机顶盒的数字技术与发展.

机顶盒的数字技术与发展电子科技大学杨忠孝2008.11目录概述第一章机顶盒的起源、分类、定义第二章数字电视机顶盒的工作原理第三章数字电视机顶盒的主要技术第四章数字电视机顶盒的发展状况结束语概述当今社会正在进入新经济时代，信息和网络是时代的具体特征。目前信息传播的电子媒体主要有通讯网、广播电视网和计算机网三种形式。其中广播电视网以其频带宽，有线和无线覆盖面广的优势，为信息的传播提供了良好的媒介。而数字广播电视的双向化和数字化，与电信网和计算机网的融合，预示着一个全新的信息化时代的到来。DVB组织（国际已经变成了一个世界性组织。数字视频广播组织）这一个由欧洲人发起的组织目前DVB组织决定新的技术必须是建立在MPEG-2压缩算法上的数字技术，而且必须是以市场导向的。由于相对较低的基础设施费用投入和各国相对简单的标准协调问题,数字卫星电视(DVB-S)网、数字有线电视(DVB-C)网和数字地面电视(DVB-T)网先走一步，发展更快。1995年DVB组织确立了数字卫星电视的标准DVB-S，1996年数字有线电视DVB-C数字共用天线电视、数字微波电视等标准随之确立，数字地面电视DVB-T的采用紧随其后，将给整个社会带来更深刻的变化。I997年以DVB标准为基础的数字电视已经在全世界普及，拥有了几百万用户。1998年末，微型计算机用户可以通过在他们使用的微机内插入数字卫星接收卡，用来享受因特网服务。目前，数字地面电视(DVB-T)标准正在逐渐被世界各国所采用，为今后的高清晰度电视开辟了广泛的前景。第一章机顶盒的起源1.1机顶盒的起源*机顶盒STB（Set-Top-Box）起源于二十世纪九十年代初，当时在欧美作为保护版权和收取收视费的重要手段，有线电视台在每台用户电视机之前加一个密钥盒，只有交了费的用户才能正常收看电视，这就是最初的机顶盒。*二十世纪九十年代中期，国际互联网在全世界快速发展和普及，人们萌发了用电视机上网的想法，于是具有Internet功能的机顶盒出现了。当时，计算机和网络厂商都期望因特网机顶盒能成新的家用电器，市场炒作曾经几起几落，但始终未成气候。*1998年11月，美国和欧洲DTV（数字电视）及HDTV（高清晰度数字电视）试播后，又一次掀起了机顶盒的高潮，这次机顶盒的主要作用是用普通模拟电视机收看数字电视或数字高清晰度电视，当然也具备网络和有条件接收功能，这种机顶盒被称为数字电视机顶盒。1.2数字机顶盒的分类目前，已出现在市场上的机顶盒基本上可划分为三类网络电视（WebTV）机顶盒多媒体（Multimedia）机顶盒数字电视机顶盒。1.2.1网络电视机顶盒网络电视机顶盒是在微软公司“维纳斯计划”和凯思公司的“女娲计划”的催化下产生的，主要功能是使我国现有3.2亿台模拟电视机用户通过PSTN（公众电话交换网）和双向CATV网实现上因特网，收发电子邮件、游戏娱乐、网上学习等。1.2.2数字电视机顶盒数字电视机顶盒的主要功能：将接收下来的数字电视信号转换为模拟电视信号，使用户不用更换家中普通的模拟电视机就能收看数字电视节目，图像质量接近500线水平，但无上网功能。根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒又分为数字卫星电视机顶盒（DVB-S）、地面数字电视机顶盒（DVB-T）和有线电视数字机顶盒（DVB-C）三种。三种机顶盒的硬件结构主要区别在解调部分。目前应用较为广泛的是数字卫星电视机顶盒及有线电视数字机顶盒。1.2.3多媒体机顶盒多媒体机顶盒是对前两种机顶盒功能的综合下产生的，有时候也称综合业务机顶盒或全功能数字机顶盒。它可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，包括收看普通电视节目、数字加密电视节目、点播多媒体节目和信息、电子节目指南（EPG）、收发电子邮件、因特网浏览、网上购物、远程教育等，需要的条件是双向CATV网。1.3机顶盒的定义对于机顶盒，目前没有标准的定义，传统的说法是：“置于电视机顶上的盒子”。它是利用有线电视网络作为传输平台，电视机作为用户终端，以提高现有电视机的性能或增加其功能。由于功能和用途不同，使得“机顶盒”这个概念有些模糊不清，如早期的增补频道机顶盒、图文电视机顶盒、付费电视机顶盒等。STB实物图数字电视机顶盒是信息家电之一，它是一种能够让用户在现有模拟电视机上观看数字电视节目，并进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费类电子产品。下图是加上数字电视机顶盒的电视机。1.4数字电视机顶盒的功能数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具有所有广播和交互式多媒体应用功能，包括（1）电子节目指南（EPG）：它为用户提供一种容易使用、界面友好、可以快速访问想看节目的方式，用户可以通过该功能看到一个或多个频道甚至所有频道上近期将播放的电视节目。（2）高速数据广播：它能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种信息。（3）软件在线升级：它可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器按DVB数据广播标准将升级软件广播下来，机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。1.4数字电视机顶盒的功能（4）因特网接入和电子邮件：数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现因特网接入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子邮件。同时机顶盒也可以提供各种接口与PC相连,使用PC接入因特网。（5）支持交互式应用如:VOD视频点播、互动游戏等。（6）有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密，数字机顶盒应具有解扰和解密功能。第二章数字电视机顶盒的工作原理数字电视机顶盒接收各种传输介质来的数字信号和各种数据信息，通过解调、解复用、解码和音视频编码(或者通过相应的数据解析模块)，在模拟电视机上观看数字电视节目和各种数据信息。以有线数字电视机顶盒为例，其工作原理如下：有线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成传输流。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。信道的编码与解码基本概念2.1数字电视机顶盒的结构一个数字电视机顶盒的硬件结构由信号处理（信道解码和信源解码）、控制和接口几大部分组成。2.2机顶盒的实物外观图2.3机顶盒的内部结构图片2.4机顶盒结构层次机顶盒从功能上看是计算机和电视机的融合产物，但结构却与两者不同，从信号处理和应用操作上看，机顶盒包含以下层次：(1)物理层和连接层包括高频调谐器，QPSK、QAM、OFDM、VSB解调，卷积解码，去交织，里德—索罗门解码，去能量扩散。(2)传输层包括解复用，它把传输流分成视频、音频和数据包。(3)节目层包括MPEG—2视频解码，MPEG/AC—3音频解码。(4)用户层包括服务信息，电子节目表，图形用户界面（GUI），浏览器，遥控，有条件接收，数据解码。(5)输出接口包括模拟音视频接口，数字音视频接口，数据接口，键盘，鼠标等。第三章数字电视机顶盒的主要技术有线数字电视机顶盒的工作过程大致如下：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流(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，在普通模拟彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。从上可以看出：信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式CPU、MPEG—2解压缩、机顶盒软件、显示控制和加解扰技术是数字电视机顶盒的主要技术。3.1信道解码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。在数字电视机顶盒中，高频头是必须的，不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。根据DTV目前已有的调制方式，信道解码应包括QPSK（四相相移键控）、QAM、OFDM(正交频分复用)、VSB解调功能。3.2信源解码模拟信号数字化后，信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。数字电视广播采用MPEG-2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC-3和MPEG-2两种标准。信源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原始音、视频数据。3.3上行数据的调制编码开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有3种方式：1、采用电话线传送上行数据；2、采用以太网卡传送上行数据；3、通过有线网络传送上行数据。3.4嵌入式CPU嵌入式CPU是数字电视机顶盒的心脏，当数据完成信道解码以后，首先要解复用，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在数字电视机顶盒专用的CPU中集成了32个以上可编程PID滤波器，其中两个用于视频和音频滤波。CPU是嵌入式操作系统的运行平台，它要和操作系统一起完成网络管理，显示管理、有条件接收管理（IC卡和Smart卡）、图文电视解码、数据解码、OSD、视频信号的上下变换等功能。为了达到这些功能，必须在普通32～64位CPU上扩展许多新的功能，并不断提高速度，以适应高速网络和三维游戏的要求。3.5MPEG—2解码MPEG—2是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在MPEG—2技术基础上，MPEG—2是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。MP@LL用于VCD，MP@ML用于DVD、SDTV，MP@MH用于HDTV。MPEG—2图像信号处理方法分运动预测、DCT、量化、可变长编码4步完成，电路是由RISC处理器为核心的ASIC电路组成。3.5MPEG—2解码MPEG—2解压缩电路包含视频、音频解压缩和其它功能。在视频处理上要完成主画面、子画面解码，最好具有分层解码功能。图文电视可用APHA迭显功能选加在主画面上，这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据，要有很高的速度和处理能力。OSD是一层单色或伪彩色字幕，主要用于用户操作提示。在音频方面，由于欧洲DVB采用MPEG—2伴音，美国的ATSC采用杜比AC—3，因而音频解码要具有以上两种功能。3.6数字电视机顶盒软件电视数字化后，数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置。除了音视频的解码由硬件实现外，包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现，直至机顶盒和个人计算机的互联以及和Internet的互联都需要由软件来实现，具体包括以下几个方面：1、硬件驱动层软件2、嵌入式实时多任务操作系统3、中间件4、上层应用软件3.6.1硬件驱动层软件硬件驱动层软件：驱动程序驱动硬件功能，如射频解调器、传输解复用器、A/V解码器、OSD、视频编码器等。3.6.2嵌入式实时多任务操作系统嵌入式实时多任务操作系统：嵌入式实时操作系统是相对于桌面计算机操作系统而言的，它不装在硬盘中，系统结构紧凑，功能相对简单，资源开资较小，便于固化在存储器中。嵌入式操作系统的作用与PC机上的DOS和Windows相似，用户通过它进行人机对话，完成用户下达的指定。指定接收采用多种方式如：键盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。3.6.3中间件一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以分为4层，从底层向上分别为：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。中间件：在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题:实