有线电视机顶盒原理

null有线电视机顶盒原理有线电视机顶盒原理聂方兴 2008.7.9机顶盒概述机顶盒概述　机顶盒(Set Top Box，STB)早期是指基于有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器； 随着数字电视广播和因特网的迅速发展，用户对信息需求的不断增强，机顶盒演变成以电视机为显示终端的信息接收和处理设备，目前在市场上有接收数字电视的机顶盒和接入因特网的WebTV机顶盒。 　　数字电视是一个从节目采集、制作、传输、到用户端机顶盒都以数字方式处理信号的端到端系统。现在世界上有3个主要的标准体系: ATSC、DVB和ISDB，都是基于MPEG-2的TS(传送流)，数字电视广播标准用来定义在不同传输介质上如何实现TS流传输。随着数字电视技术领域的发展，开放式业务系统成为数字电视发展的主流，其中DVB组织建立的MHP(多媒体家庭平台)标准获得了大多数中间件厂家的支持，如OpenTV、MediaHighWay等都将过渡到以DVB/MHP为代的开放式业务系统上。我国也相继公布了标准清晰度数字电视的传输标准，正在制定自主的开放式业务系统，这为有线台数字电视改造和机顶盒的研究、制造奠定了基础。 null数字机顶盒接收各种传输介质来的数字电视和各种数据信息，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。根据信号传输介质的不同，数字机顶盒分为有线、卫星和地面三种数字电视机顶盒，三种机顶盒的硬件结构主要区别在解调部分。目前，机顶盒主要提供基本音视频业务和数据应用，在此基础上，可以充分利用CATV网络的较宽带宽实现交互功能，最终发展成为集解压缩、Web浏览、解密收费和交互控制为一体的数字化终端设备。可以说，机顶盒是模拟电视转向数字电视的桥梁。 有线数字电视机顶盒的主要功能和特点 有线数字电视机顶盒的主要功能和特点 由于多种因素的限制，国内广播电视的数字化改造以有线电视作为发展重点，广电总局也于2001年5月发布了“有线数字电视广播信道编码与调制规范”。有线数字电视终端产品——机顶盒在近几年获得快速发展，国际上主流芯片的机顶盒解决，如: ST、IBM、LSI Logic、Fujitsu、Philips，在国内均已产品化。 　　机顶盒已经在开展数字电视广播的地区开始使用，根据用户需求和消费水平的差异，机顶盒支持的业务也不同，存在着多种类型的产品。 null1. 普及型机顶盒: 主要以接收基本的付费数字电视节目为主，满足大多数用户需求，并且具有良好的性能价格比。主要功能如下: 　　●支持基本的数字音视频和数字音频广播接收。 　　●集成有条件接收系统。 　　●具有中文电子节目指南(EPG)和二级以上字库。 　　●支持软件在线更新功能。 　　●支持复合视频(CVBS)输出，具有音频输出处理功能(单声道、立体声和双声道)。 null增强型机顶盒: 在普及型机顶盒基础上增加基本中间件软件系统，基于基本中间件可以实现数据信息浏览、准视频点播、实时股票接收等多种应用。这款机顶盒已经超越了以观看数字电视为主的需求，增加了多种增值业务，且具有可升级性。新增功能如下: 　　●集成基本中间件系统。 　　●支持数据广播、实时股票等数据信息接收功能。 　　●支持NVOD点播功能。 　　●具有多种游戏。 　　●具有音频输出处理功能(单声道、立体声和双声道)。 　　●具有Y/C、复合视频(CVBS)、Y/Cb/Cr输出(可选功能)。 　　●具有逐行扫描输出(可选功能)。 　　●可支持Modem电话拨号回传方式 null交互式机顶盒: 集成了符合MHP标准的中间件软件系统，除提供增强型机顶盒主要功能外，还可以基于MHP提供交互式应用、网页信息浏览等多种增值业务。新增功能如下: 　　●集成MHP中间件系统。 　　●支持交互式应用，如: 视频点播、互动游戏、网上冲浪等。机顶盒原理机顶盒原理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。 nullnull图1是有线数字电视机顶盒原理框图，机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2解码器、视频编码器、音频D/A、嵌入式CPU系统和外围接口、条件接收模块等组成。具有交互功能的机顶盒则需回传通道。 　　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，在常规彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。 高频头高频头高频头：俗称调谐器，是电视高频信号公共通道的第一部分，目前电视机使用的高频头一般分为数字信号高频头（简称数字高频头）和模拟信号高频头（简称模拟高频头），数字电视机顶盒采用的而是数字高频头。 数字高频头的作用是接收数字电视高频信号，并进行频道选择和高频信号放大及变频处理，有些还带中频信号放大和高频数字信号解调功能，高频数字信号经解调后，输出的数字信号为TS（Transport Stream）流，TS流：也叫传输流，它是以“帧”为单位的数字信号传输流，每一帧数字信号中含有同步头、数据、结尾等信号，对于MPEG2数字信号，每帧信号是由长度为188字节的二进制信号包组成，其含有一个或多个节目。这里“帧”的概念与电视图像中的帧很类似，但内容不相同，一帧MPEG2数字信号对应于一帧图像来说，只相当于一幅图像内容中的几个像素点。 根据接收高频数字信号的调制方式，数字高频头还分QPSK（Quadrature Phase Shift Keying正交键控调相）调制高频头和QAM（Quadrature Amplitude Modulation正交调幅）调制高频头。QPSK调制高频头主要用于卫星电视信号接收；QAM调制高频头主要用于有线电视信号接收。解复用过滤器（Filters）解复用过滤器（Filters）高频头解出TS流，TS流中可以传输数据信息，通过Filter，可以从TS流中获取这些信息。以ST的Filter机制为例：null一般解复用模块的硬件部分可同时支持32 个过滤器(filter)。在数字电视接收机工作时，一般有4 个硬件过滤器是预留给音频解码、视频解码和条件接收消息（ECM/EMM）用的。只有通过过滤器的数据才被提取出来，发送给应用程序。 通常情况下，过滤器由一个8 字节长度的值、8 字节长度的屏蔽掩码和8 字节长度的过滤模式组成。Mask 为“1” 的位所对应的过滤器值有效，为“0”的位对应的过滤器的值无效。通过过滤器的数据均应符合掩码为“1”的位对应的过滤器值。根据分段的语法定义 ，以段section 标识字节为0 字节算起（其值一般为table-id），第1、2 字节为分段长度和预留位，过滤时不加以考虑，所以过滤器以除开第1、2 字节外的分段前8 个字节组合组成。如下图所示：null硬过滤器与软过滤器 硬过滤器是指解复用芯片特有的内置过滤器，一般有32 个。软过滤器则是在硬过滤器基础之上的附加过滤器，一般的作法是先将数据提取出来，在通过一定的算法比较，将符合所有设置的过滤器的数据提取出来。 指将数据提取出来。因后者是通过计算出来，故称“软过滤器”。 CRC 校检 按照MPEG-2 传输标准的分段语法定义，每个段的最后4 个字节为CRC 校检数据。 解复用模块在提取了相应的数据后都必须进行CRC 校检。机顶盒关键技术机顶盒关键技术机顶盒硬件技术 (1)信道解调技术: 国际、国内标准均规定，在有线网络中传输数字电视及增值业务采用QAM调制方式，其中16QAM、32QAM、64QAM必选，128QAM和256QAM可选。由于有线网络信道质量好，只用RS编码作为纠错编码。 (2)信源解码技术: 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。 null (3)大规模集成芯片技术: 为实现实时的解复用和数据信息处理，目前的系统大多采用专用芯片，将CPU 内核与MPEG-2传输流解复用器，DVB通用解扰器，MPEG音视频解码器，NTSC/PAL编码器集成，形成STB 的核心芯片。 常见的机顶盒主芯片有： fujitsu（富士通）、ST（意法半导体）、ATI、LSILOGIC、IBM、PHILIPS、Intel、Broadcom、ADI、NEC、TI 等。 (4)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，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。 null机顶盒软件结构 广播数字化后，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。 null图2是一个机顶盒软件模型。除去硬件，第一层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序，第二层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，第三层应用软件包括本机存储的应用和用户即时下载的应用。 　　(1)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。 　　(2)实时操作系统: 与PC操作系统不同，机顶盒中的操作系统采用实时操作系统(RTOS)，可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。目前流行的实时操作系统有VxWorks、Psos、OS20、Windows CE、Linux等。这些操作系统各有所长，在机顶盒中都有应用 null (3)中间件: 在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题: 实时多任务操作系统，硬件平台原理细节，复杂的行业标准，繁杂的用户界面以及实用功能等各项跨行业的难题。为了解决上述问题，中间件技术应运而生，并成为数字电视核心技术，也就是我们前面提到的开放式业务平台。中间件是在数字电视接收机的应用程序和操作系统、硬件平台之间嵌入的一个中间层，定义一组较为完整的、标准的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从而将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。它通常由Java虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成。开放的业务平台上的特点在于产品的开发和生产以一个业务平台为基础，开放的业务平台为每个环节提供独立的运行模式，每个环节拥有自身的利润，能产生多个供应商。只有采用开放式业务平台才能保证机顶盒的扩展性，保证投资的有效回收。 (4)上层应用软件: 执行服务商提供的各种服务功能，如: 电子节目指南、准视频点播、数据广播、马赛克电视、IP电话和可视电话等。上层应用软件独立于STB的硬件，它可以用于各种STB硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。 机顶盒发展趋势 机顶盒发展趋势 1. 硬件平台 　　从机顶盒发展趋势看，主芯片和解调芯片合二为一，物理上减小体积，降低成本，提高性能; 或者采用芯片实现Tuner 的功能。 　　由于CPU与TS流解复用器，MPEG-2 A/V解码器，视频编码器集成，形成STB 的核心芯片，它的发展速度将决定机顶盒未来的方向。必然的趋势是CPU处理速度越来越快，存储器容量越来越大，MPEG解码器将同时支持多路节目的解码; 同时用户可以直接看到的图形显示界面将从简单的OSD，发展到强大的2D、3D图形引擎。 　　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，可以实现各种交互式应用。通过上行通道和机顶盒，观众坐在家中就能享受到视频点播(VOD)、网上冲浪、远程购物、交互游戏等增值业务。这种交互性将极大地改变人们看电视的方式。因此，双向传输方案将成为机顶盒发展的主流。 null 外部接口将更加丰富，通过USB口可以实现和数码相机的连接，通过IDE接口可以挂接硬盘实现节目存储等等。 机顶盒是网络的终端产品，现实中存在着通信网、计算机网和广播电视网。虽说三网合一是必然趋势，而且三网在骨干网的传输技术上已经融合。最终将数字机顶盒发展成为家庭网关，将机顶盒与PC、打印机、DVD机等数字设备连接起来，并通过双向模块与Internet相连，真正地成为信息家电。 null2. 软件平台 　　有线电视网络数字化改造的不断深入，开放式业务系统的广泛使用，运营商的利润增长点将从以前靠收视费和广告费转向靠多种应用去支撑。因此，机顶盒将支持越来越多的应用，如电子节目指南、PPV节目、IPPV节目、准视频点播、数据广播、Internet接入、电子邮件、视频点播以及IP电话和可视电话等。而上述应用的发展，必须依靠机顶盒的软件平台，也就是中间件。因此，机顶盒的发展趋势在很大程度上依靠中间件技术的发展方向。 机顶盒软件介绍机顶盒软件介绍EPG电子节目指南 电子节目指南为用户收看电视节目和享受信息服务提供了一个良好的导航机制，使用户能够快捷地找到自己关心的节目，查看节目的附加信息。EPG电子节目指南一般具备以下功能： 1、节目单：以“频道－时间”方式提供一段时间内的所有电视信息。 2、当前节目播放：从节目单中选择当前的节目进行播放。 3、节目附加信息：给出节目的附加信息，如节目情节介绍等。 4、节目分类：按节目内容进行分类，如体育、影视等。 5、节目预定：在节目单上预定一个节目后，预定的节目届时自动播放。 6、家长分级控制：对节目内容进行分级控制。null EPG的上述功能所需要的全部信息，都必须通过SI（Service Information）来获取。GB/T 17975.1- 2000中定义了PSI（Program Specific Information）。PSI数据提供了能够使接收机自动配置的信息，用于对复用流中的不同节目流进行解复用和解码。GY/Z 174-2001定义了SI信息，主要是于服务有关的信息。nullNVOD（准视频点播） 准视频点播是一个特殊的广播应用，运营商通过在多个频道上广播不同时间开始的同一个节目，使用户能通过在多个频道上切换来获得对节目的交互控制。准视频点播本质上是一个单向广播应用，在用户和服务提供者之间没有真正的交互。MEPG-2提供了在一个传输流中同时传输多个视频节目的方式，该技术提供了实现NVOD系统的可操作性。null马赛克电视 马赛克是DVB定义的一种利用多个活动图像或者图形的组合进行节目导航的机制，我们可以把它看成是一种高级的电子节目指南形式。马赛克可应用于整个网络，也可以应用于网络的一部分。一个完整的马赛克系统将构成一颗导航树。 一个马赛克屏幕最多可以分为8×8个基本单元，每个单元都有编号。多个基本单元可以构成一个逻辑单元，每个逻辑单元由一个唯一的logical_cell_id标识。每个逻辑单元显示一个活动视频图像，整个马赛克屏幕显示多个活动视频图像，并且这些视频图像是在前端合成在一起的。一个逻辑单元可以与业务群、业务、时间或者子马赛克业务相对应。nullnull数据广播 数据广播是数字电视业务的重要内容，对实现广播信息化，实现电子政务、娱乐休闲、交通信息、股票、游戏等综合业务具有重要意义。数据广播的封装可以分为数据管道、数据流、多封装、数据轮播和对象轮播等方式： null数据管道数据流PES多协议封装DSM－CC Section数据轮播对象轮播DSM-CC 对象轮播DSM－CC 数据轮播MPEG-2私有数据段MPEG-2 TS流与机顶盒标准相关的部分规范与机顶盒标准相关的部分规范GB/T 17975.1-2000信息技术  运动图像及其伴音信息的通用编码  第1部分：系统 GB/T 17975.2-2000信息技术  运动图像及其伴音信息的通用编码  第1部分：视频 GB/T 17975.3-2000信息技术  运动图像及其伴音信息的通用编码  第1部分：音频 GB/T 17971.3-1997信息技术  具有1.5Mbit/s数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码  第3部分：音频 GB 2312-80  信息交换用汉字编码字符集基本集 GB 13000.1-1993  信息技术  通用多八位编码字符集（UCS）第一部分：体系结构与基本多文种平面 GB/T 170-2001   有线数字电视广播信道编码和调制规范 GB/Z 174-2001   数字电视广播业务信息规范 GB/Z 175-2001   数字电视广播条件接收系统规范 GB/T 155-2000   高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值 有线数字电视EPG应用指南 有线数字电视广播业务信息应用指南 有线数字电视CA系统应用指南 运动图像及其伴音信号的通用编码系统、视频和音频部分的实施指南。