原创 数字机顶盒（上）

一  数字机顶盒基本概要

     模拟电视向数字电视的转化进程不断加快，这不公公是视频舆与显示的一场革命，更重要的是由于彩了先进的数据压缩编码技术、多媒体技术以及宽带通信网络技术从而使电视广播不再局限于单向发送视频、音频信号，而是能够进行双向交互，服务提供商可根据用户需求来提供相应服务。

数字机项盒是数字交互式电视系统中不可缺少的重要组成部分，用户通过数字机顶盒可实现VOD(视频点播)、数字电视广播、Internet访问、远程教学、会议电视、电子商务等多媒体信息服务，同时还可实现多媒体宽带接入。机顶盒(STB，Set, Top-Box)的
发展经历了从模拟机顶盒到数字机顶盒的历程，模拟机顶盒由于只具备电视调谐和解码功能，已不能适应现代电视技术的发展要求，因此数字机顶盒应运而生。数字
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，通过对数字化压缩编码的图像、声音信号进行解码还原，产生模拟视频与音频信号，最后通过电视显示设
备提供给观众高质量的视听节目。数字化、交互式、多媒体、多功能是数字机顶盒的基本特征，其中交互式最为重要，是数字机顶盒的生命力所在。设计性能卓越、
功能完备的数字机项盒对发展数字交互式电视具有重大意义。

     控制子系统或系统微处理器是数字机顶盒的核心，由CPU、ROM、RAM等组成。微处理器通过总线把各个部分有机地组织起来，除负责各子系统的初始化之外，还必须控制各部分的协调工作，以实现数字机顶盒的整体功能；

2．信号处理子系统

信号处理子系统由单片或多片专用芯片组成，其中数字调谐器接收来自卫星天线、地面或有线电视网的数字信号，并从控制系统接收指令，通告有关传输层的类型、带宽、解调方式和解码信息，然后进行信道解调，解调后的视频、音频数据流送入MPEG-2与MPEG-4解码器。

3．网络接口子系统

网络接口子系统用来实现与视频服务器之间的全双工通信，针对不同的接入方式，可采用相应的接口。

4．用户扩展接口子系统

用户扩展接口子系统与红外遥控器、控制面板、游戏控制器等外设进行通信，同时实现条件接收功能的解密卡与智能卡也是数字机顶盒中必不可少的重要部分。

EPG为用户提供一种容易使用、界面友好、快速访问所需节目的方式，用户可通过EPG看到多个频道甚至所有频道上近期将播出的电视节目。

(2)高速数据广播

高速数据广播为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等多种信息。

(3)软件在线升级

软件在线升级是数据广播的典型应用，数据广播服务器按照DVB数据广播标准将升级软件广播下来，数字机顶盒能识别该软件的版本号，并当版本不同时接收该软件以更新存储器中的软件。

(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来方便地实现因特网接入功能，并可通过数字机顶盒内置的浏览器上网、发送电子邮件，也可提供各种接口与个人计算机相连。

(5)条件接收(CA，Conditional Access)

条件接收技术的核心是加扰解扰与加密解密，数字机顶盒必须具有解扰与解密功能，这是数字交互式电视收费运营机制的保证，通过建立一种有偿服务体系，从而为数字交互式电视产业的运营发展奠定良性循环的经济基础。

    二  数字机顶盒硬件结构

数
字机顶盒的硬件结构设计有两种方案：一种称为硬件处理模型，是指各种功能分别由专用硬件来完成；另一种称为软件处理模型，是指基于高速处理器进行设计，需
要具有大容量内存，并利用软件来实现各种功能。利用软件处理模型实现数字机顶盒硬件结构具有很大的设计灵活性，这是未来的发展方向，但目前费用太高，只有
当大规模集成电路技术进一步发展形成规模效应后才能使其成本下降。因而数字机顶盒目前基本采用硬件处理模型来进行结构设计，其硬件结构主要由以下几部分组
成，如图10-18所示。

    1．系统控制子系统

系统控制子系统由CPU、系统ROM和系统RAM组成，它采用实时操作系统来管理数字机顶盒的操作及资源，系统ROM中包含自举代码以及基本操作系统服务程序，系统RAM则由操作系统、应用服务程序和数据所共享。

2．视频控制子系统

音频控制子系统包括解码与合成两部分，解码部分可采用可编程DSP结构，以支持G711、G722、G728以及一些更新的音频压缩编码标准，而且音频、视频的解码硬件也可集成在一起。音频控制子系统通过解码音频数据流，产生与视频同步的音频输出、游戏或其他服务程序的背景音乐，还能进行功能扩展，可用于实现高保真音响服务。

4．图形控制子系统

图形控制子系统用来产生菜单等服务程序所需的图形界面，还可用于视频游戏等应用中的2D、3D图形加速显示，数字机顶盒图形界面的要求由服务种类及数字机顶盒的复杂程度来决定，未来的服务类型对数字机顶盒的图形显示具有很高要求，以能够支持各种复杂界面。图形控制子系统的输出，通过覆盖控制器与视频信号叠加到一起，经过编码，输出到电视接收机中。

5．网络接口子系统

网络接口子系统将数字机顶盒连接到网络上，用来处理相关网络协议、接收输入信息流、并返回用户的控制命令，其内部结构可采用可编程数字调谐器与调制解调器，此外，可将解密卡插在数字机顶盒的扩展槽中，以实现安全管理功能。ATM是B-ISDN中的核心技术，未来的数字机顶盒将能够通过ATM网络连接到视频服务器上。

     6．外围设备控制子系统

外围设备控制子系统用来将多种外设连接到数字机项盒上，最基本的外设接口是红外线遥控器，其功能类似于鼠标。根据用户需求，数字机顶盒还应能够提供更多接口，例如游戏操纵杆、键盘、鼠标、打印机、磁盘驱动器、CD-ROM、录像机等接口。

随
着半导体工业，特别是大规模集成电路技术的发展，数字机顶盒硬件结构将高度集成化，其主要功能将集中体现在中央处理器、媒体处理器、外设控制器、网络通信
芯片上。数字机顶盒硬件的高度集成以及生产的规模效应将带来其价格的大幅度降低，同时也带来难以扩展与升级的问题，只有引入软件处理模型，其开放性问题才
能得到真正解决。

    三  数字机顶盒软件结构

硬件抽象层提供与硬件设备的底层接口，类似于BIOS，
程序员可通过硬件抽象层来访问和控制视频、音频、图形、网络等子系统，硬件抽象层将所有的硬件特性都屏蔽起来，从而使高层软件不必修改即可与新增加的硬件
相兼容。但是引入硬件抽象层降低了系统运行速度，因而在数字机项盒的软件结构设计中，为提高速度，操作系统中的某些函数原形并不经过硬件抽象层，而是直接
在硬件中进行处理。

2．内核层

内核层是位于硬件抽象层之上的一个小型实时操作系统，用来完成进程创建与执行、进程间通信、资源分配与管理，由操作系统管理的资源包括内存、信道以及外围设备的访问权等，DAVID、PowerTV、OpenTV、PSOS是实时操作系统的典型代表，数字机顶盒内核层应具有以下功能。

·  支持实时操作能力与多任务控制；

·  为用户提供一个友好界面，为程序开发者提供一个面向对象、事件驱动的环境；

·  为用于交互的数据链接提供一个综合接口，其中一个可行办法是：操作系统支持所有的数据通信底层协议，并建立一个数据库对交互数据进行存储与调度，应用程序通过数据库进行数据输入与输出，而且数据链接的实现与应用程序无关；

·  提供控制内部与外部视频、音频设备的能力。

3．中间层

中间层主要由一些驱动与库函数组成，为各个应用程序提供共同、常用的服务程序，其功能主要包括：

·  与业务有关的网络通信控制；

·  视频控制；

·  导航控制；

·  应用协议处理；

·  用户／业务管理；

·  图形显示以及用户界面的编程接口。

4．应用层

应用层位于数字机项盒软件结构的最上层，不同的应用程序可以提供不同类型的数字交互式电视服务，典型的应用程序包括电子节目浏览(EPG)、视频播放器、电子游戏、家庭购物等。

根据用户的不同要求，数字机顶盒软件主要划分为应用软件、中间软件与基本软件三大类，如表10-5所示。

 四  数字机顶盒关键技术

数字机顶盒集中反映了多媒体技术、计算机技术、数据压缩编码技术、加解扰技术、加解密技术、通信技术以及网络技术的发展水平，因此技术含量非常高，其主要关键技术如下。

    1．解复用与解压缩技术

数字电视信号携带的视频、音频等多媒体数据，信息量巨大，因此数据压缩必不可少，否则无法进行存储及传输。MPEG-2视频压缩编码标准在数字交互式电视中广泛采用，它适用于普通清晰度电视与高清晰度电视，MPEG-4标准则采用基于对象、基于内容的压缩编码方法，将图像与视频分割成不同的视频对象分别进行处理，因而不仅提高了数据压缩比，还能实现许多基于内容的交互功能，从而为多媒体数据压缩编码提供了广阔的应用平台。作为一种新型的视频压缩编码标准，MPEG-4正开始应用在多媒体数据存取和数字交互式电视技术中，它通过定义一种格式、一种框架，而不是具体算法，以实现一种更自由的通信与开发环境，MPEG-4具有以下重要特性及优势，特别适合于交互式多媒体应用。

MPEG-4支持将不同性质的对象和不同来源的素材用于不同应用，既考虑了各类Web的性能差异性，又允许多媒体信息以通用形式接入，是第一个使用户视听方式由被动转为主动的动态图像压缩编码标准；MPEG-4在较低码率下，仍具有很高的视频图像质量，提供了比MPEG-1、MPEG-2更强的编码算法，能够实现极低码率多媒体交互应用中音频、视频数据的合成。

在数字交互式电视应用中，数字化数据可以伴随数字音频、视频信号同时传送给用户，从而能够在交互式环境里享受视听，因此在开发数字机顶盒时，除应具备MPEG-2的音频、视频功能外，还应实现以下功能：即多媒体码流控制、输出控制、用户界面控制、绘图合成与控制、限制访问管理、电子节目指南显示与控制、档次管理、资源管理等。这些功能特别适于用MPEG-4来实现，因为MPEG-4可在保证系统特定质量的前提下，对音频、视频数据进行最大程度的压缩，以便最有效地利用系统带宽，并支持基于Web的多媒体交互应用。数字机顶盒应用中的两种解复用、解码方案比较如图10-20所示。在图lO-20(a)中，数字机顶盒内部只有MPEG-2解码器，因而只能从数据流中恢复出MPEG-2编码形式的视频、音频信号，将丢弃MPEG-4编码码流；而在图10-20(b)中，数字机顶盒内部有MPEG-2与MPEG-4两种解码器，因而将从码流中恢复出：MPEG-2、MPEG-4两种编码形式的视频、音频信息，MPEG-4编码码流不致丢弃，从而保证了视频、音频数据的完整性。

由于在发送端进行压缩编码后的数据不能直接在信道上传输，必须进行信道编码和调制，在数字电视网络中传输数字电视基本业务与增值业务主要采用QPSK、QAM、COFDM、VSB等调制技术以及RS编码、卷积编码、交织、格状编码等信道编码技术，因而数字机顶盒应进行下行数据解调与信道解码，即应具备QPSK、QAM、COFDM、VSB等解调以及RS解码、卷积解码、解交织、维特比解码等功能。

3．上行数据的调制编码技术

在交互式应用中，需要考虑上行数据的调制编码问题，目前普遍采用三种方式：采用ADSL方式、采用以太网方式以及通过HFC网传送上行数据。由于上行数据量远小于下行数据量，因此通常使用QPSK或16QAM方式进行调制。

4．网络浏览技术

为实现真正意义上的网络浏览，数字电视网与因特网连接除应考虑上行和下行数据之外，还必须考虑在数字电视网上运行IP协议。

5．实时操作系统技术

数字机顶盒中，操作系统采用实时操作系统(RTOS，Real-Time Operating System)，它可在实时环境中工作，并占用较小的内存空间，其功能是负责管理本地资源和网络资源，并提供一些基本的操作功能以及对设备的访问控制。

6．中间件技术

    中间件(Middleware)技术，即开放式业务平台，它是数字交互式电视的核心技术。中间件通常由Java虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成，它通过定义一组完整的标准应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从而使应用程序的开发变得更加简捷、产品的开放性和可移植性更强，以保证数字机项盒的功能扩展性以及投资的有效回收。

7．解扰、解密技术