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第五章机顶盒的研究与开发5．1概述目前的电视机大多数是模拟电视机，它们只能接收模拟电视信号，无法接收数字电视信号，为了能使目前正在使用的模拟电视机也能接收数字电视信号，必须在摸拟电视机与有线电视网络端口之间附加一个D/A转换的机顶盒装置。机顶盒（STB：SetTopBox）的概念是比较广泛的。从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端设备都可称为机顶盒。从基于有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器，到将电话线与电视机联系在一起的“上网机顶盒”、数字卫星的综合接收解码器（IRD：IntegratedReceiveDecoder）、数字地面机顶盒，以及有线电视数字机顶盒都可称为机顶盒。从狭义上说，我们可以将模拟设备排除在外，按主要功能将机顶盒分为上网机顶盒、数字卫星综合接收解码器、数字地面机顶盒，以及有线电视数字机顶盒，这些设备由于具有很好的网络功能，因此也成为信息家电的代表。机顶盒是信号传输介质与电视机之间的一种接口，并提供附加增值服务，它是一种中间电子设备。机顶盒可以把卫星直播数字电视信号、地面数字电视信号、有线电视网数字信号甚至因特网的数字信号转换成模拟电视机可以接收的信号，使现有的模拟电视机用户也能分享数字化革命带来的科技成果。同时，它也可以实现电视广播从模拟信号向数字信号的平稳过渡。5．2机顶盒的分类与和特点5．2．1因特网用机顶盒及其特点因特网机顶盒能将现行的模拟电视机作为因特网的终端显示设备，它与电视机一起构成了类似于多媒体电脑，故又称WebTV。第一台WebTV是1995年6月刚成立的WebTV网络公司开发成功的，1996年9月正式推出面向WebTV的在线服务。许多著名的生产PC配件的厂商也推出了与WebTV配套的产品。新一代WebTV终端的主要配量CPU，是64位高档微处理器，其主频为167MHz以上，具备硬盘和打印控制功能、实时视频解码功能（符合MPEG、QutikTime标准）和实时音频解码功能（符合MPEG、AC-3和RealAudio标准）；8MBRAM；三合一有线电视调谐器；56kFlexModem（调制解调器）；与电视机遥控器合成一体的红外线遥控键盘。它还具有硬盘存储、在线打印、多画面（即画中画）、电视与跨接以及电子电视节目指南等功能。其中电视跨接功能更引人注目。这是一项新的技术。它能使电视节目制作商将自己选定的网点地址（URL）编入电视节目的电视信号内，它可以解读这个URL信号，并在电视屏幕上显示一个标记。用户可以通过点击这个标记连接网点，以获取更多的信息。5．2．2数字卫星机顶盒及其特点此类机顶盒又称为数字卫星电视接收机，用来接收数字卫星广播节目。该类机顶盒在几年前就已商业化，有专业的IRD，也有个人用的IRD。我们所看的许多卫视节目都是有线电视台通过专业的IRD从卫星接收下来，再通过有线电视送入用户家中的。目前，数字卫星电视接收机基本采用DVB-S标准，国内外都有商用产品。个人用的IRD在我国并不普及，但在国外还是具有较好的市场。使用卫星电视接收机接收卫星直播数字电视射频信号，并由它对各种数字信号进行处理后送出模拟音频信号和模拟视频信号去模拟电视机AV输入端。因此该类机顶盒的主要功能是接收数字电视广播，同时也支持数据广播、图文电视等应用。另外，该机顶盒还能实现收视节目费用的支付功能，即可以节目为单位实现解密收视，用户只支付所解密收视节目的费用。但由于它的传输平台是卫星信道，支持交互式应用比较困难。5．2．3数字电视地面机顶盒数字电视地面机顶盒的功能与数字卫星机顶盒类似，所不同的只是传输介质由卫星信道变成了地面广播信道。该类机顶盒所使用频率与有线电视频率相同，但由于这种无线信道的情况比有线电视网络复杂得多，所以它的信号传输技术与数字有线电视机顶盒也有较大差别。5．2．4数字有线电视机顶盒数字有线电视机顶盒的基本原理与数字卫星机顶盒、数字地面机顶盒相同，只是信号传输介质是有线电视广播所采用的全电缆网络或光纤/同轴混合网。但由于有线电视网络较好的传输质量以及电缆调制解调器技术的成熟，使得该类机顶盒可以实现各种交互式应用，并被业界广泛看好。5．2．5软件机顶盒软件机顶盒是一种通俗的叫法，其实它是一个网络计算机，只不过功能非常强大，能够做实时的高速数据处理。其技术基础的正式学名叫软件定义宽带网络（SDC，SoftwareDefinedCable）。SDC不是一个新的标准，而是一个开放式的网络结构，它可以包容现有的甚至未来的广播标准。SDC终端，亦称为软件机顶盒，是其中的关键部件，它的功能和标准可以随时通过下载新的软件而改变。软件机顶盒一般采用32/64位并行微处理器，以高效的物理层软件包和强大的运算能力支持包括CableModem、数字电视接收和家用电脑的部分功能。HSDC具有如下特点：由软件定义的视频压缩解码功能、音频压缩解码功能、传输层解码、数据解密方法、网络链路层协议、数据纠错方法、调制和解调方法、扩展功能、网络化的平台管理。并且支持以上各方面现有甚至未来的技术及标准。软件机顶盒与硬件机顶盒区别：软件机顶盒也有硬件的部分,只不过设计的方案及标准与硬件机顶盒不同。和硬件机顶盒一样,作为信息家电的一种，其外观和接口都是标准化的，从外观上来说，两者不会也不需要有区别，关键在于它们的潜力不同。5.3数字机顶盒的基本原理与构成5．3．1数字机顶盒的基本原理数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目。如图5.1所示，调谐模块接收射频载波信号并下行变频为中频载波信号，然后进行A/D转换为数字信号，再送入QAM解调模块进行QAM解调，输出MPEG传输流的串行或并行数据。解复用模块接收MPEG传输流，从中抽出一个节目的PES数据，包括视频PES、音频PES以及数据PES。解复用模块中包含一个解扰引擎，可在传输流层和PES层对加扰的数据进行解扰，其输出是已解扰的PES。视频PES送入视频解码模块，取出MPEG视频数据，并对MPEG视频数据进行解码，然后输出到PAL/NTSC编码器，编码成模拟电视信号，再经视频输出电路输出。音频PES送入音频解码模块，取出MPEG音频数据，并对MPEG音频数据进行解码，输出PCM音频数据到PCM解码器，PCM解码器输出立体声模拟音频信号，经音频输出电路输出。图5.1：数字电视广播接收解码示意图5．3．2数字机顶盒的构成有线电视数字机顶盒的硬件逻辑结构由以下几部分组成：数字电视广播接收前端、MPEG解码、视音频和图形处理、电缆调制解调器、CPU、存储器以及各种接口电路。数字电视广播接收前端包括调谐器和QAM解调器，该部分可以从射频信号中解调出MPEG传输流；MPEG解码部分包括解复用、解扰引擎和MPEG解压缩，其输出为MPEG视音频基本流以及数据净荷。视音频和图形处理部分完成视音频的模拟编码以及图形处理功能。电缆调制解调模块由一个双向调谐器、下行QAM解调器、上行QPSK/QAM调制器和媒体访问控制（MAC）模块组成，该部分实现电缆调制解调的所有功能。CPU与存储器模块用来存储和运行软件系统，并对各个模块进行控制。接口电路则提供了丰富的外部接口，包括通用串行接口USB、高速串行接口1394、以太网接口、RS232和视音频接口等。图3.2所示为硬件逻辑框图。清华同方数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为4层，从底向上分别为硬件、底层软件、中间件、应用软件。硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用；中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用不依赖于具体的硬件平台。如图5.3所示。图5.2:有线电视数字机顶盒硬件逻辑结构框图图5.3:同方机顶盒软硬件环境5．3．3实时操作系统机顶盒中的操作系统不同于PC的操作系统。要求可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。这种操作系统称为实时操作系统。目前流行的实时操作系统有WindRiverSystem公司的VxWorks、IntegratedSystemsIncorporated公司的pSOS、Microware公司的DAVIDOS-9、ST公司的OS20、WindowsCE以及专为机顶盒开发的PowerTV等。这些操作系统各有所长，在机顶盒中都有应用。其中VxWorks、pSOS、OS-9、OS20等是通用的实时操作系统，在其他的嵌入式系统中也有广泛的应用。当开发机顶盒时，实时操作系统应与中间件结合使用。PowerTV是专为机顶盒开发的，并将中间件集成在一起的操作系统，在美国应用较广。另外，随着嵌入式Linux的逐渐成熟，不仅为机顶盒厂商提供了一种选择，而且由于Linux的开放性和先进的结构，会对现有的实时操作系统构成巨大的威胁。清华同方的数字机顶盒采用的是ST公司的OS20操作系统。5．3．4中间件中间件是一种将应用程序与低层的操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境，它通常由各种虚拟机来构成，如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机、MHEG-5虚拟机等。中间件在机顶盒环境中的位置如图3-3所示。成熟的用于机顶盒的商用中间件产品有Opentv的EN2、Liberate的TVNavigatorforDTV、Enreach的EnreachTVforDTV、Canel+的Mediahighway和Intellibyte的IBEPG、IBSIManager、IBBrowser等，这些产品在市场上都占有一席之地，但彼此并不兼容。目前，标准组织已经认识到已有中间件产品兼容性差这个事实，并且开始着手建立开放的中间件标准。DVB提出了基于Java虚拟机的中间件标准DVB-MHP（多媒体家庭平台）；ATSC成立了T3/S17技术专家小组委员会，致力于机顶盒软件环境的定义，该软件环境称为DTV应用软件环境（DASE）。ATVEF（先进电视发展论坛）也创建了一种称为AdvancedTelevisionEnhancementForumSpecificationforInteractiveTelevision的规范。5.4清华同方数字电视机顶盒遵循的技术标准5．4．1加解扰技术标准目前，国际上有两种标准：OpenCable定义的POD以及DVB定义的SimulCrypt与MultiCrypt标准。POD是一个通过PCMCIA接口与机顶盒相连的模块，该模块除了解扰功能外，还可完成与前端的交互功能。对于数字节目进行加密和解密用的加解扰技术。清华同方数字机顶盒所遵循的解扰技术标准是DVB定义的SimulCrypt与MultiCrypt标准。依据标准，其中MultiCrypt是采用PCMCIA接口与机顶盒连接，但只有解扰功能。并且具有SimulCrypt的SmartCard接口，且机顶盒具有硬件解扰引擎。5．4．2调制解调标准到目前为止，各种研究机构对电缆调制解调器进行了广泛的研究，这些研究成果最终形成了几个国际性组织定义的标准，如IEEE定义的IEEE802.14协议，DAVIC定义的DAVIC协议以及MCNS定义的DOCSIS协议等。在这些协议中，MCNS标准的目的最为简单和明确，就是在有线网络上透明地传输IP数据包，因此该协议对IP的支持最好；DAVIC的目的主要是给用户提供交互式的数字视音频服务，同时也兼顾提供数据传输，该协议对数字视频的支持是最好的；IEEE802.14的目的是建立一个基于HFC的城域网，并使该网络能支持各种业务，包括固定比特率CBR、可变比特率VBR以及有效比特率ABR服务，其目的是使它对ATM有很好的支持。不同的目的使得各个标准间存在很大的差异，这些差异主要体现在各个标准定义的物理层、MAC层的帧格式和MAC协议。IEEE802.14对ATM信元能很好地支持，并能通过ATM信元很好地支持QoS。在传输ATM信元方面，该协议与MCNS相比，有较小的延迟和延迟抖动。但在支持IP方面，由于必须通过AAL5来支持，因而在传输IP分组的吞吐量方面比MCNS标准低，这一点对DAVIC标准同样适用。在MAC层，