数字电视机顶盒结构原理核心技术及其应用.docx

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数字电视机顶盒结构原理核心技术及其应用

数字电视机顶盒结构原理核心技术及其应用

有线电视技术系统设计与设备

刘武湖南岳阳职业技术学院

摘要:

数字电视机顶盒是数字信息接收和处理的嵌入式设备,集电脑,电视和电信技术于一体,功能完善.具有广

阔的应用市场.本文对其结构,原理和核心技术进行了详尽分析,并对其应用与发展趋势进行了探讨.

关键词:

机顶盒结构原理核心技术应用

随着电视技术和信息技术的发展,数字化浪潮扑

面而来.数字电视的悄然兴起,如同”一石击起千层

浪”,已成为人们谈论的热点.数字电视风暴正席卷神

州大地,数字电视取代模拟电视的时代为期不远.

数字电视机顶盒作为模拟电视向数字电视发展

的高科技产品,集电脑,电视和电信技术于一体,不仅

解决了模拟电视机不能收看数字电视节目的难题,而

且为未来数字电视业务和通信,网络技术的发展开辟

了道路.

数字电视机顶盒按照应用范围划分,可分为接收

数字电视的数字电视机顶盒以及接入通信网,计算机

网和广播电视网的网络电视（WebTV）机顶盒两大类.

程安排不仅实现了按日,按周,按月查看日程安排,而

且可以实现了查看部门内部其他人的公开的日程安

排.日程安排提供了全功能的部门和个人日程安排.

可以制定部门工作计划及个人工作计划.在制定工作

计划时,用户可以将工作分配给相关人员,可以预约

他人和自己一起完成某项工作,可以设置优先级,公

开范围,是否提醒以及提醒时间,日程重复与否,定期

模式以及重复范围等.邮件提醒和日程安排确认功能

使系统更高效,更易于管理.

4.3.2任务管理

任务管理记录工作人员在一个时间段内的任务

安排情况.任务管理除拥有日程安排的基本功能之

外,还可以编辑完成进度,任务状态等.

现着重对其结构,原理和核心技术进行分析,并对其

应用进行探讨.

1结构分析

数字电视机顶盒接收各种传输介质送来的数字

电视和各种数据信息,通过解调,解复用,解码和音频

编码转换为模拟电视信号,使用户不用更换电视机就

能收看数字电视节目和各种数据信息,而且图像质量

可达500线的清晰度水平.它实际上是一种嵌入式系

统,不仅具有完善的实时操作系统和强大的数字信号

处理及控制能力,而且能提供方便操作的友好图形用

5实施效果

张家港有线电视台新闻办公自动化系统通过1

个多月的安装调试和个性化定制,已经投入试运行半

年多.自从安装上线后,由于该系统具有用户界面友

好,易学易用,系统功能的通用性,实用性以及可维护

性等特点,通过对有线电视台员工的基础培训,操作

指导后,在台领导带头使用,业务部门的积极配合下

很快得到了全面使用.实现了网上撰稿,网上新闻处

理,远程公文交换以及移动办公等,大大提高了工作

效率,促进了张家港有线电视台新闻办公信息化进

程,为全面开展有线电视双向网络应用提供了应用的

实例.通过此新闻办公自动化系统的运行,达到了项

目立项初期的目标要求.A

2005年第24期（总第192期）

系统设计与设备有线电视技术

户界面,功能完善,操作简单.

早期的数字电视机顶盒分为三种,即地面数字机

顶盒,有线数字机顶盒,卫星数字机顶盒.要制造出三

种类型的机顶盒以适应不同的传输方式显得十分麻

烦,而且成本会大增,应用起来也不方便,若将三者有

机合成,将事半功倍.于是,新一代兼容DVB数字机

顶盒应运而生,其基本结构如图l所示.

图1新一代DVB机j贞盒基本结构

这种机顶盒兼容地面,卫星和有线电视的数字信

号接收,并能有效地解调与DAC变换,使原有的模拟

电视机收看数字电视节目.不仅如此,还可以通过智

能卡的扩展,实现通信网络,计算机网和广播电视网

络的交互功能和多媒体应用,如数字电视接收,电子

节目指南（EPG）,准视频点播（NVOD）,按次付费观看

（PPV）,软件在线升级,数据广播,因特网接人,电子

邮件,IP电话等.

图1中OMEGA为单片多媒体体系结构的集成,

它将S,I’20微处理器及其外设MPEG音视频解码器与

PAC/NC编码器均集成在一块芯片上,实现上述三

种传输的数字电视信号接收与转换,典型产品有

STl5500系列.

1.1层次结构

所谓层次结构,就是信号处理和应用操作的组成

结构.从层次结构来分析,可分为五个层次,即:

物理

天线

电缆

光缆

层和连接层（包括高频调谐器,QPSK,QAM,OFDM,

VSB调谐,卷积解码,去交织,RS解码及能量扩散）;

传输层（解复用,亦即将传输流分成视频,音频和数据

包）;节目层（包括MPEG一2视频解码,MPEG/AC一3

音频解码）;用户层（包括服务信息,电子节目表EPG,

图形用户界面GUI,浏览器,遥控,条件接收,数据解

码）;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）.其结构形式如图2所

示.

1.2逻辑结构

逻辑结构通常指信号遵循逻辑规律传输的工作

流程.机顶盒的逻辑结构如图3所示,从调谐模块接

收射频信号并通过变频为中频信号,再送入QAM解

调模块进行解调,输出MPEG传输流串行或并行数

据.解复用模块接收MPEG传输流,从中抽出一个节

目的PES数据（包括视频和音频）,视频PES送入视

频解码模块,取出MPEG视频数据,并对其进行解码,

然后输入到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则送人音频解

码模块,取出PCM音频数据到PCM解码器,经PCM

解码后输出立体声模拟音频信号,经音频输出电路输

出.

1.3网络结构

数字电视机顶盒通常由数字电视接收前端,

MPEG解码,音视频和图形处理,调制解调器,微处理

器（CPU）,存储器（DRAM）以及各种接口电路所组成.

而从网络角度来分析,则包括四个主要单元,即网络

接口单元,系统控制单元,模拟电视信号单元,外围数

据接口单元（见图4）.

1.3.1网络接口单元

此单元主要任务是完成信号接收,变频和信号解

调.由信号传输媒体（无线或有线电缆）,调谐器

（TUNER）,QAM解调芯片,一级A/D转换及声表面

一………………一……..

i信道解码i

吾吾蚜线囱囱图2数字电视机顶盒层次结构

2005年第24期（总第192期）

有线电视技术系统设计与设备

图3数字CATV机顶盒逻辑结构

程序数据fil系统存储器I陌能卡模块

MPEG码流Il图文

图4数字CATV机顶盒网络结构

滤波器等组成.调谐器的作用是将从信道而来的射频

信号变频为一个固定的中频信号,使配套器件能够准

确采样.此类调谐器很多,如TH0MS0N公司的

GIP55015,PHILIPS公司的CIP1516,MITSUMI公司

的CATVl9等.

A/D转换器是将模拟信号变为数字信号的器件.

从电路分析可知,若信道进来的是数字信号则无需经

过变换,而事实上机顶盒既要适应数字信号的接收,

又要适应模拟信号的接收,因为QAM解调器只能解

调数字信号,所以必须加入A/D转换器,现在的机顶

盒通常把A/D转换器集成在QAM解调芯片内部.

QAM解调芯片是机顶盒的核心器件,亦即将中

频信号数据进行符号映射,差分解码,去交织,RS解

码及去能量扩散后,得到MPEG一2的TS传输流.

1.3.2系统控制单元

该控制单元的主要功能是MPEG一2传输流解复

用,音视频解码和系统控制,由核心器件微处理器

（CPU）,外围存储器DRAM及相关电路组成.其中

CPU用于系统控制和机顶盒与外界的通信控制.解复

用是按照一定的规则或根据用户要求,从包含多路节

目的TS流中选取一路节目进行MPEG一2解码,得到

重建的视频和音频数据.解扰则是对加扰的MPEG数

据包,使用DMA方式将数据包传人解扰模块对应的

内存中去,通过解扰处理以排除干扰,恢复正常的音

视频数据流供后续的解码电路使用.MPEG解码则是

对MPEG一2码流进行音频解码,输出PCM音频数据.

其解码芯片有ST13520,L64005,HPD61020等.

1.3.3模拟电视信号编码单元

模拟电视信号编码单元包括D/A转换器,音视

频放大器等相关电路.作用是将解码芯片输出的数字

音频信号进行D/A转换,输出模拟音频信号,同时将

解码芯片输出的视频信号进行PAL/NTSC编码,输出

基频或射频的PAL/NTSC信号,还同时输出Y/C,

YUV和RGB格式的视频信号.

1.3.4外围数据接口单元

外围数据接口单元包括smartcard读写器,高速

数据传输接口和低速数据传输接口等外围接El.为实

现有偿电视业务,通常对有线电视网络某些频道进行

加密,加扰,smartcard读写器是协助完成解密工作的

钥匙,又是解扰模块必需的伙伴.高速数据接口是指

IEEE1284或IEEE1394等数据接口,主要完成MPEG

码流的输入或输出;低速数据接口则指RS232,USB

接口,主要完成机顶盒与外界的低速数据通信.

2工作原理分析

数字电视机顶盒的工作原理,概括来讲,它经过

了以下工作过程:

首先由调谐模块接受载波或射频信

号,并变频为中频信号,然后进行A/D转换变为数字

信号（若为数字信号发送则无需变换）,再送人QAM

解调模块进行解调,输出MPEG传输流串行或并行数

据送入解复用模块,解复用则从传输流中抽出一个节

目的PES数据（包括视频和音频）.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,然后送入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则送

入音频解码模块,取出MPEG音频数据,并对其进行

解码,输出PCM音频数据到PCM解码器,再由PCM

解码器输出立体声模拟音频信号,经音频输出电路输

出.

近年来,各大芯片厂家根据数字电视顶盒的实际

需要,推出了与之相适应的系列方案.美国LSI公司

率先推出LS108,LS005方案之后,又推出了单芯片

SC2o00方案;欧洲的ST公司推出了ST5500,ST5512

方案;日本富士通公司推出了MB87L2250方案,最近

还推出了双CPU的单芯片方案.现以MB87L2250方

案的数字电视机顶盒为例来分析其工作原理.

该机顶盒主要由射频部分,控制部分和MPEG-2

解码部分以及视频编码器,音频DAC转换器等组成,

2005年第24期（总第192期）

系统设计与设备有线电视技术

RF输入

47～862MHz

左声道

右声道

AR

巍CCPUMPEG--2~2A/V嵌入式l——复用k__一格口骄动UPEG一解码lL——一

图5数字电视机顶盒电路组成

如图5所示.

由调谐器输入47—862MHz的射频信号到射频部

分,经过变频和解调及ADC变换为数字信号,再经解

交织,RS解码得到MPEG一2的TS流送至

MB87L225O芯片,首先通过分析传输流中的PSI信息

并进行解复用,选中的PES流被送到MPEG一2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CCIR601格式的视频信号;而音频

数据则通过DAC变换器得到模拟音频信号.该系统

芯片通过I2C总线控制视频编码器和射频部分,即控

制其输入和输出.

MB87L225O是一块单片MPEG解复用,解码器

芯片,内嵌有MiniRiscCPU,具有极其强大的功能,不

仅可以处理各种系统任务和传输流PID等（峰值处理

能力达54Mips）,而且具有多个定时器及32个用户

可编程的PID滤波器.除此以外,还能以软件方式处

理subtitle,OSDoverlay,图文电视,EPG等.

3核心技术分析

数字电视机顶盒的技术含量很高,集中反映了多

媒体,计算机,数字压缩编码,加解扰算法,加解密算

法,通信技术和网络技术的发展水平,其核心技术包

括硬件技术和软件技术两个部分.

3.1机顶盒硬件技术

硬件技术包含有:

信道解调,信源解码,大规模集

成芯片,上行数据调制编码,嵌入式系统技术以及信

号处理技术和有条件接收技术.分别概述如下:

（1）信道解调技术.国际,国内标准对各种数字电

视标准的调制方式均有规定,如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.当模拟信号数字化后信息量

倍增,必须采用相应的数据压缩标准加以处理,数字

电视采用MPEG一2视频压缩标准以适应多种清晰度

图像质量要求.音频则采用AC一3和MPEG-2两种标

准.总而言之,信源解码器必须适应不同编码要求,能

正确还原音频,视频数据.

（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,机顶盒必须将CPU内核与MPEG一

2传输流解复用器,DVB通用解扰器,MPEG音视频

解码器,PAL/NTSC编码器集成于一体,形成大规模

专用集成芯片.

（4）上行数据调制编码技术.为开展交互式应用,

需要考虑上行数据的调制编码问题.目前普遍采用三

种方式,即采用电话线传送上行数据,以以太网卡传

送上行数据和通过有线网络传送上行数据.

（5）嵌入式系统技术.机顶盒是嵌入式系统在信

息家电方面的典型应用,所谓嵌入即镶嵌之意,指镶

嵌在其他设备中的系统.实际上机顶盒是计算机技

术,通信技术,半导体技术,微电子技术以及语言图像

数据传输处理技术,甚至传感技术与具体应用对象相

结合的产物,具备嵌入式芯片,嵌入式软件,嵌入式操

作系统和嵌入式系统开发工具四大部分的要素.

3.2机顶盒软件技术

数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置,

除音频视频解码由硬件实现外,其电视内容的重现,

操作界面的实现,数据广播业务的实现,直至机顶盒

与计算机的互联以及和Internet的互联,均需依靠软

件来实现.通常机顶盒的软件应用技术分为以下几个

方面:

（1）硬件驱动层软件.按驱动程序驱动硬件功能

的有射频解调器,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.该系统的主要作用是控制各

种资源,包括各种硬件的控制,系统资源的分配等.与

PC机操作系统不同,机顶盒是采用实时操作系统,可

在实时的环境中工作,并能在较小的内存空间中运

行.

（3）中间件.中间件是指建立于实时操作系统之

上的操作系统,如OPENTV,POWERTV和JAVATVOS

等.它通常由JAVA虚拟机,网络浏览器,图像与多媒

体模块等组成.它既是数字电视的核心技术之一,又

是开放式业务平台,具体而言是数字电视机的应用程

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

●2005年第24期（总第l92期）

一

有线电视技术系统设计与设备

表1数字机顶盒开发的增值业务

项目内容

基本业务模拟电视广播,FM广播,模拟付费电视

数字视频地面数字视频广播,有线数字视频广播,MMDS数字视频广播;卫星数字视频广播;数字付费电视

数字音频IP电话/传真;音乐点播;实时音频卡拉OK点播

信息点播,数据广播;股市证券信息广播;图文电视;应用程序下载;远程数据库存流向;电子商务;数字数据

家居银行

互联网接人服务;远程教育;远程医疗;网上购物;网上收费;电子广告;股市证券服务;网上音频视交

互式多媒体频广播业务

;可视电视与电视会议;社区多功能服务

序于操作系统和操作平台,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.

（4）上层应用软件.它的功能是执行服务商提供

的各种服务,如电子节目指南,准视频点播,数据广

播,IP电话和可视电话等.它可以用于各种STB硬件

平台,消除应用软件对硬件的依赖.

4机顶盒的应用探讨

机顶盒不仅实现数字电视模拟电视的转换而适

用于传统的电视机,而且应用十分广泛,几乎支持所

有的广播电视和交互式多媒体应用,诸如:

数字广播

电视接收,电子节目指南（EPG）,准视频点播（NVOD）,

按次付费观看（PPV）,软件在线升级,数据广播（DB）,

Intemet接入,电子邮件,IP电话,视频点播（VOD）等

等.目前,在数字机顶盒的数字视频,数字信息与交互

式应用的功能上,已开发出多种增值业务,具体如表

1所示.

4.1数据广播

按数字视频广播DVB的定义,数据广播有四种方

式,即数据管道（datapipe）,数据流（datastream）,多协

议封装（MultipleprotocolEncapsulation）和数据/对象

轮流传递（data/objectcarouse1）.其中数据管道支持异

步端到端的数据传输业务;数据流方式可以在数字电

视广播系统中实现面向流的,端到端的数据传输;多协

议封装对需要在数字电视广播系统中传送符合通信协

议的数据报的数据业务提供了技术支持;数据/对象轮

流传送则可以支持需要周期性传送数据模块的各种应

用.通过这些标准,可以实现各种数据广播的应用,如

股票信息广播,票务信息广播等等.除上述以外,软件

在线升级也属于数据广播的范畴.亦即数据广播服务

器按DVB数据广播标准将升级软件下载下来,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.

4.2Internet接入和多媒体技术应用

机顶盒可以通过内置的电缆调制解调器方便地

实现Internet接入功能,用户可以通过其内置的浏览

器上网,即通过机顶盒提供的各种接口与PC机连接,

再与网络连接.利用计算机对文字,声音,数据,图像

等各种信息进行综合处理,存储与传输.通过机顶盒

与计算机有机结合,可以开展交互式多媒体业务,例

如发送电子邮件,电子广告,网上购物,远程教育等

等.而且随着多媒体技术的发展,图,文,声,像会一体

化,信号的采集,处理,存储与传输等数字化,数字电

视机顶盒以其功能完善的特点,必将有力地推进数字

多媒体电子技术的快速发展.

总之,数字电视机顶盒以其独特的功能和技术特

点,显示出绰约风姿,成为现代电视技术的宠儿.随着

电子技术和数字化技术的突飞猛进,数字机顶盒将日

新月异,其发展趋势是结构不断更新,功能不断完善,

个性化服务更加明显.后续产品将着重于双CPU,高集

成度,具有射频回传,以太网回传接口,存储接口等多

种功能的开发,为软件升级构筑可扩展的平台.同时为

不同的增值业务挂接提供应用软件平台,并嵌入不同

CA有条件接收模块,以适应各种CA系统的需要.

尽管人们预见机顶盒是一种过渡型的产品,但由

于它功能之完善,结构之简洁,可能会长期存在下去,

即嵌入电视机作为数字化一体机的发展方向.相信它

有着顽强的生命力,为数字化电视技术的发展开创广

阔的前景.

参考文献

1刘文开,刘元航.有线广播数字电视技术.北京:

人民邮电出版社,

2003,10

2刘文开,刘元航.地面广播数字电视技术.北京:

人民邮电出版社,

2003.10

3郑志航,惠新标,叶楠.数字电视原理与应用.北京:

中国广播电视

出版社,2001.1

4刘毓敏.数字视音频技术与应用.北京:

电子工业出版社,2003.1

A

2005年第24期（总第192期）