基于BCM7405的高清数字电视双向机顶盒——硬件平台设计

【中心议题】
    * 提出了一种基于BCM7405的高清数字电视双向机顶盒
    * 给出了具体设计方案
【解决方案】
    * 采用BCM7405数字高清晰度电视机顶盒系统解决方案
    * 信道部分采用BCM3510解调芯片和专用的有线数字高频头

1　高清数字电视机顶盒概述

随着高清时代的迅猛到来,高清概念已经深入人心。高清带给我们无与伦比的画面质量,高清已经彻底颠覆了传统视觉享受的概念,以毫发必显的品质带来一场视觉革命。高清电视作为家庭娱乐的核心,已经在全球形成了新一轮的数字电视热潮,高清电视的技术、运营都在逐步成熟。各芯片及机顶盒厂商都在研制更好的高清产品,推动国内的高清数字电视事业进入一个新的阶段。本文重点讲述一款高清互动机顶盒方案的整体设计及实现。

2　高清数字电视双向机顶盒硬件总体设计

基于BCM7405的高清数字电视机顶盒的总体结构如图1所示。

此机顶盒采用的是Broadcom公司的BCM7405数字高清晰度电视机顶盒系统解决方案, BCM7405芯片内部主要集成了CPU、H. 264/MPEG -4/MPEG -2HD/SD解码器、2D图像加速处理、双SATA接口、双USB2. 0主控接口、双以太网MAC等,增加外置信道电路和MII控制芯片实现信号接收和双网口扩展;和外围的人机接口、音视频处理、开关电源部分一起构成机顶盒整机电路。

此方案还有丰富的数字模拟音视频数据总线,比如HDMI输出总线,并行、串行TS流总线, I2S数字音频输入输出总线, S/P DIF数字音频输出接口,模拟YPrPb输出接口等,另外还有一些基本的接口电路,包括串口、I2C总线、智能卡控制接口、LED驱动等。

该机顶盒的工作流程:系统上电后,从FLASH的固定地址中运行一个boot引导程序,将FLASH中的程序引导装载到DDR中,完成各模块的初始化,包括网络、USB等,然后引导运行Linux操作系统,自动运行各种特定的应用程序。信道模块将接收到的有线电视RF信号转换成TS流信号,送入BCM7405,进行解复用、解扰、MPEG-2编码等,再经过音视频DA转换后输出模拟音视频信号,通过电视机输出。

2. 1　高清数字电视双向机顶盒系统内核

BCM7405是Broadcom公司最新推出的高清数字电视专用芯片,支持多种标准的视频解码和音频解码。BCM7405内部模块功能框图如图2所示。

BCM7405是该方案的核心芯片,集成了一个基于FPU的处理器子系统MIPS4380,标准工作频率400MHz,包含1个32 k I-cache和64 k D-cache,支持EJTAG。

BCM7405内部的MPEG2/DIRECTV传输流处理器能通过255个PID通道支持255路PID滤波器,能够通过128个PID通道同步处理255个PIDs,并提供PES解析能力,所有的128个PID通道都可作为管道输出数据给音频、视频和PCR处理器。它能同步处理MPEG和DIRECTV传输流,最大传输流速率可达100Mbps,复合传输流经过PID过滤之后的最大传输率可达216Mbps。

BCM7405的视频解码器模块集成了一个高清晰度视频解码器内核,能够解码AVC/H. 264、VC-1 MPEG-2、MPEG-4、DivX、XVID、MPEG-1/H. 261/H. 263格式的码流,支持的最大图像尺寸为1 920×1 088。其中MPEG-2方式的最大编码数据率可达125Mb/s,而H. 264则为40Mb/s。

BCM7405的音频解码器包括DSP子系统和音频输入/输出模块(AIO), DSP系统模块解压缩MPEG、Dolby等音频格式的信号,同时还可以同步输出数字音频信号到SPDIF;AIO模块主要是捕捉I2S数据、混合,以及对回放数据的音量控制。

BCM7405还拥有丰富的外设接口,包括红外接收、异步串行通讯、LED显示控制、通用的GPIO、I2C控制等,可以满足人机交互的要求。

2. 2　高清数字电视双向机顶盒系统控制电路

由于BCM7405支持高清/标清双路同时解码和画中画功能,要求大容量的数据存储,故BCM7405使用了4片1 Gbit的DDR作为内存,通过64 bitUMA存储控制器存取。为了存储引导程序和应用程序,使用32MBytes的并行FLASH,该方案复用了PCI总线和FLASH所使用的EBI总线。

BCM7405中的PCI和EBI总线共享很多相同的引脚以减少总的引脚数,但不共享关键的控制信号,如FRAMEb和CSb。PCI和EBI工作在相同的PCI时钟输入频率,当接口作为EBI功能时,由于没有确认FRAMEb,PCI设备将不响应;而当接口作为PCI功能时,由于没有确认CSb, EBI设备将不响应。本方案中,PCI总线作为EBI功能使用,外挂FLASH存储器件。

2. 3　高清数字电视双向机顶盒信道接收电路

信道部分采用的是Broadcom公司的BCM3510解调芯片和专用的有线数字高频头。当高频头接收到来自有线电视数字前端的RF信号后,经过前置放大、混频,转换成中频信号;解调芯片BCM3510对接收到的16/32/64/128/256-QAM的信号进行中频采样,然后进行解调、微反射抵消和RS前向纠错,完成有线数字信号从中频采样到MPEG-TS流输出的完整处理,转换成TS流信号,送入BCM7405供解码器处理。电路示意图如图3所示。

2. 4　高清数字电视双向机顶盒USB和以太网接口电路

BCM7405的USB模块包含两个主控制器,一个设备控制器。因此,该方案配备两个USB2. 0主设备接口,可扩展一个USB2. 0/1. 1从设备接口。BCM7405集成了两个独立的10/100 M以太网MAC,其中一个直接通过MII接口连接到内部的以太网收发器,另一个则需要外置以太网收发器通过MII接口连接。本方案配备两个以太网口,另一路采用的SMSC公司的LAN8710作为以太网转换器,可外接CableModem模块实现真正的双向交互功能。利用软件集成的浏览器可以方便地浏览网页,实现普通的交互功能,考虑到网络上的音视频文件多采用MPEG-4压缩编码方式,配合方案中使用的H. 264解码器,能够实现对网络流媒体的点播,为数字电视增值业务提供了灵活便利的硬件通道。

2. 5　高清数字电视双向机顶盒音视频输出电路

BCM7405输出的音频信号经过低通滤波电路和音频放大器放大后,通过音频端子直接输出;视频信号经过专用的低通滤波器进行滤波放大后,通过视频端子直接输出;在电视上实现视频显示和音频输出。同时, BCM7405支持HDMI输出,完全兼容HDMI1. 3、DVI1. 0和HDCP1. 2的标准,具有高可靠性、高灵活性、低功耗的特点,能实现无压缩数字信号的传输,将音视频信号融合在1根HDMI连接线上,能够满足目前和下一代高清晰度产品的要求。

2. 6　高清数字电视双向机顶盒接口控制电路

本方案还具有智能卡读取功能和人机交互功能。智能卡读卡电路通过专用的智能卡接口芯片ST8024实现对加扰节目智能卡信息的获取;面板控制采用带键盘扫描接口的LED(发光二极管显示器)驱动控制专用电路CT1668来实现用户对机顶盒的访问和当前状态的显示。

2. 7　高清数字电视双向机顶盒电源供电电路

本方案采用专用的开关电源模块,输出单12 V电源,通过DCDC转换输出1. 2 V、1. 8 V、2. 5 V、3. 3 V和5 V电压,分别供给不同的模块,其中3. 3 V主要给I/O设备以及解调芯片供电, 1. 2V为CPU内核供电,1.8 V为DDR模块供电, 2. 5 V为外设的接口模块供电, 5 V主要给Tuner、外围驱动电路以及USB设备供电。

3　总结

本方案采用Linux实时操作系统,在硬件平台上同时实现高/标清MPEG-2、H. 264视/音频解码,能通过以太网实现各种双向交互业务,使用户在观看高质量数字电视节目的同时享受到更多更新的增值服务,配合外围丰富的数字音视频的输入输出接口,高质量地完成音视频数据的传送。该设计方案结构紧凑,集成度高,性能强,外围接口丰富,能处理多种格式的视/音频数据,完全满足高清时代高清数字电视的发展要求。