數(shù)字機(jī)頂盒的結(jié)構(gòu)和原理

機(jī)頂盒(STB)簡(jiǎn)介：

機(jī)頂盒是一種能提供模擬音頻和視頻接口，使現(xiàn)在的模擬電視機(jī)能正常接收節(jié)目;同時(shí)，還能提供數(shù)字電視、數(shù)字廣播接口，提供交互式功能的接口裝置。它一頭接有線電視網(wǎng)的同軸電纜，一頭接用戶家里的電視機(jī)。專門為不打算買電腦和用電腦的廣大用戶設(shè)計(jì)。S-A(Scientific-Atlanta) 在94年為Time Warner Cable 在奧蘭多的Full Service Network(FSN)設(shè)計(jì)了第一個(gè)數(shù)字機(jī)頂盒(Digital Set-Top Box) ，采用SGI的MIPS芯片和軟件技術(shù)的數(shù)字機(jī)頂盒將計(jì)算機(jī)技術(shù)帶入家電領(lǐng)域。機(jī)頂盒除了能提供數(shù)字電視、數(shù)字廣播接口，提供交互式功能，包括電話接口、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口，甚至提供攝像機(jī)與游戲機(jī)接口等。能接收和存儲(chǔ)用戶發(fā)出的某些指令，并擁有一個(gè)中央處理單元，控制機(jī)上變換器各部分的工作，能夠進(jìn)行繁重的數(shù)值計(jì)算，并對(duì)數(shù)字視頻/音頻信號(hào)進(jìn)行解壓縮輸出和壓縮輸入。機(jī)頂盒實(shí)際上就是多功能的計(jì)算機(jī)。這里對(duì)數(shù)字機(jī)頂盒的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，可以讓大家對(duì)數(shù)字機(jī)頂盒硬件結(jié)構(gòu)有總體的了解和認(rèn)識(shí)。

一、數(shù)字機(jī)頂盒包含幾個(gè)重要模塊：

a. 調(diào)制解調(diào)模塊

數(shù)字機(jī)頂盒工作在有線電視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，有線電視網(wǎng)采用模擬傳輸，因此必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)才能在模擬信道傳輸，調(diào)制解調(diào)器是系統(tǒng)關(guān)鍵的組成部分，在技術(shù)上類似現(xiàn)在的電話調(diào)制解調(diào)器的原理，但采用了更高的調(diào)制方法，下行多采用64QAM或256QAM，在DVB-C(Digital Video Broadcast by Cable) 和DAVIC中采用64QAM做為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方法，以Motorola 的MC92305QAM 解調(diào)芯片為例，在7M模擬帶寬上采用64QAM調(diào)制的數(shù)字信號(hào)速率可達(dá)42Mbit/S，上行目前采用兩種方式，一種是采用電話線做為上行信道，另一種是采用雙向HFC網(wǎng)的上行通道，采用HFC網(wǎng)時(shí)采用QPSK做為調(diào)制方案。QAM或QPSK調(diào)制器將MPEG格式的數(shù)據(jù)流調(diào)制在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PAL信道內(nèi)，與其他視頻調(diào)制信號(hào)一起合路發(fā)送出去。

b. 編解碼模塊

由于采用模擬通道，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院偷驼`碼率，前向糾錯(cuò)編碼是必不可少的，DVB 采用Reed Solomon編碼，RS碼是一類糾錯(cuò)能力很強(qiáng)的多進(jìn)制BCH碼。

c. MPEG II的解碼模塊

數(shù)字機(jī)頂盒的核心是數(shù)字視頻技術(shù)，MPEGII的解碼模塊可以稱為CPU以外的核心模塊，MPEG II數(shù)字傳輸中采用交織編碼，首先需要對(duì)碼流進(jìn)行去交織，視頻、音頻和數(shù)據(jù)碼流的分離工作，以及視頻碼的解碼工作。經(jīng)以上各步驟MPEGII碼流成為視頻(CCIR656 格式)和音頻數(shù)字信號(hào)。MPEG多路復(fù)用器將各路節(jié)目流、數(shù)據(jù)流復(fù)合在一起，以188字節(jié)為一幀的MPEG2數(shù)據(jù)格式發(fā)送到射頻調(diào)制器并提供電子節(jié)目單(EPG)。

d. 數(shù)字視頻編碼器和音頻DAC

數(shù)字機(jī)頂盒的“外設(shè)”是電視機(jī)和音響系統(tǒng)，數(shù)字的音視頻信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為模擬音視頻信號(hào)，以Motorola公司的MC44724為例，MC44724可以將ITU601、656標(biāo)準(zhǔn)4:2:2 并行視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PAL或NTSC格式的視頻、S-Video、Y/Cb/Cr 或R/G/B，擴(kuò)展的VBI(Vertical Blanking Interval)信息輸入口用于顯示圖文信息。音頻DAC非常普遍這里不再介紹?，F(xiàn)代音響系統(tǒng)都支持Dolby Pro Logic和Lucasfilm Home THX家庭影院系統(tǒng)，需在音頻DAC之前用數(shù)字音頻信號(hào)處理芯片對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行處理，目前有專用處理芯片和采用數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP進(jìn)行處理兩種方式。

e. 圖形控制模塊

和視頻圖形混合器數(shù)字機(jī)頂盒另一方面需要提供類似計(jì)算機(jī)的復(fù)雜圖形甚至是三維圖形，需要系統(tǒng)具有強(qiáng)大的二維和三維圖形加速芯片，而且需要將圖形和視頻信號(hào)能進(jìn)行混合疊加顯示，此類功能類似現(xiàn)有的字幕機(jī)。

f. 媒體訪問(wèn)控制模塊MAC

數(shù)字機(jī)頂盒在網(wǎng)絡(luò)通信上可以看成是Cable Modem，IP路由器接收用戶端通過(guò)PSTN( 公用電話網(wǎng))傳來(lái)的點(diǎn)播信號(hào)并傳送到Internet服務(wù)器/ 路由器。目前主要參照DAVIC和IEEE 802.14 標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.14倡導(dǎo)采用ATM并在802.14 MAC訪問(wèn)層上定義了ATM層，DAVIC同時(shí)定義了以太網(wǎng)和ATM標(biāo)準(zhǔn)。

g. 可擦寫(xiě)DVD

現(xiàn)有數(shù)字機(jī)頂盒完全工作在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，僅能利用智能卡進(jìn)行一些類似個(gè)人帳號(hào)、解碼號(hào)等信息的儲(chǔ)存，不具備本地大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，所有信息需要從網(wǎng)上獲得，無(wú)論現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)狀況還是今后，像CD-ROM此類介質(zhì)仍是大容量信息傳遞的一種主要方式，CD-ROM的缺點(diǎn)是信息無(wú)法更新。采用可擦寫(xiě)DVD不僅可以使用光盤上的巨大信息，更有效的是通過(guò)Internet網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，使DVD盤上數(shù)據(jù)保持最新?tīng)顟B(tài)，DVD應(yīng)成為數(shù)字機(jī)頂盒的重要的備用模塊。

h. 加解擾模塊和版權(quán)保護(hù)模塊

在有線電視運(yùn)營(yíng)中，付費(fèi)電視是一種主要的業(yè)務(wù)，要求數(shù)字機(jī)頂盒必須具備電視信號(hào)的加解擾功能，由于采用數(shù)字信號(hào)，加解擾比模擬信號(hào)加解擾容易和保密度高，DVB對(duì)加解擾功能有相關(guān)定義，另一方面，采用數(shù)字信號(hào)在版權(quán)保護(hù)上加大了難點(diǎn)，目前采用Macrovision generator 進(jìn)行活動(dòng)圖像的保護(hù)。

二、機(jī)頂盒的工作原理：

機(jī)頂盒各個(gè)模塊在Internet的高速接入中，協(xié)同工作。用戶首先通過(guò)發(fā)送命令請(qǐng)求一個(gè)URL。在使用PPP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議的一次交易過(guò)程中，該命令最終到達(dá)Internet業(yè)務(wù)提供者的調(diào)制解調(diào)器共用機(jī)架上。然后通過(guò)動(dòng)態(tài)分配法，該用戶獲得本次交易中使用的IP地址，并把請(qǐng)求送往Internet。當(dāng)Internet的內(nèi)容被找到之后，接著把它送到Internet業(yè)務(wù)提供者(ISP)那里，再由ISP的路由器負(fù)責(zé)把它送到電纜電視網(wǎng)絡(luò)，最后回到用戶的機(jī)頂盒。在有線電視的機(jī)頂盒，信息內(nèi)容被截獲。機(jī)頂盒在電視機(jī)與電纜網(wǎng)絡(luò)之間完成一個(gè)網(wǎng)關(guān)的任務(wù)。它的任務(wù)是管理IP的通信流量，具有控制用戶進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的能力一旦IP包到達(dá)機(jī) 頂盒，把視頻信號(hào)從該包中分離下來(lái)，對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，然后把它送到瀏覽器里準(zhǔn)備在電視機(jī)上顯示。

由于Cable Modem要求用戶要配置一部電腦才能上網(wǎng)，影響了用戶層的擴(kuò)展，而使用機(jī)頂盒則不需電腦，一部電視機(jī)足矣，因而機(jī)頂盒的市場(chǎng)前景可能看好。信息使用者從企業(yè)向家庭過(guò)渡，網(wǎng)絡(luò)帶寬從窄帶向?qū)拵н^(guò)渡，用戶入網(wǎng)設(shè)備從PC機(jī)向帶機(jī)頂盒(STB)的電視過(guò)渡，使用界面從Windows向電視遙控鍵界面過(guò)渡，信息內(nèi)容從為企業(yè)服務(wù)向?yàn)槿嗣裆罘?wù)過(guò)渡，是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展的大方向，機(jī)頂盒(STB)顯然是這個(gè)大方向上的一個(gè)階段。

數(shù)字電視機(jī)頂盒接收數(shù)字電視節(jié)目，處理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和完成多種應(yīng)用的解析。各類信源在進(jìn)入有線電視網(wǎng)絡(luò)之前經(jīng)過(guò)兩級(jí)編碼，第一級(jí)是視音頻信號(hào)的信源編碼，并將所有信源封裝成傳輸流，第二級(jí)是傳輸用的信道編碼。與前端相應(yīng)，數(shù)字電視機(jī)頂盒首先從傳輸層提取信道編碼信號(hào)，完成信道解調(diào)，接著還原壓縮的信源編碼信號(hào)，恢復(fù)原始視音頻流，同時(shí)完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多種應(yīng)用的接收、解析。

數(shù)字電視機(jī)頂盒的工作過(guò)程：數(shù)字電視機(jī)頂盒通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口模塊選擇頻道，并進(jìn)行解調(diào)和和信道解碼處理，輸出MPEG-2多節(jié)目傳輸流數(shù)據(jù)，送給解復(fù)用器，解復(fù)用器從MPEG-2傳輸流數(shù)據(jù)中抽出一個(gè)節(jié)目的已打包的視音頻基本流(PES)數(shù)據(jù)，包括視頻PES，音頻PES和輔助數(shù)據(jù)PES，解復(fù)用器中包含一個(gè)解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對(duì)加擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾，解復(fù)用器輸出的是已解擾的視音頻PES。視頻PES送入視頻解碼器，取出MPEG-2視頻數(shù)據(jù)并對(duì)其解碼后，輸出到模擬編碼器，編碼成模擬視頻信號(hào)，再經(jīng)視頻輸出電路輸出。音頻PES送入音頻解碼器，取出MPEG-2音頻數(shù)據(jù)并對(duì)其解碼，輸出PCM音頻數(shù)據(jù)到音頻D/A變換器，音頻D/A變換器輸出模擬立體聲音頻信號(hào)，經(jīng)音頻輸出電路輸出。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖一。

數(shù)字電視機(jī)頂盒包括硬件和軟件兩部分。硬件提供數(shù)字電視機(jī)頂盒的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)音視頻的解碼。在數(shù)字電視技術(shù)中，軟件技術(shù)比硬件占有更為重要的位置，因?yàn)殡娨暪?jié)目?jī)?nèi)容的重現(xiàn)、操作界面的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，以及機(jī)頂盒和Internet的互聯(lián)都需要軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1、數(shù)字電視機(jī)頂盒硬件組成

(1)網(wǎng)絡(luò)接口模塊(NIM)：網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成信道解調(diào)和信道解碼功能，送出包含視音頻和其他數(shù)據(jù)信息的傳輸流(TS)。

(2)信源數(shù)據(jù)傳輸流解復(fù)用器：傳送流中一般包含多個(gè)音視頻流及一些數(shù)據(jù)信息，傳輸流解復(fù)用器用來(lái)區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應(yīng)的音視頻流和數(shù)據(jù)流，送入視音頻解碼器和相應(yīng)的解析軟件。

(3)條件接收模塊：對(duì)于付費(fèi)電視，條件接收模塊還對(duì)音視頻流實(shí)施解擾，并采用含有識(shí)別用戶和記憶功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。

(4)視音頻解碼器和后處理：MPEG-2解碼器完成對(duì)音視頻信號(hào)的解壓縮，經(jīng)視頻編碼器和音頻D/A變換，還原出模擬音視頻信號(hào)，在模擬電視機(jī)上顯示高質(zhì)量圖像，并提供多聲道立體聲節(jié)目。

(5)嵌入式CPU與存儲(chǔ)器模塊和接口電路：嵌入式CPU是數(shù)字電視機(jī)頂盒的心臟，它與存儲(chǔ)器模塊用來(lái)存儲(chǔ)和運(yùn)行軟件系統(tǒng)，并對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行控制。接口電路提供豐富的外部接口，包括通用串行接口USB，以太網(wǎng)接口及RS232，模擬、數(shù)字視音頻接口，數(shù)據(jù)接口等。

2、數(shù)字電視機(jī)頂盒軟件系統(tǒng)

在機(jī)頂盒中，軟件系統(tǒng)是一個(gè)重要的組成部分。主控制器的工作通過(guò)軟件的執(zhí)行來(lái)完成。