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数字机顶盒的毕业论文

数字机顶盒的毕业论文

北京信息职业技术学院

毕业论文

题目

数字机顶盒技术

学生姓名

高芳

学号

092112220

系部

电子工程系

专业

通信技术（3G方向）

班级

0921122

指导教师

毛瑞丽

摘要

随着数字电视广播和因特网的迅速发展，用户对信息需求的不断增强，机顶盒演变成以电视机为显示终端的信息接收和处理设备。

本文简单介绍了机顶盒的基本概念、原理以及分类。

详细介绍了机顶盒的构成，软件系统和硬件系统并以大显DC-618C型数字电视接收机顶盒为例对机顶盒的设计与制作展开了详细阐述，另外还简单介绍了新一代高清机顶盒的系统设计以及机顶盒未来的发展，三网融合技术。

关键词：

软件系统、硬件系统、大显DC-618C机顶盒、高清数字机顶盒

图1-2-1数字机顶盒的分类

1.3数字机顶盒的功能

由于多种因素的限制，国内广播电视的数字化改造以有线电视作为发展重点，广电总局也于2001年5月发布了“有线数字电视广播信道编码与调制规范”。

有线数字电视终端产品——机顶盒在近几年获得快速发展，国际上主流芯片的机顶盒解决方案，如:

ST、IBM、LSILogic、Fujitsu、Philips，在国内均已产品化。

机顶盒已经在开展数字电视广播的地区开始使用，根据用户需求和消费水平的差异，机顶盒支持的业务也不同，存在着多种类型的产品。

普及型机顶盒:

主要以接收基本的付费数字电视节目为主，满足大多数用户需求，并且具有良好的性能价格比。

主要功能如下:

支持基本的数字音视频和数字音频广播接收。

集成有条件接收系统。

具有中文电子节目指南（EPG）和二级以上字库。

支持软件在线更新功能。

支持复合视频（CVBS）输出，具有音频输出处理功能（单声道、立体声和双声道）。

增强型机顶盒:

在普及型机顶盒基础上增加基本中间件软件系统，基于基本中间件可以实现数据信息浏览、准视频点播、实时股票接收等多种应用。

集成基本中间件系统。

支持数据广播、实时股票等数据信息接收功能。

支持NVOD点播功能。

具有多种游戏。

具有音频输出处理功能（单声道、立体声和双声道）。

具有Y/C、复合视频（CVBS）、Y/Cb/Cr输出（可选功能）。

具有逐行扫描输出（可选功能）。

可支持Modem电话拨号回传方式。

交互式机顶盒:

集成了符合MHP标准的中间件软件系统，除提供增强型机顶盒主要功能外，还可以基于MHP提供交互式应用、网页信息浏览等多种增值业务。

新增功能如下:

集成MHP中间件系统。

支持交互式应用，如:

视频点播、互动游戏、网上冲浪

第二章智能数字机顶盒的原理及构成

2.1机顶盒的工作原理

图2-1-1有线数字顶盒原理框图

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2-2-1数字机顶盒软件系统

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。

加解扰技术用于对数字节目进行加密解密，其基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法，用户端利用IC卡解密。

在MPEG传输流中，与控制字传输相关的有两个数据流：

授权控制信息（ECMs）和授权管理信息（EMMs），由业务密钥（SK）加密处理后的控制字在ECMs中传送，其中还包括节目来源、时间、内容分类和节目价格等节目信息。

对控制字加密的业务密钥在授权管理中传送，并且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥（PDK）的加密处理，EMMs中还包括地址、用户授权信息，如用户可以看的节目或时间段，用户付的收视费等。

用户个人分配密钥（PDK）存放在用户的智能卡（SmartCard）中。

在用户端，机顶盒根据PMT和CAT表中的CA-descriptor，获得EMM和ECM的PID值，然后从TS流中过滤出ECMs和EMMs，并通过SmardCard接口送给SmartCard。

SmartCard首先读取用户个人分配密钥（PDK），用PDK对EMM解密，取出SK，然后利用SK对ECM进行解密，取出CW，并将CW通过SmartCard接口送给解扰引擎，解扰引擎利用CW就可以将扰的传输流进行解扰。

加解扰技术分为同密和多密技术。

同密技术是将两家或两家以上的条件接收（CA）系统应用于同一网络平台之中，从有线电视台角度是实现技术的选择和竞争的环境。

多密技术要求机顶盒采用CI技术，实现同一机顶盒可接收不同CA系统加密节目。

从用户角度来讲，不会因购买是一家CA的机顶盒而受到限制，用户还有选择其CA服务的可能性。

2.3机顶盒的硬件系统

从结构上看，机顶盒一般由主芯片、内存、调谐解调器、回传通道、CA（ConditionalAccess）接口、外部存储控制器以及视音频输出等几大部分构成。

图2-3-1机顶盒硬件系统

调谐解调器部分的作用是将传输过来的调制数字信号解调还原成传输流，调谐解调器的不同就构成了不同的数字机顶盒，例如用于QPSK解调的卫星机顶盒（DVB-S），用于QAM解调的有线数字机顶盒（DVB-C）以及用于OFDM解调的地面传输数字机顶盒（DVB-T）。

目前市场上比较流行的调谐解调器的生产厂商有Thomson、Sharp等，国内虽然也有一些厂商生产调谐解调器，但市场份额很小。

信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式CPU、MPEG－2解压缩是数字电视机顶盒的主要技术。

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。

　　上行数据的调制编码

　　开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。

目前普遍采用的有3种方式，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。

　　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。

MPEG－2解压缩电路包含视频、音频解压缩和其它功能。

在视频处理上要完成主画面、子画面解码，最好具有分层解码功能。

图文电视可用APHA迭显功能选加在主画面上，这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据，要有很高的速度和处理能力。

OSD是一层单色或伪彩色字幕，主要用于用户操作提示。

　　在音频方面，由于欧洲DVB采用MPEG－2伴音，美国的ATSC采用杜比AC－3，因而音频解码要具有以上两种功能。

随着芯片技术的发展，越来越多的厂家将机顶盒的功能更多地集成在一个主芯片里，例如现在大部分厂商都将CPU、解码器、解复用器、图形处理器与视音频处理器集成在芯片中，甚至一些以Philips为代表的芯片厂商将调谐解调器也集成在芯片中，形成一体化的芯片解决方案，有效地降低了器件成本并提高了可靠性。

在主芯片中，首先根据传输流所传递的标志信息对接收到的传输流进行解复用，然后根据CA智能卡所传递的解扰信息对节目流进行解扰，解扰后的TS流送到视音频解码器中分别对其进行解码，还原成AV信号进行输出，同时，也分离出复用在TS流中的各类系统数据表，送给机顶盒处理器分别输出。

另外，由于在主芯片中集成了CPU和图形管理器，使机顶盒可以完成更多的功能，它可以运行各种软件完成诸多任务，例如股票接收、网页浏览等，也可以通过图形管理器实现2D甚至3D的图形处理，为用户提供更美观的界面，实现交互式游戏等各种高画质应用。

由于CPU是主芯片的核心，因此通常情况下CPU的性能就决定了主芯片的性能。

CPU的性能一般是由主频决定的，主频越高则CPU的性能也越高。

目前最快的CPU主频已经超过了400MIPS，即使是目前市场上流行、最基本的机顶盒中CPU的主频也超过了50MIPS。

CPU速度同运行其上的业务系统有着必然的联系，如果需要在一个STB中运行一个HTML浏览器，100MIPS可能就是对CPU的最低要求，当然这还需要内存的配合。

在某些方面，机顶盒同PC机有很多相似之处，甚至可以说是一台简化了的PC机，两者最相似之处就是内存。

对机顶盒而言，内存主要分为Flash内存和SDRAM内存。

Flash用来存贮机顶盒的系统软件、驱动软件、应用程序以及一些用户信息，在系统断电时内容还可保留，同时Flash可以通过在线的方式对其上所载的软件进行更新，达到机顶盒软件升级的目的。

SDRAM主要是用来存储应用数据。

机顶盒的许多功能都需要内存来实现，例如图形处理、视音频解码和解复用等，不同的应用需求，内存的大小配置也各不相同。

容量大的Flash和SDRAM的配置虽然可以为将来的业务系统预留足够的内存空间，但内存并不是决定软件能否运行的因素，它需要配合CPU来工作，不切合实际的高配置只会造成资源浪费，而无助于STB性能的提高。

外部存储设备一般指外挂式硬盘，大容量的硬盘可以用于存储节目流以满足用户的个性化需求。

一个STB中能否外挂硬盘一般都是由主芯片所决定的，只有CPU的处理能力达到一定程度时才有可能支持硬盘的读写，而硬盘的读写也需要更多的内存空间。

通过读卡器读取CA智能卡中的数据用于数字电视节目的解扰，特别是在付费电视发展的今天，这是大多数STB必不可少的部件。

除了标准的读卡器外，在有些STB中也采用通用接口CI（CommonInterface）来完成对CA智能卡的读取。

CI是一个由DVB组织为机顶盒和分离的硬件模块之间定义的标准接口。

这种起源于PCMCIA的技术应用，使机顶盒可以批量生产，也为机顶盒带来了变化，有着广泛的应用前景。

随着机顶盒应用的扩展，使用户对机顶盒的需求已经不单单停留在简单地收看视音频节目上了，交互式的需求使机顶盒中内嵌了回传设备，这些设备可以包括网络适配器、调制解调器等通信接口，用于满足用户将信息回传到前端。

新技术的发展使机顶盒的物理接口也不断地增加，如RS232接口、红外遥控器接口、无线键盘接口、Wi-Fi接口等等，使STB可以同摄像机、DVD、PDA等众多设备进行连接。

第三章智能数字机顶盒的设计（以大显DC-618C为例）

3.1引言

数字电视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的发展水平，在设计技术上主要包括机顶盒硬件技术和软件技术两大部分,其中,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。

这里介绍一款基于STi5518芯片的DC-618C型数字电视接收机顶盒的设计。

3.2DC-618C数字电视接收机顶盒的设计

图3-2-1STi5518芯片内部功能框图

芯片内置81MHz的32位RISCCPU、2K字节存储器、2K字节D存储器和4K字节D存储器（SDRAM）；片内的音频解码器支持MPEG-2多声道解码，3×2声道PCM输出，DTS数字输出和MP3解码；具有高性能在屏显示功能，每像素2到8位OSD可选，具有抗闪烁、抗摆动的滤波器；内置PAL/NTSC/SECAM编码器，支持RGB、CVBS、Y/C和YIN输出。

图3-2-2解复用、音视频解码模块

分配SDRAM存储器接口可支持1或2×16M位、或1×64M位、125MHz的SDRAM，对SDRAM、ROM和外围器件可编程；前端接口有串行、并行和ATAPI接口，硬件扇区滤波器，集成的CSS解扰和跟踪缓冲器；片内的传输流解复用器支持并行/串行输入，DES和DVB解扰，32个PID；具有2个UART、2个智能卡、I2C控制器、3个PWM输出、3个捕捉定时器；支持MODEM；具有44位可编程I/O口、红外发射器/接收器。

　3.2.1应用于DC-618C机顶盒的OS20操作系统

内嵌于Sti5518内部的CPU--ST20，使用的是ST所独有的嵌入式实时操作系统OS20。

OS20操作系统是一个模块化的高性能的实时操作系统,它具有较强的实时性和多任务能力，这主要取决于它的任务调度机制，从调度策略上来讲，OS20采用分优先级调度策略（默认为16）和时间片轮转调度策略——即同一优先级下多任务处理采用时间片轮转处理方式。

OS20系统的内存开销也很小，核的开销大约为：

内部只占600字节，每个任务占用的内存：

内部24字节，外部36字节。

此外，OS20操作系统还具有任务切换时间短等特点。

STi5518解码芯片本身的性能比较强大，可以满足应用对硬件的要求，关键在于软件对硬件的管理上，随着应用的复杂化，一个嵌入式控制系统可能要同时控制和监视很多外设，要求有实时响应，有很多处理任务，各个任务之间有多种信息传递。

如果仍采用原来的程序设计方法存在两个问题，一是中断可能得不到及时响应。

处理时间过长，这对于一些控制场合是不允许的，对于网络通信方面则会降低系统整体的信息流量。

二是系统任务多，要考虑的各种可能也多，各种资源如调度不当就会发生死锁，降低软件可靠性，程序编写任务量都会有大幅度增加。

图3-2-3STi5518硬件系统结构

3.2.2DC-618C机顶盒的软件架构设计

依据软件工程的原理，DC-618C机顶盒软件采用从上到下的层次化设计，依次由易到难，由具体到抽象和由软件到硬件，主要包括如下几层

应用层：

应用层是控制整个机顶盒操作的高层代码，也是需要程序员自己完全实现的代码。

在这一层中实现各种各样的功能，包括初始化各种外设、创建任务、设置节目频点、实现用户输入输出操作等。

对于与第三方的软件合作，包括网络浏览器，也嵌入在应用层中，应用程序可以直接调用驱动层的应用程序接口（API）。

第三方的中间件可以通过驱动使用层来调用应用程序接口。

所有的应用层组件在功能上能通过操作系统移植层来访问实时操作系统。

驱动层：

驱动层通过调用硬件抽象层，来管理各种外设和内部子系统模块，将这些模块的功能抽象化和屏蔽化，向上一层提供应用层程序接口，使得应用层的操作直观和简洁。

应用层组件通过调用驱动层API来控制系统硬件功能和服务。

这些驱动完成普通的低层任务，如控制传输解复用和音视频解码等。

硬件抽象层:

对DC-618C的所有硬件的操作必须通过修改寄存器来实现,DC-618C将所有寄存器与接口统一编址,使得通过软件对寄存器的操作非常简单,硬件抽象层正是完成这一功能.可以说,H.A.L.是驱动层的子集,负责直接编辑硬件。

驱动层提供通用的低层功能,同时H.A.L.在硬件上实现这些功能。

为了响应驱动层的调用,H.A.L.执行特定的芯片函数,编辑芯片寄存器来完成一个特定的功能,它只与一种特定的芯片相对应,所以当改变硬件平台时,只需要改变相应的硬件抽象层。

　3.2.3EPG（电子节目指南）的实现

电子节目指南，是指在符合MPEG-2的TS传输流中插入DVB标准定义的SI信息，使机顶盒的综合接收解码器可以从TS流中提取出节目提供商播出节目的列表和播出参数，以直观的形式显示给数字电视用户。

EPG信息由两部分信息组成：

基本EPG信息和扩展EPG信息。

基本EPG信息是指完全可以用《数字广播业务信息规范》中的网络信息表NIT、业务群关联表BAT、业务描述表SDT和事件信息表EIT进行描述的EPG信息。

扩展EPG信息是指在基本EPG信息之外，通过数据轮播传递的EPG信息，这些信息的入口采用EPG映射表（EMT）进行描述，信息的内容被封装成具有多级目录结构的文件系统，称为扩展EPG内容信息（XECI）。

基本EPG信息和扩展EPG信息中的EPG映射信息均采用表传输方式；扩展EPG信息中的扩展EPG内容信息采用数据轮播方式传输。

在数字电视节目的播出过程中，可以加入辅助的SI信息，供机顶盒解码器的开发者来实现五花八门的电子节目指南的导航功能。

EPG提供的信息主要包括：

传送信息的天数（例如一周）、传送频道的数目和名称、传送的节目数、节目提供商的标识和名称、传送网络的信息（网络标识和网络名称），其细节信息还包括：

节目名称、节目的简单介绍、节目的开始和结束时间、节目的主题、节目的类属、节目的观看分级限制（例如对某个年龄段进行限制）。

利用机顶盒收看数字电视节目，用户通过EPG不仅能够接收普通的电视节目、广播节目或图文电视节目，而且，还可以查看感兴趣的信息：

按节目分类（如音乐节目、体育节目、电影等）检索节目；按节目提供者检索节目；未来一段时间内节目播出表；视频网络中节目播出情况等信息。

　3.2.4PSI/SI信息及其功能

MPEG-2中的传送码流是根据ITU-TRecH220、ISO／IECDIS13818-2协议定义的一种数据流，其目的是为了在有可能发生严重错误的环境下进行一道或多道程序的编码数据的传送和存储。

这种错误表现为比特值错误或分组丢失。

传送流的速率可以是变化的或固定不变的。

在任何情况下组成的原始流可以是变化的或固定不变，在这些情况下的语法和语义限制是相问的。

传送流速率由节目参考时钟（PCR）字段的位置和数值决定，通常对于每个程序都有自己的PCR字段。

传送流中有关PID的信息及各PID之间的关系包含在最主要的PSI（ProgramSpecificInformation：

节目特定信息）中，MPEG-2解码器将使用PSI信息来自动设置解码所需的各种参数。

PSI信息使用4个表来定义码流的结构：

PAT（ProgramAssociationTable：

节目关联表）、PMT（ProgramMapTable：

节目映射表）、NIT（NetworkInformationTable：

网络信息表）、CAT（ConditionalAccessTable：

条件访问表）。

MPEG-2在PSI中提供了不少有关节目组成和相互关系的信息，从而使得在接收端可以正确地对TS流进行解复用。

但是这些信息在实际使用时仍然显得不够，为此在DVB标准中采用SI（ServiceInformation：

业务信息）对PSI信息进行了进一步的扩展。

PSI中的信息基本上都是与当前码流相关，即它们所涉及的内容都与当前码流中的部分信息相关；而SI信息可以包括不在当前码流中的一些服务和事件，允许用户进行更多的选择和了解更多的其他服务。

头端系统每隔一定周期将重复传送SI信息，对于最高速率为100Mbits/s的传送流而言，重复传送SI信息的最小间隔为25毫秒。

这样，对于新开机的用户，在很短的时间内，就可以接收到SI（业务信息），构成EPG（电子节目指南）所需的各项条款。

　　3.2.5EPG信息的提取

一般而言，PAT表的PID号为“0x00”，解复用器工作总是通过寻找PAT表开始。

PAT给出了构成传送流中各个节目业务的PMT（节目映射表）的PID，同时也给出了NIT（网络信息表）的PID号。

根据PID值及对应的TableID值可以从流中解出相应的PMT、NIT、SDT、EIT等信息。

机顶盒接收端的解析主要负责这些SI数据信息的重建。

SI数据信息必须按照一定的数据结构进行存储，这样才能方便、快捷地对其进行检索和数据的提取。

特别是对于运行于机顶盒的实时操作系统中的EPG，需要对用户的交互进行实时的动作，所以对响应速度的要求很高，SI数据库建立的好坏对其性能有重要的影响。

SI数据主要有：

网络信息、传输流信息、业务（节目）信息，业务的事件信息等，并且大量的信息都是通过描述子来传输的，所以可用树状链表来存储数据，构成从网络、传输流、业务、事件的树状结构，传送不同信息的描述子用继承于同一基类的描述子类来表示。

网络信息表传送本网络以及与此有关的其它网络的一些信息。

每个网络都有唯一的识别符，网络编码请参看ETR162。

网络信息表主要携带：

网