数字机顶盒的设计与研究毕业设计论文文档格式.docx
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ABSTRACT
DigitalTVnowbecamethehotspot,radioandtelevisionindustryandhighdefinitiondigitalTVisdigitalTVintheworld'
shighestresolutionmodel,throughhigh-definitiondigitalTVset-topboxcanreceivehigh-definitiondigitalTVsignal,enjoythehighdefinitionpicture.
Thispaperinviewofthedevelopmentstatusquoofhigh-definitiondigitalTVset-topboxes,digitalcableTVset-topboxisintroducedtheworkingprincipleandstructureofsoftwareandhardware,anddigitalTVset-topboxNIM（modulator+Tuner）testindicators,principleandmethodsandthekeytechnologyofset-topbox,anddesignacanprovideanaloganddigitalTVsignalinputport,andrealizethedigitalhighdefinitionsignaloutputofthedigitalset-topboxes.Throughtheset-topboxes,digitalTVandanalogTVsignalsandotherconsumerelectronicproductssuchasDVDplayer,gameconsoleoutputsignal,canbetrulydigitaloutputtotheuser'
sdigitalTV,fullymeetuserdemandforhigh-resolutionimages.ItspreadrapidlyinthecurrentdigitalTVmarket,undoubtedlywillbehugebusinessopportunities.
SystemadoptsST（stmicroelectronics）companySTi5514+STi7020highdefinitiondigitaltelevisionsourcedecoder,STi5514isahighlevelofintegrationofmonolithicsdset-topboxsourcedecoderchip,andhasstrongcontrolfunction,cancooperateSTi7020realizehigh-definitionaudioandvideodecoding.Itintegratesahighperformance32bitCPU,threeoftheDVBtransportstreammultiplexingsettlementonemodule,aMPEGMP@MLvideodecodingmodule,morethanastandardaudiodecodingmodule,adigitalvideoencoder.Inaddition,ithasbuilt-inATAPIinterface,cantheseamlessconnectionandharddiskdrives,realizetheplaybackasandwhenthebroadcast,etc.Italsointegratesavarietyofperipherals,suchasSSC,ASC,infrared,etc.,canimplementconditionalaccess,softwareupgrade,remotecontrolreceiver,andotherfunctions.
Taskthispaperistodesignandimplementationofsystemhasthefunctionofciticsourcedecoderandahighfrequencyheadmodule,andintroducesindetailthehardwareandrealizationmethodofeachpart.
Keywords:
highdefinitiondigitalTVset-topboxes;
STi5514+STi7020scheme;
Thesourcedecoder;
Set-topboxkeytechnology
第一章绪论
数字电视系统一般可分为普通清晰度（PDTV）、标准淸晰度电视（SDTV）和高清晰度电视（HDTV）。
高淸晰度数字电视由于能提供更淸晰的图像、更逼真的声音、更大的屏幕，以及数字化传输方式所特有的高效数据传输率，可以在有限的传输频带内传送较多的电视节目，正成为数字化视听技术发展的一个新方向。
然而，由于模拟电视在我国家庭中的普遍存在，数字电视不可能很快完全取代传统的模拟电视，机顶盒（Set-TopBox,STB）正是传统模拟电视向数字电视过渡的最好解决方案。
1.1课题背景及意义
随着全球广播电视数字化的快速发展，我国在数字广播电视的发展上也作出了相应的规划，其中提出我国将在2015年停止模拟电视播出。
到目前为止，我国已有部分地区实现了广播电视的数字化。
那么，数字电视如何接收呢?
其实，数字电视的接收并不一定要数字电视接收机，由于数字电视的传输仍保留了现有模拟电视的是视频格式，因此在用户端，用户只需要加装一台数字电视机顶盒，并不需要对家里电视线路和电视机做任何的改动，用户便可以使现有电视机接收数字电视节目了。
我国数字电视产业仍处于起步阶段，我国的国情决定了我国的电视系统的数字化不可能一步到位，只能是有选择，分段进行的，从数字电视的发展趋势来看，我国数字电视发展将经历三个阶段;
机顶盒，标准清晰度数字电视SDTV和高清清晰度数字电视HDTV，这三者将在一个很长的时期内并存。
随着高清数字电视机的普及和数字电视信号的开播，越来越多的家庭购买了高清数字电视机。
从目前我国的实际情况来看，市场上还没有出现真正的商用化数字电视一体式接收机。
也就是内置了机顶盒的电视机。
目前我们要收看到数字节目，就必须利用机顶盒把数字广播信号转化为电视机能够识别的模拟信号（如AV端子输入）。
但是对于目前大多数的机顶盒而言，只能输出模拟信号，无法实现高清化，同时电视机的优点也被削弱。
因此，发展和研究高清数字机顶盒成为了高清技术和高清市场的发展带来的必然结果。
1.2机顶盒国内外研究的现状
1.2.1国外发展现状
数字电视机顶盒，是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟的视频和声音信号，通过电视显示器和音响设备给观众提供高质量的电视节目。
自从1994年开播卫星数字电视，到1998年底开播地面数字电视广播，数字电视实现了全面启动。
到1999年底，全球约有2500万台卫星数字电视机顶盒，700万台有线网数字机顶盒和40万台地面数字电视机顶盒和接收机，主要分布于欧洲、美国和日本。
由于客观情况、标准、制式等不同，各国的数字电视发展状况也不尽相同，其中美国、欧洲、日本的数字电视发展比较迅速，已经逐步实施数字电视的普及，对我国的数字电视发展模式、技术标准的选择有一定的指导和借鉴意义。
美国是世界上最早发展数字电视的国家，不仅在技术领域完成了数字电视三大标准的制订工作，而且率先实现了商用播出。
到2003年其地面数字电视的覆盖率己达94%。
欧洲数字电视的卫星广播于1996年开播，目前用户已超过500万，并己扩展至东欧。
整个欧洲采用以DVB为框架的数字电视标准，发展的侧重点放在标准清晰度数字电视（SDTV）。
日本也于2006年实现地面数字电视全国覆盖，主要是高清晰度数字电视（HDTV）节目。
荷兰己于2006年12月11日正式停播模拟电视信号的播出,这是全世界首个完全实现数字电视信号播出的国家，此后，还将有一些北欧国家和比利时在近两年陆续停播模拟电视信号。
美国和日本将分别在2009年和2011年停播模拟电视信号，我国计划将在2015年全面停播模拟电视。
1.2.2国内发展现状
我国一直非常关注数字电视技术的发展，从上个世纪的80年代开始跟踪国技术发展动态，90年代完成数字电视关键技术的理论储备。
我国对数字电视的研究从20世纪80年代末就已经开始了，在“八五”期间，国务院组织成立国家高清晰度电视研究开发协调领导小组，国家科委组织成立了HDTV发展战专家组，组织实施了“八五”国家重点科技攻关项目“高清晰度电视技术研究和计算机模拟”。
1995年，经国家高清晰度电视研究开发协调领导小组批准，成立了国家高清晰度电视（HDTV）研究小组。
1996年7月，由总体组负责，组织实施了“九五”国家重大科技产业工程项目“高清晰度电视功能样机系统研究与开发工程”。
经总体组和全国多所大学、研究所及企业的共同努力，于1998年6月，成功地研制出了我国第一台数字高清晰度电视功能样机系统。
1998年9月，利用该功能样机系统在北京中央电视台进行了演示，取得了很好的效果。
在1999年10月1日，中华人民共和国建国50周年之际，对天安门广场的国庆大典进行了现场直播，获得了成功。
目前我国中央电视台和众多省市、地方电视台都己实现了电视节目的数字卫星传输，电视台的传送和接收设备正在逐步实现数字化。
国家广电总局在十五规划和2010年远景规划中提出[2]:
我国将在卫星和有线电视中采用国际通用的DVB标准，在2003年完成具有我国自主知识产权的地面数字电视广播标准制定工作，并在2005年全面推广地面数字电视广播。
清华大学地面数字广播系统方案（DVB-T）和上海交通大研制的（ADVB-T）标准都己确立通过。
与美国、欧洲等西方发达国家不同的是，我国城市人口居住相对集中，90%以上的人是通过有线电视收看电视节目的，城市居民物质生活水平较高，这为发展数字电视创造了条件。
同时，有线数字电视传输、条件接收系统等标准已经颁实施，为有线数字电视试验提供了良好的技术标准支持。
另外，全长37000多公里的国家广播电视光缆干线网的开通，为全国有线数字电视开展创造了网络条件。
政府规定，2015年将全面实现数字化，完成模拟向数字的过渡，逐步停止模拟电视的播出。
1.3课题的研究内容
本课题基于现在机顶盒市场的现状，采取ST公司的STi5514+STi7020高清数字电视信源解码器方案，开发一种高清晰的交互式机顶盒,实现接收高清晰的数字电视信号,然后经过解调、解复用、解码后输出模拟信号给模拟电视机，并且达到分辨率1000线以上的高清晰显示效果。
论文共分为五章：
第1章为绪论，主要介绍了课题研究的背景、意义、国内外发展现状和课题的研究内容等。
第2章阐述了整个数字电视机顶盒的系统构成,包括硬件架构和软件体系层次，并介绍了机顶盒能够实现的各项功能。
第3章主要阐述机顶盒的关键技术。
第4章主要研究数字电视机顶盒NIM（网络接口）的测试指标、原理和方法。
第5章主要介绍了目前流行的几款高淸数字电视机顶盒的解决方案，并比较它们的优势和劣势，综合考虑所需功能、可扩展性、性价比等因素，选择了基于ST公司的STi5514+STi7020的解决方案。
第6章主要进行信源解码模块的设计。
第7章主要进行高频头模块的设计，介绍了数字电视调谐器的原理和芯片构成。
第2章数字电视机顶盒的原理及构成
2.1机顶盒的工作原理
图2-1-1有线数字电视原理框图
图2-2-1是有线数字电视机顶盒原理框图，机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2解码器、视频编码器、音频D/A、嵌入式CPU系统和外围接口、条件接收模块等组成。
具有交互功能的机顶盒则需回传通道。
高频头接收来自有线网的高频信号，通过QAM解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音、视频和其它数据信息的传送流（TS）。
传送流中一般包含多个音、视频流及一些数据信息。
解复用器则用来区分不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流，送入MPEG-2解码器和相应的解析软件，完成数字信息的还原。
对于付费电视，条件接收模块对音、视频流实施解扰，并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合法用户正常收看。
MPEG-2解码器完成音、视频信号的解压缩，经视频编码器和音频D/A变换，还原出模拟音、视频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。
2.2机顶盒的硬件系统构成
机顶盒的基本功能是接收数字电视节目、处理数据业务和完成各种应用的解析，主要由调谐器（高频头）、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2解码器、音频D/A、嵌入式CPU和外围接口、条件接收模块等组成。
基本结构如图2-2-1所示。
图2-2-1机顶盒硬件系统构成
信道解码：
数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。
在数字电视机顶盒中，高频头是必须的，不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。
根据DTV目前已有的调制方式，信道解码应包括QPSK、QAM、OFDM、VSB解调功能。
信源解码：
模拟信号数字化后，信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。
数字电视广播采用MPEG－2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。
音频目前则有AC－3和MPEG－2两种标准。
信源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原始音、视频数据。
嵌入式CPU：
嵌入式CPU是数字电视机顶盒的心脏，当数据完成信道解码以后，首先要解复用，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在数字电视机顶盒专用的CPU中集成了32个以上可编程PID滤波器，其中两个用于视频和音频滤波，其余的用于PSI、SI和Private数据滤波。
CPU是嵌入式操作系统的运行平台，它要和操作系统一起完成网络管理，显示管理、有条件接收管理（IC卡和Smart卡）、图文电视解码、数据解码、OSD、视频信号的上下变换等功能。
为了达到这些功能，必须在普通32～64位CPU上扩展许多新的功能，并不断提高速度，以适应高速网络和三维游戏的要求。
MPEG－2解码：
MPEG－2是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在MPEG－2技术基础上，MPEG－2是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。
MP@LL用于VCD，可视电话会议和可视电话用的H.263和H.261是它的子集。
MP@ML用于DVD、SDTV，MP@MH用于HDTV。
MPEG－2图像信号处理方法分运动预测、DCT、量化、可变长编码4步完成，电路是由RISC处理器为核心的ASIC电路组成。
2.3机顶盒的软件系统
电视数字化后，数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置。
除了音视频的解码由硬件实现外，包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现，直至机顶盒和个人计算机的互联以及和Internet的互联都需要由软件来实现。
图2-3-1机顶盒软件系统结构图
硬件驱动层软件：
驱动程序驱动硬件功能，如射频解调器、传输解复用器、A/V解码器、OSD、视频编码器等。
机顶盒作为一个客户端系统，除了要具有良好的硬件平台外还需要配备不同的软件系统才能使其完成各种任务。
驱动层包括机顶盒硬件的驱动程序和API接口，它主要用于完成对硬件设备的操作。
中间解释层将STB的应用程序指令翻译成CPU能识别的指令，从而通过驱动层去调动硬件设备完成相应的操作。
该层包括嵌入式操作系统、中间件、CA驻留软件等。
虽然中间件的使用可以给STB软件的设计和应用带来极大好处，但高昂的使用费用，对硬件需求的增加以及技术上的不成熟使中间件在国内鲜有应用。
目前许多软件设计者采用直接调用驱动层的软件来编写应用程序，这虽然可以满足一时的需求，但随着应用需求的增加，在STB中使用中间件才是一个很好的解决方案。
应用层可以分成驻留应用程序和可下载应用程序两部分，不同的STB软件设计理念使这两个部分包含的应用程序也不尽相同，合理规划这两部分的组成将有助于提高STB的可靠性和相应时间。
目前国内机顶盒中的应用较少，主要以EPG、数据广播、股票、简单的下载游戏等为主，而数字电视的魅力并不在于看电视，而在于这种基于数字电视平台的业务应用，这些应用将会改善人们的一些日常生活习俗。
随着双向网络的建设，交互式应用的普及，基于交互式的应用软件也将越来越多，这也会给运营商带来难以预料的增值收入。
有线电视数字机顶盒的技术含量非常高，它集中反映了多媒体、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发展水平。
2.4机顶盒能实现的功能
①接收数字电视广播节目，提供高质量的视频和音频信号输出，这是机顶盒的最基本功能。
②支持交互式应用（如视频点播、互动游戏等）。
作为用户前端设备，机顶盒是用户控制交互电视的接口，所以具有回传信道，提供系统的交互操作，这也是机顶盒的最基本功能。
③具有电子节目指南（EPG）功能。
它为用户提供一种使用方便、界面友好的操作窗口，用户通过交互操作，可以方便地看到所有频道上近期将播放的电视节目及选取自己所需的节目。
④有条件接收功能。
有条件接收的核心是加扰和加密，数字机顶盒应具有解扰和解密功能。
⑤支持数据广播应用功能。
向用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种信息。
⑥软件在线升级功能。
软件在线升级可看成是数据广播的应用之一。
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。
⑦Internet接人和电子邮件。
数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现Internet接人功能。
用户可通过机顶盒内置的浏览器上网、发送电子邮件、网上购物，打IP电话等。
同时机顶盒也可以提供各种接口与PC机相连，使用PC机接人Internet。
⑧视频点播功能。
该功能可让用户在所希望的时间和地点收看想看的节目，这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支持。
第三章机顶盒的关键技术
数字电视机顶盒的技术含量非常高，它集中反映了多媒体技术、计算机技术、数字压缩编码技术、通信技术、网络技术、加解扰技术、加解密技术的发展水平。
目前数字电视机顶盒的主要关键技术有下面几个方面。
（1）解调及信道解码技术
在机顶盒中，高频调谐器（高频头）是必需的，其调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。
卫星数字电视广播采用R-S码和卷积码进行信道编码，同时采用QPSK方式调制;
有线数字电视广播由于信道质量好，只用R-S编码作为纠错编码，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;
地面数字电视广播采用COFDM或VSB调制方式。
因此，对于接收端的机顶盒来说，针对不同的传输信道需分别采用QPSK、QAM、COFDM或VSB方式解调；
在信道解码方面需进行相应的R-S码或卷积码纠错解码。
（2）解复用和信源解码技术
为实现实时的解复用和数据信息处理，目前的系统大多采用专用芯片，将CPU内核与MPEG-2传送流解复用器、DVB通用解扰器、MPEG-2视频解码器、MPEG-2AAC（或DolbyAC-3）音频解码器、PAL/NTSC编码器集成，形成数字电视机顶盒的核心芯片。
另外，也有一些高档的可编程数字信号处理器（DSP）也能实现这一功能。
（3）上行数据的调制编码技术
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。
在实际应用中，如果CATV网是单向的，则也可通过公共电话网采用ADSL或VDSL接人技术来传送上行数据。
（4）条件接收技术
CA系统是数字电视项目中的重要组成部分，完成系统用户的认证、授权和节目加扰工作。
它需要解决两个问题，即如何从用户处收取费用和如何阻止用户收看那些XX的付费频道。
CA系统是一个综合性的系统，它涉及数据加扰解扰算法、加密解密算法、智能卡技术以及用户管理、节目管理、收费管理等数据应用技术，其中加扰解扰技术、加密解密技术是条件接收系统的核心技术，用于对数字电视节目进行加密与解密。
（5）嵌人式实时多任务操作系统技术
与PC机上的操作系统不同，数字电视机顶盒中的操作系统采用实时操作系统（RealTimeOperationSystem，RTOS），可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。
目前流行的实时操作系统有WindRiverSystem公司的VxWor
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