东芝HD DVD播放器的音视频处理及逻辑控制设计探密

这是我做过的最复杂的设计揭密。我经手的大多数项目都是单功能设计，在大多数情况下，都有一个ASIC或高端CPU用于执行大部分处理功能。本例则是由每个子系统共用的一个处理器和用于连联接子系统的大量胶合逻辑组成。

本次揭密的对象是东芝的高清晰度(HD)DVD播放器HD-1A。这种DVD播放器已经面市很长时间了，是吗？技术很简单，是吗？只是一些大批量生产的ASIC，是吗？错了，错了，而且是大错特错。

首先，虽然标清(SD) DVD播放器面世已经很长时间了，但HD版还是比较新的。其次，技术可不简单。音频和视频方面必须处理的比特流相当巨大。第三，因为技术新，发展快，因此还没有转向ASIC，从电路板的照片中可以看出用到了大量的处理器。

Sharc DSP担当音频处理重任

例如，东芝公司选用了美国模拟器件(ADI)公司的Sharc DSP 21262。集成这些DSP的过程花了约6个月的时间。这两家公司之间的首次交流发生在2005年初。21262可以提供高质量音频处理所需的32位浮点性能，可以高效地处理24位转换器输入，不会发生溢出和丢位现象。

这块板上有一对工作在200MHz频率的Sharc处理器，而这一系列的产品最高频率已达400MHz。ADI透露其产品还被用于Denon、索尼和Bose系统公司。21262包含2Mb的RAM和266+4Mb的ROM。在这个ROM空间中存储有各种音频算法，包括杜比数字解码、DTS解码和杜比Pro Logic II后处理算法。

“这也是我们的用户喜欢这些器件的原因之一，算法非常完整。”ADI的产品线总监Colin Duggan说，“当我们与用户接洽时，我们会提供硅片、开发工具、C编译器、汇编器等工具，因为他们希望增加特殊算法，实现产品的差异化。”

为了满足HD DVD标准(以及极具竞争力的Blu-ray标准)的音频要求，需要使用功能强大的DSP。因此需要使用四个Sharc处理器。例如，系统同时要求主音频解码通道和辅助音频解码通道，效果处理，混音，采样率转换，将代码转换回S/PDIF中的DTS杜比数字标准以及其它混响和后处理功能。在DSP上运行的最终代码来自ADI和东芝的合作结晶。

图1：这块电路板中采用了英特尔的CPU以及赛灵思的CPLD和FPGA等器件。

当东芝开始开发第二代HD-1A时，他们的意图是降低系统成本，而不是调整性能。第二代设计只用了一个21262 DSP。通过在SoC中集成大量音频处理功能而显著减少了元件数量。

"我们将继续与东芝合作开发新一代的系统，他们将采用另一种Sharc，"Duggan透露。“今后在单个芯片上将集成更多的音频算法。例如，如果他们想增加更多的音频后处理功能，这个新器件就有足够的能力实现。”

就像你期望的那样，ADI中的DSP部门正在与公司内其它部门努力合作，相互帮助以提高竞争优势。通过努力使各种元件能更好地一起运行，他们能向最终用户提供成本下降的产品。在HA-1A例子中，模拟和DSP部门已经与东芝建立起良好的伙伴关系。

由ADI“另外一个部门”提供的器件包括ADV7312视频编码器和DA4861视频滤波器，后者实际上用作重构滤波器。ADV7312从MPEG解码芯片组-Broadcom的BCM7411那里接收数字化基带视频数据。ADV7312包含6个高速11位DAC，也可以用于标清信号的16倍过采样。

"我们把这些器件称为视频编码器，但一些人将它们看作是DAC。"ADI视频转换器产品行销经理Peter Hall表示，"视频编码器除了含有DAC外，还有一些在视频信号通过DAC反馈之前编码这些视频信号的电路。对标清复合信号而言，你需要将色彩信息重新调制到复合视频信号上。"

图2：这块电路板中采用了ADI的Sharc DSP进行音频处理。

换句话说，你正在过采样输入信号，以便获得更好的信噪比(SNR)和更好的噪声性能，从而形成噪声更小质量更高的图像。以216MHz进行超采样将使视频信号增加16倍的信息。根据经验，过采样级别每提高2倍，SNR就提高3dB。相比之下，标准视频DAC通常工作在54MHz，提供4倍的过采样。Hall认为，与这种分立视频编码器相比，集成解决方案很难达到这种等级的分辨率和超采样性能。

DA4861高速运放具有足够的带宽处理高密度模拟视频信号，并能在整个视频信号范围内取得良好的性能。关于视频信号的两个关键要素是差分增益和相位，它们规定了信号通过这些元件之一时有何变化以及如何影响信号中的色彩和亮度信息。这些正是ADI器件的闪光点。

支持MPEG-2 HD、H.264和VCI视频解码

Broadcom的BCM7411是一款先进的音视频解码器，支持MPEG-2高清、H.264高级规范(4.1)和VCI的先进规范。这些都是高清DVD要求的编解码器规范。该器件还支持众多的音频编解码器，虽然这一功能在本设计中是由Sharc完成的。

BCM7411最初设计用于机顶盒，通常机顶盒采用标准的立体声音频。HD DVD格式要求多通道音频解码，因此要求各种系统级功能，如混音、扬声器和相位管理等。

Boradcom公司消费电子部高级行销经理Doug Grearson表示：“该系统最大的难点之一是系统软件。如果你审视这些播放器会发现，这些标准允许多个视频流、多个图形平面和多个音频节目同时运行，并且他们需要同步。在这些盒子中有大量工作要做，并且全面管理需要一定的技巧。”

可编程逻辑完成其它控制功能

除了前面提及的所有功能外，板子上还有一个英特尔的Pentium-4处理器。该处理器的功能通过使用英特尔的北桥和南桥芯片以及英特尔的以太网控制器而得到了进一步的增强。

赛灵思也为这个设计提出了相应的对策，就像你见到的电路板上的CoolRunner II CPLD和Spartan III FPGA。HD-1A中采用的CoolRunner II提供一些配置控制功能，可以替代一些分立逻辑电路，并实现电平转换。这些都是典型的CPLD功能。整个电路板有4路电源，因此能在1.2到3.3V范围内工作，并在1.8和2.5V时停止。

"这种电平转换也可以用分立元件实现，但请记住这些元件只能实现一种功能，而CPLD可以完成多种功能。"赛灵思公司CPLD驻外产品经理Kevin Kitagawa指出，"CPLD还能执行配置控制，不过这需要CPLD具有非易失特性。而且设计师还能在CPLD中实现更多的功能，并充分发挥这些功能的作用，从而取代板上的其它器件。"

实际板上有一对Spartan III器件，即3S1000和3S1500，它们都是用于外设控制。例如，这些器件能连接各种外设总线，并从这些总线获取所有信号。FPGA将信号整合成主处理器总线可以处理的电路。FPGA能实现的一些更基本功能还包括存储器控制和数据复用。

总之，HD-1A的设计相当复杂，但仍需要持续改进以降低成本和提高性能。当HD标准变得越来越流行、消费者开始大量接受这些产品时这一工作将更有必要。

作者：Richard Nass

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