可編程邏輯控制器在機頂盒中的應(yīng)用
[導讀]機頂盒市場正經(jīng)歷著前所未有的快速增長，預(yù)計在2002年以前每年的需求量都將以百萬臺的數(shù)量級增長。
機頂盒市場概覽
機頂盒市場正經(jīng)歷著前所未有的快速增長，預(yù)計在2002年以前每年的需求量都將以百萬臺的數(shù)量級增長。
目前機頂盒市場依據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型來分有三大應(yīng)用市場：衛(wèi)星電視、有線電視和天線電視。除按電視信號發(fā)射系統(tǒng)劃分外，機頂盒還可按功能不同分為低端、中端和高端。其中：低端機頂盒可將解碼后的音頻和視頻輸出到模擬電視或數(shù)字電視上；中端機頂盒加入了有限的交互性，可以實現(xiàn)交互式廣告和節(jié)目安排程序；高端機頂盒可實現(xiàn)高水平的交互功能，如網(wǎng)頁瀏覽和硬盤視頻存貯。
機頂盒市場是一個變化快，對成本異常敏感的市場。為了提供竟爭對手所沒有的特性，廣播公司必須不斷為自己的機頂盒加上新的特征并迅速推向市場。Xilinx的大容量FPGA和CPLD器件為系統(tǒng)設(shè)計者提供了性能價格比很高的解決方案，同時還保持了傳統(tǒng)PLD快速推向市場的優(yōu)勢。雖然很多功能最終會被吸收用在特殊應(yīng)用標準產(chǎn)品ASSP(Application Specific Standard Products)器件中. 但不斷提出的很多新功能或標準芯片組目前還不能提供，或者還不能完全利用ASSP完成，因此可編程邏輯的應(yīng)用非常重要。
機頂盒的基本結(jié)構(gòu)
構(gòu)成機頂盒系統(tǒng)的功能塊主要有：
連接衛(wèi)星接收器或線纜調(diào)制解調(diào)器的連接塊；
天線電視接收器或可并發(fā)解調(diào)數(shù)據(jù)流的xDSL調(diào)制解調(diào)器；
可作進一步MPEG-2解碼的密碼操作系統(tǒng)；
中央處理器，如ARM，MIP或是嵌入其他功能的x86處理器；
帶音頻、視頻輸出的MPEG-2解碼器；
外部標準接口，如RS232，USB；
用于連接由廣播公司控制的撥號系統(tǒng)的低數(shù)據(jù)率的調(diào)制解調(diào)器。
在這些設(shè)計中，Xilinx器件主要用于完成各主要模塊間的接口功能。大多數(shù)接口都很類似，只是簡單的邏輯改變。圖2和圖3給出了用到Xilinx器件的主要模塊示意。
為市面上所有不同類型的系統(tǒng)分別開發(fā)接收器代價很高，但機頂盒的主要處理部分是很通用的?？删幊踢壿嬈骷梢栽跀?shù)據(jù)通道上提供所需的接口邏輯。
利用可編程邏輯使機頂盒制造商不必依賴于某一個芯片組供應(yīng)商。另外，廣播公司對機頂盒功能的要求，很大程度上影響到機頂盒中不同模塊芯片的選用。所以，多數(shù)情況下使用單一廠商芯片組的機頂盒方案不能滿足所有需要。可編程邏輯器件是實現(xiàn)這一點的理想選擇。
Xilinx芯片應(yīng)用的另一個重要方面是密碼操作（Conditional Access,CA）系統(tǒng)(見圖2)。
在系統(tǒng)的這一部分信號被解碼。為順利進行解碼，信號發(fā)送時要使用適當?shù)乃惴?。算法可用軟件或包含在智能卡上的硬件實現(xiàn)。然而，多數(shù)廣播公司有自己獨特的算法，因此目前應(yīng)用的解碼方法種類很多。在密碼操作系統(tǒng)中采用可編程邏輯器件可以簡化制造過程，機頂盒的制造過程完全統(tǒng)一，只是針對不同廣播公司的特殊加密要求對可編程器件進行編程就行了。這樣機頂盒就成為可以批量制造的標準產(chǎn)品，從而可以體現(xiàn)出大批量制造的優(yōu)勢。
在保證廣播公司可以使用自己喜歡的方法的同時，卻能夠得到單一解碼系統(tǒng)的好處，這就是設(shè)計通用接口（Common Interface）標準的目的?！巴ㄓ媒涌凇倍x了主處理模塊與解碼電路間的連接標準。它是在歐洲電子技術(shù)標準協(xié)會（CENELEC）的支持下標準化的，并被數(shù)字音頻及視頻委員會（DAVIC）采納，以CA0接口的名義出現(xiàn)在DAVIC規(guī)范中。同樣這一接口也構(gòu)成了美國國家可更新安全標準（NRSS）委員會相應(yīng)標準的基礎(chǔ)。
預(yù)計新出現(xiàn)的機頂盒設(shè)計將會逐漸采用通用接口標準。這樣可使機頂盒以很好的性價比支持多種解碼標準。Xilinx Spartan和CPLD器件被廣泛地用在此類設(shè)計中，以實現(xiàn)機頂盒與加密智能卡間的橋接。
硬盤存儲技術(shù)
Xilinx器件在標準的機頂盒系統(tǒng)中有用武之地，特別是前面介紹過的方面。但其主要應(yīng)用還是在那些具有先進特性的新機頂盒設(shè)計中。其中最有意思的發(fā)展之一可能是硬盤存儲技術(shù)在機頂盒中的應(yīng)用。ReplayTV、NDS和Pace Technologies公司都開發(fā)了此類產(chǎn)品。
Xilinx同計劃在機頂盒中采用硬盤存儲技術(shù)的一些制造商進行了合作。由于硬盤每10GB存儲的價格已降低到100美元以下，所以此類合作使雙方都受益非淺。利用硬盤存儲電影比視頻錄像機存儲有很多優(yōu)點。例如，可以同時進行讀寫。消費者可以將節(jié)目錄下來稍后再看。
對于錄像機來說，一邊錄制節(jié)目，一邊播放15分鐘前該節(jié)目播放的內(nèi)容是不可能的。采用硬盤技術(shù)則可以讓觀看者在接電話或為人開門后回來再觀看原來正在看的節(jié)目，就象什么也沒做一樣，只是實際上，他們看到的節(jié)目比實際傳輸?shù)臅r間向后推遲了。同樣，觀眾可以擁有即時回放和慢動作播放能力。這對廣告業(yè)的影響也是深遠的。有10-15分鐘的靈活時間，觀眾可能會快速跳過播放的廣告。電視公司非常關(guān)注這一點。這就是為什么大多數(shù)機頂盒都有一個回送通道的原因之一。該通道一般利用相對較低速率的調(diào)制解調(diào)器。晚上，特定客戶的觀看習慣被送回廣播公司。廣播公司可以建立該客戶的檔案，將來技術(shù)的發(fā)展可能允許只發(fā)送針對該客戶需求的廣告。
硬盤技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。毫無疑問，將來會有很多專門為此開發(fā)的硬盤控制專用芯片組，但目前Xilinx的Spartan器件提供了實現(xiàn)這一功能的有效且低價的方法。帶有片上RAM的Spartan器件可以相對方便地構(gòu)成控制電路以及數(shù)據(jù)傳輸所需的先進先出（FIFO）緩沖?？删幊坦δ茉试S機頂盒制造商針對不同的廠家的硬盤進行優(yōu)化。這樣，機頂盒制造商可以支持不同廠家采用最新技術(shù)的硬盤，其好處是顯然的。
硬盤制造商Western Digital最近推出了一系列針對機頂盒市場的硬盤產(chǎn)品。其它硬盤制造商也發(fā)布了類似的產(chǎn)品。與PC不同，機頂盒要求極高的可靠性和較小的運行噪聲。視頻流對硬盤的要求也與PC不同。Western Digital發(fā)展了稱為StreamWeaver的指令集，專門為音頻/視頻性能進行了優(yōu)化。它允許數(shù)據(jù)流可以同時寫入和讀出，滿足了機頂盒制造商的要求。
Internet和電子商務(wù)
根據(jù)預(yù)測，機頂盒可能會成為消費者在Internet上利用電子商務(wù)購買商品和服務(wù)的主要方式。一些廠商正尋求在機頂盒上實現(xiàn)可附加的智能卡讀取器，利用智能信用付費卡可以保證網(wǎng)上消費時的安全。
值得注意的是PC業(yè)的很多廠商都在迅速地轉(zhuǎn)向機頂盒市場，希望能占領(lǐng)一席之地。
目前，機頂盒的Web功能還很有限。諸如MP3播放器和文件閱讀器之類的功能，目前的機頂盒也還不支持。這種情況將來會有改變。微處理器廠商在機頂盒市場的竟爭非常激烈?？删幊踢壿嬍箼C頂盒廠商可以很容易地將微處理器應(yīng)用到機頂盒系統(tǒng)中。在基本的機頂盒中合并更多的功能是一個趨勢，然而靈活性可能是一個更關(guān)鍵的要求，至少在開發(fā)階段是如此。Xilinx XC9500系列和CoolRunner器件非常廣泛地應(yīng)用于微處理器和系統(tǒng)芯片的接口。兩個系列的芯片都是可在系統(tǒng)編程的（ISP），可以在開發(fā)周期的各個階段進行修改，甚至已經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用的情況下也可以。這為設(shè)計人員帶來很大的靈活性，可以滿足由于微處理器、外圍芯片協(xié)議的迅速變化對系統(tǒng)的要求。
視頻游戲
機頂盒和視頻游戲機間的很多電路是共同的。最新的視頻游戲機也整合了Web能力。主要的區(qū)別在于3D圖像處理能力?？梢韵胂筮@一功能將來也會集成到機頂盒芯片組中。ST MicroElectronics公司計劃集成Nvidiar RIVA-128核心以增強其3D性能。這樣強大的3D圖像處理能力是提供大眾游戲所需要的。
高分辨率電視（HDTV）
現(xiàn)在幾乎所有的機頂盒設(shè)計都是針對標準分辨率電視的，如PAL、SECAM和NTSC。可以預(yù)見，特別是在美國，將來對高分辨率（HDTV）電視服務(wù)的要求會不斷增強。消費者對高質(zhì)量電影和體育節(jié)目的要求會推動HDTV的發(fā)展。
但在可預(yù)期的將來，對HDTV的需求還比不上標準分辨率電視。由于HDTV額外的處理要求，有限的市場需求以及不明確的目標市場，只有利用可編程邏輯才可以為產(chǎn)品開發(fā)提供最大的靈活性。
未來的機頂盒中可編程邏輯技術(shù)將會扮演更重要的角色。原因之一就是可以提供先進的網(wǎng)絡(luò)集中管理功能，如Xilinx Internet重配置邏輯（IRL）。利用IRL，機頂盒制造商甚至可以在產(chǎn)品售出后進行升級以增加新特性。關(guān)鍵的是，這些操作并不需要服務(wù)人員到現(xiàn)場，而是通過機頂盒接收數(shù)據(jù)信號的同一個信道進行的。
機頂盒市場正經(jīng)歷著前所未有的快速增長，預(yù)計在2002年以前每年的需求量都將以百萬臺的數(shù)量級增長。
目前機頂盒市場依據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型來分有三大應(yīng)用市場：衛(wèi)星電視、有線電視和天線電視。除按電視信號發(fā)射系統(tǒng)劃分外，機頂盒還可按功能不同分為低端、中端和高端。其中：低端機頂盒可將解碼后的音頻和視頻輸出到模擬電視或數(shù)字電視上；中端機頂盒加入了有限的交互性，可以實現(xiàn)交互式廣告和節(jié)目安排程序；高端機頂盒可實現(xiàn)高水平的交互功能，如網(wǎng)頁瀏覽和硬盤視頻存貯。
機頂盒市場是一個變化快，對成本異常敏感的市場。為了提供竟爭對手所沒有的特性，廣播公司必須不斷為自己的機頂盒加上新的特征并迅速推向市場。Xilinx的大容量FPGA和CPLD器件為系統(tǒng)設(shè)計者提供了性能價格比很高的解決方案，同時還保持了傳統(tǒng)PLD快速推向市場的優(yōu)勢。雖然很多功能最終會被吸收用在特殊應(yīng)用標準產(chǎn)品ASSP(Application Specific Standard Products)器件中. 但不斷提出的很多新功能或標準芯片組目前還不能提供，或者還不能完全利用ASSP完成，因此可編程邏輯的應(yīng)用非常重要。
機頂盒的基本結(jié)構(gòu)
構(gòu)成機頂盒系統(tǒng)的功能塊主要有：
連接衛(wèi)星接收器或線纜調(diào)制解調(diào)器的連接塊；
天線電視接收器或可并發(fā)解調(diào)數(shù)據(jù)流的xDSL調(diào)制解調(diào)器；
可作進一步MPEG-2解碼的密碼操作系統(tǒng)；
中央處理器，如ARM，MIP或是嵌入其他功能的x86處理器；
帶音頻、視頻輸出的MPEG-2解碼器；
外部標準接口，如RS232，USB；
用于連接由廣播公司控制的撥號系統(tǒng)的低數(shù)據(jù)率的調(diào)制解調(diào)器。
在這些設(shè)計中，Xilinx器件主要用于完成各主要模塊間的接口功能。大多數(shù)接口都很類似，只是簡單的邏輯改變。圖2和圖3給出了用到Xilinx器件的主要模塊示意。
為市面上所有不同類型的系統(tǒng)分別開發(fā)接收器代價很高，但機頂盒的主要處理部分是很通用的?？删幊踢壿嬈骷梢栽跀?shù)據(jù)通道上提供所需的接口邏輯。
利用可編程邏輯使機頂盒制造商不必依賴于某一個芯片組供應(yīng)商。另外，廣播公司對機頂盒功能的要求，很大程度上影響到機頂盒中不同模塊芯片的選用。所以，多數(shù)情況下使用單一廠商芯片組的機頂盒方案不能滿足所有需要。可編程邏輯器件是實現(xiàn)這一點的理想選擇。
Xilinx芯片應(yīng)用的另一個重要方面是密碼操作（Conditional Access,CA）系統(tǒng)(見圖2)。
在系統(tǒng)的這一部分信號被解碼。為順利進行解碼，信號發(fā)送時要使用適當?shù)乃惴?。算法可用軟件或包含在智能卡上的硬件實現(xiàn)。然而，多數(shù)廣播公司有自己獨特的算法，因此目前應(yīng)用的解碼方法種類很多。在密碼操作系統(tǒng)中采用可編程邏輯器件可以簡化制造過程，機頂盒的制造過程完全統(tǒng)一，只是針對不同廣播公司的特殊加密要求對可編程器件進行編程就行了。這樣機頂盒就成為可以批量制造的標準產(chǎn)品，從而可以體現(xiàn)出大批量制造的優(yōu)勢。
在保證廣播公司可以使用自己喜歡的方法的同時，卻能夠得到單一解碼系統(tǒng)的好處，這就是設(shè)計通用接口（Common Interface）標準的目的?！巴ㄓ媒涌凇倍x了主處理模塊與解碼電路間的連接標準。它是在歐洲電子技術(shù)標準協(xié)會（CENELEC）的支持下標準化的，并被數(shù)字音頻及視頻委員會（DAVIC）采納，以CA0接口的名義出現(xiàn)在DAVIC規(guī)范中。同樣這一接口也構(gòu)成了美國國家可更新安全標準（NRSS）委員會相應(yīng)標準的基礎(chǔ)。
預(yù)計新出現(xiàn)的機頂盒設(shè)計將會逐漸采用通用接口標準。這樣可使機頂盒以很好的性價比支持多種解碼標準。Xilinx Spartan和CPLD器件被廣泛地用在此類設(shè)計中，以實現(xiàn)機頂盒與加密智能卡間的橋接。
硬盤存儲技術(shù)
Xilinx器件在標準的機頂盒系統(tǒng)中有用武之地，特別是前面介紹過的方面。但其主要應(yīng)用還是在那些具有先進特性的新機頂盒設(shè)計中。其中最有意思的發(fā)展之一可能是硬盤存儲技術(shù)在機頂盒中的應(yīng)用。ReplayTV、NDS和Pace Technologies公司都開發(fā)了此類產(chǎn)品。
Xilinx同計劃在機頂盒中采用硬盤存儲技術(shù)的一些制造商進行了合作。由于硬盤每10GB存儲的價格已降低到100美元以下，所以此類合作使雙方都受益非淺。利用硬盤存儲電影比視頻錄像機存儲有很多優(yōu)點。例如，可以同時進行讀寫。消費者可以將節(jié)目錄下來稍后再看。
對于錄像機來說，一邊錄制節(jié)目，一邊播放15分鐘前該節(jié)目播放的內(nèi)容是不可能的。采用硬盤技術(shù)則可以讓觀看者在接電話或為人開門后回來再觀看原來正在看的節(jié)目，就象什么也沒做一樣，只是實際上，他們看到的節(jié)目比實際傳輸?shù)臅r間向后推遲了。同樣，觀眾可以擁有即時回放和慢動作播放能力。這對廣告業(yè)的影響也是深遠的。有10-15分鐘的靈活時間，觀眾可能會快速跳過播放的廣告。電視公司非常關(guān)注這一點。這就是為什么大多數(shù)機頂盒都有一個回送通道的原因之一。該通道一般利用相對較低速率的調(diào)制解調(diào)器。晚上，特定客戶的觀看習慣被送回廣播公司。廣播公司可以建立該客戶的檔案，將來技術(shù)的發(fā)展可能允許只發(fā)送針對該客戶需求的廣告。
硬盤技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。毫無疑問，將來會有很多專門為此開發(fā)的硬盤控制專用芯片組，但目前Xilinx的Spartan器件提供了實現(xiàn)這一功能的有效且低價的方法。帶有片上RAM的Spartan器件可以相對方便地構(gòu)成控制電路以及數(shù)據(jù)傳輸所需的先進先出（FIFO）緩沖?？删幊坦δ茉试S機頂盒制造商針對不同的廠家的硬盤進行優(yōu)化。這樣，機頂盒制造商可以支持不同廠家采用最新技術(shù)的硬盤，其好處是顯然的。
硬盤制造商Western Digital最近推出了一系列針對機頂盒市場的硬盤產(chǎn)品。其它硬盤制造商也發(fā)布了類似的產(chǎn)品。與PC不同，機頂盒要求極高的可靠性和較小的運行噪聲。視頻流對硬盤的要求也與PC不同。Western Digital發(fā)展了稱為StreamWeaver的指令集，專門為音頻/視頻性能進行了優(yōu)化。它允許數(shù)據(jù)流可以同時寫入和讀出，滿足了機頂盒制造商的要求。
Internet和電子商務(wù)
根據(jù)預(yù)測，機頂盒可能會成為消費者在Internet上利用電子商務(wù)購買商品和服務(wù)的主要方式。一些廠商正尋求在機頂盒上實現(xiàn)可附加的智能卡讀取器，利用智能信用付費卡可以保證網(wǎng)上消費時的安全。
值得注意的是PC業(yè)的很多廠商都在迅速地轉(zhuǎn)向機頂盒市場，希望能占領(lǐng)一席之地。
目前，機頂盒的Web功能還很有限。諸如MP3播放器和文件閱讀器之類的功能，目前的機頂盒也還不支持。這種情況將來會有改變。微處理器廠商在機頂盒市場的竟爭非常激烈?？删幊踢壿嬍箼C頂盒廠商可以很容易地將微處理器應(yīng)用到機頂盒系統(tǒng)中。在基本的機頂盒中合并更多的功能是一個趨勢，然而靈活性可能是一個更關(guān)鍵的要求，至少在開發(fā)階段是如此。Xilinx XC9500系列和CoolRunner器件非常廣泛地應(yīng)用于微處理器和系統(tǒng)芯片的接口。兩個系列的芯片都是可在系統(tǒng)編程的（ISP），可以在開發(fā)周期的各個階段進行修改，甚至已經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用的情況下也可以。這為設(shè)計人員帶來很大的靈活性，可以滿足由于微處理器、外圍芯片協(xié)議的迅速變化對系統(tǒng)的要求。
視頻游戲
機頂盒和視頻游戲機間的很多電路是共同的。最新的視頻游戲機也整合了Web能力。主要的區(qū)別在于3D圖像處理能力?？梢韵胂筮@一功能將來也會集成到機頂盒芯片組中。ST MicroElectronics公司計劃集成Nvidiar RIVA-128核心以增強其3D性能。這樣強大的3D圖像處理能力是提供大眾游戲所需要的。
高分辨率電視（HDTV）
現(xiàn)在幾乎所有的機頂盒設(shè)計都是針對標準分辨率電視的，如PAL、SECAM和NTSC。可以預(yù)見，特別是在美國，將來對高分辨率（HDTV）電視服務(wù)的要求會不斷增強。消費者對高質(zhì)量電影和體育節(jié)目的要求會推動HDTV的發(fā)展。
但在可預(yù)期的將來，對HDTV的需求還比不上標準分辨率電視。由于HDTV額外的處理要求，有限的市場需求以及不明確的目標市場，只有利用可編程邏輯才可以為產(chǎn)品開發(fā)提供最大的靈活性。
未來的機頂盒中可編程邏輯技術(shù)將會扮演更重要的角色。原因之一就是可以提供先進的網(wǎng)絡(luò)集中管理功能，如Xilinx Internet重配置邏輯（IRL）。利用IRL，機頂盒制造商甚至可以在產(chǎn)品售出后進行升級以增加新特性。關(guān)鍵的是，這些操作并不需要服務(wù)人員到現(xiàn)場，而是通過機頂盒接收數(shù)據(jù)信號的同一個信道進行的。
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