Современная элементная база для цифровых телевизоров и приставок для приема эфирного цифрового телевидения фирмы Renesas Electronics Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Современная элементная база

для цифровых телевизоров и приставок для приема эфирного цифрового телевидения фирмы Renesas Electronics

Юрий ПЕТРОПАВЛОВСКИЙ

В настоящее время процесс внедрения цифрового эфирного телевидения в России вступил в активную фазу. Уже пять региональных сетей осуществляют трансляцию программ в принятом у нас формате DVB-T: ОАО «ВолгаТелеком» (Мордовия, сеть работает с 2005 г. в стандарте MPEG-2, более 65 тыс. абонентов); ООО «Цифровое телевидение» (Свердловская область); ОАО «ЦТВ-Регион» (Ханты-Мансийский автономный округ); ООО«Юнител-С» (Курганская область) и ООО «Телекомпания Эфир» (Татарстан). Опытное вещание началось на Дальнем Востоке, в Курской, Ленинградской и Московской областях. Первый мультиплекс (8 центральных каналов) начал транслироваться в Калининграде на 47-м канале ДМВ.

Введение

Предполагается, что основным средством приема цифрового телевидения в России будут приставки к аналоговым телевизорам, в меньшей степени — телевизоры со встроенными приемниками DVB-T. Приставки на импортной элементной базе уже выпускаются некоторыми отечественными предприятиями. Одним из крупнейших изготовителей компонентов для цифровых телевизоров и приставок является японская корпорация Renesas Electronics.

Рис. 1. Кунихико Ивадарэ (Kunihiko Iwadare)

В апреле 2010 года компании NEC Electronics Corporation и Renesas Technology завершили слияние, образовав новую компанию Renesas Electronic Corporation, ставшую по данным аналитического агентства Gartner третьей по величине полупроводниковой компанией в мире.

Материнская компания Nippon Electric Company, Limited (NEC) была основана в 1899 году как совместное предприятие с Western Electric Company, сооснователем с японской стороны был ученик Томаса Эдисона Кунихико Ивадарэ (Kunihiko Iwadare) (рис. 1) [1]. Предприятие производило телефонные аппараты и аппаратуру коммутации. NEC Electronics Inc. была создана на базе американского отделения фирмы для производства полупроводниковых приборов для рынка США, а в 1984 году был открыт завод в г. Розевиль (Roseville), Калифорния. В 2002 году NEC Electronics Corporation была отделена от материнской компании и сосредоточилась на производстве полупроводниковых приборов и микросхем.

Компания Renesas Technology была образована фирмами Hitachi и Mitsubishi Electric в 2002 году для организации производства микропроцессоров и полупроводниковых приборов. В новой компании Renesas Electronics Corporation имеют доли: NEC Corporation (33,97%), Hitachi Ltd. (30,62%), Mitsubishi Electric (25,6%) и Japan Trust Services Bank, Ltd. (1,49%). 6 июля 2010 г. Renesas Electronics достигла соглашения о по-

купке бизнеса беспроводных модемов Nokia. Штаб-квартира компании находится в Токио (рис. 2), численность персонала — 47 000 человек, президент — Ясуси Акао (Yasushi Akao), председатель совета директоров — Юнси Ямагучи (Junshi Yamaguchi) (данные на апрель 2010 года) [2].

Структура продукции компании Renesas Electronics Corporation в 2010 г: микроконтроллеры и микропроцессоры (16 групп); микросхемы ASSP (5 групп); дискретные полупроводниковые приборы (Power MOSFET, IGBT, транзисторы, диоды, высокочастотные и СВЧ-приборы, оптоэлектронные приборы). В группу ASSP входят БИС для видео и звуковых приложений разработки NEC Electronics — цифровые БИС типа «система на кристалле» (Digital Audio-visual SoCs, Former NEC Electronics), а также микросхемы для видео и звуковых приложений Renesas Technology (Former Renesas Technology) [3].

Рис. 2. Штаб-квартира Renesas Electronics в Токио

Компоненты для цифрового телевидения

В каталоге Renesas Electronics 2010 года предлагается большинство компонентов, необходимых для построения цифровых телевизоров и приставок (set top box) для приема эфирного цифрового телевидения, включая DVB-T. В том числе их основные компоненты: БИС цифровых демодуляторов CODFM и декодеров MPEG-2, MPEG-4 серии ЕММА. На рис. 3 представлен вариант структурной схемы цифровой приставки фирмы (внешний вид приставки показан на рис. 4), а на рис. 5 — вариант структурной схемы цифрового телевизора. Кроме того, выпускаются компоненты для систем управления питанием приставок и телевизоров и управления ЖК-дисплеями телевизоров.

Рис. 4. Внешний вид цифровой приставки

Компания выпускает декодеры MPEG-2, МPEG-4 серии EMMA следующих типов (внешний вид микросхем показан на рис. 6):

• EMMA3TJ/TS/TH/TL2/TL/SV — для цифровых телевизоров MPEG-4 (H264);

• EMMA2TS/TL/TH/H/SL/SV — для цифровых телевизоров MPEG-2;

• EMMA3TS/SL, EMMA3SL/P, SL/L, SL/LP, SL/HD, SL/SD, EMMA3SV — для цифровых приставок MPEG-4 (H264);

• EMMA2TS/SE, EMMA2SE/P, EMMA2+, EMMA 2+S, EMMA2SL/S, SL/P, SV, LL, L — для цифровых приставок MPEG-2.

Кроме того, выпускаются MPEG-кодеки

и декодеры для проигрывателей и рекордеров Blue Ray и DVD, MPEG-кодеры, канальные декодеры, микросхемы знакогенераторов (OSD), цифровые селекторы сигналов яркости и цветности, видеодекодеры. Разработчик большинства чипов LSI EMMA — компания NEC Electronics, в настоящее время логотип EMMA является зарегистрированной торговой маркой компании Renesas Electronics Corporation в Азии, США и ряде европейских

Рис. 6. Внешний вид микросхем EMMA

Антенна

При использовании EMMA2SE с цифровым видеомагнитофоном

PCI-Device

HDD

ГВЧ

Тюнер

пч

COFDM

Источник

питания

TS

Системный

контроллер

Системный контроллер/ источник питания

EMMA2SE (MPEG2) EMMA3SL (Н.264)

Звуковой и видеопроцессор

ЦП Шина USB

Флеш-память

Звуковой ЦАП и усилитель

Смарт-карта

Рис. 3. Структурная схема цифровой приставки

Антенна

Блок HDMI и источник питания

EMMA3TL (Н.264) EMMA2TL (MPEG)

Флеш- ОЗУ

память

Звуковой и видеовход Г рафические устройства

ЦП DTV- процессор

Управление

подсветкой

О

Усилитель

звука

Смарт-карта

Дисплей

Г ромкоговоритель

Рис. 5. Структурная схема цифрового телевизора

стран. В апреле 2009 года число выпущенных чипов EMMA превысило 100 млн.

Перед рассмотрением особенностей декодеров ЕММА коротко остановимся на особенностях стандартов компрессии. Процесс стандартизации в области компрессии цифрового видео осуществляется под руководством двух организаций: ISO (International Standards Organization) и ITU (International Telecommunications Union). Большинство стандартов компрессии видео базируется на принципах стандарта ITU-T H.261. В 1995 году была завершена работа над стандартом ITU-T H.263, после чего группа экспертов по кодированию видео (Video Coding Expert Group, VCEG) приступила к работе над долгосрочным проектом по разработке стандарта компрессии видео с малой скоростью цифрового потока. Работа заверши-

лась созданием чернового варианта стандарта ITU-T H.26L.

Параллельно с этими работами группа ISO Motion Picture Expert Group (MPEG) вначале представила стандарт MPEG-1, а затем MPEG-2, уже пригодный для высококачественного вещания. Впоследствии стандарт MPEG-2 многократно улучшался и подошел к пределу своих возможностей.

В 2001 году была создана совместная группа Joint Video Team (JVT) из экспертов MPEG и VCEG, задачей которой было создание двух идентичных стандартов: ISO MPEG-4 Part 10 и ITU-T H.264. Вновь созданный стандарт получил официальное название MPEG Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC). Стандарты ITU-T H.264 и ISO/IEC MPEG-4 Part 10 технически полностью идентичны, финальный черновой ва-

МІР S32 4КЕс™

МІР S32 4КЕт™

ЦП с двойной архитектурой

АТА PCI USB 2.0

Усовершенстк шина ванная У

Общая

шина

Шина

памяти

сторонних производителен

F U ART UART [x4ch]

\К

[x2ch]

SCI

[x2ch]

Сар/

Comp

Timer

Периферия

Шина данных

Демультиплексор

транспортного

потока

MEPG2 MP@ML Video Dec

Г рафопостроитель

Графический

контроллер

Видео кодер с 6-канальным ЦАП

3 процессор

Цифровой сигнальный процессор

Архитектура с двойной шиной

Тактовый генератор 27 МГц Ґ M-I/F Л, Блок защиты только в исполнении SE/P

V Интерфейс ОЗУ

Рис. 7. Структура микросхемы EMMA2SE

риант первой версии стандартов был закончен в 2003 году, его формальное название — ISO/IEC 14496-10. Стандарт MPEG-4 AVC известен также под его прежним названием ITU-T H.26L и под именем группы его разработчиков — JVT [4]. Над созданием стандартов сжатия цифрового видео работают и другие организации, а также отдельные фирмы, в частности корпорацией Microsoft был создан стандарт WM9.

Доставка сервисов в стандарте DVB осуществляется с помощью транспортного потока (Transport stream, TS) MPEG, описываемого стандартами ISO/IEC 13818-1 или ITU-T Rec H222.0. Транспортный поток MPEG может иметь названия MPEG-2 TS, MPEG TS, MPEG-2 Part 1. При использовании в цифровом телевидении в его спецификацию введены дополнения, описанные в стандарте ETSI EN 300468 и некоторых других. В связи с вышеизложенным в отношении БИС ЕММА для простоты изложения будем использовать названия MPEG-2 и MPEG-4 для декодеров видео и MPEG-2 TS — для декодеров транспортного потока и рассмотрим особенности некоторых БИС ЕММА более подробно.

EMMA2SE (|iPD61140, |a.PD61141), EMMA2SE/P (|iPD61142, |iPD61143) — микросхемы LSI для цифровых приставок с драйвером жесткого диска. Структура микросхемы приведена на рис. 7, внешний вид — на рис. 8. Кроме декодирования сигналов, MPEG-2 СБИС обеспечивает функцию цифрового видеомагнитофона (DVR) и поддерживает функционирование двух тюнеров, СБИС EMMA2SE/P имеет дополнительные функции для защиты контента от копирования. Следует отметить, что стандарт MPEG-2 уже давно используется для вещания в России («ВолгаТелеком» и др.), однако для перспективных проектов будуще-

го отечественного цифрового телевидения предполагается использовать другие стандарты сжатия, в частности MPEG-4.

Основные особенности и функциональные возможности СБИС.

• Центральный процессор:

- главный процессор (ЦП): для применений RTOS/API/BIOS;

- On-chip MIPS32 4KEc core;

- производительность 284 MIPS при 186 МГц;

- поддержка MIPS l и MIPS ll;

- объем кэш-памяти: l-кэш 8 кбайт, D-кэш 8 кбайт;

- сопроцессор: для декодирования и обработки сигналов;

- On-chip MIPS32 4KEm core;

- производительность 284 MIPS при 186 МГц;

- объем кэш-памяти: l-кэш 8 кбайт, D-кэш 8 кбайт, Scratch Pad 32 кбайт.

• Интерфейсы памяти:

- ОЗУ: унифицированный RAM-интерфейс для центрального процессора, кодера MPEG-3, графики, дисплея и др.;

- DDR-интерфейс, поддержка объемов памяти 16-128 Мбайт;

- ЭСППЗУ: поддержка NOR/NAND Flash ROM до 64 Мбайт (NOR Flash ROM).

• Блок обработки транспортного потока MPEG-2 TS:

- аппаратная архитектура блока обработки (Hardware processing architecture);

- интерфейс транспортного потока MPEG-2 TS: три выхода из двух параллельных входов, два последовательных входа, один вход воспроизведения;

- максимальная скорость обработки транспортного потока: 100 Мбит/с на каждый вход, 180 Мбит/с по трем входам;

- фильтр общего назначения 96 PID Filter;

- выходной порт поддержки высокоскоростной передачи данных (HSD);

- MPEG-2 видеодекодер: поддержка MPEG-2 MP @ ML;

- контроллер звуковых каналов: поддержка MPEG-1/MPEG-2 Layer 1/2; поддержка цифровых выходов левого и правого каналов (DAO — Digital Audio Output L/R); выход SPDIF;

- графика — 2D BitBLT;

- дисплей:

5 слоев фона (Background, BG),

2 слоя видео,

2 слоя знакогенератора (OSD).

• Формирователь видеосигналов:

- НТСЦ/ПАЛ-кодер; поддержка субтитров (Close Caption), WSS, VPS; идентификация видеосигнала, телетекст;

- 6-канальный видео ЦАП для одновременного формирования композитного видеосигнала (ПЦТС), сигнала Y/C и RGB/YCbCr-сигналов;

- функция цифрового видеовыхода ITU-R BT.656.

• Периферия:

- UART х2; Smart Card х2; I2C х2; последовательный тактовый интерфейс (Clocked Serial I/F);

- таймер: 2-системный, WDT, RTC;

- два инфракрасных приемника, инфракрасный бластер;

- General PIO.

• Интерфейс АТА:

PIO mode, UDMA33, UDMA66.

• Хост-контроллер USB 2.0 соответствует спецификации EHCI, скорости передачи: высокая — 480 Мбит/с, максимальная — 12 Мбит/с, низкая — 1,5 Мбит/с.

• Интерфейс PCI совместим с PCI Rev2.2, тактовая частота шины 33 МГц, 32 разряда.

• СБИС выполнена по технологическому процессу 0,15 мкм, напряжения питания: 3,3; 2,5; 1,5 В. [5].

Декодеры MPEG-4

EMMA3SV (|iPD61300, ^PD61303) — высокопроизводительные однокристальные СБИС для декодирования сигналов цифрового телевидения. Структура микросхем приведена на рис. 9. Микросхемы обеспечивают все необходимые телезрителям функции и предназначены для цифровых телеви-

E-JTAG JTAG

Системный тактовый генератор 18,432 МГц

Аналоговый видеовыход ’ ПЦТС/яркостной сигнал

. Сигнал цветности

Цифровой выход звука формата I2S

Цифровой выход звука SPDIF

ОЗУ SDRAM 32-256 Мбайт

Рис. 9. Структура микросхемы EMMA3SV

зоров и приставок набирающего популярность в Европе, России, Индии и Бразилии стандарта MPEG-4. Микросхемы могут также применяться в приставках и телевизорах, предназначенных для приема сигналов IPTV.

Особенности и функциональные возможности СБИС:

• Высокопроизводительный центральный процессор:

- MIPS32 24KEc CPU;

- производительность MIPS470 при 327 МГц;

- кэш: 16 кбайт инструкций,

16 кбайт данных.

• Интерфейсы памяти:

- DDR2, шины 16 и 32 разряда, общий объем памяти 32-256 Мбайт, полоса пропускания (Bandwidth) 2,6 Гбит/с;

- FLASH ROM, общий объем памяти 64 Мбайт с 8- и 16-разрядными шинами.

• Процессор обработки транспортного потока MPEG-2 TS (DVB) с фильтрами 36 PID с четырьмя входными портами обеспечивает обработку двух последовательных и двух параллельных транспортных потоков.

• Микросхема обеспечивает декодирование видеосигналов форматов:

MPEG-2 MP @ ML@ HL,

MPEG-4 (H.264/AVC HP @ L4.0, 3.2) и VC-1 AP @ L3, L2.

• Декодер звука обеспечивает декодирование сигналов MPEG1/2 L1/2, MPEG-4 AAC, MPEG-4 HE-AAC, DD, DD+, MP3, WMA. Имеется выход SPDIF и 5,1-канальный выходной звуковой интерфейс.

• Графика 2DBitBlt, 6 слоев, имеется 256-уровневая альфа-координационная функция (Alpha-blending Function).

• СБИС обеспечивает масштабирование изображения в реальном времени в пределах от 1/4 до 8 по горизонтали и вертикали.

• Формирователь видеосигналов: НТСЦ, ПАЛ, СЕКАМ, имеются два ЦАП для получения ПЦТС и Y/C-сигналов.

• USB 2.0 интерфейс, совместимый с EHCI-спецификацией, может работать в режимах High, Full и Low.

• Имеется интегрированный Ethernet MAC-интерфейс, соответствующий IEEE 802.3/3u/3x, обеспечивается совместимость со спецификацией RMll (10, 100 Мбит/с).

• Периферия:

- 2-канальный интерфейс FUART, один канал UART;

- 2-канальный интерфейс для смарт-карт;

- 2-канальный интерфейс I2C;

- последовательный тактовый интерфейс (Clocked Serial Interface);

- 2-канальный ИК-интерфейс, ИК-бластер;

- «сторожевой» таймер (Watchdog Timer), часы реального времени;

- 559-выводной пластиковый корпус BGA [6].

EMMA3TH (MC-10153) — один из последних приборов, представленный уже новой компанией Renesas Electronics Corporation (краткое описание СБИС выпущено в апреле 2010 г.). Он представляет собой систему на кристалле. Структурная схема СБИС показана на рис. 10. Микросхема обеспечивает декодирование сигналов вещательного теле-

видения высокой четкости систем DVB (используется в Европе), ARIB (используется в Японии) и ATSC (используется в Северной Америке) и предназначена для использования в цифровых телевизорах высокой четкости.

Особенности (Features):

• Многопроцессорная система ЦП (Multi-CPU system).

• Главный ЦП:

VR5500-compatible SS1000 core (производительность 655 MIPS при 327,68 МГц).

• Вспомогательный ЦП:

MIPS 4KEc core

(производительность 393 MIPS при 327,68 МГц).

• Дополнительный ЦП:

MIPS 4KEm core (производительность 196 MIPS при 163,84 МГц).

• ОЗУ: DDR2, 32 и 16 разрядов, до 4,8 Гбайт/с.

• Потоковый процессор поддерживает 4 транспортных потока, обеспечивает шифрование/дешифрование сигналов: AES, Multi2, DVB, DES, 3DES.

• Поддержка MPEG-2 TS, MPEG-2 PS, MPEG-1, DVB, ARIB, ATSC.

• Многосистемный декодер цифровых видеосигналов стандартов MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 AVC, VC-1.

• Многосистемный декодер цифровых звуковых сигналов стандартов MPEG BC, Dolby Digital, MPEG-2 AAC.

• MPEG-2 HE-AAC, Dolby Digital Plus.

• Преобразователь чересстрочной развертки (De-interlacer) для поддержки ТВЧ.

ROM/GIO Bus

HDMI

BT.656(8b)

Composite

YUV/GBR

SIF

Ether PRCC IR 2- 3- 1- 4- 48-

MAC CLKG Tx/Rx CSI IIC SCard UART GPIO

t x г г г г г г г

Одиночный 30-разрядный дисплей (WXGA) или сдвоенное (FHD) LVDS-соединение

Рис. 10. Структура микросхемы ЕММАЗТН

• 14-разрядный цифровой сигнальный процессор для улучшения качества изображения, обеспечивающий регулировку яркости, контрастности, цветовой насыщенности, 2D-апертуры, четкости, уровня белого и черного, гамма-коррекции, преобразование форматов изображения и другие функции.

• Имеется два LVDS-выхода для поддержки ТВЧ 1920Hx1080V, 60 Гц.

• Выходы НТСЦ, ПАЛ, СЕКАМ, Y/C и композитный выход.

• 4-канальный высокоскоростной АЦП с качеством до 1080р и WUXGA.

• 3D-комбинированный аналоговый видеодекодер (внешние сигналы подключаются через SCART).

• Приемник HDMI.

• Различные внешние интерфейсы: Ethernet MAC, два USB 2.0, PCI, SmartCard, четыре UART, три I2C, CSI Host, CSI Target, GIO, GPIO и другие.

• Напряжения питания 3,3, 1,8 В (для внешних интерфейсов), 1,05 В (для внутренней логики, HDMI, PLL).

• Системная тактовая частота 32,768 МГц.

• Корпус BGA 35x35 мм, 933 вывода с шагом 1 мм [7].

EMMA3TL2 (MC-10157) — прибор типа

«система на кристалле» разработки Renesas

Electronics Corporation (краткое описа-

ние СБИС выпущено в апреле 2010 г.). Микросхема также предназначена для телевизоров высокой четкости. Отметим основные, отличающиеся от EMMA3TH особенности микросхемы.

• Многопроцессорная система ЦП:

- главный ЦП: MIPS32 4KEC core (производительность 500 DMIPS при 327 МГц);

- вспомогательный ЦП: MIPS32 4KEc core (производительность 500 DMIPS

при 327 МГц);

- дополнительный ЦП: MIPS32 4KEm core (производительность 306 DMIPS

при 200 МГц);

• ОЗУ DDR2-800, 32 разряда, до 3,2 Гбайт/с;

• поддержка сетей DRM для потокового IP (Windows DRM и т. д.);

• виртуальный окружающий звук;

• декодер видеосигналов дополнительно обрабатывает форматы AVS, DivX-HD, MPEG-4 ASP;

• интегрированная функция сверхвысокого разрешения (Super Resolution Function);

• 15-разрядный цифровой сигнальный процессор для улучшения качества изображения;

• поддержка функции «картинка в картинке» (с компьютера и композитного входа);

• входной звуковой АЦП с коммутатором 6 в 1 и 4 стерео ЦАП;

• интерфейс OneNAND;

• системная тактовая частота 48 МГц;

• корпус BGA 31x31 мм, 632 вывода с шагом 1 мм [8].

На базе СБИС EMMA3SV возможно построение перспективных цифровых телевизоров и приставок высокой четкости, на базе СБИС EMMA3TL2 — цифровых телевизоров (рекомендация производителя). ■

Литература

1. Anderson J. Kunihiko Iwadare: Edison Apprentice and NEC Cofounder — http://ieeexplore.ieee.org/ stamp/stamp.jsp? arnumber=00916347

2. http://ru.renesas.com/press/news/press_ release01april2010.html

3. http://www.renesas.com/prod/

4. Новое поколение видеокомпрессии: MPEG-4 AVC (по материалам фирмы Scopus Network Technologies) // Журнал «625». 2004. № 3.

5. EMMA2SE, EMMA2SE/P — http://www2.renesas. com/digital_av/en/mpegdec/d61140_d61142. html

6. EMMA3SV — http://www2.renesas.com/digital_ av/en/mpegdec/emma3sv.html

7. EMMA3TH — http://www2.renesas.com/digital_ av/en/mpegdec_tv/emma3th.html

8. EMMA3TL2 — http://www2.renesas.com/digital_ av/en/mpegdec_tv/emma3tl2.html