低成本数字电视机顶盒——方案设计以及应用

中心议题
    * 提出了一种低成本数字电视机顶盒
    * 给出了具体设计方案
解决方案
    * 低成本的硬件选择
    * 根据硬件选择设计相应的软件系统

1　数字电视机顶盒概述

广播卫星电视“村村通”工程是国家组织实施的重大民生工程,也是国家“十一五”期间重点推广实施的一项惠民惠农工程。到2010年底,全面实现20户以上已通电的自然村全部通广播卫星电视。这项工程总的投资金额将高达上百亿之多,而数字电视机顶盒作为实施该工程的必不可少的设备,其总需求量非常可观。为此单台机顶盒成本直接决定该工程的总费用。同时对电视运营商而言,机顶盒的价格成本会直接影响该工程的推广与实施,而对于广大农民来说,机顶盒价格也将会直接影响他们的消费意愿。因此,在不影响机顶盒基本功能的前提下,如何降低机顶盒的价格成本,是大家普遍关心的问题。本文将从机顶盒软硬件设计两个方面入手,介绍如何有效地控制机顶盒的整机价格,提升机顶盒的成本优势。

2　低成本数字电视机顶盒方案的设计

数字电视机顶盒是卫星数字电视信号的解码终端,主要功能是将卫星上的数字电视信号通过卫星天线接收下来,利用调制解调器将相应频点的信号解调后,通过软件系统将这些压缩的声音和视频信号解压出来,还原成实时的模拟信号,传送给电视机播放相应的节目。因此在机顶盒的设计中,有两个方面将直接影响它的整机价格,一个是机顶盒的硬件成本,另一个是机顶盒的软件成本。这两个方面既是相辅相成,又互相制约的。硬件配置过低,软件功能将受限,硬件配置过高,则成本过高。为此需要讨论一种最佳的软硬件配置方案,既能完成机顶盒解码功能,又能使机顶盒性价比最高。

2. 1　低成本数字电视机顶盒硬件系统的设计

图1是数字机顶盒硬件基本框图,在机顶盒硬件组成中,影响成本的主要有以下几个部件。

(1)CPU

CPU是机顶盒的核心部件,其功能有以下几个部分:

a.控制各种周边设备:接收红外遥控信号,由软件进行解码和控制;控制LED前面板,接收前面板控制并响应,同时将当前软件状态反馈到LED前面板;将解码后的模拟信号输出到信号端子等,这几部分都是CPU的外围控制功能,对芯片的频率处理要求不会太高,使用一般的8/16位单片机一般也能实现。

b.将demodulator过来的调制解调信号,通过音视频解压软件还原成模拟信号。这部分功能是机顶盒的核心功能,也是最复杂的部分。一般从卫星天线接收的信号是经过MPEG2视频压缩和MP3音频压缩后的,机顶盒通过软件分别解压MPEG2和MP3信号,并进行音视频同步。因此这部分功能要求CPU频率最少不能低于80 MHz。目前市面上很多单片机其工作频率可以达到90~100 MHz,但其价格却比一般的真正意义上的CPU要便宜40%左右。

c.对于功能不太复杂的软件系统,一般可以运行在无操作系统下,而对于必须有操作系统支撑的软件而言,其CPU要求相对较高,因此在机顶盒软件方案设计中,可以选择无操作系统支撑。这样在CPU选择上,也可以使用价格较低、性能稍差的芯片。

(2)Tuner+Demodulator

这部分是机顶盒的信号解调部分,它的功能要求能对信号源进行敏感捕获和精确锁频,目前在市场上,该器件有比较成熟的设计方案,其价格也很低,在实际设计中,卫星电视接收机使用较多的是国芯+美信方案。

(3)SDRAM

SDRAM是软件运行时的主要地方。随着SDRAM容量增加,其价格也在增加,因此软件大小或SDRAM的利用率,直接影响SDRAM的设计容量。这部分要求在软件设计上,做到软件模块可重利用和可重加载，其具体设计方案在软件系统中详细描述。

(4)FLASH

FLASH是存放机顶盒软件的地方,它的成本也是由容量决定。在设计中,因FLASH价格比SDRAM贵,可以将大部分软件压缩起来,在系统启动中,将这部分软件解压到SDRAM,从而通过SDRAM的空间换取FLASH的大小。另外,有些数据在机顶盒关机时不能丢失,如音量和声道等,对于一般的机顶盒来说,这些数据都会存放到可以多次擦写但又不能丢失的存储介质中,如EEPROM,但EEPROM的价格却比FLASH贵得多,因此在软件设计中,可以通过在FLASH中开出一片系统数据存储区,通过软件模拟EEPROM的操作,存储数据到FLASH中,从而节省机顶盒存储芯片的成本。

2. 2　低成本数字电视机顶盒软件系统的设计

机顶盒软件系统是与硬件系统紧密相关的部分,硬件的选型直接影响软件的设计复杂度。在低成本数据电视机顶盒方案中,软件系统设计框图如图2所示。

在机顶盒软件中, Tunner+Demodulator驱动部分,即音视解码部分相对比较稳定,变化较小,但应用软件及外设驱动软件需要根据硬件设计进行变化。在低成本解决方案中,软件部分的设计也主要集中在这两部分中。

(1)应用软件

a.用FLASH代替EEPROM实现数据的存储及访问。

机顶盒的应用软件通常存储在FLASH可擦写、断电不丢失的媒介中。但有些数据,如音量、当前频道及左右声道等数据则需要存放在EEPROM等可随意擦除和修改的介质中,如果将这部分数据也存放在FLASH,则对数据的存储和修改造成不便,因为FLASH的数据不论修改多少个字节都必须按块来擦除和修改,且每次存储前必须先清除扇区后才可以写入,不仅存储时间长,而且存储风险也较大,如果在存储期间突然断电,将出现不可挽回的数据错误。因此在一般的硬件设计中,都有EEPROM用于存储这些多变数据,但EEPROM成本较高,使用寿命有限,为了降低硬件成本,在该方案设计中,将这些多变数据存放到FLASH中,与应用程序一起分享不同的扇区。为此软件在存储中需要一种策略解决存储速度和减少错误的问题。在设计中,我们采用循环块的方式存储,以解决这两个问题。下面以存储声音为例,进行分析。

从FLASH中划分一块字节长度为n的字节块(具体长度可根据实际使用中音量变化频率而定,一般在10 k左右),这个字节块专用于存放音量数据,顺序存放音量值到FLASH中,当所有n个字节存满时,系统进行一次扇区擦除,将当前值写入第一个字节,下次的音量值又可以从第二个字节开始存放。在实际使用中,为了提高FLASH的使用效率,可根据实际情况进行优化。一般音量大小在0~14之间,可以使用半个字节存放一次音量,每次擦除扇区后,所有字节均为0xf,f以半字节0xf为默认值,从低半字节开始存放,存满二次后,更换一个字节,如实际存放数据如下: 0x35,0x6.f.....。另外,利用FLASH的存放特点:数据从1写到0时不用擦除扇区,而从0到1才需要清除扇区。

每次写入音量数据时,可以先进行判断是否直接覆盖,再写入。如本次存放数据如下: 0x35, 0x6.f..,如果需要写入的音量值为4,则可以直接改写数据为0x35,0x4.f..,而无需擦除扇区后再写入。使用上面的存储策略,可以快速地写入音量、节目号及左右声道等数据,而无需使用EEPROM器件,不但提高了存储的速度,同时大大地节省硬件成本。

b.利用模块的重加载方法,提高SDRAM的利用率,充分利用存储设备的可重用性,降低存储成本。

在实际产品中,所有应用程序都压缩存放在FLASH中,可节省FLASH的需求大小,在启动过程中,将这些应用程序解压后装载到SDRAM。为了提高SDRAM的存储效率,可以将存放到FLASH中的应用程序分模块进行存放,将不同功能的应用程序映射到SDRAM的地址进行重叠排放,但这样设计的前提必须是重叠存放的两个模块不会同时加载,它们之间必须是互斥出现。如实际应用中:游戏模块和音视频解码模块,一般情况下,在用户玩游戏时,机顶盒不会再播放电视节目(本文以此为假设条件),利用这个特点,当游戏功能启动时,可以将FLASH中游戏程序解压到音视频播放缓冲区中,当退出游戏程序时,将音视频播放缓冲区进行清零,节目播放时,还可以利用这块区域进行解码。这种设计方法可提高SDRAM的使用率,一般大型游戏需要至少1M的工作内存,利用这种重加载技术后,完全可节省这块区域,降低硬件成本。

(2)各种外设驱动软件

在机顶盒软件中,除应用程序外,比例较大的软件是各种外设驱动,如遥控器接收驱动, LED前面板显示驱动等。这些外设有一个共同的特点,需要专用的程序捕获用户的操作,如果单纯使用CPU实现程序捕获,则必须运行两个轮询时间较短的用户进程来监视用户的输入。这就要求CPU必须分配较多的运行时间给外设驱动进程,从而对CPU的性能提出较高的要求,势必需要提高硬件的配置,为了降低对CPU的依赖,节省成本,在设计中,可以利用价格很低的IOP芯片来专门捕获用户的操作,当用户有输入操作时,它可以通过中断通知CPU,CPU通过共享内存来处理用户的输入响应,提高响应速度。该方案只需要编写IOP驱动程序,轮询用户的输入,响应外设的操作,其效果与高性能CPU完成的功能基本相同。

3　低成本数字电视机顶盒机顶盒方案的应用

在实际产品设计中,我们将这套低成本方案应用到DVB-S机顶盒设计,依据低成本方案的要求,对CPU选型、SDRAM及FLASH大小配置及各种外设选择,制定了一套低成本的配置清单,整机批量成本控制在100元人民币,表1为配置清单。

在软件系统设计上,为配合硬件要求,系统运行在无操作系统平台上,实现音视频解码及红外、LED的控制操作等,软件系统运行流程如图4所示。

4　结束语

本文介绍的低成本机顶盒方案,在实际产品设计中已大量应用在DVB-S机顶盒中,这种方案具有较强的市场竞争力,适合于村村通工程的推广与实施,同时对于减轻国家数字机顶盒切换负担提供新思路。