（信号与信息处理专业论文）数字电视接收软件的设计.pdf

摘要 在数字电视机顶盒的开发研制中，机顶盒软件的设计是实现机 顶盒预定功能的重要工作内容之一。而在系统应用程序的设计中， 有关节目操作和管理的软件模块是其中的一个关键部分，它涉及到 节目信息的提取、分析、存储等处理过程，并与数字电视传输流中 的节目特定信息有着密切的关系。，一一一 本文就节目操作模块与系统其它相关模块软件的结构关系及节 目操作模块内部结构提出了一套解决方案。该方案以s t 2 0 t p 3 4 解复用芯片为c p u ，并以s t 公司的h d t v 开发平台和s t 2 0 的软 件集成开发环境为基础，进行了软件设计。由于本课题的机顶盒研 制是针对美国a t s c 标准的，所以根据机顶盒有关节目操作方面的 功能要求，? ”对m p e g 2 系统层标准和a t s c 的p s i p 协议进行了分 析和研究。制定了该模块软件的总体设计方案和层次结构，同时设 计了与该模块软件有关的节目数据库的内容及其所需数据结构。最 终以课题组自行开发的机顶盒电路板为硬件平台，完成了该模块软 件的开发，并配合其它几个模块的软件形成了一套系统，实现了为 设计机顶盒预定的大部分功能。 本文研究了s t 2 0 的软件设计、软件系统调试等，并验证了所 提出的关于节目操作模块的软件设计方案是切实可行的。 另外，论文中还对s t 公司的h d t v 开发平台、s t 2 0 软件调试 工具包、软件系统的调试方法等内容进行了简要介绍。 关键词：数字电视机顶盒，软件系统，p s i p ，虚拟频道，节目链 表，节目数据库 a b s t r a c t s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tw o r k si nt h ed e s i g no fs e tt o p b o x t h es o f t w a r em o d u l er e l a t i n gt op r o g r a mo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ti sak e y c o m p o n e n to ft h ec u s t o m e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r e e x t r a c t i n g ，p a r s i n g ，s t o r i n ga n d o t h e rp r o c e s so ft h ep r o g r a mi n f o r i l l a t i o na r ei n v o l v e di nt h i sm o d u l e i ti sa l s oh a sa c o n n e c t i o nw i t ht h ep r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o ni nt h et r a n s p o r ts t r e a mo f t h ed i g i t a l t v s i g n a l as o l u t i o no ft h es o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h er e l a t i o n s h i po ft h ep r o g r a m o p e r a t i o nm o d u l ea n do t h e rs y s t e ms o f t w a r em o d u l e sa n dt h ei n n e rs t r u c t u r eo ft h e p r o g r a mo p e r a t i o nm o d u l ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r s t 2 0 t p 3 4t r a n s p o r ti ci su s e d a sc p ui nt h i ss o l u t i o n t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sb a s e do nt h eh d t v e v a l u a t i o n b o a r da n dt h es t 2 0e m b e d d e dt o o ls e t i nv i e wo ft h a tt h es e tt o pb o x d e s i g n e di n o u rp r o j e c tt a k e sa i ma tt h ea t s cs t a n d a r d ，s ob o t ht h em p e g - 2s y s t e ml a y e r s t a n d a r da n dt h ep s i pp r o t o c o lo ft h ea t s cs t a n d a r da r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d c o n s i d e r i n gt h ef u n c t i o n sr e q u i r e do ft h ep r o g r a mo p e r a t i o nm o d u l e n o to n l yt h e w h o l es c h e m ea n dl a y e r e ds t r u c t u r eo ft h em o d u l ea r ed r a w nu p ，b u ta l s ot h ep r o g r a m d a t a b a s ea n da l ld a t as t r u c t u r e sr e l a t e dt oi ta r ed e s i g n e d f i n a l l y , t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n to ft h ep r o g r a mo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tm o d u l ei ss u c c e s s f u l l y a c c o m p l i s h e d ，u s i n gt h en e w l yd e s i g n e ds t bb o a r da st h eh a r d w m ep l a t f o r m t h e f u n c t i o n se x p e c t e df o rt h ed e s i g no ft h es t ba r em o s t l yr e a l i z e di nt h es y s t e m s o f t w a r e ，w h i c hi sn l a d eu po ft h ep r o g r a mo p e r a t i o nm o d u l ea n do t h e rs y s t e m m o d u l e s n e d e v e l o p m e n ta n dd e b u go fs t 2 0s o t ! t w a r cs y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，t h es o r w a r ed e s i g no ft h ep r o g r a mo p e r a t i o nm o d u l ei sp r o v e dt o b ef e a s i b l e f u r t h e rm o r e ，t h es th d t ve v a l u a t i o nb o a r d ，t h es t 2 0e m b e d d e dt o o ls e ta n d t h ed e b u go f t h e s y s t e ms o f t w a r ea r ea l s ob r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：s e tt o pb o x ，s o f t w a r es y s t e m ， l i n k e dl i s t ，p r o g r a md a t a b a s e 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字电视及其发展 科学技术的高速发展，使广播电视进入了由彩色电视向高清晰度电视( h d t v ) 跨越 的过渡时代。这个“年代”不像当初电视技术由黑白电视向彩色电视过渡那样时间漫长， 而且技术先进、复杂，无论其技术面、功能面和社会面，都表现出其多样性和综合性，制 式与体制多种多样，技术分支五花八门目前取得共识的是：广播电视数字化，下一代电 视是h d t v ( 高清晰度电视) 。其实，广播电视的数字化进程，恰恰是源于对h d t v 研究 所取得的技术突破。 1 1 1 国外h d t v 和数字电视的发展 日本对h d t v 的研究起步最早，早在七十年代初期n h k 就向c c i r 提出过h i v i s i o n 建议，并于1 9 7 8 年进行了h d t v 的传输和接收实验虽然实验的结果还令人满意，但由 于传输所占用的带宽太大，因此限制了这种系统的应用。为此，n h k 又对能压缩传输频带 的新系统进行了研究，于1 9 材年正式公布了研究方案，命名为m u s e 制。m u s e 制采用 了时分多路传输技术和带宽压缩技术，它能以8 i m h z 的视频带宽在一个卫星信道中进行 宽高比为1 6 ：9 的1 1 2 5 行的h d t v 广播；同时传送两路数字编码的高保真伴音信号和其 他数据信号日本在1 9 8 8 年成功地运用其h d t v 系统对汉城奥运会进行了实况传播，并 于1 9 8 9 年开始了h d l 的实验广播几乎同时，欧洲掀起了m a c 制和h dm a c 的研究， 并于1 9 9 2 年在巴塞罗那奥运会上正式采用h d m a c 转播无论是m u s e - h d t v 还是h d m a c 其信号的传输形态仍然是模拟调频( f m ) 。频谱很宽。一套节目就要占用一个卫星 转发器频道( 2 4 m i - - i z - 3 0 m h z ) ，使节目的扩展和频道的利用受到限制 数字音、视频编码压缩技术的迅速发展与实用化，使得数字高清晰度电视广播有了 一条新的出路1 9 9 5 年，美国高级电视制式委员会提出了美田数字电视标准的建 议。1 9 9 6 年1 2 月，f c c 通过了“a t s c 数字电视标准”，1 9 9 7 年4 月，f c c 为全美1 6 5 0 个电视台指派了用于数字电视广播的频道，并公布了到2 0 0 6 年所有电视台全部实现数字播 出，彻底停止现行模拟广播的日程计划美国提出的全数字、频道兼容、基于m p e g 2 压 缩编码的h d t v 体制，既适合卫星广播，也适合地面广播和有线电视系统传输，它仅占用 一个地面广播电视频道( 6 m h z , 4 m h z ) 。而其1 0 0 0 线以上的高清晰度商面和5 1 声道的环 绕立体声达到了视听的理想境地同时，数字传输的特点为多种信号复用提供了方便。因 此这种全数字频道兼容h d t v 已为世界各田所公认和接受美田于1 9 9 8 年l1 月启动数字 h d t v 广播，有2 0 多个电视台正式广播了h d t v 节目，并且计划在2 0 0 6 年前停止全国的 模拟电视广播，代之以h d t v 和d t v 的数字电视广播，目前已有约1 0 0 个台开播了数字 电视节目而荧田的卫星s d t v 广播早在1 9 9 4 年就已经开始 在美国带动下，欧洲也开始研制数字电视并制定自己的数字电视标准，即d v b 标准。 欧洲研制数字电视虽然在美田之后，但它们报重视数字电视可以增加节目内容这个潜在的 好处。它们淡化处理1 0 0 0 线以上的高清晰度( 1 i d ) 和5 0 0 线左右的标准清晰度( s d ) 之 间的界限，而是抓住数据压缩可以比模拟制式更节省带宽这个要领，潜心于卫星数字视频 广播( d v b s ) 和有线数字视频广播( d v b - - c ) 这两项开发，努力把更多的节目通过卫星 送往全国，通过光纤和电缆传送到家庭数字视频广播( d v b ) 1 9 9 3 年在欧洲兴起，短短 几年时间已从标准化进入商品化、实用化和产品化阶段，并以惊人的速度发展英国的b b c 在1 9 9 6 年底之前就进行了地面d t v 信号的发射和接收试验，并于1 9 9 8 年1 1 月1 5 日开始 天津大学硕士学位论文第一章绪论 了地面d t v 的广插。d v b 系统包括d v b - s 、d v b c 和d v b t ，其中最突出的是d v b s 。 由于其广播方式简单，设备投资少，k u 波段广播用0 4 5 - , 0 6 m 的天线就能接收到清晰的图 像，因而被许多国家广泛采用。与此同时，亚洲、澳洲等也纷纷为开展数字广播积极地做 准备，纷纷制定各自的数字电视标准和广播电视全面数字化的日程安排，形成一股全球化 的数字浪潮。 1 1 2 我国h d t v 和数字电视的发展状况 数字技术与计算机技术的出现，使世界电子技术跨入了一个新时代，我国也一直紧 跟世界技术发展的步伐。我国在8 0 年代末期就开始了h d t v 的研究。1 9 8 9 年，原国家科 委组织了h d t v 软科学研究，并且经过“八五”攻关项目“高清晰度电视研究”，使我国 在h d t v 仿真实验研究方面已达到国际先进水平。1 9 9 4 年6 月，国务院召开专门会议研究 加快h d t v 研究开发的问题决定采取“分两步走”的策略1 9 9 6 年4 月，作为第一步目 标的高清晰度电视功能样机系统总体实施方案得到批准。同年在全国范围内公开招标，接 个研制工作于1 9 9 6 年7 月全面开展。一共有1 4 个单位。2 0 0 多名研究人员参加这个项目。 经过全体人员的努力，用两年多的时间研制出了我国第一套数字h d t v 功能样机系统，该 系统的性能达到了1 9 9 3 年美国“g a ”的样机水平，引起了国内外的关注。1 9 9 8 年9 月成 功地在北京中央电视台进行了开路演示试验。并且在1 9 9 9 年1 0 月1 日，中华人民共和国 建国5 0 周年之际，对天安门广场的国庆大典进行了现场直播，获得了成功虽然我国还没 有正式开始数字h d t v 的广播，但我国众多省市、地方电视台都已实现了电视节耳的数字 卫星传输，中央电视台和许多地方省台都在通过卫星向全国传送数字卫星节目，电视台的 发送和接收设备正在逐步实现数字化，只是当电视台将数字节目从卫星上接收下来之后， 仍然将其变成模拟信号通过有线电视网送到各家庭所以对用户来讲，这一模拟到数字的 变化尚未充分体现。 1 2 数字电视机顶盒的发展 无论是以前的模拟彩电还是现在的数字处理电视，都不具备对全数字电视信号进行 解码的功能( 数字电视接收显示一体机除外) ，因而需要一种能够接收数字电视信号，并能 够解码输出用于显示的中间设备，这就是数字电视机顶盒数字电视机顶盒是充当着电视 台发送的数字电视信号与用户的显示设备二者之间桥梁的种接收装置，是随着数字电视 广播的发展而出现的，同时也在随着数字电视广播的发展而不断发展。 由于数字电视的发展方向有两个方面：方面。高清晰度的图像是人们追求的理想 的电视画面效果所以数字高清晰度电视是数字电视的发展目标之一；另一方面，在数字 电视系统中提供多种创新的服务功能也是一个重要的发展方向因丽。数字电视机顶盒技 术的发展也会朝着这两个方向前进，而且最终会是将二者集于一身 目前，用于接收标准清晰度数字电视节目的机顶盒已经发展得较为成熟，它的应用 也已经比较普遍，尤其是数字卫星电视机顶盒国外的很多芯片生产商对于标准清晰度的 数字电视机顶盒系统已有较完整的解决方案，相应芯片的研制也已达到了比较完善的阶段。 如l s il o g i c 公司的l 6 4 0 0 8 ( 解复用、解扰) + l 6 4 0 0 5 ( 音视频解码、n t s c p a l 视频编码) 的两片方案：s t 公司的s t i 5 5 0 0 ( 解复用、解扰、音视频解码、视频编码) 的单片方案等。 国内也有一些厂家在利用这些方案研制生产用于d v b s 和d v b - c 的数字电视机项盒至 于数字高清晰度电视机项盒，其开发研制的成熟程度不及标准清晰度数字电视机顶盒，这 2 天津大学颅上学位论文 第一章绪论 与数字h d t v 视频解码芯片的推出时间不长有关。到目前为止，在数字h d t v 视频解码芯 片开发领域中，技术较为领先的是s t 公司的s t i 7 0 0 0 系列，过去p h i l i p s 公司的数字h d t v 解决方案就是采用s t j 7 0 0 0 作为视频解码芯片，再配以各自的解复用和音频解码芯片。尽 管如此，s 啊7 0 0 0 在视频处理功能上也还有许多不够完善的地方。p h i l i p s 公司新近推出 的t m 2 0 0 0 系列应该说是目前最高级的数字h d t v 处理芯片，将解复用和音、视频解码功 能集于一身。然而，目前该产品还有很多缺陷，无法正常实现其预想的处理能力和功能。 虽然如此，它还是有相当的潜力的。可以说，数字高清晰度电视机顶盒的研制还处在一个 不十分成熟的阶段。 随着因特网的飞速发展和数字电视广播中数字业务种类的不断增加标准清晰度和 高清晰度数字电视机顶盒都面临着这样一个问题，就是关于能够提供多种业务功能的机顶 盒的开发。数据服务、交互业务以及网络浏览等对二者来说都是有待开发的功能，而且在 今后的机顶盒市场竞争中中这些功能会显得愈发重要 数字电视的多方面的优越性及其在功能和市场中的巨大潜力使得d t v 和新一代数字 电视机顶盒成为众人瞩目的焦点。由于逐步认识到数字机顶盒的巨大市场潜力消费电子 厂家、计算机公司、通信设备公司以及广播电视公司等纷纷开始抢占机顶盒领域的制高点。 在数字化时代到来之际，数字电视产业显示出了明显的知识经济特征，国际竞争环境日趋 严酷，一旦处理不当。将会受制于人。因此，我们应该很好地利用已形成的科研基础，以 科技和自主知识产权为核心，协调规范标准的制定工作，加速产业准备以使我国的数字 电视产业能成为一个具有活力，能带动行业增长，对国民经济有重要贡献和在国际上具有 很强竞争力的产业 1 3 本论文的工作内容 由上述内容可以看出，我国自行研制数字电视机顼盒是非常重要而且有意义的本 课题的整体任务就是研制和开发符合美国a t s c 标准的数字高清晰度电视机顶盒，包括其 软件和硬件根据多方面的调研，确定采用s t 公司的以s 1 2 m t p 4 ( 解复用芯片) + s 啊7 0 0 0 ( 视频解码芯片) + s 啊4 6 0 0 ( 音频解码芯片) 为主的系统方案在此基础上对机顶盒的功 能提出一定的要求，通过软、硬件的各自开发和相互配合，完成机顶盒的研制工作。 本课题对数字电视机顶盒研制的整体目标和要求可以归纳为以下几个方面： 一、机顶盒硬件规格和接口规格 1 、r f 接口：一路7 5 欧姆f 型输入 2 、音视频输出： 视频输出包含：分量输出( y 、p r 、p b ) 、s 端子输出、全电视输出( c v b s ) 、v g a 输出 音频输出包含：( l 、r 、b 、r s 、c 、s u b ) a c q5 1 声道输出、s p d i f 输出 3 、数字接口：r s - 2 3 2 d a t a 接口( 用于软件升级) 4 、接收频道：v h f u h f2 - 6 9 颏道；c a b l e1 - 1 2 5 频道 二、遥控器功能 1 、数字键o 曲：用于直接选台和在菜单中直接输入数字， 2 、p o w e ro n o f f ：s t a n d b y 开关 3 、p r o g r a m ：可以通过该键在同一个频道中的不同节目之间切换 4 、o s d ：节目简要信息显示 天津大学硕士学位论文第一章绪论 5 、a s p e c t ：选择图像显示的幅型比模式 6 、r - t u n e ：直接切换到上次收看的频道( 节目) 7 、l i s t ：显示节目列表 8 、m e n u ：打开关闭主菜单 9 、e x i t ：退到上一级菜单 1 0 、 c h + 、c h ：频道加减 1 l 、 v o l + 、v o l ：音量加减 1 2 、 方向键、翻页键和确认键用：在菜单或列表中选择某个项目 三、用户菜单功能 l 、p r o g i t a m ： 包括：自动节目搜索、手动节目搜索、节目删除、已删除节目的恢复 2 、s y s t e m 包括：天线，有线输入选择、监视器幅型比类型选择、n t s c 色调调整、分级控制选择 3 、p a s s w o r d 包括：密码的设定、删除 4 、t i m e r 包括：定时关机、定时切换到某个频道( 节目) 、系统时间设定 四、整机性能要求 1 、适应所有1 8 种a t s c 格式。并能转换成4 种格式显示：1 0 8 0 i 、7 2 0 p 、4 8 0 p 、4 8 0 i 2 、带有拨动开关，选择视频输出的格式： a l la t s cf o r h ”( i s ： i n p mf o r m a to u t p u tf o r m a t 1 0 8 0 i 1 0 8 0 i 7 2 0 p7 2 0 p 4 8 0 p 4 8 0 p 4 8 0 i4 8 0 i 4 8 0 p 、1 0 8 0 i ： i n p u tf o r m a to u t p u tf o r m a t 1 0 8 0 i 1 0 8 0 i 7 2 0 p 4 8 0 p 4 8 0 p 4 8 0 i 4 8 0 p ： h _ i p u tf o r m a t o u t p u tf o r m a t 1 0 8 0 i 7 2 0 p 4 8 0 p 4 8 0 p 4 8 0 i 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 i n p u tf o r m a to u t p u tf o r m a t 1 0 8 0 i 7 2 0 p 4 8 0 i 4 8 0 p 4 8 0 i 3 、能够支持d t v n t s c 两种信号输入。并都能用视频输出接口中的任意一个输出视频信 号和用音频输出接口输出音频信号，且音量可以控制； 4 、支持n t s c 及a t s c 标准规定的c l o s e dc a p t i o n 服务； 5 、电源适应范围、电磁辐射、干扰达到美国电磁兼容标准。 本课题的任务主要可以分为两个部分：一、硬件部分的研制和开发：二、软件部分 的设计和开发。其中硬件研制主要分成信源解码板和信道板两部分根据对设计机顶盒的 功能要求，软件的主要开发工作可以用表1 1 来表示： 表1 1 数字电视机顶盒软件开发工作分类表 本论文工作是整个课题工作的一部分，主要任务是机顶盒软件的设计和开发，以 s t 2 0 - t p 3 作为c p u ，开发它的软件，实现课题技术指标中对机顶盒提出的功能要求。具 体工作内容体现在表1 1 中的灰色部分，其简要说明如下： 1 、各种显示格式的选择 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 用户根据自己的显示器所能适应的显示格式，通过调整机顶盒后面板上的拨动开关 可以选择只以4 8 0 p 输出、以4 8 0 p 和1 0 8 0 i 两种格式输出或以a t s c 的所有四种格式输出 的方式。该部分软件将根据接收到的码流的格式和拨动开关的位置。确定当前的显示格式。 2 、幅型比模式的选择 该部分软件可以使用户根据自己的喜好，选择幅型比的模式，并能够通过a s p e c t 按 键，使幅型比在f u l l 、z o o m 、l e t t e rb o x 和s i d e b a r 几种模式间切换。 3 、前端驱动 前端驱动程序主要是通过软件，经1 2 c 总线，控制p h i l i p s 的8 v s b 前端，使其能 够配合系统完成节目搜索和选台等功能。 4 、节目操作和管理模块 这部分主要包括： 节目特定信息的提取和分析： 对p s i 来讲，主要指p a t 和p m t 表的处理，对a t s c 中的p s i p 来讲 s t t 、v c t 、e i t 等几个有关节目和系统信息的表的分析、处理； 节目数据库操作： 其中既包括节目数据库中各数据结构及各结构之间相互关系的设计、 实现数据库的初始化、建立、更新等实际操作功能的软件的开发； 节目操作管理： 则包括m g t 、 定义，又包括 节目操作管理将提供所有实现实际节目操作功能的函数，如自动节目搜索、手动节 目搜索、节目切换等 节目分级控制： 分级控制软件需要实时地检察当前电视节目所属的分级控制级别，同时根据用户设 定的级别号。确定当前节目是否需要输入正确的密码才可以收看 5 、其它 t s 流输入节目控制： 这部分软件为用户提供了一种节目源的选择切换功能。用户既可以收看来自天线或 有线的电视节目，也可以收看直接以t s 流形式输入的节目，并能够在二者之间任意切换； 整机状态管理： 保存并及时更新整机状态信息，整机状态主要包括当前用户选择的幅型比模式、天 线，有线选择、分级控制级别选择、当前音量、当前收看的节目等信息； 系统初始化控制： 包括系统初始化时系统应设置的显示格式、音、视频输入输出模式、音量、幅型比 模式等以及整机状态的恢复，e e p r o m 中节目数据库数据的读取、恢复，上次关机前 收看节目的自动恢复等 6 天津大学硕士学位论文 第二章数字电视机顶盒功能结构概述 第二章数字电视机顶盒功能结构概述 2 1 机项盒的功能、结构特点及关键技术 2 1 1 机顶盒的功能结构 数字电视机顶盒的最基本的功能是接收数字电视节目，具体一些讲。就是对来自信 道的数字电视信号首先进行解调制和信道解码，得到传输流数据，由后端对传输流进行解 复用，分出音、视频基本流，再经过音、视频解码，输出解码后的视频和音频信号。某些 机项盒还具有w e b 浏览功能，或交互业务功能，这些机项盒除了需要信息的下传通道外还 需要一个上传通道，在结构上比前者要复杂些。 数字电视机顶盒从其结构上讲大体上可以分成两部分：信道部分和信源解码部分。 信遵部分即前端，负责对数字电视信号进行解调接收和信道解码，针对不同的信道可以配 以不同的倍道解调解码器目前，信道部分主要有三种，即卫星、有线和地面传输。信源 解码部分也称后端，它主要完成从t s 流输入到解码后的音、视频输出之间的所有功能， 包括传输流解复用、音频解码和视频解码等，是机顶盒的核心部分信源解码器的一般结 构包括以下几部分： 作为解复用、解扰和控制器的c p u 存储c p u 软件所需的r o m 和r a m 视频解码器 令 用于辅助视频解码的r a m 音频解码器 视频后处理模块电路 部分外部接口模块 某些数字电视机顶盒的硬件方案可能使用的是集音视频解码和解复用功能于一身的c p u ， 从硬件上讲则没有t 述那样细的划分 一般对一个固定的前端。它与后螭信源解码器的接1 ：3 是一定的，二者通过这个接口 进行避信就系统工作方式来讲，可能是由后蛸直接通过软件对前端进行控制，也有可能 前端部分自带一个小的徽处理器，通过对它的编程来控制前端，后螭不直接千预前端的工 作，而只通过某种通信的方式告知前端瑗在需要作什么，具体的操作由前端自身的软件完 成。 2 1 2 机项盒中的关键技术 数字电视机顶盒的关键技术可以总结为如下几点： 解复用与解压缩技术 下行数据解调与信遵解码技术 实时软件操作系统技术 上行数据的调制编码技术 前三项是实现机顶盒基本功能所必须的几项技术，下行数据解调与解码技术实际就 是前端技术，解压缩技术也就是音、视频解码技术，实时软件操作系统是包含多个任务的 系统控制软件的调度器，因而是必不可少的；上行数据的调制编码则是针对需要实现交互 功能的机顼盒而言的，如v o d ( 视频点播) 、因特网浏览等，由于包含这些功能的机顶盒 需要通过上行通道进行上传某些数据，所以它不仅需要下行数据通道，同时也要考虑上行 7 天津人学坝i 学位论史 第一章数电视帆顶盒功能结构概述 数据的调制和编码问题。 2 2s t 公司数字h d t v 机顶盒方案的结构 根据本课题的任务和内容，选择的整体系统方案是s t 公司的数字高清晰度电视机项 盒系统解决方案，即s t 2 0 + s t i 7 0 0 0 + s t i 4 6 0 0 的三片方案。该方案采用s t 2 0 t p 3 ，r p 4 作为 系统的控制芯片( c p u ) ，完成解复用及各种其它控制功能，配以s t i 7 0 0 0 视频解码芯片实 现视频解码、o s d 显示等，另外使用s t i 4 6 0 0 作为专用的音频解码芯片，它可以对按照 m p e g 一1 、m p e g - 2 和a c 3 格式压缩的音频基本流进行解码。开发系统的大体结构示意图 如图2 1 所示。 信道部分 信源部分 图2 1s t 方案数字hd r v 机项盒开发系统简单结构框图 注：图中的s t v 0 1 1 9 是p a l n t s c 视频编码器。 图2 1 中的机顶盒结构将完成如下功能： 前端对数字电视信号进行解调制和信道解码； 接收来自前端或t s 流注入器的传输流数据： 由s t 2 0 - t p 3 进行解密、解复用、系统控制和接口操作 在s t 2 0 - t p 3 上运行系统的核及应用软件 s w 7 0 0 0 进行m p e g 2 视频解码和o s d 画面叠加 s t j 4 6 0 0 进行m p e g - 2 或d o l b ya c 一3 音频解码 8 天津大学硕士学位论文 第二章数字电视机顶盒功能结构概述 提供h d t v 的r g b 输出和n t s c p a l 编码的输出 该机顶盒方案的工作过程是这样的：首先，前端在c p u 软件的控制下( 通过1 2 c 总 线) 调谐到某个数字频道，通过前端的解调制和信道解码，解出数字电视的传输流( t s 流) 数据，连同一些标志信号一起，通过一个接口传送到后端的信源解码板( 进入信源解码板 的传输流数据也可以是来自传输流信号发生器) ：然后，传输流数据进入解复用芯片，通过 解复用功能模块分出传输流中的音视频基本流分别送往音频解码器和视频解码器或解码 器的缓存区，同时，提取出码流中的p c r 信息，用于时钟恢复：通过解复用分出的音频基 本流通过音频解码器的解码输出音频的基带数字信号经过音频数模变换后输出最多六个 声道的模拟音频信号，或直接输出s p d i f 光信号：视频基本流在s d r a m 的配合下经过视 频解码器的处理之后输出解码后的亮度和色差数字信号，通过视频后处理电路处理，输出 v g a 或y 、c r 、c b 模拟视频信号；另外，视频解码器输出的信号还可以通过一个n t s c p a l 视频编码器。编码输出n t s c 或p a l 制的模拟视频信号；机顶盒的软件固化在r o m 存储 器里，开机后程序被调到r a m 中运行；系统与用户的接口是前面板，通过前面板按键传 递用户的操作意图，并由c p u 实现具体功能。 2 3 本课题数字h d t v 机项盒方案的特点 本课题机顶盒的研制采用了s t 公司的数字h d t v 解决方案，但由于对机顶盒的功能 要求不止局限于对数字h d t v 的接收，还包括对模拟n t s c 电视节目的接收等其它功能， 因而。在上述的s t 公司机顶盒方案的结构基础上，本课题数字h d t v 机顶盒硬件设计方 案中主要增加了如下一些模块： 模拟视频信号的分量数字化模块：主要器件为s a a 7 1 l l a ，它的功能是对 n t s c p a l s e c a m 复合基带视频信号进行解码。并将分离出来的y 、u 、v 信号数字 化加入这个模块的目的，是为了对n t s c 制式的模拟电视输入信号能够进行统一的 处理，使得模拟电视信号也能经过s t i 7 0 0 0 处理统一从v o a 接口输出，也就是说， 用普通的v g a 接口的监视器或高清晰度数字电视监视器也可以收看普通的模拟电视 信号 模拟音频信号的数字化模块：该模块主要包含一个音频a d 转换芯片，将输入的模拟 音频信号按照一定的要求进行数字化，送到s t i 4 6 0 0 音频解码芯片增加这部分的主 要目的，也是为了对模拟电视信号的统一处理前端解调制后输出的音频信号，经过 模数转换并通过s t i 4 6 0 0 处理之后再输出。可以实现信源解码板对模拟音频信号音量 的控制这样对数字音频和模拟音频的控制功能就能够统一了 前面板和遥控接收：使用户输入信息不但可以透过前面板还可以通过遥控器传递给后 端 e e p r o m ：这个模块主要用于存储频道和节目的各种信息以及整机状态信息，使得关 机后，各种有用的数据不会丢失同时。下一次开机时，系统可以从中直接读出各种 状态、设置和节目数据等信息，自动恢复上次关机前系统的各种状态 上述这几部分都是针对系统需要增添的功能而加入的，同时它们也是软件实现上述新 增功能的所必需的硬件基础 就本课题机顶盒的软件来讲，仅仅能够实现数字h d t v 信号的音、视频解码输出功能 也是远远不够的，它应该具有一套较完整的节目管理机制，能够提供机顶盒与用户之间的 9 天津大学硕士学位论文 第二章数字电视机顶盒功能结构概述 交互操作等功能本课题机顶盒应用程序开发的关键技术可总结为如下几点： 用户输入输出接口控制 主要处理来自前面板或遥控器的用户输入信息，确定当收到某个信息时进行怎样的 操作，如o s d 画面或菜单的显示等。 o s d 和菜单的显示和控制 首先需要开发画点、线、面等的g r a p h i c s 图形库，然后利用这些库函数生成所需的 各种o s d 画面和菜单图形。用于显示同时，在设计各画面和菜单项目信息的数据结构时， 要加入有关的辅助信息，以便于各菜单项目之间的关联。 前端的控制 由于同一个信源解码器可以配合不同类型和功能的前端进行工作，所以前端控制软 件的设计要根据具体的前端硬件的不同而有所不同。同时，该部分软件应为模块化设计。 需要有相对的独立性，以利于系统软件的可移植性 节目信息的提取和存储 这部分主要包括对数字电视传输流中节目特定信息的提取和分析( 在本课题中主要 是指m p e g 2 系统层标准中的p s is e c t i o n 和a t s c 标准的p s i p 表的分析和数据提取) ，以 及有关节目的各种数据结构的定义。 节目及其数据库的操作 为了将有关频道和节目的各种信息有机地组织起来，以利于操作这里设计了节目 数据库，存储节目的各种有用的属性信息这部分既包括节目数据库的各种操作，如：数 据库内容的初始化、读写、更新、校验等，也包括关于频道和节目的各种操作，如：自动 节目搜索、节目删除、恢复、节目选择等 软件升级 对于相同硬件平台。由于其软件是在不断开发和更新着的。所以为了使同样的机器 能够通过软件的更新。在原有的基础上不断扩充软件功能，这里设计了软件升级模块通 过一个r s 2 3 2d a t a 接口，可以从微机上将新的程序代码写入机顶盒的f l a s hr o m 存储器 中。实现软件的升级功能 0 天津大学硕士学位论文第三章机顶盒软件系统 第三章机顶盒软件系统 由于本课题软件系统的开发是在s t 2 0 传输流解复用芯片上进行的，并以s t 2 0 的集 成开发工具包作为运行、调试的基础，所以本章首先对s t 2 0 及其集成开发环境加以简 要介绍。 3 1s t 2 0 t p 3 解复用芯片简介 s t 2 0 - t p 3 是s t 公司出品的一种功能强大的解复用芯片，它集机顶盒传输流解复用i c 和系统微控制器的功能于一身。其微处理核能够进行如下工作： i 、硬件驱动及同步： 2 、系统管理功能： 3 、电子节目指南功能和用户接口： 4 、有条件接收控制； 5 、解释并执行可下载的应用程序 3 1 1s t 2 0 t p 3 解复用芯片的特点 s t 2 0 t p 3 芯片的特点如下： 一 增强的3 2 b i tv l - r i s cc p u ( v e r yl a 曜e 黜以u c c di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e rc p u 超 大规模精简指令集计算机c p u ) 5 0 m h z 时钟 具有快速的整数运算和位运算功能及高密度的代码 _ 高效的存储器，c a c h e ( 高速缓存) 子系统 2 k b y t e 指令c a c h e 2k b y t e 数据c a e h e s r a m 4 k b y t e s r a m 2 0 0m b y t 酣$ 的最大带宽 一 可编程的传输漉输入接口 可以接收字节宽度的b n 流 具有传输流解复用器 d v b 解密器 s e c t i o n 滤波罂 - 可编程的外部存储器接口( e m i ) 分成4 个独立的可配置的区域 能够以8 ，1 6 仔2b i t s 的宽度进行访问 支持混合的存储器 2 个时钟周期的外部访问 支持页模式的d r a m 支持对m p e g 解码器的访问 d m a 引擎及接口 2 个m p e g 解码器的d m a 按块移动的d m a t e l e t e x t ( 图文) 接口( o ) 1 e e e l 2 8 4 口 高速的数据接口支持外部i e e e l 3 9 4 a v 层链接的输入输出包 天津大学硕士学位论文第三章机顶盘软件系统 一 中断控制系统 中断分为多个优先级 8 个级别的中断抢占 响应时间5 0 0 n s 串行通信口 o s l i n k 接口 2 个具有1 6 字节f i f o 的可编程u a r t 口( a s c ) 2 个同步串行接口( s s c ) - 1 2 c s p i 一 两个s m a r t c a r d 接口 p w m 计数器模块 三个8 - b i t 的p w m s ( 脉冲宽度调制器) 四个3 2 - b i t 的计数器和捕获寄存器 3 2 位的可编程f o 口 -低功耗控制器，实时的时钟，看门狗 专业的集成开发工具包 a n s c c 编译器及其库 高级的调试工具 一 对程序运行状态影响很小的调试和诊断控制器 硬件断点 实时跟踪 一 j t a g 测试访问口 3 1 2s 1 r 2 0 t p 3 的功能模块 s t 2 0 - t p 3 可以按功能划分为以下几个模块： 删 s t 2 0 - t p 3 上的c p u 是s t 2 0 的3 2 0 b i t 处理器核它包含指令处理逻辑、指令和数据 指针和一个操作敦寄存嚣它可以直接访问用于存储数据和程序的高速片内c a c h e 和 s r a m ，同时处理器也可以通过外部存储器接口，访问外部存储空问 可编程传输藏输入接口( o t i ) 传输流解复用功能是在一个可编程的硬件模块中进行的，即可编程传输流输入接口。 当数据包从输入接口进入f i f o 时。p t i 模块会检查其p i d 值，以确定该包是当前要被处理 的还是要被丢弃的被选中的包在f t i 模块中进行分析以确定它的类型，并从中提取 数据如果该包是经过d v b 标准的加密的，则需要向d v b 解密核中写入正确的密钥进行 解密经过分析和解密之后，数据会被送到外部存储器或直接送往m p e g 音、视频解码器 传输流中的s c i o n 是通过一组( 3 2 个) 8 - b y t e 的滤波器进行匹配滤波的，匹配的s e c t i o n 将 送到缓存中由软件进行处理 存储器子系统 s t 2 0 - t p 3 片上的存储器系统提供2 0 0 m b y t e s 的内部数据带宽，并支持在2 5 n s 时钟 周期下，流水线式的两周期的外部存储器访问s t 2 0 的存储器子系统包括：数据，指令c a c h e 、 s r a m 及外部存储器接口 s t 2 0 - t p 3 有4 k b y t e 的片上s r a m 。可以用来存放对时间要求较严格的高速程序段， 1 2 天津大学硕士学位论文 第三章机项盒软件系统 如中断处理，软件操作系统核或硬件驱动等，也可以存放使用非常频繁的数据。 s t 2 0 - t p 3 的e m i 接口控制所有的对外部存储器和外部器件( 包括m p e g 解码器的 寄存器和d v i a 数据口) 的访问e m i 的寻址空问分为3 个b a n k ，每个b a n k 可以访问1 6 m b y t e 的物理地址空间。 中断子系统 s t 2 0 - t p 3 的中断子系统支持8 个优先级的中断，提供4 个外部中断脚。中断等级分 配逻辑可以将内部或外部的任一个中断配置成任意一个中断等级，并允许多个中断使用 同一个等级。 串行通信 为了便于本系统通过m o d e m 与按次付费系统或其他外设相连，在s t 2 0 中设有两个 u a r t ( a s c 异步串行口) u a r t 提供异步通信接口，并可以通过编程支持定范围的波 特率和数据格式，如数据大小、停止