机顶盒芯片方案资料

机顶盒与芯片解决 摘要 机顶盒产品被认为是继个人电脑和手机之后，第三个拉动半导体市场的整机产品，而中国又 被看作是机顶盒的主要生产地之一。 关键词：机顶盒，芯片，解决方案，数字电视 一 前言 机顶盒产品被认为是继个人电脑和手机之后，第三个拉动半导体市场的整机产品，而中国又 被看作是机顶盒的主要生产地之一。 目前，机顶盒大致分为数字电视机顶盒和 IP机顶盒，前者又分为 DVB-S、DVB-C和 DVB-T 机顶盒。数字电视机顶盒的主要作用是提供数模信号转换的功能，使用户能够用原有的模拟 电视机收看数字电视节目。根据 iSuppli的有关，2008年中国数字电视终端的产值将达 到 110亿美元，出货量将达到 5200万台，全球 80%的数字电视终端将产自中国。下图给出 了 2001到 2005年之间数字电视机顶盒的产量和年增长率。 图 1 2001- 2005年有线机顶盒的产量和增长率 资料来源：2005-2006年中国机顶盒产业及芯片市场研究年度报告 今年来，随着互联网的应用日益广泛，宽带网络的建设与发展十分迅速，这有力地推动了 IPTV业务的发展，电信设备制造商纷纷投入到 IP机顶盒的研发生产。据市场调研公司 ABI Research新近发的调查报告显示，近期 IP机顶盒(IP-STB)市场的增长速度将至少是 cable 或卫星机顶盒的四倍，未来五年全球 cable和卫星机顶盒出货量预计将以 13-14%的年复合增 率增长，而同期 IP-STB的增长率将为 60%以上。 因此，整个机顶盒市场将引发价值超过十亿美元的半导体销售市场，受到了国内外半导体厂 商的格外关注。有不少厂商瞄准机顶盒市场，推出了相应的芯片及解决方案。在下文中，我 们将对一些芯片和方案进行介绍和分析。在此之前，我们先了解一下机顶盒的构成与功能。 二 机顶盒的构成与功能 机顶盒由软件和硬件两大部分组成。机顶盒的硬件结构由核心控制单元、媒体处理单元以及 各类接口组成，如图 2所示。 核心控制单元一般采用嵌入式系统处理器芯片，可以运行实时操作系统。媒体处理单元一般 根据机顶盒成本选用 ASIC 专用解码芯片或数字信号处理器(DSP)，也有采用软件解码实现 的。数字电视机顶盒的通信接口一般是传输流(TS)接口，其前端是 RF调谐器和解调器。IPTV 机顶盒的网络通信接口根据网络接入方式的不同可配置成高速以太网接口、ADSL接口或无 线局域网接口等。媒体播放接口基本配置有复合音视频端子和 S端子，较高配置可有 YPbPr、 YCbCr 和数字音频输出接口。控制接口是指用户操作控制机顶盒的接口，一般以红外遥控 器为主。除以上基本业务应用所必需的接口外，可根据业务需要配置 USB接口、串行接口、 智能卡接口等其他扩展接口。 图 2 机顶盒的硬件结构 软件则一般分成应用层、中间层、操作系统和驱动层三层，每一层都包含了诸多的程序或接 口等。 图 3 机顶盒的软件结构 基于上面提到的硬件和软件，除了基本的电视功能外，机顶盒也可以为用户提供丰富的应用 和服务，包括视频录制、视频点播、电子节目指南、电子邮件、Web 浏览、即时信息、电 视商务、可视电话、股票信息浏览、游戏、万年历等。 三 几类主要的机顶盒芯片解决方案 从图 2可以看出，机顶盒硬件中的核心器件是核心控制单元（CPU）和媒体处理单元（编解 码器）。以数字电视机顶盒为例，图 4给出了 2005年中国数字电视机顶盒产品中的主要芯片 的成本构成。不难看出，解码芯片在整个成本中占有最大的比例，而且随着前端的调谐器芯 片(Tuner)和解调芯片(Demodulator)的集成，以及解码芯片对更高级的音视频格式和更丰富应 用的支持，解码芯片在成本中将占有更大的比例。因此，核心控制单元和媒体处理单元在整 个机顶盒硬件系统中将扮演更重要的角色。 图 4 2005年中国数字电视机顶盒芯片市场产品结构 资料来源：2005-2006年中国机顶盒产业及芯片市场研究年度报告 以媒体处理单元为核心，在目前主流的机顶盒产品中，大致有如下三类芯片解决方案： (1) 基于专用 SoC芯片的架构（RISC CPU+ASIC） 专用 SoC芯片内部除了嵌入式 CPU以外，还集成了专门的硬件模块，用于音视频解码和后 处理等，它一般还集成了一些外设接口，如音视频输入输出、网络连接、外部存储接口等。 嵌入式 CPU 可运行嵌入式操作系统，其上可加载多种应用程序。由于采用了硬件解码，这 种方案具有固定的微码和固定的处理方式，无需开发复杂的多媒体算法程序，因而可缩短开 发周期，降低开发成本。硬件解码的另一个好处是功耗较低，系统稳定性好。 基于这种结构的机顶盒成本较低，在 IPTV业务起步阶段，一般由业务运营商向用户免费提 供机顶盒，选用专用芯片结构的机顶盒，在保证基本业务的前提下，能够使业务运营商节省 运营开支，对业务推广无疑会起到很好的作用。 但这种结构相对于 DSP和 CPU方案而言，缺乏灵活性，只能支持有限的音视频格式。 (2) 基于多媒体数字信号处理器(DSP)的架构 基于多媒体处理器技术的 IPTV 机顶盒，采用了高性能数字信号处理器和嵌入式 CPU 作为 核心芯片。DSP主要用于视频和音频的解码处理，嵌入式 CPU用来控制处理从各种接口来 的数据以及运算需求。采用多媒体数字处理器结构可以灵活地实现多种音视频格式的编解码 。到目前为止，用于 IPTV业务的媒体格式还没有统一标准，各运营商也处于测试选型 阶段，因此基于多媒体数字信号处理器结构的机顶盒可以灵活编写不同代码提供多格式解码 能力。 相对于(1)的架构，基于 DSP的方案的开发周期较长，开发成本较高；功耗也较大，系统稳 定性较差；整机的成本也稍高。 (3) 基于 X86的架构 对比基于 RISC架构 CPU的嵌入式系统，基于 X86架构 CPU的嵌入式系统有如下优势：它 具有最高的灵活性，可以对不同格式的文件进行编解码；软件开发的难度相对 DSP 开发而 言较低。基于 X86结构的机顶盒一般都使用Windows系列操作系统，其上集成了大量的应 用软件，可轻松地与 PC共享资源。 这种机顶盒产品的功耗较大，发热量高，稳定性较差；而且价格较贵，只能面对高端消费群 体，在初期对于一般消费者缺乏吸引力。 四 机顶盒核心芯片及解决方案举例 (1) ST的 STi5517 意法半导体(STMicro)是世界上最大的MPEG-2解码器芯片供应商，其MPEG-2解码器芯片 对机顶盒厂商的出货量达到 6,600万件（截至到 2004年）。其 STi5517是一款低成本的基于 CPU+ASIC 架构的数字电视机顶盒核心芯片，内置 180MHz 的 32 位 CPU ST20 和支持 MPEG-2 MP@ML的硬件解码器。内置 TS解复用模块，内含 PAL/NTSC/SECAM视频编码 器，支持 RGB, CVBS, Y/C和 YUV输出。它还可通过电话线回传实现交互式付费电视的应 用。如图 5所示，配上 ST的 DVB-S, DVB-C或 DVB-T前端芯片，就可以实现典型的数字 电视机顶盒系统。 图 5 基于 STi5517的数字电视机顶盒系统框图 类似的芯片还有 ST的 STi5188，LSI Logic的 AVIA-9700和 Conexant的 CX22490/6等，它 们的功能较简单，一般不带有 USB和硬盘接口，具有较好的成本优势。 在中高端方案方面，这些芯片厂商推出的方案具有高集成度、高性能的特点。如 LSI Logic 的 AVIA9600、ATI 公司的 XILLEON220 和 ST 公司的 STi5528。该些方案的共同特点是处 理器性能得到很大提高，以 STi5528 为例，该芯片集成了双 CPU，其数据处理能力超过 300MIPS。该类方案通常还集成了更多的外围接口功能，如硬盘接口、IEEE1394 和 USB。 此外，该类方案通常具有优越的音频和图像处理功能。这类芯片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中高端机顶盒。 现在一般的家庭已经有多种数字设备，设备间的数字信号传输是这些设备必须具备的功能， 因此机顶盒集成 USB、IEEE1394将是必然的趋势。 此外，机顶盒的 DVR功能未来将成为 其标准配置，目前在上海数字有线中应用的机顶盒产品都集成了 DVR功能。已有多家方案 提供商都提供带 DVR功能的方案，如 Conexant公司的 CX2416x提供了 SATA硬盘驱动接 口，ST的 STi5514和 STx5524提供全功能 DVR。 (2) TI的 DM642 TI的 DM642是一款专门面向多媒体应用的专用 DSP，时钟高达 600MHz，具有 8个并行运 算单元，处理能力高达 4800MIPS。此外，它还集成了 3个可配置的视频端口、面向音频应 用的 McASP、10/100Mbps 的以太网 MAC 等外设。通过编程，DM642 可灵活地支持 MPEG-1/2/4, WMV9, Real Video, H.264等格式的 D1尺寸的实时解码。DM642方案已经得到 机顶盒制造商 Humax等的采用。 DM642 具有很强的运算能力，但不能很方便地支持操作系统，需要开发人员自行开发，对 开发人员较高；而 ADI 的 Blackfin 本身支持 Linux，无需设计人员再花费额外精力。 Blackfin汇聚了控制处理、媒体处理、多模基带通信等功能，采用了融合 RISC/DSP的新兴 架构。 TI 于去年推出了达芬奇平台，采用了 90 纳米的制造工艺，集成了 DSP 内核、ARM926 处 理器以及视频加速协处理器，并整合了各种组件和开发工具，降低了开发的门槛。但是达芬 奇平台的成本还是比较高。 在 IPTV机顶盒方面，一些公司推出了两种基于 TI DSP的解决方案。一种是采用单片 DM642 的解决方案；另一种是采用 DM642+DM342 的双核方案，由于价格较高，目前主要是在日 本和台湾等地采用。 在大陆市场，IPTV 机顶盒往往是通过运营商赠送给用户，因此对于方案提供商来讲，价格 便宜是主要的考虑。Blackfin具有价格的优势，因此更适合用于 IPTV机顶盒的市场推广。 (3) Intel 854芯片组 X86架构的代表厂商如英特尔、威盛近年都在加速其向消费电子领域进军的步伐，如英特尔 在 2005年推出了 854芯片组，主要面向 IP机顶盒和数字录像机应用。854芯片组支持 2GB 的 DDR 333MHz系统存储器以及整合式绘图引擎，内含一个 400MHz的系统总线，以支持 超低电压版 Intel Celeron M处理器(600MHz)；采用该款处理器与芯片组的平台可使用一个 被动式(无风扇)散热解决方案。除了支持整合式 10/100M LAN 网络外，该芯片组还支持 6 个 USB 2.0/1.1接口和 2个 Ultra ATA/100(IDE)信道，以连结硬盘与其它储存装置。该平台还 针对Microsoft WinCE 5.0操作系统提供板级支持包(BSP)。 威盛最新推出的 VIA Eden处理器也可以用于机顶盒。与 VIA Eden处理器家族先前的产品 相比，这款处理器在业界主要的测评中平均性能普遍提升了 30%以上。 基于 X86架构的解决方案非常灵活，功能齐备，而且能与 PC共享应用资源，但是价格较高， 目前在成本、功耗和面积方面出于劣势。 (4) 上海杰得的 X900 杰得 X900是一款 0.13微米工艺的高集成度的多媒体 SoC芯片，提供高性能、低功耗的音 视频处理能力。它集成了 ARM926嵌入式 CPU，内建了硬件MPEG-4 VGA编解码器、H.264 和 VC-1标清解码器、硬件视频处理单元及视频传感器接口；还提供了众多外设接口，比如 红外、智能卡、视频输入输出、音频输入输出、高速 USB、PCI等。如下是基于 X900的高 端 IP机顶盒解决方案的系统框图，除了 IP机顶盒的一般功能外，它还具有 PVR、可视电话 和视频监控等功能。 图 6 基于杰得 X900的高端 IP机顶盒方案系统框图 X900的 ARM926EJ的主频可达 266MHz，可运行WinCE和 Linux等嵌入式操作系统及上面 的应用程序。杰得提供全套板级支持包，包括引导程序、操作系统、硬件驱动、中间件、示 例应用程序及相关文档。X900用硬件解码支持MPEG-4，H.264和 VC-1，涵盖了目前 IP机 顶盒需要支持的视频格式，硬解码满足了系统对高性能、低功耗和低成本的要求。 X900 支持到标清格式的解码，可满足未来两三年内的商用需要。杰得的下一代芯片将支持 多格式的高清解码，以适应未来机顶盒和数字家庭的发展趋势。 目前，Broadcom、Sigmadesigns、ST等都已推出多格式的解码芯片，用于高清 DVD、数字 电视或机顶盒等市场。 五 机顶盒发展趋势 随着 3C的日益融合和信息技术的不断进步，机顶盒及其核心芯片也呈现出新的发展趋势。 （1）多种视频标准并存，单芯片多格式解码日趋主流 近年来，具有更高压缩效率的视频编码标准不断推出，改变了 MPEG-2 一统江湖的局面。 开源软件推动MPEG-4成为 Internet和 PC上的主流格式；Microsoft凭借其在操作系统上的 优势地位和在美国产业界的影响，推动它的WMV9技术成为被 SMPTE采纳的 VC-1标准， 其 DRM（数字权利管理）技术也赢得了部分内容提供商的青睐；新近推出的 H.264标准更 是凭借其出色的编码效率，赢得了产业界的一致认同；中国的 AVS 标准也初露头角，成为 了中国的国家标准。但在某些领域，特别是数字电视和广播业界，由于支持 MPEG-2 的系 统和设备也已成熟，在短期内也不可能全盘替换。所以在未来几年，机顶盒市场将呈现多种 视频标准并存的局面。这种局面给机顶盒的核心解码芯片设计带来了巨大的挑战。如上文所 述，国内外多家公司都已单芯片支持多格式解码为目标，推出了芯片及解决方案。随着机顶 盒市场的增长，芯片的成本将逐渐降低，单芯片多格式解码将成为主流。 （2）标清向高清过渡，高清时代正在来临 在今年的 CCBN 展会上，众多机顶盒厂商都展出了各式各样的高清机顶盒。随着高清内容 的日益丰富，平板高清电视走入日常百姓家，以及高清卫星频道的开通，美国、欧洲和日本 的高清市场已走入正轨，中国也开始具备少量高清节目源，例如 CCTV 今年 1 月正式播出 高清节目，上海和深圳也开始了高清的试播，因此，高清解码芯片成为亮点，比市场要早走 一两步的芯片方案也越来越多地支持高清解码和显示。 目前高清市场有两大特点：一是部分电视运营商要通过原先传输标清节目的窄信道发射需要 更大带宽的高清节目，引进了一种名为 DOCSIS3.0 的信道捆绑技术，这就要求机顶盒芯片 与之呼应；其次，高清节目的码率更高，需要效率更高的解码芯片。 （3）机顶盒与数字家庭融合，向数字娱乐存储中心发展 图 7 机顶盒和数字家庭 随着更高性价比芯片方案的推出以及整个市场的启动，作为与宽带资源连接同时与家庭最大 的显示设备相连的机顶盒(如图 7所示)，其功能将可能发生明显的转变，交互式应用功能将 大大增强并集成更多的应用。此外，机顶盒具有友好的应用界面，将可能部分替代 PC，作 为家庭数据储存中心，甚至是家庭多媒体网关。 其核心芯片在强化多媒体处理能力的同时， 也将具备更强的网络处理能力，以适应未来数字家庭对多媒体与网络进一步融合的要求。 六 结语 随着模拟电视向数字电视的过渡和宽带网络的迅速普及，机顶盒市场将进一步升温，进入快 速成长的阶段。在机顶盒产品中，音视频解码芯片处于核心地位，在很大程度上决定了机顶 盒的功能和成本。本文对市场上主流的音视频解码芯片的架构进行了介绍，并着重分析了几 款具有代表性的机顶盒核心芯片。随着 3C的日益融合和信息技术的不断进步，机顶盒市场 呈现出新的发展趋势，也给核心芯片的设计带来了新的挑战。 http://www.mcuol.com/Solution/193/19272.htm