特点和结构.9 第

2、 4 章 sti5202 模块的结构与原理.12 4.1 信源解码板功能结构.12 4.2 信源解码板的 sti5202 系统.12 4.3 sti5202 解码芯片 .13 4.3.1 概述.13 4.3.2 sti5202 芯片的特性 .14 4.4 本地存储器电路设计.16 4.4.1 ddr sdram 特性 .16 4.4.2 ddr sdram 接口 .18 4.5 数字视频输入电路设计.19 4.5.1 数字视频输入接口.19 4.5.2 saa7111a 视频解码器特性.20 4.6 数字音频输入电路设计.21 4.6.2 cs5360 介绍.22 4.7 数字视频输出模块.2

3、3 4.7.1 数字视频接口dvi.23 4.7.2 sii170b 发送器特点.24 4.7.3 数字视频输出电路设计.25 4.8 音频输出模块.26 第 5 章 机顶盒 pcb 板的设计.29 5.1 布局规则.29 5.2 布线规则.29 5.3 pcb 板的设计.30 5.3.1 电源和地的设计.30 5.3.2 信号完整性设计.31 5.3.3 电磁兼容性设计.32 第 6 章 总 结.34 致 谢.35 参考文献.36 附 录 1.37 附 录 2.38 英文翻译.39 i 摘 要 数字电视机顶盒是由模拟电视向数字电视过渡的中间产品。为了在模拟电视机上接收 高清晰数字电视，作者采

4、用最新 sti5202 解码芯片，设计了高清晰度数字电视机顶盒的信 源解码部分。sti5202 是一个高集成度的音视频解码芯片，它集成了一个 mpeg mphl 视频解码器，一个带有 pcm 混合的多标准音频解码器，一个带有 7 层显示平面的双输出 图形合成器，2 个视频显示流水线和 2 个视频定时产生器，用于两路节目同时观看和录像 或两路节目以画中画或画外画配置显示，一个数字视频编码器。它的解码器功能强大，能 同时最多解码 5 个 sd 流，或 2 个 hd 流，或 1 个 hd 和 1 个 sd 流。本文围绕核心芯片 sti5202，详细分析了音视频输入输出部分的硬件结构和工作原理，设计了

5、信源解码板的 整体电路，设计中采用四片 ddr sdram 来进行缓存用于配合 sti5202 音视频解码，采 用了最新的 dvi-i 接口作为系统输出接口，利用专用的音视频输入输出芯片来实现信号的 接收与解码。最后，在 dxp2004 平台上，完成了电路图的绘制和 sti5202 四层 pcb 板的 设计，为新款机顶盒的制作与开发奠定了基础。 关键词：关键词：数字电视；机顶盒；信源解码器；sti5202；mpeg-2 ii abstract digital tv set-top box is the intermediate product from analog tv to digital

6、 tv. in order to display digital tv signals with common tv, by choosing the newest decode chip sti5202, a source decoders hardware of the new generation hdtv set-top box is studied and implemented in this paper. sti5202 is a highly integrated audio and video decoder for high-definition digital tv, i

7、t integrates an mpeg mphl video decoder, a dsp based multi standard audio decoder with pcm mixing, a 7 plane dual output graphics compositor with 3 graphics planes, a 2d graphics accelerator,2 video display pipelines and 2 video timing generators for dual program watch and record or dual program dis

8、play in a pip or pop configuration, a digital video encoder. the sti7020 can concurrently decode up to 5 sd video streams or 2 hd video streams or 1 hd video stream and 1 sd video stream. using sti5202 as its controller in the box, and audio/video io system is analyzed in detail. to work with sti520

9、2 audio and video decoding, four ddr sdram caches are utilized, and the dvi-i interface is taken as the output interface. the new and exclusive audio and video input and output chips are applied to complete the system design. finally, on the exploiting platform of dxp2004, the circuit schematic draw

10、ing board and four lamina pcb are completed, which pay the way for designing and exploiting of the new style of digital tv set-top box. key words: hdtv; source decoder; set-top box; sti5202; mpeg-2 1 第 1 章 绪 论 1.1 数字电视的发展与优势 电视技术，经历着从黑白电视到彩色电视的发展过程，有的国家已开始试播高清晰度 电视和立体电视。我国决定从 1999 年 10 月 1 日起开始试播高清晰

11、度电视(hdtv)。电视 的使用范围早已超越了广播娱乐界，并深深地扩展到文化教育、科研管理、工矿企业、医 疗卫生、公安交通、军事宇航等各个重要部门。现在的彩色电视虽已发展到色彩鲜艳，形 象逼真的高超地步，但是，它们仍然是“模拟电视” 。在图像信号的制作处理、控制调节、 记录重放、调制解调、传输转播、接收显示等过程中，图像信号和伴音信号都是在时间轴 上和振幅轴上连续变化的模拟信号。模拟电视最明显的缺点是接力传输方式产生噪声，长 距离传输的信噪比恶化，使图像清晰度越来越受到损伤；发送传输设备中，放大器的非线 性积累使图像对比度产生越来越大的畸变；相位失真的积累产生色彩失真，使“鬼影”现 象愈来愈严

12、重。同时，模拟电视还具有稳定度差、可靠性低、调整繁杂、不便集成、自动 控制困难、以及成本高昂等缺点。近十多年来，由于微电子技术、超大规模集成电路技术、 数字信号处理技术、计算机技术的突飞猛进，使数字电视的发展已取得了令人鼓舞的成果。 特别是数字图像获取、数字存储、位图打印和图形显示的数字设备的出现,带来了许多数 字图像方面的应用。技术先进国家的电视演播室设备数字化已完成，数字电视接收机已上 市出售，各种数字图像编码压缩设备随多媒体技术的发展已投人使用。国际上也相应地制 定了统一的数字电视信号的编码标准，为数字电视的发展奠定了坚实的基础1。 所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编

13、码转换成用二进制数代 表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进 行处理、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技 术性能，而且还具有模拟技术不能达到的新功能，使电视技术进入崭新时代1。 近年来随着计算机技术，集成电路技术，数字信号处理技术以及通信技术的发展，数 字电视技术也随之快速发展。数字电视是继黑白电视和彩色电视的第三代电视。数字电视 包括标准清晰度电视(sdtv)和高清晰度电视(hdtv)。标准清晰度电视的图像和伴音质量 都比目前模拟电视有较大提高，图像的解析度相当于 dvd 的图像水平。并且其频道利用 率高，在目前模拟

14、电视的一个频道内可以同时传输 4 套(或更多)标准清晰度节目。高清晰 度电视，画面可提供相当于标准清晰度电视画面 5 倍的信息量，因此具有更高的图像分辨 率和清晰度。高清晰度电视的图像格式最高解析度为 19201080 即最高显示是目前模拟 电视画面清晰度的 23 倍。高清晰度电视采用 16：9 的图像模式，而不是传统的 4：3 模 式，标准清晰度电视则采用兼容 16：9 和 4：3 模式，由电视台最终确定广播的模式。与 模拟电视相比数字电视有以下优点： 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设 计 2 1）图像清晰度高。使用效果不受传输、转播影响，在接收端可以达

15、到发射端的水平。 2）音频质量高。支持 5.1 声道的数字环绕声节目源，可以通过电视节目获得家庭影 院效果。 3）抗干扰能力强。数字视频不受干扰、增益、相位错误和串音的影响。同等传输条 件下的抗干扰能力明显优于模拟电视。 4）传输效率高。进行地面方式发送时，原模拟电视的一个频道内可同时播放至少 4 套 sdtv，有线电视网中的一个频道可同时播 8-10 套 sdtv。 5）可以兼容现有模拟电视。通过在普通电视机前加装数字电视机顶盒即可接收数字 电视节目，电视台的电视节目制作设备也可部分沿用。 6）提供全新的多业务用途。普通的模拟电视只能是按电视台预定的节目表播放节目， 用户只能被动地接收。数字

16、电视网与电信网及计算机网相结合，实现三网融合，不仅使信 息源更为丰富，还可增加用户与各种信息源之间的交互性，实现用户自由点播节目、自由 选取网上的各种信息，可以提供多种数据服务业务，使电视机可以真正融入到信息网络中 去，可以实现多种新的功能，例如，家长可对部分电视节目设定密码，以防止未成年人收 看限制级节目等2。 1.2 数字电视技术的发展及现状 1.2.1 国际上数字电视技术的发展 数字电视的概念首先是由高清晰度电视引出的。日本最早提出高清晰度电视 （hdtv）的概念，并在 80 年代初期完成世界上第一套高清晰度电视演示系统，达到电 影胶片的图像质量。高清晰度电视在水平和垂直方向上的清晰度是

17、原有电视清晰度的两倍， 其包含的信息量大约是常规电视的五倍。显然，用原有的电视节目传输方法传送高清晰度 电视节目是不现实的，于是 hdtv 便提上了日程。日本率先开发出 hdtv，并于 1989 年 试播了 muse-hdtv（多重亚奈抽样编码） 。几乎与此同时，欧洲掀起了 mac 和 hd- mac 制的研究之风。但无论是 muse-hdtv 还是 hd-mac，其信号的传输形态仍然是 模拟调频（fm） ，频谱很宽，一套节目就要占用一个卫星转发器频道（24mhz-30mhz） ， 使节目的扩展和频道的利用率受到限制3。 同日本和欧洲相比，美国在数字电视的研究方面起步较晚，但却是发展最快的。美

18、国 在 1991/1992 年对五种建议的 hdtv 地面广播制式进行了测试，由于被测试的各种全数字 制式在技术和经济上的优劣没有显著的差别，为了取长补短，同时统一国内市场，其中四 个数字系统的提出者于 1993 年 5 月组成了“大联盟” （ga） ，合作提出了一个统一的标准。 1995 年 4 月 atsc 通过了“atsc 数字电视标准” ，同年 8 月 ga 样机研制成功，10 月 “atsc 数字电视标准”被提交给 fcc 审议。1996 年 12 月 26 日，fcc 批准了该标准。 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设 计 3 1997 年 4

19、月 fcc 宣布：以 4 月 7 日为起点，18 个月内有 22 座电视台转为数字电视播出； 24 个月内，四大商业电视网在全美十大城市进行数字电视播出（其中三大电视网播出数 字 hdtv） ；30 个月内有 1700 个电视台在 30 个城市转为数字电视；最终计划在 2006 年 取消模拟电视的播出。 当前世界上基本形成了两种数字广播电视系统标准：一种是美国的 atsc 系统，一种 是欧洲的 dvb 系统，两者的图像编码都采用 mpeg-2 标准，系统结构也很相似。音频编 码上，atsc 采用 ac-3 压缩技术而 dvb 则采用 mpeg-2 的音频压缩标准4。 1.2.2 国内数字电视的

20、发展现状 我国的数字电视技术一直紧跟世界技术的步伐。我国众多省市、地方电视台都实现了 电视节目的数字卫星广播和接收，中央电视台和许多地方省台都在通过卫星向全国传送数 字卫星节目,并部分开通付费频道。电视台的发送和接收设备大都实现了数字化，只是当 电视台将数字节目从卫星上接收下来之后，仍然将其变成模拟信号通过有线电视网送到各 家庭。 我国对数字电视的跟踪研究从 20 世纪 80 年代末开始，在“八五”期间，国务院组织 成立了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 发展战略 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” ，对数字 高清晰度电视进

21、行了理论研究和计算机模拟。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)研究总体组。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、研究所以及企业的共同努力，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开路演示，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

22、了成 功。目前我国中央电视台和众多省市、地方电视台都已实现了电视节目的数字卫星传输， 电视台的发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：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 年全面推进地面数字电 视广播。在深圳高交会上，清华大学地面数字广播系统方案（dmb-t）和上海交通大学 研制的（adtb-t）标准都进行了演示，虽然都还存在一定的技术障碍和操作问题，但演 示还是取得了一定成功。我们相信，随着我国 2008 年奥运会的成功，为我国数字电视的

23、 发展提供了难得的机遇，数字电视发展前景广阔5。 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设 计 4 1.3 数字电视机顶盒的概念 数字电视机顶盒是数字电视的先行者。机顶盒(set top box，stb)早期是指基于有线 电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器； 随着数字电视广播和因特网的迅速发展， 用户对信息需求的不断增强，机顶盒演变成以电视机为显示终端的信息接收和处理设备， 机顶盒是伴随宽带网络、多媒体技术和数字电视的深入发展而诞生的一个新概念，它是电 视和计算机在数字化和网络化背景下相互融合的产物。甚至我们可以认为，机顶盒是一个 “高度集成的小型智能计算机

24、” 。它是能够让用户利用现有模拟电视作为显示设备观看伴 随有 5.1 声道立体声的 dvd 效果的数字电视节目，进行交互式数字化娱乐、教育和商业 化活动的消费类电子产品6。 目前，市场上的机顶盒（stb set-top box）基本上可划分为数字电视机顶盒、网络 电视（webtv)机顶盒和多媒体(multimedia)机顶盒三类。 无论是以前的模拟彩电还是现在的数字处理电视都不具备对数字电视信号进行解码的 功能（数字电视接收和显示一体机除外） ，因而需要一种能够接收数字电视信号并将之转 变成模拟信号输出的中间设备，这就是数字电视机顶盒。它随着数字电视广播的发展而出 现，充当着电视台发送的数字电

25、视信号与用户的显示设备之间桥梁和纽带的角色。 数字电视机顶盒将接收下来的数字电视信号转换为模拟电视信号，使用户不用更换电 视机就能收看数字电视节目，图像质量接近 500 线水平。 根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒又分为卫星数字电视机顶盒（dvb-s)、地面 数字电视机顶盒（dvb-t)和有线数字电视机顶盒(dvb-c)三种7-8。 数字有线电视机顶盒信号传输介质是全电缆网络或光纤/同轴电缆混合网。由于有线 电视网络较好的传输质量以及电缆调制解调器技术的成熟，使得该类机顶盒可以实现各种 交互式应用，并被业界广泛看好。数字有线机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒 体应用，如数字电视广播接收、

26、电子节目指南（epg） 、准视频点播（nvod） 、按次付费 观看（ppv） 、软件在线升级、数据广播、internet 接入、电子邮件、ip 电话和视频点播等。 数字电视的发展方向有两个方面：一方面，高清晰度的图像是人们追求的理想的电视 画面效果，所以数字高清晰度电视是数字电视的目标之一；另一方面，在数字电视系统中 提供多种创新的服务功能也是一个重要的发展方向，所以数字电视机顶盒技术的发展会朝 着这两个方向前进，而且最终会是将二者集于一身。目前，用于接收标准清晰度数字电视 节目的机顶盒的主要发展方向是数据服务和交互式服务9。 我国已计划在 2015 年之前使数字电视取代现有的模拟电视，并对全

27、国的电视台进行 数字化改造，这个过程是相当长的；因此，在这个过渡时期，数字有线机顶盒的市场应该 是非常大的。为了实现 2008 年的数字奥运，我国数字电视有关标准的陆续出台，全国各 大城市也加快了数字电视试运营的步伐，如青岛、佛山、深圳、北京、上海、广州、杭州 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设 计 5 等城市已分别推出自己的数字电视服务，因此也使得机顶盒市场产生了质的飞跃10。 6 第 2 章 mpeg-2 标准 2.1 mpeg-2 概述 目前世界上的数字广播电视系统标准有几种.。但从覆盖面积上来讲，被大多数国家和 地区所接受的主要是两种：一种是美国的

28、atsc 系统,一种是欧洲的 dvb 系统，两者的图 像编码都采用 mpeg-2 标准。系统结构也很相似,都可分为 mpeg-2 数字比特流层和调制 传输层。声音编码上，atsc 采用 ac3 压缩技术，而 dvb 则采用 mpeg-2 的声音压缩标 准。两系统一个很大的区别是在地面传输标准的调制传输层上，atsc 系统采用 8-vsb 传输系统,是单载波系统；而 dvb-t 则采用多路多载波调制系统 ofdm 或 cofdm11。 mpeg 为 moving picture experts group 的缩写，可译为活动图像专家组。mpeg-2 是 由 mpeg 开发的第 2 个标准。于 1

29、994 年 11 月正式确定为国际标准，mpeg-2 是活动图 像及有关音频信息的通用编码(generic coding of moving pictures associated audio information)标准。mpeg-2 标准制定始于 1990 年 7 月。 mpeg-2 标准主要由系统、视频、音频、兼容测试、软件仿真、数字存储媒体、命令 与控制、非向后兼容的音频、视频扩展、实时接口以及一致性扩展等 10 部分内容组成。 为了适应广播、通信、计算机和家电视听工业的广阔需求以及不同的数字电视体系， iso/iec 13818-2（即 mpeg-2 视频部分）制定了 5 类，4 个

30、等级。类/等级的组合将给出 20 种不同规格，但并非所有组合都有实际意义。下面四种技术规范比较重要： (1) mpml，主类/主级。用于 sdtv。 (2) spml，简单类/主级。用于数字有线电视和数字录像机。 (3) mphl，主类/高级。用于全数字 hdtv。美国的 atv 采用此规范。 (4) ssph1440，空间可分级类/高 1440 级。用于 hdtv11。 2.2 mpeg-2 标准的解码器结构 mpeg-2 标准系统部分强调将一个或更多的音频、视频或其它的基本数据流合成单个 或多个数据流，以适应于存储和传送。mpeg-2 标准的系统层主要用于把经过编码的视频、 音频及数据复用

31、在一起。根据传输媒体的质量不同，mpeg-2 定义了两种复用的码流格式： 程序流（program stream）和传送流（transport stream） ，分别适用于不同的应用。 程序流是由一个或多个 pes(分组原始流)包组成，程序流中的各个包要具有相同的时 间基准，包的大小是可变的。程序流通常用于基于无误码的环境下，如：交互式多媒体应 用等。 mpeg-2 标准系统层中定义的传送流已经在事实上成为数字电视领域中系统层传输的 普遍标准，传送流每个包的长度为 188 个字节，其中包头的长度为 4 个字节。由于传送流 7 主要用于较易出现误码的环境，因此在其构成中加入了一些说明传输方面的标志

32、符。传送 包的第 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设 计 8 一个字节（8 比特）为包同步，便于信道解码器的同步。误码指示和加扰控制告诉解码 器传输过程中是否有不可纠正的误码和信号是否被加扰。传送流是复用后形成的，所以 在一个传送流中会有多个码流，包识别符（pid）是解码器识别各种节目码流的识别标 志，而节目参考时钟(pcr)是解码器的定时基准。 在 mpeg-2 标准中，信息源输入信道后，通过信道编码器对其进行编码，将信息源分 为音频和视频部分，分别送入视频解码器和音频解码器进行解码，解码后成为数字音视频 信息输出。图 2-1 为 mpeg-2 标准中的解

33、码器示意图。 在此需要特别注意的是：mpeg-2 标准只定义了码流的语义和句法，编码器和复用器 的具体的实现算法是由生产厂家自行设计的。因此，无论是谁提供的编码器和复用器，解 码器只要是符合规定的就能够进行正确的接收13。 信道解码 器 传输流解 复用和解 码 时钟控制 视频解码 器 音频解码器 解码后 音 频 解码后 视 频 图 2-1mpeg-2 标准中的解码器示意框图 2.3 mpeg-2 标准中的视频编解码器 mpeg-2 标准充分利用数字图像处理技术的最新发展来尽量压缩数字视频信号。它根 据活动图像的特点和人眼的视觉特性，并利用下列技术对图像数据进行压缩： 1) 采用帧内编码(i 帧

34、)、预测编码(p 帧)和双向预测编码(b 帧)三种编码方式。p 帧和 b 帧采用了运动预测和运动补偿，去除序列图像在时间域上的相关性，仅传送很小的帧差 信号，大大压缩了图像数据； 2) i 帧或 p、b 帧的帧差信号分成 88 的像素块进行离散余弦变换，以消除图像在空 间域上的相关性； 3) 在离散余弦变换中对 88 的 dct 系数设置自适应量化器，以充分利用人眼特性， 量化后的系数再利用一定的扫描方式进行排序； 4) 对排序后的 dct 系数进行 huffman 变字长编码，即对于出现概率小的系数可以采 用长字长的码子，对于出现概率大的码子则采用短字长的码子。这样就可以消除图像中的 统计相

35、关性； 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设 计 9 5) 此外对 dct 系数的游程编码、色度分量的水平垂直亚取样以及防止码率上下溢的 编码控制策略都极大地提高了系统的编码效率。 mpeg-2 视频标准的作用在于可以使运动视频数据作为一种计算机可处理的数据形式， 并且可以存储在各种存储媒体上，可以在现存或未来的网络上发送、接收，并且可以在现 存或未来的广播信道上传播。此视频规范已成为一个通用的应用于较宽范围的比特率、分 辨率、质量和服务的标准。 欧洲 dvb 和美国 atsc 数字电视标准均将 mpeg-2 作为其数字电视视频编码的标准 蓝本。mpeg-2

36、音频标准用于低频率采样、广播、传输和存储介质上的多通道高质量音频 的编码表示，以及多通道高质量音频信号的解码方法。编码器的输入和解码器的输出与 pcm（脉冲编码调制）标准兼容14。 10 第 3 章 数字电视机顶盒结构与原理 3.1 数字电视机顶盒的结构特点 数字电视机顶盒接收数字电视节目，处理数据业务和完成多种应用的解析。各类信源 在进入有线电视网络之前经过两级编码，第一级是视音频信号的信源编码，并将所有信源 封装成传输流，第二级是传输用的信道编码。与前端相应，数字电视机顶盒首先从传输层 提取信道编码信号，完成信道解调，接着还原压缩的信源编码信号，恢复原始视音频流， 同时完成数据业务和多种应

37、用的接收、解析。数字电视机顶盒的结构示意图如图 3-1。 网络 接口 模块 解 复 用 条件 接收 处理 视频解压缩 音频解压缩 视频后处理 音频后处理 视频后处理存储器 外围设备和接口 图 3-1 数字电视机顶盒结构示意图 数字电视机顶盒的工作过程：数字电视机顶盒通过网络接口模块选择频道，并进行解 调和信道解码处理，输出 mpeg-2 多节目传输流数据，送给解复用器，解复用器从 mpeg-2 传输流数据中抽出一个节目的已打包的视音频基本流（pes）数据，包括视频 pes，音频 pes 和辅助数据 pes，解复用器中包含一个解扰引擎，可在传输流层和 pes 层 对加扰的数据进行解扰，解复用器输

38、出的是已解扰的视音频 pes。视频 pes 送入视频解码 器，取出 mpeg-2 视频数据并对其解码后，输出到模拟编码器，编码成模拟视频信号，再 经视频输出电路输出。音频 pes 送入音频解码器，取出 mpeg-2 音频数据并对其解码， 输出 pcm 音频数据到音频 d/a 变换器，音频 d/a 变换器输出模拟立体声音频信号，经音 频输出电路输出。 电视系统包括发送、传输和接收三大部分。而接收是和千家万户联系最紧密的部分， 蕴含着巨大的市场。接收又可分为信号处理和终端显示两部分。将信号处理部分独立放置 在一个机箱内即为机顶盒，而如果把信号处理部分集成进终端显示设备中就构成了一体机。 中南大学学

39、士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设计 11 数字电视机顶盒从其结构上讲大体上可以分成两部分：信道部分和信源解码部分。信 道部分即前端，负责对数字电视信号进行解调接收和信道解码，针对不同的信道可以配以 不同的信道解调解码器。目前，信道部分主要有三种，即卫星、有线和地面传输。在 dvb 标准中卫星传输采用 qpsk 方式调制，有线传输采用 qam 方式调制，地面传输则 采用 cofdm 方式。信源解码部分也称后端，它主要完成从 ts 流输入到解码后的音、视 频输出之间的所有功能，包括传输流解复用、音频解码和视频解码等，是机顶盒的核心部 分。 数字电视机顶盒的主要功能是完成

40、对数字电视信号的接收，具体讲就是把从信道传输 过来的调制信号，通过机顶盒前端的高频头和信道解码芯片完成解调和信道解码，解出传 输流（ts）数据，然后通过后端进行解复用分出音、视频基本流，再经过音、视频解码， 最后通过 d/a 转换和音视频后处理单元形成高清晰度或标准清晰度的模拟音视频信号， 送入显示器。此外，机顶盒还可以通过硬件和软件的功能扩展实现 web 浏览，交互业务、 条件接收以及个人数字录像机等功能7。 3.2 新一代高清晰度电视机顶盒方案 目前，高清晰度电视机顶盒芯片供应商推出了面向从低端到高端产品的信源解码器解 决方案。在中高端方面，以 broadcom 公司的 bcm7115+b

41、cm7031 方案为代表，其解 码芯片 bcm7031 是一个先进的高清晰度视频/图形子系统，在解码一个 hd 码流的同时可 以输出一个高清和一个标清视频，还带有一个出色的 3d 图形硬件加速器，可以获得演播 室质量的文字和图形。而 ati 公司的 xilleon220 也同样具有强大的处理能力，它可以 解码多个 hd 或 sd 的码流，也集成有 2d/3d 图形处理器。这类芯片还集成了更多的外围 接口功能，如硬盘接口、ieee1394 和 usb。该类方案的目标应用主要是具有网络浏览功 能和多种交互式应用的高端机顶盒。而在中国市场主推低成本芯片，以 st 公司为代表， 其产品具有较好的成本优

42、势，市场份额达到 63%。主要用于实现数字电视信号条件接收以 及股票信息接收等基本功能8。 3.3 st 公司的 sti5202 方案的特点和结构 根据本次课题的任务和内容，选择的整体系统方案是 st 公司的基于 sti5202 的数字 高清晰度电视机顶盒系统解决方案，与其他厂商同类方案相比，本方案具有以下几个特点： 1) 技术相对成熟。本方案中的核心芯片 sti5202 内嵌一个 266mhz 的性能强大的 st40 cpu 内核。 2) 集成度高。本方案核心芯片 sti5202 集成一个先进的视频解码器和一个灵活的多路 音频编解码器。视频解码器支持 h.264/avc 编码标准和 mpeg

43、-2 标准;音频编解码器支持 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设计 12 所有的音频广播标准。为了保护电视内容，该芯片还整合了在 sti7109 上使用的 st 第四 代安全技术，支持 windows media drm 10 数字权限管理和安全视频处理器(svp)两大安 全标准，能够保护电视内容，准许消费设备之间传送数字权限。 3) 外部接口完善。sti5202 芯片提供了多个可编程 io 口（pio） 、uart 口、智能卡 接口、i2c 总线、atapi 接口、红外接收/发送接口、ieee1394 等。通过 atapi 接口，可 以实现数字录像机功能，

44、通过智能卡接口，可以实现条件接收；sti5202 则提供了多种音 视频输入和输出接口。 4) 操作平台是工业标准操作系统，如 linux 和微软的 windows ce。st 为客户提供 一套强健的整合 stapi 软件的驱动程序，以及一整套能够加快产品开发速度的软硬件开 发工具。 5) sti5202 还支持 flash 视频、div x 和视频会议标准，以及中国最近确立的 avs1- p2 基准档次 4.0 级(sd)视频解码标准。 本次课题所研制的高清晰度电视机顶盒符合欧洲 dvb-c 标准。数字电视信号从电视 台经过有线电缆传输到接收者所在位置后，若要恢复出原始的声音、图像，需要经历多

45、个 处理过程。首先要进行信道解调和解码，即信道编码和调制的逆过程。然后，对输出的传 输流进行信源解码，该部分包括解复用、音频解码、视频解码、音视频后处理等。 机顶盒功能方框图见图 3-2。 信道 解调 与解 码 板 lvd 板 信源解码板 开 关 电 源 rs232 接口 smart 接口硬盘 遥控 接收 控制 图 3-2 机顶盒功能方框图 输入信源解码板的 ts 流信号可以来自信道解调与解码板（前端）也可以来自码流发 生器。来自码流发生器的 ts 流是符合 lvds 电平标准的。输入信号首先要经过 lvds 板， 将 lvds 电平转化为 ttl 电平，这样才能符合信源解码板的电气特性。 当

46、输入的 ts 流来自信道解调与解码板时，高清晰度有线数字电视机顶盒的工作过程 有线输入 码流输入 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设计 13 是：首先，前端在 sti5202 内部的 cpu 模块的控制下（通过 i2c 总线）把高频头调谐到 某个数字频道，通过前端的 qam 解调芯片进行 qam 解调，解出数字电视的传输流（ts 流）数据，连同一些标志信号一起，通过前端接口进入 sti5202。在 sti5202 内，ts 流数 据通过解复用功能模块分出音、视频 pes 流，由 dma 通道送往 sti5202 内部的音频解码 器和视频解码器或直接在 sti

47、5202 内部解码。同时，提取出码流中的 pcr 信息，用于时 钟恢复；解复用模块分出的音频 pes 流通过 sti5202 芯片内的音频解码器解码，输出音频 的 pcm 信号，再经过音频后处理和片外的音频数模变换后，输出最多六个声道的模拟音 频信号，或直接输出 spdif 信号；视频基本流在 ddr sdram 的配合下经过 sti5202 视 频解码器和合成器的处理之后可以直接输出亮度和色差或 rgb 视频分量数字信号，也可 以通过 sti5202 片内的数模变换模块和片外的视频后处理部分的处理，输出模拟高清 yprpb 或 rgb 视频分量信号；另外，sti5202 内部还集成了一个视频

48、编码器 denc，可以 输入标清数字流，输出 pal/ntsc/secam 制的 cvbs 和 s-vhs（y/c） 。 14 第 4 章 sti5202 模块的结构与原理 4.1 信源解码板功能结构 信源解码板，首要的任务是从输入的传输流中解出音视频信号并转换成需要的形式输 出。信源解码板的核心控制芯片 sti5202，它负责接收来自前端或 lvds 的传输流（ts） 数据，在解复用模块中解复用出视频和音频基本流，分别送往视频解码器和音频解码器， 同时提取出码流中的 pcr 信息用于时钟恢复。根据需要，cpu 可以有选择对传输流进行 一个加密操作，这时只有用户插入智能卡，通过 cpu 读取智

49、能卡的数据，才能得到解密 密钥，重新恢复出传输流数据用于解密。 解复用出来的音频基本流通过音频解码器的 mpeg 解码解出音频的基带数字信号， 经过音频数模变换后输出立体声的模拟音频信号或直接输出 s/p dif 信号；视频基本流在 sdram 的配合下经过视频解码器的处理之后输出解码后的亮度和色差信号；视频解码器 输出的信号可以通过 ntsc/pal/secam 视频编码器输出 ntsc、pal 或 secam 制的模 拟视频信号15。 4.2 信源解码板的 sti5202 系统 sti5202 系统部分是整个机顶盒中最重要的部分，高清音视频解码、后处理及输出都 是在这部分实现的。其系统框图

50、如图 4-1 所示。 数字视频入sti5202 yprpb 和 rgb dvi 输出 cvbs 和 svhs s/pdif 输出 音频输出 lmi ycrcb bb i2s 数字高清输出 模拟标清输出 数字音频输出 ddrsdra m 数字音频入 图 4-1 信源解码板的 sti5202 系统 解码板主要是负责对数字电视信号进行解调接收和信道解码。通过接收端对接收到的 模拟高清输出 15 载波信号进行变频处理并通过滤波等一系列的处理后送入芯片内置 a/d 转换器进行模数 转换， 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设计 16 然后再把转换后的数字信号送入 qam

51、 解调模块进行解调，解调后的信号经过纠错后 从输出端输出，输出遵循 dvb 通用接口标准的 mpeg-2 传送流(ts)数据。 因为要解码高清视频，不仅要有大的存储能力，更重要的是要满足解码速率的要求。 系统中使用 ddr sdram 存储器，就是为了配合 sti5202 的音视频解码，用来缓存码流、 解码帧、显示帧、图形和光标数据。同时，系统中包括了多种音视频输入和输出，是为了 满足不同层次的需求。 4.3 sti5202 解码芯片 4.3.1 概述 sti5202 是意法半导体 2007 年底推出一款新的低价位的机顶盒解码器芯片，可应用于 地面、有线、卫星和网络(ip)标清(sd)电视，s

52、ti5202 的体系架构与 st 在全球市场取得巨 大成功的 h.264 高清(hd)单片解码器 sti7109 完全相同，而且软件也相互兼容。 sti5202 集成一个先进的视频解码器和一个灵活的多路音频编解码器。视频解码器支 持 h.264/avc 编码标准和 mpeg-2 标准;音频编解码器支持所有的音频广播标准。为了保 护电视内容，该芯片还整合了在 sti7109 上使用的 st 第四代安全技术，支持 windows media drm 10 数字权限管理和安全视频处理器(svp)两大安全标准，能够保护电视内容， 准许消费设备之间传送数字权限。 此外，以 sti710 x 系列解码器的

53、软硬件混合解码引擎的优异性能为依托，sti5202 还 支持 flash 视频、divx 和视频会议标准，以及中国最近确立的 avs1-p2 基准档次 4.0 级 (sd)视频解码标准。 sti5202 还在片上集成了以太网接口和 usb 2.0 高速接口，使机顶盒具有设备互连的 功能，在家庭网络环境中能够充当一个瘦客户机的关键角色。此外，片上高清多媒体接口 (hdmi)选件可以向高清显示器输入标清视频信号。可编程码流接口(pti)能够处理卫星、 有线和地面电视调谐器的输入流。 sti5202 内嵌一个 266mhz 的性能强大的 st40 cpu 内核，操作平台是工业标准操作 系统，如 li

54、nux 和微软的 windows ce。sti5202 能够满足所有的先进编解码器市场的需 求，同时不会牺牲安全性能或多核处理器架构的强大性能。sti5202 内部结构框图如图 4- 2 所示。 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设计 17 图 4-2 sti5202 芯片内部结构框图 4.3.2 sti5202 芯片的特性 sti5202 是高清晰音视屏解码芯片，内部包括视频解码器，音频解码器，数据输入， gamma 显示合成器，gamma 2d 图形处理器，视频显示处理器，显示输出，接口。比起 其他音视频解码芯片其主要特点有： 1)视频解码器 a)支持 h

55、.264/avc 编码标准和 mpeg-2 标准 b)支持 flash 视频、divx 和视频会议标准，以及中国最近确立的 avs1-p2 基准档 次 4.0 级(sd)视频解码标准。 c)多流解码器，解码速率为 315000 宏块/秒（等价于解码一个 sd 视频流的 7.78 倍） ， 可同时解码如下组合： i.五个 sd 流。四个用于主显示窗中显示，一个作为 pip 或用于 vcr 录像。 ii.一个 hd 和一个 sd 或 2 个 hd 流。一个 hd 流用于在主显示窗中显示，另一 个 hd 流或 sd 流作为 pip 显示或用于 vcr 录像（目前版本的 sti5202 只能 支持一个

56、 hd 和一个 sd 流的解码或两个 sd 流的解码） 。 2)音频解码器 a)支持所有的音频广播标准 b)杜比数字,mpeg-1 层 i、ii 和 iii（mp3）,mpeg-2 层 ii，mpeg-2 aac c)六声道主音频数字输出 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设计 18 d)两声道辅助音频数字输出 e)s/pdif 输出 f)pcm 混合和采样速率变换 3)数据输入 a)可同时接收五路视频压缩码流和两路音频压缩码流。 b)高清 rgb/ycbcr 数字输入 c)2 个标清 ycbcr 数字输入 d)2 个 pcm 音频输入 4)gamma 显示合

57、成器 a)7 通道数字混合器 mix1，用于主 hdtv 输出。7 个显示平面包括：一个背景平面； 三个图形/视频层 gdp1、gdp2 和 gdp3；两个视频平面；一个光标平面 b)独立的 2 通道混合器 mix2，用于辅助 tv 显示或 vcr c)硬件光标 d)视频捕捉流水线 e)alpha 平面附加 f)抖动处理器 5)gamma 2d 图形处理器 a)双源图形处理器，独立于 cpu，加速图形处理 b)alpha 混合和逻辑操作 c)颜色空间和格式变换 d)快速颜色填充 e)高质量的滤波器，进行任意尺寸调整 6)视频显示处理器 a)主显示处理器和辅助显示处理器 b)pip/pop 和观

58、看/录像配置 c)尺寸调整和格式变换 d)图像结构改善 7)显示输出 a)模拟高清晰度 rgb/ypbpr 输出 b)模拟标准清晰度 rgb/ypbpr/yc/cvbs 输出 c)数字视频输出（hd/sd） d)2 个视频定时产生器 8)接口 a)usb2.0 嵌入式接口 b)dvi/hdmi 输出 中南大学学士学位论文 基于 sti5202 解码内核的数字电视机顶盒设计 19 c)调制解调器 d)100bt 的以太网控制器 e)64/32 位，200mhz 本地存储器接口，可连接 64，128，256，512m 和 1g 位的 ddr-sdram f)16/32 位，100mhz 主机接口，

59、连接到主 cp 4.4 本地存储器电路设计 因为要解码高清视频，不仅要有大的存储能力，更重要的是要满足解码速率的要求。 系统中使用 ddr sdram 存储器，就是为了配合 sti5202 的音视频解码，用来缓存码流、 解码帧、显示帧、图形和光标数据。下面对 ddr sdram 做详细的说明。 4.4.1 ddr sdram 特性 ddr sdram（double data rate synchronous dynamic random access memory）即双 倍数据速率同步动态随机存取存储器。它是 ddr 是一种继 sdram 后产生的高速的 cmos 存储设备。我们日常所使用的

60、sdram 都是“单数据传输模式” ，这种内存的特性 是在一个内存时钟周期中，在一个方波上升沿时进行一次操作（读或写） ，而 ddr 则引用 了一种新的设计，其在一个内存时钟周期中，在方波上升沿时进行一次操作，在方波的下 降沿时也做一次操作，之所以在一个时钟周期中，ddr 则可以完成 sdram 两个周期才 能完成的任务，所以理论上同速率的 ddr 内存与 sdrm 内存相比，性能要超出一倍，可 以简单理解为 100mhz ddr=200mhz sdrm。 ddr 使用双数据速率结构完成高速操作。双数据速率结构实质上就是一个 2n 预取结 构，它带有一个接口，用于每个时钟周期内在输入/输出引脚