数字电视机顶盒技术

数字机顶盒技术 　机顶盒是目前信息家电中至关重要的技术设备。目前机顶盒的功能已从一个多频率的调谐器和解码器跃升为大量电影、多媒体事件、新闻等联机数据库的一个控制终端。 　　本文在介绍数字机顶盒定义、功能及分类后，着重介绍了北广电子集团目前开发的几款数字机顶盒的关键技术。 　　一、定义 　　数字机顶盒（Set Top Box，STB）是扩展电视机功能的一种新型家用电器。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，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互联网的数字信号转换成模拟电视机可以接收的信号，观看数字电视节目，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。 　　根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒又分为卫星数字电视机顶盒（DVB-S）、地面数字电视机顶盒（DVB-T）和有线数字电视机顶盒（DVB-C）三种，目前北广电子集团已经拥有完整的数字机顶盒产品链，已经能够自主研发和生产符合各种需求的不同规格、不同档次的系列产品。 二、机顶盒分类 　　1．数字卫星机顶盒  　　此类机顶盒又称为综合业务接收机，用来接收数字卫星电视节目。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，数字卫星机顶盒基本采用DVB-S标准，目前，北广电子集团在该产品领域开发出低成本的基于海尔的DVB－S机顶盒主流产品。 　　2．数字地面机顶盒 　　数字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。 　　目前，国内由于种种原因，地面数字电视标准迟迟未能确定下来，但是北广电子集团针对不同的市场需求，已经开发出符合欧洲DVB－T标准和清华DMB－T标准的多款机顶盒，目前主力方案是以富士通方案为平台的DVB－T机顶盒和以海尔方案为平台的DVB－T、DMB－T机顶盒。 　　3．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。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。  　　目前，北广电子集团有线电视机顶盒产品丰富，拥有多种适合不同市场、不同消费定位的多款机顶盒产品，例如，面对“村村通”工程需求的海尔方案的DVB－C机顶盒，面向省市需求的基于富士通方案的DVB－C机顶盒，还有针对高端客户需求的基于CONEXANT方案DVB－C机顶盒，该款机顶盒就可以开展双向点播业务。 三、几款典型产品 　　1．DVB－C方案的机顶盒 　　北广电子集团基于CONEXANT方案DVB－C机顶盒是一款定位于中高端用户的产品，该产品采用CONEXANT公司高集成单芯片解码芯片CX24146，芯片内部集成一颗32位ARM920内核处理器，处理工作频率为200MHz，其内部整合MP@ML MPEG－2视频解码器、数字音频解码器、解扰模块和OSD处理模块等，是一款高性能数字电视解码芯片。图1为该款产品的功能示意图。  　　 INCLUDEPICTURE "http://www.crta.com.cn/magazine/images/200602/003.gif" \* MERGEFORMATINET 　　图1  CX24146功能模块示意图   　　有线电视数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目。图2所示为机顶盒解码工作基本流程，调谐模块接收射频信号并下变频为中频信号，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。 　　机顶盒具有典型的嵌入式操作系统，其操作系统比较严格，但是嵌入式操作系统与对PC的操作系统如DOS、Windows、Unix、MacOS不同，机顶盒中的操作系统不是非常的庞大，但却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，当开发机顶盒时，实时操作系统还要与下面将要介绍的中间件结合使用，在北广的产品中采用ATi公司的NUCLEUS PLUS实时操作系统。 　　 　　图2  机顶盒解码工作基本流程 　　 　　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。中间件在机顶盒中的位置如图3所示。  　　 　　图3  数字机顶盒软硬件环境 　　一个完整的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。北广电子集团的这块机顶盒采用的是恒通公司的中间件MHP1.0系统方案，有利的支持了机顶盒的业务扩展与运用。 　　加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密。有条件接入的基本原理如图4所示。有条件接入的核心实际上是控制字传输的控制。在MPEG传输流中，与控制字传输相关的有两个数据流：授权控制信息（ECMs）和授权管理信息（EMMs）。由业务密钥（SK）加密处理后的控制字在ECMs中传送，其中还包括来源、时间、分类和价格等节目信息。对控制字加密的业务密钥在授权管理信息中传送，并且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥（PDK）的加密处理，EMMs中还包括地址、用户授权信息、如用户可以看的节目或时间段、用户付的收视费等。用户个人分配密钥（PDK）存放在用户的智能卡（SmartCard）中。 　　 　　图4  有条件接入基本原理示意图 　　这款产品已经成功集成国内的永新同方公司的CA系统，实现了对节目的解密功能，有力的支持网路公司的收费等多种业务的开展。  　　数字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功能。 北广电子集团的这款产品拓展了IP双向点播功能，通过以太网网路控制芯片RT8019的集成，通过CNX24146的ISA总线接口将网路控制芯片接入到系统中，这样可以通过IP通道将用户的选择信息传送到服务中心或信息提供者，然后前端系统根据客户的需求发送相关的节目信息，实现了双向业务。 　　2．DVB－T方案的机顶盒 　　DVB—T系统用于在地面VHF/UHF广播信道上传输标准数字电视和HDTV节目。由于地面广播信道的环境最为恶劣，尤其是存在由于火花放电等引起的冲激噪声，因此地面广播中的误码最严重，尤其是连续的突发误码，因而DVB-T系统中的纠错编码采用了两层纠错编码加两次交织的方案，以进一步提高对误码的纠正能力。 　　北广电子集团采用富士通MB86H20A平台方案，数字电视机顶盒由射频部分、控制和MPEG-2解码部分、音视频编码器等组成，方框图如图5所示。  　　 　　图5  富士通MB86H20A系统框图 RF输入的是数字调制频率范围为47~862MHz的射频信号，射频部分对该信号进行一次下变频和数字解调，以及模数变换、解交织、RS解码，得到MPEG-2的TS流。TS流在MB86H20A中首先通过流中的PIS信息进行解复用，选中的PES流被送到MPEG-2解码部分，得到视频数据和音频数据。视频数据经过视频编码器得到满足ITU-601格式的视频信号，而音频信号经过数模变换器（DAC）得到模拟的音频信号。MB86H20A通过I2C总线控制视频编码部分和射频部分。 　　北广电子集团的这款产品型号为DVB-C2，机身为银白色，相对普通品牌的产品厚度较薄，采用的是富士通公司的MB86H20A芯片，该芯片内部集成了一颗32Bit的ARC RISC CPU，其工作主频可以达到130MHz，内部集成了两路标清节目的解复用功能模块，支持PAL/NTSC数字视频编码和显示控制。 　　完全符合MPEG-2&DVB-TCOFDM（编码正交频分复用）标准, 可无线接收VHF或UHF频段内以3.7～23.8Mb/S速率在空中传输的地面数字电视信号。7MHz和8MHz(8MHz带宽信道内传输的有效净比特码率在4.98～ 31.67Mbit/s范围内可选。有断电记忆功能和节目指南EPG显示功能；采用增强式OSD中英文屏幕显示菜单，OSD可以支持四层显示，外围接口丰富，可以支持产品的拓展和升级；有自动搜索功能，可方便地面数字电视信号（DVB-T）的接收；且应用新型软、硬件结合技术，保证长期稳定可靠的运行。 　　支持中视联ChinaCryptCA和同方的条件接收CA系统，超低门限的全频段高频头，具有电子节目指南功能，复合视频信号和S－VIDEO 信号输出，具有DVD节目质量，支持数字音频S/PDIF输出，具有CD音质立体声效果，支持4:3/16:9模式转换。 　　3．DMB－T方案的机顶盒 　　北广电子集团的这款DMB－T机顶盒产品是信源和信道解码完全采用国产化芯片的产品，符合DMB-T标准和 MPEG2标准，基于海尔方案DMB－T机顶盒信源解码部分由Haier公司的 Hi2011芯片平台完成，信道解码部分由凌讯公司的单芯片TDS－OFDM解调芯片LGS－8222－A1实现，系统示意图如图6所示。 　　其具体实现由Haier Hi2011芯片通过I2C总线控制解调芯片LGS－8222－A1的初始化和解调工作，而解调芯片LGS－8222－A1芯片控制高频头Tuner工作，实现降频。解调芯片LGS－8222－A1芯片通过I2C信号线控制Tuner 7578实现降频，输出MPEG OUTPUT TS流。其中MPEG DECODER模块为Haier Hi2011芯片，实现信源解码，通过SDA、SCL、Tuner—RESET信号等相关信号线控制LGS－8222－A1，接收其MPEG OUTPUT TS流作为信号输入。 　　数字地面机顶盒的关键技术是正交频分复用  　　 　　图6  DMB－T系统示意图 OFDM，该技术可有效地解决数字地面广播中所存在的多径接收、邻频干扰等问。另外，数字广播信号与模拟广播信号之间以及数字广播信号之间会存在邻频干扰，数字广播若要利用邻频技术提高带宽利用率，频道内的有效辐射功率则必须低于模拟电视广播的有效辐射功率，并且应保持频谱功率密度恒定。OFDM技术克服了上述的问题，它将串行数据流划分为多个比特的码元，每个码元可有数千比特，然后用这些比特去调制被置于一个频段内间隔很小的数千个相互正交的载波。通过设置这些载波的保护间隔和边带能量的位置，使某一特定载波在邻近频道上的能量为零，从而提供较好的邻频抑制能力。 　　DMB-T机顶盒采用自主原创的TDS-OFDM技术，以其基于PN序列的时域同步技术和灵活的帧结构技术特点，与欧洲的DVB－T系统相比的主要优势性能有：（1）高频谱利用率。（2）低接收信噪比门限。（3）快速系统同步。（4）强抗突发脉冲干扰和多径干扰能力。（5）高度灵活的操作模式：支持固定、步行、移动接收和低功耗便携终端。DMB-T应用于数字电视领域，已成为我国地面数字电视广播传输标准基础方案之一。 　　该款产品成本低，且数字电视的基本功能齐全，支持ISO/IEC13818-2 MP@ML，支持TS流、PS流；支持PAL/NTSC, 隔行/逐行；数字输出支持YCbCr,4:2:2,8位YUV；模拟输出支持CVBS和S端子输出，YPbPr输出；并且具有其独特的功能表现，个性化拉幕式视频播放；真彩色开机画面；任意调整大小的小画面显示；可同时显示三个区域的OSD菜单；支持字库发生器和图形加速器；可以满足客户的大部分需求。 　　该款产品完全符合DMB-T TDS-OFDM技术和 MPEG2标准，超清晰画面和SPDIF高保真数码立体声输出，友好的OSD用户界面,提供优质稳定可靠的控制方式，车载移动式设计，130km甚至可达180、190km高速行进时，也能清晰接收几套DMB-T 地面数字电视节目，具备电子节目指南功能,支持PIG画中画显示，可通过RS-232口进行软件升级，支持256色多种语言屏幕显示，如英文、法文、德文、俄文、西班牙文、意大利文、中文及阿拉伯文等多种语言系统 。 四、机顶盒的发展趋势和未来展望 　　在机顶盒的硬件平台上，CPU越来越强大；存储器容量越来越大；MPEG解码器将支持同时解码多个HDTV的节目；图形功能越来越强大，将从简单的OSD，发展到强大的2D、3D图形引擎；外部接口将更加丰富，可以利用数字机顶盒建立家庭网络，将机顶盒与PC、打印机、DVD机等数字设备连接起来，真正地成为信息家电中心。  　　在应用方面，机顶盒将支持越来越多的应用，并且下载的应用将越来越多。这些应用包括：按次付费观看、立即按次付费观看、准视频点播、数据广播、电子邮件、视频点播IPTV以及IP电话和可视电话等。 　　伴随着日常生活的愈来愈丰富多彩，机顶盒将为百姓的生活提供更为方便快捷的多元化服务，成为生活中不可替代的信息处理家电产品。