机顶盒的结构原理.docx

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机顶盒的结构原理

电视原理

课

程

论

文

姓名：

张本心

学号：

20112450131

目录：

0.引言-----------------------------------------------------------------1

1.有限数字电视机顶盒的几个重要模块-----------2

1.1调制解调模块---------------------------2

1.2编解码模块-----------------------------3

1.3MPEGII的解码模块----------------------3

1.4数字视频编码器和音频DAC----------------3

1.5图形控制模块---------------------------4

1.6媒体访问控制模块MAC--------------------4 

1.7可擦写DVD------------------------------4 

1.8加解扰模块和版权保护模块---------------4 

2.有线数字电视机顶盒的工作原理---------------5

3.数字电视机顶盒的主要技术-------------------7

3.1解调及信道解码技术---------------------7

3.2解复用和信源解码技术-------------------7

3.3大规模集成芯片技术---------------------8

3.4上行数据的调制-------------------------9

3.5加解扰技术-----------------------------9

3.6数字电视中间件-------------------------10

3.7应用程序-------------------------------11

4.数字机顶盒进展趋势-----------------------------------------11

4.1机顶盒硬件方面-------------------------11

4.2应用方面-------------------------------12

4.3机顶盒的软件方面-----------------------12

3.结语-----------------------------------------------------------------12

数字机顶盒的组成与工作原理分析

引言

机顶盒STB（Set-Top-Box）起源于二十世纪九十年代初，那时在欧美作为保护版权和收取收视费的重要手腕，有线电视台在每台用户电视机之前加一个密钥盒，只有交了费的用户才能正常收看电视，这就是最初的机顶盒。

1998年11月，美国和欧洲HDTV试播后，又一次掀起了机顶盒的高潮，这次机顶盒的主要作用是用普通模拟电视机收看数字高清电视，同时具有网络和有条件接收功能。

对于机顶盒，目前没有标准的概念，从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端设备都可称之为机顶盒。

从过去基于有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解码器，到将电话线与电视机连接在一路的“维拉斯”上网机顶盒、数字卫星的综合接收解码器（IRD，Integrated Receive Decoder）、和有线电视数字机顶盒都可称为机顶盒。

从狭义上说，若是只说数字设备的话，按主要功能可将机顶盒分为上网机顶盒、数字卫星机顶盒（DVB-S）、数字地面机顶盒（DVB-T）、有线电视数字机顶盒（DVB-C）和最新出现的IPTV机顶盒等。

数字电视机顶盒是信息家电之一，它是一种能够让用户在现有模拟电视上，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业电子产品。

机顶盒和电视机是数字电视产业链最重要的终端设备，只是二者的分工不同，机顶盒用于接收、解密、解码、提供增值服务，电视机用于显示，开播数字电视后，每台电视机必需配备一台机顶盒才能收看数字电视节目。

有线电视数字机顶盒除接收数字电视广播节目外，同时还具有多种数字电视广播和交互式多媒体应用的功能，如电子节目指南（EPG）、视频点播（NVOD）、顺次付费收视（PPV）、高速数据广播、软件在线升级、因特网接入和电子邮件等。

模拟电视必将被数字电视所取代，这是广播电视进展的方向，数字电视不仅能够提高节目质量，而且还能增加电视频道资源，优化更新电视服务功能，数字电视的信息服务平台也能够普遍应用于政府单位和社会各界，同时数字电视对推动国民经济进展具有重要意义。

1.有限数字电视机顶盒的几个重要模块

1.1调制解调模块 

数字机顶盒工作在有线电视网络状态下，有线电视网采用模拟传输，因此必需对数字信号进行调制和解调才能在模拟信道传输，调制解调器是系统关键的组成部份，在技术上类似此刻的电话调制解调器的原理，但采用了更高的调制方式，下行多采用64QAM或256QAM，在DVB-C（DigitalVideoBroadcastbyCable）和DAVIC中采用64QAM做为标准调制方式，以Motorola 的MC92305QAM 解调芯片为例，在7M模拟带宽上采用64QAM调制的数字信号速度可达42Mbit/S，上行目前采用两种方式，一种是采用电话线做为上行信道，另一种是采用双向HFC网的上行通道，采用HFC网时采用QPSK做为调制方案。

QAM或QPSK调制器将MPEG格式的数据流调制在一个标准的PAL信道内，与其他视频调制信号一路合路发送出去。

1.2编解码模块 

由于采用模拟通道，为保证数据传输的靠得住性和低误码率，前向纠错编码是必不可少的，DVB 采用Reed Solomon编码，RS码是一类纠错能力很强的多进制BCH码。

1.3MPEGII的解码模块

数字机顶盒的核心是数字视频技术，MPEGII的解码模块能够称为CPU之外的核心模块，MPEGII数字传输中采用交织编码，第一需要对码流进行去交织，视频、音频和数据码流的分离工作，和视频码的解码工作。

经以上各步骤MPEGII码流成为视频（CCIR656 格式）和音频数字信号。

MPEG多路复用器将各路节目流、数据流复合在一路，以188字节为一帧的MPEG2数据格式发送到射频调制器并提供电子节目单（EPG）。

1.4数字视频编码器和音频DAC 

数字机顶盒的“外设”是电视机和音响系统，数字的音视频信号必需转换为模拟音视频信号，以Motorola公司的MC44724为例，MC44724能够将ITU60一、656标准4:

2:

2 并行视频数据转换为PAL或NTSC格式的视频、S-Video、Y/Cb/Cr或R/G/B，扩展的VBI（VerticalBlankingInterval）信息输入口用于显示图文信息。

音频DAC超级普遍这里再也不介绍。

现代音响系统都支持DolbyProLogic和LucasfilmHomeTHX家庭影院系统，需在音频DAC之前用数字音频信号处置芯片对数字音频信号进行处置，目前有专用途置芯片和采用数字信号处置芯片DSP进行处置两种方式。

1.5图形控制模块 

和视频图形混合器数字机顶盒另一方面需要提供类似运算机的复杂图形乃至是三维图形，需要系统具有壮大的二维和三维图形加速芯片，而且需要将图形和视频信号能进行混合叠加显示，此类功能类似现有的字幕机。

1.6媒体访问控制模块MAC 

数字机顶盒在网络通信上能够看成是Cable Modem，IP路由器接收用户端通过PSTN（公用电话网）传来的点播信号并传送到Internet服务器/路由器。

目前主要参照DAVIC和IEEE 802.14 标准，IEEE802.14提倡采用ATM并在802.14 MAC访问层上概念了ATM层，DAVIC同时概念了以太网和ATM标准。

1.7可擦写DVD 

现有数字机顶盒完全工作在网络环境，仅能利用智能卡进行一些类似个人帐号、解码号等信息的贮存，不具有本地大数据存储功能，所有信息需要从网上取得，无论此刻网络状况仍是此后，像CD-ROM此类介质仍是大容量信息传递的一种主要方式，CD-ROM的缺点是信息无法更新。

采用可擦写DVD不仅能够利用光盘上的庞大信息，更有效的是通过Internet网进行数据更新，使DVD盘上数据维持最新状态，DVD应成为数字机顶盒的重要的备用模块。

1.8加解扰模块和版权保护模块 

在有线电视运营中，付费电视是一种主要的业务，要求数字机顶盒必需具有电视信号的加解扰功能。

2.有线数字电视机顶盒的工作原理

机顶盒各个模块在Internet的高速接入中，协同工作。

用户第一通过发送死令请求一个URL。

在利用PPP点对点协议的一次交易进程中，该命令最终抵达Internet业务提供者的调制解调器共用机架上。

然后通过动态分派法，该用户取得本次交易中利用的IP地址，并把请求送往Internet。

当Internet的内容被找到以后，接着把它送到Internet业务提供者（ISP）那里，再由ISP的路由器负责把它送到电缆电视网络，最后回到用户的机顶盒。

在有线电视的机顶盒，信息内容被截获。

机顶盒在电视机与电缆网络之间完成一个网关的任务。

它的任务是管理IP的通信流量，具有控制用户进出网络的能力一旦IP包抵达机 顶盒，把视频信号从该包中分离下来，对其中的数据进行译码，然后把它送到阅读器里预备在电视机上显示。

由于Cable Modem要求用户要配置一部电脑才能上网，影响了用户层的扩展，而利用机顶盒则不需电脑，一部电视机足矣，因此机顶盒的市场前景可能看好。

信息利用者从企业向家庭过渡，网络带宽从窄带向宽带过渡，用户入网设备从PC机向带机顶盒（STB）的电视过渡，利用界面从Windows向电视遥控键界面过渡，信息内容从为企业服务向为人民生活服务过渡，是网络服务进展的大方向，机顶盒（STB）显然是那个大方向上的一个阶段。

数字电视机顶盒接收数字电视节目，处置数据业务和完成多种应用的解析。

各类信源在进入有线电视网络之前通过两级编码，第一级是视音频信号的信源编码，并将所有信源封装成传输流，第二级是传输用的信道编码。

与前端相应，数字电视机顶盒第一从传输层提取信道编码信号，完成信道解调，接着还原紧缩的信源编码信号，恢恢复始视音频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。

数字电视机顶盒的工作进程：

数字电视机顶盒通过网络接口模块选择频道，并进行解调和和信道解码处置，输出MPEG-2多节目传输流数据，送给解复用器，解复用器从MPEG-2传输流数据中抽出一个节目的已打包的视音频大体流（PES）数据，包括视频PES，音频PES和辅助数据PES，解复用器中包括一个解扰引擎，可在传输流层和PES层对加扰的数据进行解扰，解复用器输出的是已解扰的视音频PES。

视频PES送入视频解码器，掏出MPEG-2视频数据并对其解码后，输出到模拟编码器，编码成模拟视频信号，再经视频输出电路输出。

音频PES送入音频解码器，掏出MPEG-2音频数据并对其解码，输出PCM音频数据到音频D/A变换器，音频D/A变换器输出模拟立体声音频信号，经音频输出电路输出。

其结构示用意如图一。

3.数字电视机顶盒的主要技术

数字电视机顶盒的技术含量很高，它集中反映了多媒体技术、运算机技术、数字紧缩编码技术、通信技术、网络技术、加解扰技术、加解密技术的进展水平，目前数字电视机顶盒的关键技术有下面几个方面。

3.1解调及信道解码技术

在机顶盒中，高频头是必需的，不过调谐范围包括卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。

作为最先提出数字电视传输标准的地域之一，欧洲第一考虑的是卫星信道，并提出了相应的标准DVB－S。

因为美国的ATSC标准不涉及卫星广播，所以DVB－S标准几乎为所有的卫星数字电视广播系统所采用。

我国也选用了DVB－S标准，DVB－S采用ＲS码、卷积交织和卷积码进行信道编码，同时采用QPSK方式调制，因此相应的机顶盒必需完成QPSK解调ＲS码或卷积码解码和解交织的进程。

有线数字电视广播由于信道质量好，只用ＲS码作为纠错编码，较少采用TCM卷积码，以降低接收端的复杂性，同时采用QAM调制方式，其中16QAM、32QAM、64QAM必选，128QAM和256QAM可选。

3.2解复用和信源解码技术

如前所述，一路传送流由多路PES包组成，传送流解复用就是从传送流中分离出各路PES的进程。

解复用器的工作原理是从输入的传送流中过滤出那些PID为特定值的包，并将其有效内容输出到解码器专用的存储器中。

PSI表中的PAT和PMT指出传送流的结构和各PES包所在传送包的PID，机顶盒播放传送流中的某一路节目时，一般采用如下的软件控制流程。

（1）将解复用器过滤的PID值设为0x0000，即PAT的PID，就可取得PAT的数据。

（2）分析PAT数据，取得传送流中包括的节目个数，每一路节目都对应一个PMT，PMT的PID在PAT中给出。

（3）欲播放某一路节目时，需要设置解复用器过滤的PID值为该路节目对应的PMT的PID，就可取得PMT的数据。

（4）分析PMT数据，可取得该路节目包括的视频、音频、数据各自所在传送包的PID。

（5）解复用器过滤的PID值别离设置为视频、音频和数据的传送包PID，则解复用器将把各路PES包送往相应的解码器。

3.3大规模集成芯片技术

为实现实时的解复用和数据信息处置，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编码器集成到一路，形成STB的核心芯片另外有一个高级的可编程数字信号处置器（DSP）也能实现这一功能。

CPU内核用于整体控制、管理和协调其他外设;MPEG－2传输流解复用器专用于处置TS流，按照传输流标识（一般来讲是PID）提取TS流中的音视频数据或其他控制信息;MPEG视频解码器专用于解码MPEG－2视频ES数据，输出数字视频数据（一般为YCBCＲ格式）到视频帧缓存;MPEG音频解码器专用于解码音频ES数据，输出数字音频数据（一般为PCM格式）到音频缓冲区;NTSC/PAL编码器在CPU决定输出某帧视频数据时读入一帧并生成符合PAL/NTSC标准的模拟信号（一般为CVBS或Y/C信号），能够直接被目前的模拟电视机接收并播放。

机顶盒功能复杂，要求芯片提供较多的功能，解码与内存关系紧密，要求CPU具有高性能的数据总线和足够的寻址空间;机顶盒必需有非易失性存储单元，必需能够寻址Flash中的地址;与高频头通信一般采用I2C协议，必需包括和支持I2C总线;机顶盒外设众多，一般需要较多的IO接口。

基于上述论述，机顶盒专用芯片至少需要知足上述的配置要求。

3.4上行数据的调制

开展交互式应用需要考虑上行数据的调制问题，由于上行数据相对于下行数据要少得多，目前在CATV网中一般采用QPSK或16QAM方式进行调制。

3.5加解扰技术

加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密，其大体原理是采用加扰控制字加密传输的方式，在用户端利用IC卡解密。

在MPEG传输中，与控制字传输相关的有两个数据流，即授权控制信息（ECMS）和授权管理信息（EMMS）。

由业务密钥（SK）加密处置后的控制字在ECMS中传送，其中包括节目来源、时刻、内容分类和节目价钱等节目信息。

对控制字加密的业务密钥在授权管理信息中传送，而且业务密钥在传送前要通过用户个人分派密钥（PDK）的加密处置。

EMMS中包括地址、用户授权信息、用户付费等。

用户个人分派密钥（PDK）寄存在用户的智能卡（SmartCard）中，在用户端，机顶盒按照PMT和CAT表中的CA－descriptor，取得EMM和ECM的PID值，然后从TS流中过滤出ECMS和EMMS，并通过SmartCard接口送给SmartCard。

SmartCard第一读取用户个人分派密钥（PDK），用PDK对EMM解密，掏出SK，然后利用SK对ECM进行解密，掏出CW，并将CW通过SmartCard接口送给解扰引擎，解扰引擎利用CW就可以够将已加扰的传输流进行解扰。

3.6数字电视中间件

目前用户在收看数字电视节目时要利用数字电视机顶盒，其硬件功能是对接收的射频信号进行信道解码、解调、MPEG-2码流解码及模拟音视频信号的输出，而电视内容的显示、EPG节目信息及操作界面等都依赖于软件技术来实现，缺少软件系统就无法在数字电视平台上开展交互电视等其他增值业务。

为观众带来高清楚度图像和高质量声音，是电视运营商所采取的手腕，提供交互式增值业务，不断地寻觅新的经济增加点和增加收入才是最终的目的，所以数字电视软件平台———中间件具有超级重要的作用。

数字电视中间件（MiddleWare）是数字电视业务系统中的一个重要软件平台，它以应用程序接口（ApplicationProgramInter{ace，API）的形式存在，提供了

数字电视业务应用的运行环境，其中包含了对数字电视的内容格式和传输协议的支持，并为数字电视业务应用提供程序接口。

数字电视中间件作为一个独立的软件层运行在数字电视系统的接收终端上，位于接收端内部的实时操作系统与应用程序之间，其核心作用是将应用程序与底层的实时操作系统、硬件实现的技术细节隔离开来，支持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行，使应用程序不依赖于特定的硬件平台和实时操作系统。

采用中间件技术，应用程序可独立于接收机硬件平台，不同硬件组成的数字电视接收机能在同一电视系统中使用，不同的软件公司可以基于同一编程接口来开发应用程序，并运行在不同的接收机中，使产品的开放性和可移植性更强，因此中间件技术可以降低接收机和应用软件的成本，增强数字电视的市场推广力

度和普及率。

3.7应用程序

应用程序用来执行服务商提供的各类服务功能，如电子节目指南、视频点播、数据广播、IP电话和可视电话等，应用程序独立于STB的硬件，它能够用于各类STB硬件平台，避免应用程序对硬件的依赖。

4.数字机顶盒进展趋势

未来机顶盒除给用户提供更好的服务之外，还向加倍交互、加倍灵活、加倍开放和低本钱方面进展，未来数字电视机顶盒的进展趋势能够从以下几个方面表现。

4.1机顶盒硬件方面

未来数字电视机顶盒的存储容量会不断增加，CPU技术会愈来愈成熟，多个HDTV的节目可同时解码，3D、2D图形功能会愈来愈完善，电缆调制解调器能够实现Internet接入和电子邮件的收发，乃至将Web页面与视频结合在一路。

4.2应用方面

数字电视机顶盒能够愈来愈多地支持电子节目指南、准视频点播、数据广播、Internet接入、电子邮件、视频点播和顺次付费观看、当即顺次付费观看等应用，其中下载类的应用将会占主要部份。

4.3机顶盒的软件方面

中间件产品的研究与开发将会进一步丰硕用户的应用软件，机顶盒能够成立家庭局域网，将DVD、打印机等设备与数字机顶盒有效地连接起来，实现信息家电。

另外，机顶盒还能够分析和记录用户观看记录，通过度析对比，为客户提供方便与个性化的服务。

5.结语

随着科技进展，交互式电视已经成为未来有线电视的进展的主要方向，在多媒体宽带网建设和国家信息基础设施中占有举足轻重的地位。

虽然目前其技术较为成熟可是仍然有专门大的进展空间要靠咱们学习并改良，如Tuner和解调芯片合二为一，物理上减小体积，降低本钱，提高性能，或3D机顶盒的性能及软硬件技术的改良等等。