第05章 机顶盒的研究与开发.docx
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第05章机顶盒的研究与开发
第五章机顶盒的研究与开发
5．1概述
目前的电视机大多数是模拟电视机，它们只能接收模拟电视信号，无法接收数字电视信号，为了能使目前正在使用的模拟电视机也能接收数字电视信号，必须在摸拟电视机与有线电视网络端口之间附加一个D/A转换的机顶盒装置。
机顶盒（STB：
SetTopBox）的概念是比较广泛的。
从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端设备都可称为机顶盒。
从基于有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器，到将电话线与电视机联系在一起的“上网机顶盒”、数字卫星的综合接收解码器（IRD：
IntegratedReceiveDecoder）、数字地面机顶盒，以及有线电视数字机顶盒都可称为机顶盒。
从狭义上说，我们可以将模拟设备排除在外，按主要功能将机顶盒分为上网机顶盒、数字卫星综合接收解码器、数字地面机顶盒，以及有线电视数字机顶盒，这些设备由于具有很好的网络功能，因此也成为信息家电的代表。
机顶盒是信号传输介质与电视机之间的一种接口，并提供附加增值服务，它是一种中间电子设备。
机顶盒可以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因特网的数字信号转换成模拟电视机可以接收的信号，使现有的模拟电视机用户也能分享数字化革命带来的科技成果。
同时，它也可以实现电视广播从模拟信号向数字信号的平稳过渡。
5．2机顶盒的分类与和特点
5．2．1因特网用机顶盒及其特点
因特网机顶盒能将现行的模拟电视机作为因特网的终端显示设备，它与电视机一起构成了类似于多媒体电脑，故又称WebTV。
第一台WebTV是1995年6月刚成立的WebTV网络公司开发成功的，1996年9月正式推出面向WebTV的在线服务。
许多著名的生产PC配件的厂商也推出了与WebTV配套的产品。
新一代WebTV终端的主要配量CPU，是64位高档微处理器，其主频为167MHz以上，具备硬盘和打印控制功能、实时视频解码功能（符合MPEG、QutikTime标准）和实时音频解码功能（符合MPEG、AC-3和RealAudio标准）；8MBRAM；三合一有线电视调谐器；56kFlexModem（调制解调器）；与电视机遥控器合成一体的红外线遥控键盘。
它还具有硬盘存储、在线打印、多画面（即画中画）、电视与WWW跨接以及电子电视节目指南等功能。
其中电视跨接功能更引人注目。
这是一项新的技术。
它能使电视节目制作商将自己选定的WWW网点地址（URL）编入电视节目的电视信号内，它可以解读这个URL信号，并在电视屏幕上显示一个标记。
用户可以通过点击这个标记连接WWW网点，以获取更多的信息。
5．2．2数字卫星机顶盒及其特点
此类机顶盒又称为数字卫星电视接收机，用来接收数字卫星广播节目。
该类机顶盒在几年前就已商业化，有专业的IRD，也有个人用的IRD。
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，数字卫星电视接收机基本采用DVB-S标准，国内外都有商用产品。
个人用的IRD在我国并不普及，但在国外还是具有较好的市场。
使用卫星电视接收机接收卫星直播数字电视射频信号，并由它对各种数字信号进行处理后送出模拟音频信号和模拟视频信号去模拟电视机AV输入端。
因此该类机顶盒的主要功能是接收数字电视广播，同时也支持数据广播、图文电视等应用。
另外，该机顶盒还能实现收视节目费用的支付功能，即可以节目为单位实现解密收视，用户只支付所解密收视节目的费用。
但由于它的传输平台是卫星信道，支持交互式应用比较困难。
5．2．3数字电视地面机顶盒
数字电视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，但由于这种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。
5．2．4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。
但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。
5．2．5软件机顶盒
软件机顶盒是一种通俗的叫法，其实它是一个网络计算机，只不过功能非常强大，能够做实时的高速数据处理。
其技术基础的正式学名叫软件定义宽带网络（SDC，SoftwareDefinedCable）。
SDC不是一个新的标准，而是一个开放式的网络结构，它可以包容现有的甚至未来的广播标准。
SDC终端，亦称为软件机顶盒，是其中的关键部件，它的功能和标准可以随时通过下载新的软件而改变。
软件机顶盒一般采用32/64位并行微处理器，以高效的物理层软件包和强大的运算能力支持包括CableModem、数字电视接收和家用电脑的部分功能。
HSDC具有如下特点：
由软件定义的视频压缩解码功能、音频压缩解码功能、传输层解码、数据解密方法、网络链路层协议、数据纠错方法、调制和解调方法、扩展功能、网络化的平台管理。
并且支持以上各方面现有甚至未来的技术及标准。
软件机顶盒与硬件机顶盒区别：
软件机顶盒也有硬件的部分,只不过设计的方案及标准与硬件机顶盒不同。
和硬件机顶盒一样,作为信息家电的一种，其外观和接口都是标准化的，从外观上来说，两者不会也不需要有区别，关键在于它们的潜力不同。
5.3数字机顶盒的基本原理与构成
5．3．1数字机顶盒的基本原理
数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目。
如图5.1所示，调谐模块接收射频载波信号并下行变频为中频载波信号，然后进行A/D转换为数字信号，再送入QAM解调模块进行QAM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。
图5.1：
数字电视广播接收解码示意图
5．3．2数字机顶盒的构成
有线电视数字机顶盒的硬件逻辑结构由以下几部分组成：
数字电视广播接收前端、MPEG解码、视音频和图形处理、电缆调制解调器、CPU、存储器以及各种接口电路。
数字电视广播接收前端包括调谐器和QAM解调器，该部分可以从射频信号中解调出MPEG传输流；MPEG解码部分包括解复用、解扰引擎和MPEG解压缩，其输出为MPEG视音频基本流以及数据净荷。
视音频和图形处理部分完成视音频的模拟编码以及图形处理功能。
电缆调制解调模块由一个双向调谐器、下行QAM解调器、上行QPSK/QAM调制器和媒体访问控制（MAC）模块组成，该部分实现电缆调制解调的所有功能。
CPU与存储器模块用来存储和运行软件系统，并对各个模块进行控制。
接口电路则提供了丰富的外部接口，包括通用串行接口USB、高速串行接口1394、以太网接口、RS232和视音频接口等。
图3.2所示为硬件逻辑框图。
清华同方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。
如图5.3所示。
图5.2:
有线电视数字机顶盒硬件逻辑结构框图
图5.3:
同方机顶盒软硬件环境
5．3．3实时操作系统
机顶盒中的操作系统不同于PC的操作系统。
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。
这种操作系统称为实时操作系统。
目前流行的实时操作系统有WindRiverSystem公司的VxWorks、IntegratedSystemsIncorporated公司的pSOS、Microware公司的DAVIDOS-9、ST公司的OS20、WindowsCE以及专为机顶盒开发的PowerTV等。
这些操作系统各有所长，在机顶盒中都有应用。
其中VxWorks、pSOS、OS-9、OS20等是通用的实时操作系统，在其他的嵌入式系统中也有广泛的应用。
当开发机顶盒时，实时操作系统应与中间件结合使用。
PowerTV是专为机顶盒开发的，并将中间件集成在一起的操作系统，在美国应用较广。
另外，随着嵌入式Linux的逐渐成熟，不仅为机顶盒厂商提供了一种选择，而且由于Linux的开放性和先进的结构，会对现有的实时操作系统构成巨大的威胁。
清华同方的数字机顶盒采用的是ST公司的OS20操作系统。
5．3．4中间件
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。
中间件在机顶盒环境中的位置如图3-3所示。
成熟的用于机顶盒的商用中间件产品有Opentv的EN2、Liberate的TVNavigatorforDTV、Enreach的EnreachTVforDTV、Canel+的Mediahighway和Intellibyte的IBEPG、IBSIManager、IBBrowser等，这些产品在市场上都占有一席之地，但彼此并不兼容。
目前，标准组织已经认识到已有中间件产品兼容性差这个事实，并且开始着手建立开放的中间件标准。
DVB提出了基于Java虚拟机的中间件标准DVB-MHP（多媒体家庭平台）；ATSC成立了T3/S17技术专家小组委员会，致力于机顶盒软件环境的定义，该软件环境称为DTV应用软件环境（DASE）。
ATVEF（先进电视发展论坛）也创建了一种称为AdvancedTelevisionEnhancementForumSpecificationforInteractiveTelevision的规范。
5.4清华同方数字电视机顶盒遵循的技术标准
5．4．1加解扰技术标准
目前，国际上有两种标准：
OpenCable定义的POD以及DVB定义的SimulCrypt与MultiCrypt标准。
POD是一个通过PCMCIA接口与机顶盒相连的模块，该模块除了解扰功能外，还可完成与前端的交互功能。
对于数字节目进行加密和解密用的加解扰技术。
清华同方数字机顶盒所遵循的解扰技术标准是DVB定义的SimulCrypt与MultiCrypt标准。
依据标准，其中MultiCrypt是采用PCMCIA接口与机顶盒连接，但只有解扰功能。
并且具有SimulCrypt的SmartCard接口，且机顶盒具有硬件解扰引擎。
5．4．2调制解调标准
到目前为止，各种研究机构对电缆调制解调器进行了广泛的研究，这些研究成果最终形成了几个国际性组织定义的标准，如IEEE定义的IEEE802.14协议，DAVIC定义的DAVIC协议以及MCNS定义的DOCSIS协议等。
在这些协议中，MCNS标准的目的最为简单和明确，就是在有线网络上透明地传输IP数据包，因此该协议对IP的支持最好；DAVIC的目的主要是给用户提供交互式的数字视音频服务，同时也兼顾提供数据传输，该协议对数字视频的支持是最好的；IEEE802.14的目的是建立一个基于HFC的城域网，并使该网络能支持各种业务，包括固定比特率CBR、可变比特率VBR以及有效比特率ABR服务，其目的是使它对ATM有很好的支持。
不同的目的使得各个标准间存在很大的差异，这些差异主要体现在各个标准定义的物理层、MAC层的帧格式和MAC协议。
IEEE802.14对ATM信元能很好地支持，并能通过ATM信元很好地支持QoS。
在传输ATM信元方面，该协议与MCNS相比，有较小的延迟和延迟抖动。
但在支持IP方面，由于必须通过AAL5来支持，因而在传输IP分组的吞吐量方面比MCNS标准低，这一点对DAVIC标准同样适用。
在MAC层，MCNS标准的上行信道访问方式和碰撞解析算法比IEEE802.14和DAVIC都简单，使得用户端设备比较简单，再加上对IP有最好的支持，使MCNS标准在目前的市场上最为看好。
但也正是因为其简单，在采用MCNS的CableModem进行话音和视频业务时还有一些缺陷，具体地说，MCNS标准的CableModem在支持IP电话和可视电话方面，还需要增加支持QoS的机制。
但随着DOCSIS1.1的发布，该标准已逐步完善起来。
在对数字视频业务的支持上，DAVIC由于对数字电视广播的兼容和具有带外信道的优势，在数字机顶盒的标准中有重要影响。
事实上，北美的OpenCable标准就是将MCNS与DAVIC有机结合的产物，而欧洲的EuroBox和EuroModem实际上就是采用DAVIC标准。
而最早开始制定的IEEE802.14协议，已渐渐地被市场抛弃。
5．5清华同方数字电视机顶盒的技术指标
清华同方数字有线电视接收机是完全按照DVB-C（ETS300429）标准设计开发的，可提供高质量演播室级的视、音频。
信道解码快速、误码率低,支持多种QAM调制方式以及可变符号率。
考虑到数据的上行发送，系统加入了可选的电话拨号接口,用以实现简单的数据上行。
因此，只需重新加载程序，就可以实现具有点播功能的VOD系统的机顶盒，无需改动硬件。
用户界面简洁、易用，并提供中英文双语选择。
5．5．1接收能力
1）支持的调制方式:
QAM16，32，64，128，256
2）符号率:
最高至11.5Mbaud
3）输入频率范围:
VHFLOW:
50～143MHz
VHFHIGH:
143.5～418.5MHz
UHF:
418～886MHz
4）输入电平:
-12dBmV～17dBmV
5）中频频率:
36.15MHz
6）3dB带宽:
8MHz
7）输入阻抗:
75Ω（非均衡）
5．5．2视频
1）输出制式:
PAL/NTSC
2）幅频响应:
<0.5dB,>-0.3dB（<4.8MHz）,>-1.8dB（<5MHz）
3）K因子:
<0.5%
4）S/N加权值:
>64.9dB
5）亮度非线性:
<4.2%
6）微分增益:
<2.03%
7）微分相位:
<0.68%
8）色亮延时不等:
<17.5ns
9）色亮增益不等:
<4.6%
10）可存储多达100套节目
5．5．3音频
1）幅频响应：
<2dB,>-2dB（20Hz～20KHz）
2）信噪比：
73.28dB
3）左右声道干扰：
-73.66dB
4）谐波失真：
<0.91%
5．6清华同方机顶盒的功能
清华同方机顶盒在未来最大的应用领域就是交互电视。
交互式电视（ITV）又称视频点播电视（VOD），90年代初问世，是一种有线电视公司或信息中心，以交互式方式提供节目的系统，所以也被称作受观众控制的电视。
该系统采用非对称双工通信模式，信道中传输的是数据流，即数字信号，所以普通电视机不能直接作为该系统的终端设备。
附加一台电视机顶盒则可以使普通电视机作为该系统的终端设备。
这里机顶盒起关键的作用，它既是用户选择节目的选择器，又是确保用户终端正常运行的控制器。
同时也是有线电视服务商开展增值服务的基础。
5．6．1基本功能
1）能指示用户室内设备、CATV网络和节目资源的状态；能利用用户电视机屏幕显示服务公司及信息提供者发出的消息和菜单。
2）将用户选择的信息传输到服务中心或信息提供者。
3）能向用户提供基本的终端控制功能，如在选择收看视频点播节目时，能进行快进、快倒、暂停和记录等录像机所具有的功能。
4）具有双向通信能力，能实现电视购物、远程教学和远程视频点播等。
5）能与家用电脑相连。
6）能提供与有线电视网络的接口。
7）能提供音频和视频的解码功能。
8）能提供安全与权限管理。
9）还应包括其他扩展功能，这些功能可以通过选件的形式来实现，用户根据需要选择配置和使用。
5．6．2增值功能
清华同方机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字电视广播接收、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、Internet接入、电子邮件、IP电话和视频点播等。
1）电子节目指南
电子节目指南给用户提供一个容易使用的、界面友好的、可以快速访问节目的一种方式，用户还可以通过该功能收看一个或多个频道，甚至所有频道上近期将播放的节目。
同时，EPG可提供分类功能，可以帮助用户浏览和选择各种类型的节目。
2）准视频点播
准视频点播也称为增强/先进的PPV，是一个特殊的广播应用。
NVOD用户和服务提供者之间没有真正的交互，服务提供者将节目的标题广播下来，用户仅仅可选择所提供的频道，该机制是由EPG来支持的。
NVOD的功能包括：
预览：
在用户购买前，对想购买的节目进行预览；
选择：
在EPG中选择一个已购买的节目；
暂停：
停止播放该节目；
恢复：
在暂停后恢复观看该节目；
快进/快退：
对该节目实现快进/快退操作。
3）数据广播
DVB定义了四种数据广播方式：
数据管道（datapipe）、数据流（datastream）、多协议封装（MultipleProtocolEncapsulation）和数据/对象轮流传送（Data/ObjectCarousel）。
DVB的数据广播规范具有很强的数据业务支持能力，同方机顶盒实现对上述数据广播业务的支持，其作用类似一个在用户家中的数据通信网关。
机顶盒本身可以不对接收数据的有效负载进行处理，只是通过解复用实现数据分流，将相应的数据送给处理终端。
4）软件在线升级
软件在线升级是数据广播（DataCarousel）的应用之一。
数据广播服务器按DVB数据广播标准将升级软件广播下来，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。
5）Internet接入和电子邮件
有线电视数字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，并可以提供以太网接口，用来连接PC。
使用电缆调制解调器的速度与电话调制解调器相比，提高了100倍，最高可达到10Mbps，所以非常具有竞争力。
目前市场上最为火爆的电缆调制解调器是MCNS定义的DOCSIS标准。
6）IP电话
通过电缆调制解调器，还可以实现IP电话功能。
用户在使用该功能时，只需将普通电话与机顶盒的RJ11接口相连即可。
电缆调制解调器可以保证传输语音时的服务质量（QoS）。
7）视频点播
为每个用户提供视频点播功能，让用户能在他所希望的时间和地点收看他想看的节目，是服务提供商的主要目标。
有线电视数字机顶盒利用交互式的数据信道和广播信道，为实现该功能提供理想的技术基础。
清华同方未来将要推出的全功能数字机顶盒中将会实现该功能，并能实现快进、快退、暂停、恢复等VCR操作。
当然，该应用需要相应前端设备的支持。
将来，我们将使用该机顶盒和美国EVS公司的视频服务器为有线电视台提供完整的商业运营解决方案。
5．7数字电视机顶盒的发展趋势及前景
5．7．1硬件平台的发展趋势
在机顶盒的硬件平台上，会在几个方面有较大的发展：
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；电缆调制解调器功能更加完善，以支持高速Internet接入和电子邮件，并将Web页面与视频有机地融合。
5．7．2机顶盒的应用发展方向
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：
电子节目指南、按次付费观看、立即按次付费观看、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。
当然，还会有许多其他新的应用。
5．7．3
在机顶盒的软件方面，标准化的中间件产品将进一步发展，用户将可以共享丰富的应用软件。
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，并通过内置的电缆调制解调器与Internet相连，真正地成为信息家电。
另外，机顶盒将给用户提供更具个性化和方便的导航系统，机顶盒将可以跟踪用户的观看习惯，扫描宽带网络中的各种数字服务，给用户显示节目和服务的建议时间表。
5．7．4市场前景分析
在数字电视普及之前，为使模拟电视部分地实现数字电视的功能，机顶盒是良好的过渡性产品。
由于我国有3亿台理想模拟电视机，7600万有线电视用户，这就使机顶盒成为目前消费者迎接信息时代的最理想产品。
广大计算机和彩电生产商对这一市场极为关注，各自推出了自己的产品。
日前主要有数字电视机顶盒、网络电视机顶盒和多媒体机顶盒三种类型。
1）数字电视机顶盒
数字电视机顶盒（DVB－C）的主要功能是使模拟彩电能够接收数字电视信号，使用户的收视质量达到演播室水平。
我国中央电视台上星的节目传输已基本转向数字化，演播室节目制作目前已有一半是数字方式，今后两年内将全部转成数字方式。
同时，全国干线传输与短距离光纤、微波传输基本采用了数字方式。
数字电视的发展远比我们原来想象得快，估计在2－3年时间内，不少城市就可以看到数字电视。
由于真正的数字电视接收机在国外高达5000美元左右，要进入中国普通百姓家庭还有多年的路要走。
随着有线电视数字节目的开播，机顶盒（DVB－C）将形成一个庞大的市场。
这一类型的机顶盒能在较短时间内满足人们对数字电视的要求，也为数字电视节目的制作和数字电视接收机的推广准备了条件。
但由于目前模拟电视机的功能限制，只能接近DVD画面质量即演播室质量水平。
而且由于这类机顶盒不能满足广大用户浏览互联网的要求，将会影响用户对它的需求热情。
在这两方面的制约下，估计在前期市场炒作的情况下，市场销量将很快上升，但随着替代产品的不断推出，市场需求将会很快下降。
从时间来看，今年底或明年初将开始形成热销局面，三、四年后销量将逐渐下降。
2）数字卫星电视接收机
这种机顶盒可使卫星数字电视节目直接到家，尤其适于未开通有线电视、居住分散的边远地区如山区、乡村用户使用。
我国今年为了解决全国还有许多村收不到电视、听不到广播的问题，首先搞一个KU波段的卫星转发器，把中央八套节目集中到一个转发器上发射，可以直接到村，重点解决10万个村收看、收听的问题，这也是将来实现卫星直播的第一步。
但由于我国有关政策对接收卫星电视节目的限制，这一市场有待开拓。
3）网络电视机顶盒
这类机顶盒的主要功能是使模拟彩电能够测览互联网，并附加学习机、游戏机、VCD机功能，成为信息电器的主导产品。
目前主要包括微软的“维纳斯计划”和凯思的“女蜗计划”。
1999年3月比尔.盖茨在深圳抛出的“维纳斯计划”，即可以跨跃计算机实现电视机上网、有线电视节目自由点播的机顶盒。
它迎合了信息产品家电化和家电产品信息化的市场需要，以及3C（计算、通讯、消费）融合的趋势。
因此引发了国内家电业、PC业、VCD业、软件业、信息服务业的极大关注。
也给家电业、软件业、信息服务业和有线电视业带来新的商机。
在“维纳斯计划”宣布进军中国15天后，凯思软件集团宣布中国己研制出自己的产品—一“女蜗计划”。
据称，“女蜗计划”的嵌入式操作系统已顺利完成了产品化过程，应
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