数字电视机顶盒小综述.docx
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数字电视机顶盒小综述
数字电视机顶盒研究及设计
1.基本概述
机顶盒的全称叫做“数字电视机顶盒”，英文缩写“STB”（SetTopBox）。
它是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它把经过数字化压缩的图像和声音信号解码还原成模拟信号送入普通的电视机。
数字电视机顶盒是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟的视频和声音信号，通过电视显示器和音响设备给观众提供高质量的电视节目。
目前的数字电视机顶盒已成为一种嵌入式计算设备，具有完善的实时操作系统，提供强大的CPU计算能力，用来协调控制机顶盒各部分硬件设施，并提供易操作的图形用户界面，如增强型电视的电子节目指南，给用户提供图文并茂的节目介绍和背景资料。
同时，机顶盒具有“傻瓜计算机”能力，这样通过内部软件功能和对网络稍加进行双向改造，很容易实现如因特网浏览、视频点播、家庭电子商务、电话通信等多种服务，可谓一网打天下。
电视从黑白电视向彩色电视过渡时，采用了兼容的办法，PAL-D制在中国一直延续到现在。
从模拟电视向高清晰度数字电视过渡，是一个跨越式的过渡，可以说无法直接兼容，也就是说目前的所有的模拟电视是不能使用的，所以一步到位是不现实的，目前各国采用了一个过渡式的办法，即数字机顶盒，使用了数字机顶盒后将数字信号转变成模拟信号输入给现在的模拟电视机显示信息，这样有效地避免了电视信号在传输过程中导致的干扰和损耗，电视接收的信号质量得到了很大程度的改善。
这只是一种过渡，由于模拟电视机的扫描线已定，所以它与高清晰度数字电视相比，还有相当大的距离。
高清晰度数字电视（HDTV）是未来的发展方向，到那时现在的模拟电视被全部淘汰，电视台的射、录、编设备也相应更换，人们在电视屏幕上看到的将是高清晰度的电视画面和更多的功能,HDTV会把电视带入一个崭新的时代。
有人问目前数字机顶盒接收的信号是高清晰度数字电视吗？
不是，使用了数字机顶盒后将数字信号转变成模拟信号输入给现在的模拟电视机显示信息，这样电视接收的信号质量虽然有了很大程度的改善，由于模拟电视机的扫描线已定，所以它与高清晰度数字电视相比，还有相当大的距离。
这只是一种过渡。
2.基本工作原理
机项盒是一种普遍应用在广播电视领域的信号转换系统。
由于功能和用途不同，机项盒有早期的如增补频道机顶盒、图文电视机项盒、付费电视机顶盒等。
随着数字电视广播的迅速发展，目前主要应用的是接收数字电视的机顶盒。
根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒又分为三种，即数字卫星机顶盒、地面数字电视机顶盒和有线数字电视机顶盒，其中有线电视数字机顶盒应用较为广泛。
有线电视数字电视机顶盒接收数字电视节目、处理数据业务和完成多种应用的解析。
信源在进入有线电视网络前完成两级编码，一是传输用的信道编码，另一级是音视频信号的信源编码和所有信源封装咸传输流。
与前端相应，接收端机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调；其次是还原压缩的信源编码信号，恢复原始音视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。
有线数字电视机顶盒由机顶盒出高频头、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2解码器、视频编码器、音频D/A、嵌入式CPU系统和外围接口、条件接收模块等组成。
具有交互功能的机顶盒则需回传通道。
高频头接收来自有线网的高频信号，通过QAM解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音视频和其它数据信息的传送（TS）。
传送流中一般包含多个音视频流及一些数据信息。
解复用器则用来区分不同的节目，提取相应的音视频流和数据流，送入MPEG-2解码器和相应的解析软件，完成数字信息的还原。
对于付费电视，条件接收模块对音视频流实施解扰，并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合法用户正常收看。
MPEG-2解码器完成音视频信号的解压缩，经视频编码器和音频D/A变换，还原出模拟音视频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像[1]。
图1是数字电视机顶盒的组成结构。
调谐器由前置放大器、变频器、锁相环、带通滤波器、中频放大器、AGG电路和移相器等组成，用来接收射频输入，实现频道收索，并把收索出来的频道信号从高频信号转为中频信号。
解调器是在完成字符到字节映射后，经过去交织器和RS解码，同步反转和去随机化，最后形成原始基带MPEG-2信号。
解复用器和从解调器输出的传输流TS同步[2]，并按照用户所选择的业务来选取适当的音频、视频或专用数据流。
解复用器通常包括解扰器，能够按照条件接
图1机顶盒组成结构
收智能卡中对加扰业务/节目内容的数据进行解扰。
专用数据流由机顶盒控制单元管理。
音频及视频数据流输出到视频/音频解码器，视频解码单元从输入基本分组数据流中恢复模拟视频信号。
视频压缩数据流的获取有两个来源：
一个是从TS流解复用出来的视频部分数据流；另一个是从一段固定存储区里获得的一段视频流。
每个接收设备可能有多路视频流输入和输出，视频的输出均显示于视频层。
音频解码时用来控制音频解码，并输出到不同的声道中，其输出有两种：
模拟输出及数字输出，其中模拟输出包括5.1声道输出（通过六个RCA接到音响喇叭上）和2声道立体声输出。
图形处理器单元产生图形及文字，为用户提供图形操作和显示界面，并与活动视频或静止图片混合，产生模拟视频信号输出；数字视频编码器模块将数字分量视频信号转换成标准的模拟基带电视信号，它具有模拟调制色彩副载波分量。
CA（条件接收conditionalAccess）就是通过有效手段对各种服务业务实施不同的保护，对购买相应授权的用户进行控制。
CA系统由用户授权系统、EMM插入器、ECM发生器、解码器数据发生器、智能卡等组成。
3.基本机顶盒模块
3.1数字信号的数据通路
数字数据流流经机顶盒各芯片完成解调、解复用、解码功能。
第一步是将数字基带信号从调制的射频载波中抽取出来。
如图2所示，在有线电视系统中，数字调制解调使用残留边带调制（VSB）或正交幅度调制（QAM）方法。
在卫星直播系统中，采用四相位相移键控（QPSK）解调。
解凋IC完成同步检测、匹配滤波时钟恢复、自适应均衡，其输出是可能含有误码的数字比特流。
MPEG数据流头信息对于正确接收信号非常重要。
可采用前向纠错（FEC）算法，如RS（RealSolomon）来纠错。
通过一定的纠错和调解之后，机顶盒会对相应的比特流进行复制使用，并在传送流（TS）中寻找使用者发出的节目信息，从而使用户收看到相应的节目。
在一定的不利条件下，例如噪音环境，MPEG2编码比特流以TS流形式复用，每个TS流由一个或多个有独立时基的节目构成[3]。
图2基本的机顶盒结构模块
在纠错的情况下产生的数据速率是非常快的，一般可以达到30～60Mb／s。
其中可以包含许多节目信息，自然也可以掺杂其他种类的信息，例如系统信息等。
如节目说明信息（PSI）和网络信息表（NIT）、网络控制、其他私有数据如应用程序等。
MPEG2的TS流节目标识符（PID）的作用是显现节目的类型。
可以依照用户通过遥控器发出的指令，主CPU命令TS解复用模块选择所需电视节目，或在电视机上显示请求的交互节目指南，或者是将在线资源（如Internet）下载到与机顶盒相连的PC机上。
视频解码完成与视频编码相反的逻辑，依次为Huffman解码、IDCT、运动补偿、像素内插，之后像素以Y:
Cb:
Cr=4:
2:
2复合流送往NTSC/PAL编码模块，转换成模拟信号，输出到标准清晰度的模拟电视机上显示。
MPEG音频编解码算法参考Musicamlayerl/2或DolbyAC-3。
视频音频同步是通过主处理器读取并匹配视频音频序列的显示时间戳（PTS）实现的。
0SD控制器逻辑提供友好的图形用户接口界面用于交互节目指南[4]。
3.2有线机顶盒
图3是CableSTB解决方案。
16VSB解调器数字IC是LSILogic和Zenith公司合作设计生产的。
QAM解调则属于另一个专门技术领域，可采用的芯片有L64768或L9A0054。
前者集成了QAM和FEC；后者可与FEC器件L64705直接接口，L64705集成了RS、V1TERBI、卷积去交织三种FEC方法。
针对不同的FEC技术要求，LSILogic也有一系列专门的RS纠错器件，如专为数字电视应用而进行了优化的L64711编码器，可以和三种具有不同纠错能力的解码器接口；L64714是其中具有较强纠错能力的一种,可以纠正16B的错误；L64008集成了TS流解复用及CPU,完成TS流解复用，PID识别以及时钟恢复、时钟产生；L64005实现MPEG2A/V解码，符合MPEG2MP@ML标准，也兼容MPEGl标准，它还集成了0SD（onScreenDisplay）控制器，可以实现屏上图形显示[5]。
图3CableSTB解决方案
3.3卫星直播机顶盒
如图4所示为用TI公司的单片集成STB芯片和三星公司一体化前端处理模块构成的卫星直播机顶盒。
三星的一体化前端TBMU50121IPA由射频（RF）调谐器模块和HDM8511单片QPSK解调/FEC模块组成。
RF输入频率范围从950~2150MHz。
前端输出信号为MPEG2格式TS数字流。
主控CPU通过12C总线控制前端调谐器选择频率，控制HDM8511确定符号率，从而选择要接收的TS流。
来自前端的TS流进入TMS320AV7110，进行解复用、解码等后续工作。
AV7110是TI公司新近推出的单片集成数字机顶盒用MPEG2解码器主体芯片。
与LSILogic公司两片式结构不同，单片AV7ll0完成从TS流解复用到NTSC/PAI。
视频编码显示的全部功能[6]。
AV7110各部分功能模块的工作过程为：
（1）传送比特流的处理。
AV7110中的TPP（TransportPacketParser）模块接收从FEC模块传来的传送流（最大吞吐量达72．8Mb／s，平均吞吐量为60Mb/s），处理每个TS包的头信息，决定是否丢弃或由ARMCPU作进一步处理，抑或是有关数据需要直接存储下来，而不经ARMCPU干涉。
TPP将需要进一步处理的包或有关数据包发到内部RAM。
TPP完成包的传输后产生中断启动ARM-CPU的固件（Firmware）完成对包的进一步处理。
在中断服务程序中，检查需要处理的包，作语法解析，去掉包头部分，并建立DMA将净负荷数据从内部RAM传送到SDRAM。
而对纯数据包，不经ARM干涉直接被送往片外SDRAM。
同时，TPP与ARM一起利用外部压控振荡器VCX（）恢复节目时钟参考（PCR）[7]。
（2）A/V数据处理。
去掉了包头和其他系统相关信息后，A/V数据存储在外部SDRAM中。
A/V解码器单元从SDRAM中读取比特流，依照IS0标准对其进行处理。
这部分还利用TS流中的PTS和本地系统时钟对恢复的A/V信号进行显示同步控制。
（3）软件系统。
AV7110上的软件分为固件、API及应用软件三部分。
固件掩模在AV7110的内部ROM中，由T1支持，用来直接对硬件进行底层控制操作。
应用软件放在外部存储器EPROM或FLASHR（）M中，通过应用程序接口（API）同固件通信。
API也放在外部ROM中，由TI编写，以RTSL（RunTimeSupportLbrary）函数库的形式提供给应用程序[8]。
图4卫星直播机顶盒解决方案
4.交互式机顶盒设计
4.1交互式服务对机顶盒的要求
对新式机顶盒来说，交互式机顶盒需要一定的技术支撑，交互式机顶盒则是其重要的组成部分，也是最为关键的组成部分。
交互式机顶盒最大的特点就是用户可以通过自己发出指令，去相应的视频服务器得到相应的服务。
而被访问的服务器则根据相应的指令，通过特定的通信网络将数字信号返还给用户，最后由交互式机顶盒把服务器传输出来的信号进行接收以及分析，从而在电视屏幕上显示相应的指令视频[9]。
交互式机顶盒的造价不同，功能也就有所不同，造价低的拥有的功能相对简单，造价高的拥有的功能相对复杂。
有些交互式机顶盒功能相对比较简单，往往只包含标准有线电视以及交互式机顶盒所必需的功能合集。
另外一些交互式机顶盒功能则很强大，可以通过一定附加的网络享受由多媒体计算机提供的服务。
交互式机顶盒的功能是综合式的，不仅拥有传统机顶盒的功能，接收相应的电视节目，而且还可以通过相应的通信网络访问网络提供商提供的视频服务器，选择性地收看点播解释节目以及视频电影。
通俗点来说，交互式机顶盒其实就是一座桥梁，其接通的不只是电视显示器以及数字信号，也连接相对的网络，从而获得更多的视频服务。
交互式机顶盒需要连接服务提供商的信息基础设施，在此基础上，则要求其拥有比传统电视机盒更加复杂以及可靠的技术以及硬件支持。
例如需要拥有更加复杂的图形控制处理器，以及性能更加卓著的CPU，其最大的要求就是需要拥有一个很大的存储空间，这是交互式机顶盒最突出的要求。
在此基础上，还需要考虑另外一个比较重要的因素，那就是关于操作系统和API的问题，要求是能够拥有独立于器件的应用程序编程工具。
交互式机顶盒最核心的要求就是要拥有能够返回信道的装置。
毕竟该类电视机顶盒是交互式的，使用者可以通过它来完成服务选择以及基本的浏览，这就要求拥有一定的低速返回信道，连通使用者控制指令以及网络提供商提供的服务器。
因此还要有返回信道QPSK调制器以及将数据传回相关的目的地所需的通信协议。
4.2硬件结构
交互式机顶盒的硬件成本是比较高的，因此在生产制造的时候就要考虑成本的控制。
在具体设计中，可以考虑将机顶盒各功能模块进行整合，可以集成到少数几个VLSI芯片上，例如网络接口、上行通信子系统构成通道解码芯片，而其他子系统集成到一片源数据解码芯片上。
这样做不仅能降低产品成本，而且还有多方面的好处：
（1）图形子系统和MPEG解码子系统共享数据存储器，不需为它们单独配置存储器，从而有效降低系统
成本；
（2）减少封装数量；
（3）减少PCB板面积，从而减少整个机顶盒尺寸，PCB板布线层数相应可以减少，进一步降低了成本；
（4）I/0口减少，驱动信号所需距离缩短，可降低功耗；
（5）器件间延迟减少，增强了系统性能。
基于ST系列芯片的结构如图5所示[10]。
图5交互式机顶盒的硬件结构模块
4.3软件结构
软件结构如图6所示。
（1）硬件抽象层。
提供对不同硬件子系统的底层编程接口，直接对硬件设备操作。
如视频、音频、网络接口、图形子系统，这一层类似于PC机中的BIOS。
（2）内核层。
是建立在硬件抽象层之上的小型操作系统，完成进程的创建和执行、进程间通信、资源的分配管理。
OS系统处理的资源包括存储器、通信信道、网络带宽、外围设备访问控制。
（3）驱动和库函数层。
为各个应用程序提供应用程序接口（API）。
如网络通信、会话管理、视频控制、图形、用户界面编程接口。
（4）应用层。
位于软件层次结构的最上层。
主要为系统提供各个服务的应用程序，如用户浏览器、视频播放器、信息查询界面等。
图6软件结构
交互式机顶盒的设计限制的因素比较多，因为造价、应用程序类型、网络结构等因素，其内存则会相对变少，这时候应用程序可通过相应的网络，在媒体服务器上将用户选择的内容下载到STB中。
由机顶盒的ROM存放下载时选择频道所需的硬件抽象层引导程序和用户接口。
该引导程序将会从服务器上下载操作系统和点播的应用程序。
应用程序的划分是机顶盒和视频服务器需要思考的问题。
交互式机顶盒因为造价的限制，其处理能力会相应地被限制，因此其拥有的功能也是有限的。
而视频服务器却拥有巨大的计算以及存储功能，故被多家用户所共享。
所以可以知道，在此基础上，好的应用程序是可以做到合理地连通机顶盒与服务器资源的，使二者的资源使用量都达到最优化。
设计中主要应考虑在网络延迟、网络带宽、机顶盒内部资源利用，以及多个应用程序在服务器共享资源等方面的折衷。
在VOD系统中，大多数VOD网络主要进行视频发送，网络延迟不是很关键的因素。
机顶盒与服务器之间不需要进行程序划分的折衷。
但是在像交互视频游戏类应用当中，机顶盒与服务器之间划分折衷问题是很重要的，必须考虑响应延迟应为游戏者所能接收。
4.4交互式机顶盒相关论述
随着电视机盒的技术提升，交互式电视机盒拥有很大的发展控制，所具有的商业价值也是不容小觑的。
所以在这种形式下，很多该类机盒零售商将提供服务器、网络、机顶盒及各种各样的交互式服务。
在这个时候就会遇到一些问题，例如这些服务的互操作问题，如果这些互操作问题解决不好，将影响功能的发挥。
有的时候，要求每个单元都必须能支持许多不同的设备。
例如同一个种类的机盒，需要支持多种服务网络商提供的视频信息，同样，提供网络视频的服务器也需要支持多种电视机顶盒，这同时也带来另一个问题，就是协议的兼容性以及技术的标准化问题。
机顶盒对不同应用程序的识别与连接受机顶盒和服务网关之间协议的影响。
服务网关通过信令控制和管理连接服务器和机顶盒的网络，并为服务器和机顶盒建立连接。
识别与连接可视为一种目录服务或应用。
由此可见，需要有一个仔细定义的接口来为机顶盒选择正确的下行信道并保持与服务网关的联系。
这类似于通信系统中的元信令的概念。
完成目录服务的其他方面则与其他应用程序一致。
以DAVIC为例[11]。
DAVIC致力于制定工业标准，发布开放的接口与协议，以实现广播及交互数字视频音频信息、多媒体通信端到端的互操作性。
DAVIC创立于1994年，从1995年至今已先后发布了DAVIC1.0～1.4四级规范。
对广播及交互式视频音频、多媒体服务系统作了功能描述，提出了参考模型，定义了参考点，对整个系统进行了划分，描述了各个子系统功能模块及接口，包括服务提供者子系统、发送子系统、服务消费者子系统（即机顶盒单元）。
同时，提出一系列技术工具，用来实现上述系统的功能。
包括高层、中层协议、调制、编码、信令技术及低层协议和物理接口等。
5.结语
21世纪，是信息的时代，也是数字化的时代。
信息、数字技术正在影响我们生活的每一个层面。
数字电视产业的发展将依赖于交互技术。
随着我国改革开放的深入，以及市场经济的活跃，我国国民的生活水平不断提高，对精神文化的追求也不断的升级。
展现于电视之中，用户必将由单纯的接收节目需求转变为多样的、互动性需求，从而满足精神享受。
因此，交互式数字电视机顶盒必将占据领军地位。
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