数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现.docx

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摘要

数字电视的优越性使得数字电视取代模拟电视成为必然的趋势。

在目前模拟电视向数字电视的转换期间，使用数字电视机顶盒收看数字亩视节目是最佳的方案。

机顶盒包括硬件系统和软件系统，其中软件系统是机项盒的灵魂，数字电视节目的接收、呈现以及其他业务的实现，都需要软件系统来完成。

电子节目指南和马赛克导航是数字电视中极其重要的应用，是用户进入数字电视的t

门户.通过使用节目导航系统，用户可以方便地浏览和查询节目，了解节目信息，快速定位节目的位置，并获得丰富的信息服务。

本论文是课题“有线数字电视单向机顶盒”的组成部分。

该课题的整体任务是研制和开发基于ST公司ST15518芯片方案的有线电视机顶盒，为有线电视运营商定制开发,以推进数字电视的整体平移工作。

经过一年多的开发，该机顶盒现已经投入到实际运营中。

本论文主要完成机顶盒软件系统的研究和开发。

论文的研究工作主要包含以下几个方面；

1、 深入研究了MPEG-2的PSI信息以及DVB-SI的业务信息。

这些信息构成电子节目指南和马赛克导航应用的数据来源。

2、 研究了STLite/0S20实时内核的工作原理和使用方法。

该内核提供任务管理、内存管理、消息队列服务、信号量服务、时钟和定时器管理、中断管理等功能。

3、 设计并实现了电子节目指南（EPG）的实现方案。

通过对比EPG的各种实现方案和界面方案，针对本课题的实际情况，选择合理的实现方案。

设计了EPG的整体实现框架，并对整体框架进行了分解，设计并实现了其中的各个模块。

4、 深入研究了马赛克导航业务的工作原理。

针对本课题的实际情况，提出了马赛克导航业务的设计方案和实现方法。

关键词：

数字电视，机顶盒，实时内核，电子节目指南，马赛克导航

Abstract

TheadvantagesofDigitalTVmakeitacertaintrendthattheDigitalTVdisplacestheAnalogueTV.Duringthetransition,it'sthebestmethodthatreceivesthedigitalTVprogramsusingtheSet-Ibp-Box（STB）.TheSTBiscomposedofhardwaresystemandsoftwaresystem,andthesoftwaresystemisofthemostimportance,becauseonlybythesoftware,theTVcanreceiveanddisplaytheprogramandotherinformationservicescanrunnonnally.

Theelectronicprogramguide（EPG）andthemosaicnavigationareveryimportanttodigitalTV,andtheyarethedoorofenterthedigitalprogram.Usingthenavigationsystem,youcanbrowseandsearchtheprogramyouneed,andcanknowmoreinformationaboutprogramandotherservices.

ThispaperisapartofresearchprojectHighDefinitionDigitalCableTVSet-Top-Box.ThemaintaskofthisprojectistodevelopaHighDefinitionDigitalCableTVSTBbasedontheSTi5518chipfromcompanyofSTMicroelectronics.TheSTBisdesignedforacableTVmanagementdepartment.TheSTBisusedinseveralcities.ThemaintaskofthispaperistoresearchanddevelopthesoftwarewhichrunsinSTB.Theworksofthispaperinclude:

1.ResearchthePSIinformationofMPEG-2andDVB-SI.TheinformationisthedatasourceofEPGandMosaic.

2.ResearchtheworkandusemethodofSTLite/OS20Real-TimeKernel.TheKernelcanprovidetheservicesuchastaskmanagement,memorymanagement,semaphores,messagequeues,andtimers,Interrupthandling.

3.DesignanddeveloptheEPGSelectthebestschemefortheprojectfromtheseveralschemes.Designthesystemicsoftware,anddevelopthemodules.

4.Researchthemosaicnavigation,andbringforwardaschemetodevelopthemosaicnavigationsoftware.

Keywords:

DigitalTV,Set-Top-Box,Real-TimeKernel,EPG,Mosaicnavigation

第一章引言

1.1数字电视的概念和特点

数字电视（DTV,DigitalTelevision）是指从电视节目的摄制、制作、编辑、存储、发射、传输，到信号的接收、处理、显示等全过程实现数字化的电视系统。

具体来讲，数字电视使用数字摄像机、数字录象机等数字设备完成节目的制作、编辑和处理，电视t

台发射传输和电视接收机接收到的信号均为数字信号，电视接收机内部则采用数字信号处理技术来实现。

数字电视的最大特点是电视信号是以数字形式进行广播的，其制式与传统的模拟电视广播制式有着本质的不同'七

按图像清晰度划分，数字电视可以分为高清晰度电视（HDTV）、标准清晰度电视（SDTV）和普通清晰度电视（LDTV）H种。

三者区别主要在于图像质量和信道传输所占带宽的不同。

从视觉效果来看，高清晰度电视的图像达到1000线以上，图象质量可达到或接近35皿宽银幕电影的水平；标准浦晰度电视的图像在500-600线之间，主要是对应现有电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平；普通清晰度电视的图像在200-300线之间，主要对应现有VCD的分辨率量级（气

与传统的模拟电视相比较，数字电视的特点主要体现在以下几点：

1、 数字电视的图像更加清晰，声音效果更加逼真。

因为数字信号在传输过程中基本不产生新的噪声，即信噪比基本不变，所以在数字信号传输过程中，不会降低信噪比。

而模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出有足够的信噪比，，就必须对各种处理设备提出较高信噪比的要求。

2、 更丰富的频道内容。

原来的模拟电视一个频点只能对应一个模拟电视节目，而由于采用了复用技术和先进的数字压缩技术，可以在以往一套节目8MHZ的频道带宽内传输6-8套数字电视节目，大大提高了频道带宽资源的利用率，丰富了用户的节目选择，降低了成本％

3‘、由于运用了数字技术，可以较容易的对节目进行加解密和加解扰，便于拓展各项需要收费的业务和其他信息服务。

4、因为数字信号只有0和1两种电平，易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。

大规模集成电路的发展，可以存储多帧的电视信号，从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能，可靠性增强而且成本降低。

5、数字电视可以实现用户与电视系统的互动性。

用户不仅可以浏览电视节目和信息服务，可以进行节目点播、电视购物等服务。

这些优点使得数字电视具有强大的生命力和光明的前景。

数字电视必将在不远的未来最终取代现有的模拟电视。

1.2数字电视的发展现状

1.2.1国外数字电视的发展

自上世纪90年代以来，随着计算机、数字处理、图像压缩等技术的发展，数字电视在全球范围内迅猛发展。

目前美国、欧洲、日本的发展最为迅速，并各自形成了自己的标准。

许多国家确定了详细的推进计划和全面数字化的时间表。

他们对我国的数字电视发展模式、技术标准的选择有重要的指导和借鉴意义。

美国是世界上较早发展数字电视的国家，在技术领域不仅完成了数字电视三大标准的制订工作，而且已经率先实现了商用播出。

1996年12月，美国联邦通信委员会（FCC）正式确定采用ATSC作为美国数字电视地面广播标准。

1998年美国开始试播全数字高清晰度彩色电视。

FCC制定了从模拟到数字电视的过渡计划，在过渡期间采用同播方式，给每个原NTSC频道增加一个HDTV。

从1998〜2003年,美国的数字电视发展已初具规模。

现有有线数字电视用户2000万户，卫星数字电视用户1500万户，地面数字电视覆盖率达99%% .•

欧洲的数字电视兴起比较早，目前无论从技术上还是用户规模上都处在稳定的成熟时期。

以英、法、德为代表的西欧国家制定了欧洲地区统一的数字电视标准DVB,这为世界其他各国制定相关标准提供了依据和参考。

DVB标准规定数字电视系统使用统一的MPEG-2压缩方法和MPEG-2传输流及复用方法；在调制方式上，卫星广播采用QPSK,有线电视采用QAM,而地面广播则倾向于C0FDM㈤。

在破字电视推进过程中，最成功的是英，国，英国数字电视用户超过1000万户，计划2010年停止模拟电视节目。

在亚洲，日本的数字电视研究与开发进展较快，继欧、美之后，日本在欧洲DVB技术的基础上，研制出了世界上第三个拥有独立知识产权的数字电视地面广播标准ISDB,并确定为日本今后的数字电视地面广播标准。

日本计划到2011年全国范围内的所有电视台都将采用数字信号发送，彻底结束模拟信号发送的历史。

韩国政府从2001年开始正式开播数字电视，韩国在汉城进行地面数字电视试验之后，决定采用美国的ATSC标准。

并已于2003年在6个城市开展地面数字电视业务，到2004年推广到全部省会城市。

韩国计划2010年停播模拟电视节目。

此外，澳大利亚和新加坡也在抓紧进行数字电视广播的准备工作，计划2008年停播模拟电视。

澳大利亚正在利用首都各大电视台播出地面数字电视.新加坡也已经开始进行付资电视频道的筹备工作间。

1.2.2数字电视在中国的发展

根据我国的基本国情，我国的数字电视采取了与其他国家不同的发展策略：

从有线切入，全面实施有线数字电视试验工程。

由于我国不同于西方发达国家的客观条件，城市有线电视用户集中且生活水平较高，为有线数字电视的发展创造了条件；有线数字电视标准的颁布实施，为有线数字电视试验提供了良好的技术标准支持；全国广电干线网的开通，为全国开展有线数字电视试验提供了硬件基础。

我国自20世纪80年代末开始进行数字电视系统的研究，并将其列入“八五”国家重点项目。

在“八五”期间，国务院组织成立了国家高清晰度电视研究开发协调领导小组，国家科委组织成立了HDTV发展战略专家组，组织实施了“八五”国家重点科技攻关项目“高清晰度电视技术研究”，对数字高清晰度电视进行了理论研究和计算机模拟。

1995年，经国家高清晰度电视研究开发协调领导小组批准，成立了国家高清晰度电视（HDTV）研究总体组，1996年7月启动4■九五”国家重大科技产业工程项目”HDTV功能样机研究二1998年6月,成场地研制出了我国第一代数字高清晰度电视功能样机系统,这是世界上继美、欧、日之后第四套完整的从发射到接收的HDTV系统。

1999年国庆利用HDTV系统成功地进行了50周年大庆活动的实况HDTV转播。

数字电视的技术研究、标准制订是一项非常重要的基础工作，标准问题一直是制约我国数字电视行业发展的瓶颈'气2006年8月，我国颁布了自己的数字电视地面传输标准《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》⑶，2007年8月1日我国地面数字电视国家标准将正式实施。

该标准的正式颁布，将推动我国广播电视事业快速、有序地向数字化过渡，促进我国电视产业的优化升级和对可持续发展发挥积极作用。

目前，我国有线电视数字化工作已经从试点阶段到全面推广的新阶段。

全国已有25个城市完成了有线电视数字化整体转换，有线数字电视用户1266万间。

国家广电总局结合我国国情和有线电视的实际情况，制定我国有线电视向数字化过渡时间表，分2005年、2008年、2010年、2015年四个阶段：

第T分段：

到2005年，直辖市、东部地区地（市）以上城市、中部地区省会市和部分地（市）级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。

第二阶段:

到2008年，东部地区县以上城市、中部地区地（市）级城市和大部分县级城市、西部他区部分地（市）级以上城市和少数县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。

第三阶段：

到2010年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的有线电视基本完成向数字化过渡。

第四阶段：

到2015年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡”气

1.3课题的来源和意义

1.3.1课题来源

本课题来源于学校与某有线电视运营商共同设计研发的一款有线电视数字机顶盒项目。

本方案机顶盒主芯片采用STi5518,内部集成有ST20C2+主CPU、DVB解复用解扰模块、音视频解码单元、数字视频编码器、各种接口等.ST15518是一款集成了高性能32位CPU,专门用于DVB传输解复用、解扰和MPEG-2音视频解码的专用集成电路，它支持ANSIC编译器和多线程，指令集简单，支持高级语言购・该方案最大的特点是成本低，性价比高'切，适合于城市数字电视的整体平移。

其结构框图如图1.1所示。

在本课题中，通过软、硬件的各自开发和相互配合，完成机顶盒的研制工作。

本人主要参与了机顶盒软件系统的研究和开发。

目前该课题的软硬件系统已经设计开发完毕，并得到了实际的应用。

图1.1SF5518方案结构框图

1.3.2课题意义

我国2000年制定的《广播影视科技“十五”计划和2010年远景规划》明确提出：

到2010年全面实现数字广播电视，2015年停止模拟广播电视的播出而按照北京奥组委对国际奥委会的承诺，2008年北京奥运会将采用高清数字电视技术进行转播。

按照国家广电总局的规划，我国将于2008年全面推广数字高清电视的地面传输。

目前，数字电视节目在我国的许多省市已经开始试播并逐步推广。

我国现有有线电视用户1亿户，模拟电视4.7亿台。

我国主要大中城市有线广播电视网己经基本实现了节目采集、制作、播出的数字化，卫星和光缆干线也基本实现了数字信号的传输。

但是在接收环节，由于用户电视机还是模拟的，无法直接接收数字节目已经成为影响广播电视数字化的瓶颈。

目前，要将所有的模拟电视都改换成能够直接接收数字信号的电视接收机还需要一段过渡时期。

在当前阶段，实现有线电视数字化，最好的办法就是将接收环节筋电视机上装上机顶盒，能够接收数字信号，从而使数字电视信号畅通无阻，实现全程数字化。

1.4论文的主要研究内容和组织结构

1.4.1论文的主要研究内容

本课题的总体任务是研制和开发符合DVB-C标准的高清晰数字电视机顶盒。

在本课题中，使用ST公司的ST15518芯片方案，通过软、硬件的各自开发和相互配合，完成机顶盒的研制工作。

本课题研制的机顶盒除了能够提供基本的数字电视解码功能以外，还能够提供电子节目指南、马奏克导航等功能。

本课题研制的机顶盒已经投入运营。

本论文的主要研究工作包括：

1、 深入研究数字电视机顶盒的工作原理，软件系统中各层次的关系和作用。

2、 分析和研究ST公司提供的多任务实时操作系统内核STLite/0S20.整个软件系统都是建立在该内核之上，掌握它提供的各种服务和特点、使用方法等，对于软件开发有普非常重要的意义。

3、 深入研究MPEG-2中的PSI信息规范以及DVB-SI信息规范。

重点分析其中各个信息表和它们之间的关系。

4、 根据本课题的实际情况，提出一种电子节目指南的实现方案，设计软件的整体框架和模块分析、定义EPG的数据结构和操作函数，并在系统中实现该方案。

5、 提出马赛克应用的实现方案，并实现该方案，从而证实了该方案的可行性。

1.4.2论文的组织结构

本论文共分为七章，各章的主要内容如下：

第一章讨论了选题的背景和数字电视在国内外的发展现状，明确了论文的研究内容和方向。

第二章介绍了机顶盒的工作原理、软件体系结构以及本课题的软件开发环境。

第三章分析了软件系统中使用的多任务实时内核STLite/0S20的原理。

重点讨论了与本课题密切相关的任务及其调度、内存分配策略、信号量、消息队列等。

第四章探讨了电子节目指南的功能、信息组成等。

其中重点分析了MPEG-2的PSI信息规范和DVB-SI信息规范。

第五章结合本课题实际情况，提出电子节目指南的设计方案。

设计了EPG的整体实现框架，并对整体框架进行了分解，设计并实现了其中的各个模块

第六章重点讨论了本课题中的马赛克导航业务的原理以及在系统中的实现方法。

第七章对全文的总结及以后工作的展望。

第二章机顶盒体系结构和软件开发环境

2.1数字电视机顶盒的功能

机顶盒的基本功能是接收数字电视节目、处理数据业务和完成多种应用的解析。

信源在进入传输网络前完成两级编码，一级是传输用的信道编码，另一级是音视频信号的信源编码和将所有信源封装成传输流。

与前端相应，接收端机顶盒首先从传输层提取值道编码信号，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"气机顶盒外观如图2.1所示。

图2.1机顶盒外观

除了能够接收数字电视节目外，机顶盒还能够进行数据广播和交互式多媒体的应用功能，包括：

电子节目指南（ElectronicProgramGuide,EPG）：

它为用户提供了一种易操作、界面友好、可快速搜索访问节目的方式。

同时，电子节目指南提供分类功能，帮助用户浏览和选择各种类型的节目。

•

数据广播：

DVB的数据广播规范具有很强的数据业务支持能力，机顶盒实现对数据广播业务的支持，其作用类似一个在用户家市的数据通信网关.机顶盒只是对数据进行解复用实现数据分流，将相应的数据传送给处理终端。

通过数据广播业务，可以为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、天气预报等各种信息服务。

因特网接入和电子邮件：

数字电视机顶盒通过内置的电缆调制解浦器便可实现因特\•I

网接入功能。

用户可通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子邮件。

也可以提供各种接口与PC相连，使用PC接入因特网。

准视频点播（NearVideoOnDemand,NVOD）：

可以让用户能在所希望的时间收看需要的节目。

有线电视机顶盒利用交互式的数据信道和广播信道，为实现该功能提供了理想的技术基础。

软件在线升级：

数据广播服务器将升级软件发送给机顶盒，机顶盒识别该软件的版本号，若发现为较高版本则接收运行该软件进行更新升级。

-条件接收：

条件接收的核心是加扰和加密，数字电视机顶盒只具有解扰和解密的功能使前端电视台发送的加扰和加密节目能正常播放。

随着数字电视和网络技术的发展，数字电视机顶盒的功能将更加完善。

交互式双向机顶盒将成为数字电视机顶盒的主流，用户在电视机上不仅能收看数字电视，还能实现娱乐和上网。

根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒可分为有线数字电视机顶盒、地面数字电视机顶盒和卫星数字电视机顶盒三种，三种机顶盒硬件结构的区别主要在解调部分。

目前应用较为广泛的是有线数字电视机顶盒和卫星数字电视机顶盒。

2.2机顶盒的硬件结构

数字电视机顶盒包括硬件和软件两部分。

硬件提供数字电视机顶盒的硬件平台，实现音视频的解码。

在数字电视技术中，软件技术比硬件占有更为重要的位置，因为电视节目内容的重现、操作界面的实现以及数据广播业务的实现等都需要软件系统来实现Cis]

Q

机顶盒硬件结构大体上可以分成两部分：

信道解码部分和信源解码部分。

信道部分即前端，负责对数字电视信号进行接收解调和信道解码。

针对不同的信道可以配以不同的信道解调解码器。

目前，信道部分主要有三种，即卫星、有线和地面传输。

在DVB标准中卫星传输采用QPSK方式调制，有线传输采用QAM方式调制，地面传输则采用COFDM方式。

信源解码部分也称后端，它主要完成从TS流输入到解码后的音、视频输出之间的所有功能，包括传输流解复用、音频解码和视频解码等，是机顶盒的核心部分。

有线电视机顶盒硬件框架如图2.2所示"，硬件实物图如图2.3所示.

图2.2有线鬼视机顶盒硬件框架图

图2.3有线电视机顶盒硬件实物图

2.3机顶盒的工作原理

当电视信号到达数字电视的接收端，机顶盒中的调谐模块接收射频信号并且下行变频为中频信号，然后进行A/D转换为数字信号，再送入解调模块进行解调，输出MPEG~2格式的传输流的串行或并行数据。

解复用模块接收TS流，从中分解出某个节目的PES数据，向括视频PES、音频PES和数据PES。

解复用模块包含一个解扰器，可以将加扰过的PE^解扰，输出正常的PES。

视频PES送入MPEG-2解码器，解码再经视频输出电路输出。

音频PES送入音频解码器，经过音频电路输出"气机顶盒的工作原理图如图2.4所示。

图2.4机顶盒工作原理

2.4数字电视机顶盒的关键技术

2.4.1信道解码技术

数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。

在有线电视网络中传输数字电视及各类增值业务采用QAM信道调制技术。

相应地，数字电视机顶盒对信道解调也采用QAM信道解调技术。

2.4.2信源解码技术

模拟信号的数字化使信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。

数字电视广播广泛采用MPEG-2视频压缩标准，音频则有AC-3和MPEG-2两种标准。

信源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原始视音频数据。

2.4.3解复用技术

目前的数字电视复用技术一般采用MPEG-2标准。

从前端设备信息的流向来看，它I

将视频、音频、数据等编码器传送的数据比特流进行数据分组，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道进行编码及调制。

接收端处理过程正好与此相反。

因为传流中除了包含节目的音视频数据外，还包含SI信息和其他信息等。

解复用提供两个重要的功能，一是选择频道，相当于一个数字调谐器；另一个功能是从传输流中提取用户所感兴趣的数据。

图2.5机顶盒软件体系结构.

理想状态下，中间层模块往上应该和底层硬件平台隔离。

开发者只需要针对不同的硬件平台，来铺设硬件的驱动，操作系统接口和中间层模块。

中间层模块往上的应用可以在不同的平台之间移植。

开发者也可以基于中间层模块开发不同的新的应用。

应用层

中间层模块

底层驱动

API

实时操作系统内核

硬件层

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