基于SAA7214与SAA7215机顶盒的系统设计

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摘要：本文介绍了PHILIPS公司推出的适合于交互式数字电视应用的SAA7214和SAA7215芯片的功能特点及结构。提出了二者相结合组成的交互式数字有线电视机顶盒的方案，并给出了具体的软件和硬件系统构成。
关键词：有线电视；机顶盒；系统；音频；视频
0  前言
随着信息技术的不断发展，通信技术、电视技术以及计算机技术已进入了相互结合的新时代。交互式电视（ITV）正是这种结合的具体体现。所谓交互式电视，是一种受用户控制的电视，在节目间和节目内用户能够作出选择和决定，是一种非对称双工通信模式的新型电视技术。其中，数字机顶盒（STb）是实现交互功能的关键技术之一。作为ITV系统中的用户终端，它是普通电视与宽带传输网络之间的桥梁。通过STb用户坐在家中的电视机前，可以实现视频点播（VOD）、家庭购物、家庭办公、电子游戏等多种服务，而且还能在普通电视机上收看到高清晰度的数字电视节目。
1  SAA7214与SAA7215功能特点及结构
SAA7214和SAA7215是PHILIPS公司推出的一套STb解决方案。前者负责实时性要求较高的硬件解复用、视频音频源解码，并分离出视音频数据流，以及与解码相关联的外围I/O设备控制等。后者负责音频、视频和图形的解码、编码，并将解码后的数据流分成音频信号和视频信号输出。
1.1  SAA7214的功能特点及接口
SAA7214主要用来传输MPEG—2格式信息的源解码器。SAA7214内含一个MIPS PR3001芯片，该芯片是一个通过扩展设计能够实现内置控制的32位每秒百万条指令的RISC规格的CPU，该芯片工作主频为40.5MHZ。SAA7214还包含有通用异步收发器（UART）、I2C单元和IEEE1284接口。SAA7214的串行通信控制器包括三个UART。它具有两个UART特性的TxD和RxD管脚，并且通过两条数据线RTS和CTS来支持自动的数据流控制。另一UART是唯一的双工接口(TXD、RXD)且支持RTS、CTS数据流控制。UART也能工作在双线方式,且在这种方式下他们通过RXD和TXD简单接收和发送数据。SAA7214的I2C控制器包括2个串行接口，它适合I2C总线规格，并且支持标准和快速I2C总线模式。在相同的总线情况下，通过不同的编程I2C逻辑可以在主发送器模式、主接受器模式、从发送器模式、从接受器模式中任选一个进行操作。
1.2  SAA7215的功能特点和结构
SAA7215是一个包括音频解码和视频解码的MPEG-2格式的源解码器。除了一些基本的MPEG功能外，SAA7215还提供像编码输出视频一样的增强图表﹑背景显示和满屏显示的方法。由于对音频和视频解码有着最佳的结构，因此能够在外部存储器和CPU处理能力方面最大限度地支持图表处理功能。
SAA7215有着完善的存储器结构，用于低端设备的16Mbits和用于中高端设备的32Mbits，因此它能很好地进行MPEG数据流和图表的处理和控制。当访问图表寄存器时，其还为CPU提供了高的带宽和短的等待时间。SAA7215内部集成了带有Y/C，CVbS和RGb输出的视频编码器。SAA7215具有以下几个特征：
（1）有单个或两个外部同步DRAM。由于在MPEG解码器中有效地使用了存储器，因而有超过1Mbit的存储空间用于图表处理，而在双SDRAM配置中可用的存储空间为17Mbit。
（2）在以字节宽度或串行位格式的PES或ES中，有专用于压缩音频和视频的输入设备，并用选通信号来区分视频和音频数据。
（3）灵活的存储器分配能最好地区分不同任务的存储器。
（4）支持边界扫描测试和外部SDRAM自检。
2  基于SAA7214与SAA7215的系统硬件设计
根据SAA7214和SAA7215的功能特点，该系统硬件电路采用模块化结构设计，主要由四部分组成：通信模块、主控模块、控制面板模块、IC卡模块。各模块可各自独立更换，系统硬件功能框图如图1所示。



图1  系统硬件功能框图
2.1  通信模块
通信模块具体包括：QAM解调板和电话板（或双向模块）。
QAM解调板可将HFC网传送来的经QAM调制的信号，经调谐频率变换，QAM解码、解交织、解RS码、解扰等处理后，输出MPEG—2解复用前的标准码流（即TS流）。这部分主要由一片VES1820X芯片完成。
电话板采用DTMF方式调制上行信号，以电话网作为上行通道，下行采用64QAM的数字调制方式。有线电视网进行双向改造后，可选用双向模块实现交互功能，双向模块采用bPSK方式调制上行信号，以有线电视网作为上行通道。
2.2  主控模块
主控模块：具体指主板。主要有SAA7214、SAA7215、UDA1320A芯片和存储器组成。
SAA7214芯片能将TS流进行MPEG-2源解码，并分离出视频和音频数据流，以及与解码相关联的外围I/O设备的控制等。
SAA7215负责音频、视频以及图形的解码、编码，并将解码后的数据流分成音频信号和视频信号，视频信号由SAA7215输出。SAA7215还具有完善的存储器结构，采用了DRAM、SDRAM、FLASH等，通过这些存储芯片使软件的运行速度大大加快。
音频信号由UDA1320A输出。UDA1320A是一个具备位数据流转换技术的单芯片正相立体DAC，它具有低功率消耗和低电压工作模式；具有256、384和512三种不同频率的系统时钟；通过静态管脚控制可以选择不同的频率；支持16KHZ至48KHZ的抽样频率；集成了数字滤波和正相DAC。
2.3  控制面板模块
控制面板模块包括：键控板和显示板。它是通过一块AT89C2051单片机来控制面板的各项功能，并与主板模块中的SAA7214相联系。将已解调、解码和编码后的视频、音频信号（即模拟信号）分别由机顶盒的各相应端口输出，完成对STb的功能控制和显示。同时可用遥控器实现所有基本功能的控制与切换。
2.4  IC卡模块
IC卡模块：指IC卡板，具有智能IC卡CA解扰功能。该板中使用了tdA8004接口芯片，它位于IC卡与微处理器之间，无需接大量的外部元件就能完成保护和控制功能。信号通过接口与主板中的SAA7214相连，具有相应的权限确认功能，当机顶盒接收到权限确认信息后，才对数字电视节目进行解码，供用户收看。实现有条件接收解密处理，这样通过IC卡可实现收费电视、付费点播、征订等业务。
3  系统软件结构
该机顶盒系统软件结构可以分为三个层次：业务软件应用层、实时事件处理层、系统内核及驱动层。系统软件结构如图2所示。


业务软件应用程序


实时事件处理层


系统内核及驱动层


硬 件 层




图2  软件系统结构

3.1  业务软件应用层
业务软件应用层相当是覆盖在驱动和操作系统之上的一层接口，它是根据系统业务需要而制定的，为用户应用程序实现机顶盒的各种功能服务的。如综合信息、电子商务、电子游戏等。                                                        
3.2  实时事件处理层                                     
实时事件处理层是将应用程序与低层的操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境，它使应用程序不依赖于具体的硬件平台，是业务软件应用程序与硬件平台的中间件，此软件系统采用了OpenTV中间件。OpenTV中间件提供给用户应用程序完整的应用程序接口，使应用程序只需调用这些函数，就可以实现机顶盒系统所应具有的所有功能。这样，使得用户应用程序部分的工作变得非常简单。
3.3  系统内核及驱动层
本系统所采用的操作系统是pSOS，硬件驱动层主要是针对各种硬件模块，提供相应的驱动程序。主要的驱动包括：接口模块，包括I2C接口操作控制，智能卡的控制等；音频模块；视频模块；解复用模块；解码模块，Flash驱动模块等。
4  结束语
以上介绍了基于SAA7214与SAA7215芯片的有线电视机顶盒软软硬件的系统结构及功能框图。该系统采用高度开放的模块化结构设计，系统前端将模拟的视、音频信号经MPEG-2视像编码压缩成数字信号，把多路数字信号经复接器复接后，再进行QAM调制发射，作为用户的下行数字信号。用户采用电话DTMF或bPSK作为上行，通过上行通道就能把用户的选择信息传送给系统服务中心（系统前端）。这样就能够在宽带网（既有线电视网）中实现交互式视频点播（VOD）、股票信息及分析和及时交易、远程教育、信息发送等。且该有线电视机顶盒的操作系统和应用软件可由控制服务器通过下行信道广播下来，如需扩展机顶盒的应用能力，只须修改或增加相应的软件即可，无需对机顶盒的硬件作大的改动，给系统升级带来了方便。
目前，国内广播电视系统已开始了向数字电视的转变，虽然近期的数字应用更多的还是将模拟彩电数字化，但随着用户对功能需求的增加，以及有线运营商服务内容的丰富，具有多功能的交互式的有线电视机顶盒也会得到日益广泛的应用，并且会有较大的市场。
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