数字电视机顶盒技术.docx
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数字电视机顶盒技术
数字电视机顶盒技术-3
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§6.7数字电视机顶盒和中间件
6.7.1机顶盒定义与分类
机顶盒（STB,Set-TopBox）是以电视机为显示终端的信号接收与处理设备，因其外形小巧，适于安放在电视机的顶部而得名。
早期的机顶盒包括完成模拟电视信号接收与转换功能的频道增补器、频道解扰器、频道转发器等；随着互联网的发展，出现了意图取代个人计算机成为低价位的专用上网工具的网络机顶盒；随着电视广播的数字化，具有数字电视信号接收与解码功能的数字电视机顶盒大量普及，它解决了用模拟电视机收看数字电视广播的问题；当前，机顶盒主芯片的集成度不断提高，使得数字电视机顶盒的功能和接口不断增加，繁衍出数字视频记录器（PVR,PersonalVideoRecorder）、视频点播机顶盒、家庭多媒体中心等多种形式的产品。
数字电视机顶盒可以按产品的市场定位分类[17]：
（1）低档产品
基本型机顶盒仅提供数字电视信号（包括SDTV和HDTV）的接收与解码并转换成模拟电视信号输出的功能，属于低档产品。
按电视信号传输信道的不同，基本型机顶盒又分为数字有线电视机顶盒（我国已有基于DVB-C的行业标准）、数字卫星电视机顶盒（我国采用基于DVB-S的国家标准）和数字地面电视机顶盒（标准尚在制定中）三种。
这三种机顶盒的差别仅在信道部分。
（2）中档产品
这类产品比基本型机顶盒增加了硬盘和网络接口，主要包括具有数字视频记录功能和通过电话线或以太网的网络浏览或交互式电视等功能的机顶盒。
（3）高档产品
先进的数字视频记录器产品内置电缆调制解调器，并带有多种有线或无线外围设备接口，已经演化成家庭多媒体中心或家庭网关，这是高端的机顶盒产品。
数字电视机顶盒包含了解调、信道解码、解复用、条件接收控制和信源解码等数字电视的核心硬件技术，并依靠在其上运行的实时操作系统以及中间件软件和各类应用程序向用户提供直观易用且种类丰富的功能。
数字电视机顶盒的关键技术有大规模集成信号处理电路技术、条件接收技术以及中间件软件技术。
6.7.2机顶盒信号处理基本技术
一．概述
现行数字电视广播均按MPEG-2标准视频部分进行视频压缩，按MPEG-2标准音频部分或DolbyAC-3标准进行音频压缩，并按MPEG-2标准系统部分把压缩的视频流、音频流和附加数据组合成传送流后送往信道编码器。
如第4.3.2节所述，原始的视频流和音频流经过压缩编码，首先形成基本流（ES），然后ES被拆分为许多长度可变的包（包长最大不超过64kB），形成打包的基本流（PES）。
每个PES包都包含头信息和载荷，其中载荷含有一帧视频或音频信息，在头信息中有指明何时对该帧进行解码或显示的标志。
最后，属于一套或多套节目的视频、音频、附加数据的PESs被拆分成固定长度的传送包并按时分的方式复用成传送流（TS）进行传送。
来自不同PES的传送包的头信息中含有不同的包识别号（PID），以相互区分。
一路传送流中可以包含一套或多套节目，每套节目又可以包含多路PESs，为了使解码器能够找到所有的节目，MPEG-2标准系统部分定义了一组称为节目特定信息（PSI,ProgramSpecificInformation）的表，来说明传送流的内容，PSI也包含在传送流中。
PSI包括节目关联表（PAT,ProgramAssociationTable）、节目映射表（PMT,ProgramMapTable）、条件接收表（CAT,ConditionalAccessTable）和网络信息表（NIT,NetworkInformationTable）。
PAT列出本传送流中共包含几套节目，并给出每套节目对应的PMT的PID，PAT的PID是固定的0x0000。
每套节目对应的PMT列出该套节目中的视频、音频、定时信息、附加数据以及用于条件接收的授权控制信息所在传送包的PID。
CAT给出用于条件接收的授权管理信息所在传送包的PID，CAT的PID是固定的0x0001。
NIT给出广播网络中其它频道的调谐信息，但MPEG-2标准没有具体定义NIT。
接收端的数字电视机顶盒系统可以划分为信道解码器和信源解码器两部分，如图6-85所示。
通常，信道解码器又称为前端，信源解码器又称为后端。
信道解码器首先接收在信道中传输的射频信号并将其转换为中频信号，然后进行解调制和解信道编码、纠错等处理，恢复出传送流送往信源解码器。
信源解码器首先从传送流中筛选出用户感兴趣的一套节目所包含的PESs，这一步称为解复用。
如果节目没有被加密，则视频PES和音频PES分别被送往视频解码单元和音频解码单元；如果节目被加密，则先需把有关条件接收的信息送往条件接收模块，由条件接收模块恢复出视频PES和音频PES。
视频解码单元对视频PES进行MPEG-2解码后得到图像的YUV数据，再经过PAL制或NTSC制编码和D/A转换后成为可以在电视上显示的图像。
音频解码单元对音频PES进行解码得到的数据经过D/A转换后可送给扬声器。
图6-85数字电视机顶盒的结构示意图
以上所述为数字电视机顶盒的基本接收原理，下面将介绍其中的几项关键的信号处理技术，有关MPEG-2解压缩知识请参看§4.2。
二．声像同步
为了保证解码器声音与图像的精确同步，编码器在视频PES、音频PES和传送流中都插入了定时信息。
编码器具有一个稳定的频率为27MHz的系统时钟，在对声音和图像进行压缩编码时，编码器把与当时的系统时钟计数值对应的两个时间信息加入每一帧所在的PES的包头中，分别称为解码时间标志（DTS）和显示时间标志（PTS）；为了使解码器的时钟能校准到与系统时钟同步，编码器还每隔一小段时间就在传送流中插入当时的系统时钟计数值，该时间标志称为节目时钟基准（PCR）。
解码器也具有一个频率为27MHz的解码时钟，当其计数值与音、视频帧的DTS一致时，解码器对音、视频帧进行解码；当计数值与音、视频帧的PTS一致时，解码器播放解出的声音和图像。
可见只有解码时钟与编码系统时钟严格一致时，才能保证再现的声音与图像严格同步。
为此，解码器的时钟是通过一个锁相环电路来产生的，且其频率受PCR的控制。
三．传送流解复用
如前所述，一路传送流由多路PES组成，传送流解复用就是从传送流中分离出各路PES的过程。
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指出传送流的结构以及各PES所在传送包的PID，如图6-86所示。
机顶盒播放传送流中某一路节目时，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，则可得到PAT的数据；
（2）分析PAT数据，得到传送流中包含的节目个数，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，则可得到PMT的数据；
（4）分析PMT数据，可得到该路节目包含的视频、音频、数据各自所在传送包的PID；
（5）将解复用器过滤的PID值分别设置为视频、一路音频以及数据的传送包的PID，则解复用器将把各路PES送往相应的解码器。
图6-86PSI表与传送流结构的对应关系
四．视频解码
图6-87所示为我国1998年研制成功的数字HDTV功能样机中视频解码器的系统框图，该系统用FPGA实现。
视频解码器主要由系统控制器、数据缓存器、变字长解码器、游程解码器、系数产生器、宏块存储器、运动矢量产生器、运动补偿电路、IDCT、解码控制器和参考帧存器组成。
视频解码器的输入为视频PES，输出为4:
2:
0格式的视频YUV数据。
图6-87视频解码器系统框图
系统控制器将输入的视频PES拆分成视频ES和控制信息，分别送往内部的视频输入缓存器和参数存储器，同时控制缓存器不出现上溢或下溢；然后视频ES被解码至Slice层的视频数据并输出，而ES头部信息中的解码参数也被提取出来并送往下一级；另外，系统控制器还要完成音视频同步控制和掩错控制。
数据缓存器用于储存一帧的视频数据。
变字长解码器通过查EPROM中保存的变字长码表恢复Run和Level系数，游程解码器接着用这两个系数恢复出游程编码前的系数值。
系数产生器根据变字长解码器解出的有关帧内直流系数的信息将其恢复，同时从游程解码器的输出得到非帧内直流系数量化后的值，并进行反量化恢复出非帧内直流系数。
由于在编码时8×8的DCT系数是按一定顺序扫描后才进行变字长编码和游程编码的，所以在解码端的系数产生器恢复的64个系数必须按反扫描顺序写入宏块存储器来进行格式调整；宏块存储器也用于在分别处理帧编码和场编码的DCT系数时调整数据的格式。
运动矢量产生器根据系统控制器解出的解码参数计算出宏块的顶场的前向及后向运动矢量和底场的前向及后向运动矢量。
运动补偿电路首先对参考帧数据进行半像素内插处理得到半像素精度的参考图像，然后将运动矢量与当前待解码宏块的位置相加得到被参考宏块在参考图像中的位置，并将该宏块的数据与解码出的帧差信号相加，恢复出当前宏块的像素值。
解码控制器提供系统的时序与控制信号，并设置其它各功能单元运行时的参数。
五．解码图像的后处理
由于视频帧中B帧和P帧的解码都需要参考帧，所以它们的解码顺序与显示顺序并不一致，例如，帧的解码顺序为I1P1B1B2P2B3B4，而这些图像在显示缓存中将被调整为I1B1B2P1B3B4P2进行显示。
视频解码单元的输出为YUV数据，需要经过模拟制式编码，即转换成PAL制或NTSC制的数据格式并经过D/A变换后，才能在传统的模拟电视机上显示。
YUV数据也可经过矩阵变换运算，转换成RGB数据或YCrCb数据，再经过D/A变换接到提供VGA接口或分量视频接口的电视机。
RGB数据还可通过DVI接口芯片连接到提供数字视频接口的电视机。
机顶盒可以在播放电视节目的同时显示操作菜单，这称为OSD功能，它是通过在缓存的视频数据中叠加图形数据来实现的。
六．电子节目指南功能
机顶盒的电子节目指南（EPG，ElectronicProgramGuide）功能是显示在一段时间内各个频道上播出的节目的相关信息，并允许用户从中选择节目进行播放或录制。
这一功能极大地简化了用户录制节目的操作。
用户准备录制节目时不再需要查阅电视节目报并不厌其烦地在录像机上设置录像起止时间，而只需通过EPG菜单选择要收看或录制的节目，机顶盒将根据节目播出时间和所在频道信息自动按时切换频道进行节目的播放或录制；即使节目播出时间发生变更，机顶盒仍能及时调整接收时间。
在DVB标准和ATSC标准中定义EPG数据的传送格式的规范分别是DVB-SI（业务信息）和ATSCPSIP（节目与系统信息协议），这两个规范都是在MPEG-2的PSI表基础上的扩展。
DVB-SI定义的表包括网络信息表（NIT，NetworkInformationTable）、业务描述表（SDT，ServiceDescriptionTable）、事件信息表（EIT，EventInformationTable）、时间及日期表（TDT，TimeandDateTable）和业务群关联表（BAT，BouquetAssociationTable）、运行状态表（RST，RunningStatusTable）、时间偏移表（TOT，TimeOffsetTable）、填充表（ST，StuffTable），并规定了每个表的PID。
ATSCPSIP定义的表包括系统时间表（STT，SystemTimeTable）、主指南表（MGT，MasterGuideTable）、分级区域表（RRT，RatingRegionTable）、虚拟频道表（VCT，VirtualChannelTable）、事件信息表、扩展文字表（ETT，ExtendTextTable），并规定了STT、RRT、MGT和VCT的PID，其它表的PID由MGT给出。
6.7.3机顶盒硬件系统简介
本节以一个实际的具有视频记录功能的SDTVSTB为例，介绍其硬件系统组成和各部分的功能。
该产品的信道解码器选用THOMSON公司的DCF8721，信源解码器选用BROADCOM公司的BCM7115，具有上网功能和硬盘录像功能，并提供了USB接口，属于中高档的数字电视机顶盒。
一．系统组成
图6-88所示为该机顶盒的系统框图，BCM7115是可以单芯片实现机顶盒的产品，其外围电路较为简单，同时又提供了种类丰富的接口。
图6-88机顶盒的系统框图
BCM7115通过I2C接口控制DCF8721锁定某个数字频道，DCF8721将解出的传送流输出到BCM7115进行解码。
BCM7115完成解复用、视频解码、音频解码功能，并提供了多种音视频输出接口，如复合视频（CVBS）、S端子（Y/C）、分量视频（YCrCb）、立体声模拟音频、5.1声道数字音频接口（SPDIF——Sony-Philips数字接口格式）等。
在该系统中，前面板具有接收用户按键输入以及红外遥控器输入的功能；SmartCard接口可以插入智能卡，支持电视节目的条件接收；IDE接口除了已经连接一块大容量硬盘用于录制节目外，还可选配第二块硬盘以加大容量或是添加DVD-RW以支持光盘刻录；USB接口用于连接键盘、鼠标、游戏杆等输入设备或是U盘、移动硬盘等外部存储设备，能够实现多种多样的应用；BCM7115外接BCM4413以太网接口芯片，实现高速的网络接入，可支持上网浏览、影片下载等应用；RS232接口一般用于程序的升级。
BCM7115内部还集成了一个工作频率为200MHz的MIPS32处理器，除了完成系统控制功能，还可实现JPEG图片显示、MP3音乐播放等软件解码功能。
BCM7115的系统内存和解码缓存统一使用外接的32MB~64MBDDRSDRAM（双倍数据速率SDRAM），这种设计有效地降低了电路的复杂性。
Flash存储器用于储存程序的二进制代码以及用户设置等。
二．DCF8721信道解码器
图6-89示出DCF8721信道解码器的系统框图。
DCF8721是符合欧洲数字有线广播标准ETS300429的数字有线广播集成前端，支持DVB-C标准规定的所有调制模式，包括所有的星座图和符号率。
DCF8721包含一个VHF/UHF高频头、天线环路、数字信号的通道滤波、可控增益中频放大器和一个单芯片QAM解调器STV0297。
前端提供了一个低阻抗的第一中频输出，用于驱动模拟中频放大器或解调器。
前端提供传送流输出接口，可直接连接到传送流解复用芯片。
调谐、频带切换、初始化与解调器的控制都通过I2C接口进行。
图6-89DCF8721信道解码器的系统框图
STV0297是单芯片QAM解调器，可直接将输入的中频信号解调至MPEG-2传送流，支持16-QAM、32-QAM、64-QAM、128-QAM、256-QAM调制方式以及0.87MBaud~11.7MBaud的符号率。
STV0297采用直接中频抽样的结构，对输入的中频模拟信号进行A/D转换后，接下来的处理完全是在数字域进行，因此无需外部的反馈环路。
STV0297还提供了各种反映接收质量的参数，便于后端的处理器监测接收状况。
机顶盒接收某个选择的数字频道的工作过程如下：
（1）射频调谐后端的处理器首先通过I2C总线向STV0297写入所选频道的载频值，并由芯片内部的I2C转发器将指令发送给射频部分的PLL，使PLL调谐到该频率，于是射频部分直接将来自电缆的高频信号转换为36MHz的中频信号并传给STV0297。
（2）数字解调后端处理器向STV0297写入所选频道的调制方式和符号率设置。
该芯片首先对输入的中频信号进行A/D转换，同时AGC控制电路分别对射频部分的调谐器增益和中频增益进行控制，以达到最大的增益和最佳的接收性能；A/D转换器对中频信号的的欠抽样实际是个下变频的过程，继而有用的频谱映像被可编程的正交解调器变换为正交的两路准基带信号，并经奈奎斯特滤波器滤波以保证后面再通过时域的内插补偿可得到正确的符号值，数字AGC电路负责补偿滤波带来的能量损失，滤波后的信号再经过载波恢复和自适应均衡，便完成了从中频信号到基带符号码流的转换；STV0297在得到基带符号以后，要按照DVB-C规定的处理流程进行差分解码、符号到字节的映射、卷积去交织、RS解码、同步反转与解能量扩散以及解扰等环节的处理，恢复出传送流，完成整个QAM解调和FEC过程。
（3）性能监测后端处理器通过读取STV0297的状态寄存器可即时获取信号接收质量以及各处理单元是否锁定的信息，可以相应地调整前端的工作参数来达到最好的接收效果。
三．BCM7115信源解码器
图6-90示出BCM7115系统框图。
BCM7115是单芯片机顶盒系统，它集成了DVB-C解调器、SDTV信源解码器、MIPS32处理器、DAVIC（国际数字音视频协会）MAC（媒体访问控制器）等，可支持PVR。
它有如下结构特点：
图6-90BCM7115系统框图
（1）集成了1024/256/64-QAM解调器、带外（out-of-band，指传送电视信号所用带宽之外的频段，可用于以QPSK调制方式进行双向的数据传送）QPSK解调器、QPSK到256-QAM的上行流（upstream，带外上传数据）突发调制器。
包含一个完整的DAVIC1.2/1.5MAC，可用于实现交互业务。
（2）集成了MPEG-2和DVB解复用器、标准清晰度MPEG-2视频解码器、DolbyAC-3及MPEG音频解码器和可显示高质量的文本/图形以及具有3D效果的2D/3D图形子系统，另外还有PAL/NTSC模拟视频编码器、具有混音功能的PCM音频子系统和TV射频调制器。
（3）集成了BTSC（美国广播电视制式委员会）模拟音频解码器和带有梳状滤波器和时间基准校正的PAL/NTSC视频解码器。
（4）集成了拥有8-kB指令Cache和8-kB数据Cache的MIPS32RISC处理器，工作频率为200MHz。
（5）提供了一系列外围设备接口，包括支持Ultra-66DMA的IDE控制器、用于外接条件接收模块的POD接口、两路USB主机接口、IEEE1394接口、V.90软件调制解调器接口、小键盘输入接口、LED控制器、红外线发射和接收器等。
（6）提供独立的外部总线接口（ExternalBusInterface），可连接Flash、ROM、SRAM等外部存储器或是以太网接口芯片等功能模块。
（7）支持所有主流的条件接收系统。
（8）解复用器支持PVR功能，例如一边对正收看的节目进行时移操作，一边录制另一套节目，并且可独立进行加密/解密。
6.7.4机顶盒中间件简介
一．发展概况
数字电视机顶盒所能提供的功能不仅要依靠特定的硬件模块，而且有赖于BSP（板级支持包）、RTOS（实时操作系统）和相关的设备驱动程序、功能模块、应用程序等软件。
例如，基本型机顶盒仅能实现节目的条件接收，并向用户提供电子节目指南及图形界面，涉及的软件包括遥控接收、屏显、智能卡、前端、信源解码器、Flash/EEPROM存储器的驱动程序，图形库、业务信息解析函数库、节目数据库等功能模块以及用户菜单、节目接收、EPG等应用程序，如图6-91所示。
图6-91机顶盒软件模块的依赖关系
机顶盒的软件结构经历了没有中间件、使用专用的中间件和使用符合国际标准的中间件三个阶段，下面做一简要说明。
（1）第一阶段早期的数字电视机顶盒功能单一，因此软件功能也相对简单，程序开发人员通常是直接在硬件驱动程序和操作系统上构建应用程序，如图6-92所示。
图6-92不包含中间件的软件结构
这种软件结构的缺陷是应用程序依赖于特定的操作系统和驱动程序，给程序的移植或升级都带来了很大困难，难以使用第三方提供的程序库，也难以生成可以重用的程序库。
随着机顶盒提供的功能不断丰富，这种结构的缺陷越来越突出，已不能适应商业产品开发的需要。
（2）第二阶段为了将机顶盒软件顶层的应用程序和底层的硬件及网络部件分隔开，需要在两者之间插入一个中间层，即中间件（Middleware）。
数字电视中间件可定义为“位于机顶盒的硬件驱动程序和实时操作系统之上，数字交互业务应用程序之下，连接两部分的软件”。
中间件在不同的硬件平台和操作系统上为应用程序提供了一致的接口，使应用程序的开发跟底层硬件脱离，保证了应用程序的平台无关性。
不仅如此，中间件还将数字电视音视频处理、业务信息接收以及在数字电视系统平台上的数据广播等应用封装成程序库，通过相对简单的应用编程接口提供给上层应用程序，大大降低了应用程序的开发难度。
第二阶段的机顶盒软件都采用了某种中间件产品。
早期的中间件产品（如OpenTV的EN2、Liberate的TVNavigatorforDTV、Enreach的EnreachTVforDTV、Canal+的MediaHighway和Intellibyte的IBEPG、IBSIManager、IBBrowser等）分别是不同公司采用各自专有的技术实现的，大多基于C/C++语言和自定义的应用编程接口规范，其特点是采用应用程序解释器实现业务系统在多种平台上运行的能力。
图6-93所示为Canal+公司的中间件产品MediaHighway的系统结构。
图6-93MediaHighway系统结构
上述中间件产品都提供了从节目播出端到接收端的完整系统，对推动各自系统和产品的发展起了重要作用。
然而，由于不同的中间件系统间相互独立，电视业务互不兼容，形成了分割的纵向市场。
在欧洲，每个大的付费电视供应商都有自己的机顶盒用户群，而相互之间并不兼容，使得用户如果想接收不同供应商的节目则必须拥有各种不同的机顶盒。
这种局面的形成阻碍了数字电视产业的进一步发展。
（3）第三阶段为了解决中间件产品的兼容性问题，一些标准组织开始着手制定或已制定了中间件标准。
开放的中间件标准使广播商可以为其播出端、接收终端和应用分别选择不同的提供商，而不再单纯依赖于某一家的系统方案，因此能够形成一个横向市场，促进竞争，增加用户，降低成本，并可开拓交互电视的免费服务市场。
目前主要有如下的中间件标准：
DVB提出的MHP（MultimediaHomePlatform——多媒体家庭平台）标准；ATSC定义的DASE（DTVApplicationSoftwareEnvironment——数字电视应用软件环境）；ATVEF（先进电视发展论坛）提出的交互电视规范；CableLabs提出的OCAP（OpenCableApplicationPlatform——OpenCable应用平台）以及ARIB（日本广播工商业协会）的STD-B24。
第三阶段的机顶盒软件采用基于开放的标准的中间件，支持广泛的数字电视业务，实现机顶盒和业务系统之间的相互独立，节目内容可交换，保证了不同厂商的设备间的互操作性。
二．DVB-MHP标准概要
（1）DVB-MHP的研发
DVB组织从1997年开始MHP项目，旨在实现终端（机顶盒、一体机、多媒体PC）、外围设备和家庭接入网的集成。
2000年2月，MHP规范1.0版本由DVB指导委员会通过，并于同年7月被欧洲电信标准学会（ETSI）正式采纳。
2001年9月DVB通过MHP规范1.1版本，并于同年11月被ETSI正式采纳。
MHP是一个关于在数字视频广播中实现数据广播的开放的中间件国际标准，通过定义交互数
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