（电路与系统专业论文）数字有线机顶盒前端和USBTV应用软件的开发[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 本论文由两个相互独立的课题组成， 一是有线数字电视机顶盒前端的研 制 ， 另 一 个 是u s 巧 t v 系 统 应 用 软 件 的 编 制. 数字电视广播必将取代现有模拟电视广播已 成为共识， 而机顶盒则是在 过渡期利用模拟电视接收机收视数宇电 视节目 的桥梁; 此外通过机顶盒还可 提供交互业务， 所以 拥有巨大的消费市场并受到各发达国家的广泛重视。 我 国有潜规模庞大的有线电视用户， 政府有关部门己决定: 中国首先在有线电 视领域实 现数字电 视应用的突 破。 因 此开发有线传输方式的数字电 视机顶盒 很有实际意义。 机顶盒中前端包括射频和信道处理电路，涉及调制i 解调技术、信道编/ 解码技术和相应标准。 论文讨论了有线机顶盒前端的各种设计方法， 并且在 l s i l o g i c 公司的 单芯 片解决方案 荃础上完成前 端电 路的 研制， u s b - t v是一种新型的视频应用系统，由于采用了 m p e g压缩标准和 u s b电 缆 与 计 算 机 连 接 的 方 案 ， 与 其 它 视 频 系 统 相比 有 更 灵 活 和 高 质 f 的 特点。它可以 将摄像头、广播电 视或其它视频源的视频信号经过 m p e g压 缩后存入台式机或者笔记本电 脑的硬盘中， 可以预览， 还可以回放到计算机 屏幕或者监视器上。 课题的任务是在原系统基础上， 编制适用于我国广播体 制的u s b - t v应用软件。最后给出了一些改进建议。 关键词: d v b - c 前端u s b d i r e c t s h o w u s b - t v ab s t r a c t t h i s p a p e r c o m p r i s e s t w o i n d e p e n d e n t p a r t s , o n e i s a b o u t t h e d e v e l o p m e n t o f t h e f r o n t e n d o f d v b - c s e t - t o p b o x , a n d t h e o t h e r i s a b o u t t h e i m p r o v e m e n t o f t h e a p p l i c a t i o n s 命w a r e o f u s b - t v s y s t e m . t h e d i g i t a l t v b r o a d c a s t i n g w i l l f i n a l l y r e p l a c e t h e a n a l o g u e m e t h o d . s t b s w i l l p l a y i m p o r t a n t r o l e s i n t h i s p e r i o d , a n d i n t e r a c t i v e p r o g r a m s c a n b e p r o v i d e d t h r o u g h t h e m . t h e c a b l e s t b s a r e v e r y i m p o rt a n t t o t h e u p d a t e o f c h i n e s e i m m e n s e c a b l e t v n e t w o r k . t h e t e c h n o l o g i e s o f fr o n t e n d i n c l u d e c h a n n e l m o d u l a t i o n a n d d e m o d u l a t i o n , c o d i n g a n d d e c o d i n g . m a n y s t a n d a r d s a n d i m p l e m e n t m e t h o d s a r e d i s c u s s e d h e r e . i i m p l e m e n t e d o n e fr o n t e n d u p o n t h e s i n g l e - c h i p s c h e m e o f l s i l o g i c c o r p . f i r s t i d e s i g n e d t h e c i r c u i t a n d d r e w t h e p c b , t h e n t e s t e d i t t i l l i t c a n w o r k n o r m a l l y . t h e n i d e v i s e d t h e s o ft w a r e o f m y d e s i g n , a n d d e b u g g e d i t u p o n t h e e m b e d d e d o s o f p s o s . a t l a s t , w e c o n n e c t e d t h e h a r d w a r e a n d t h e s o ft w a r e o f o u r fr o n t e n d a n d b e h i n d e n d t o m a k e t h e m w o r k t o g e t h e r . w e c o m p l e t e t h e w h o l e p r o c e s s , a n d i g a v e s o m e c o n c l u s i o n s a n d s u g g e s t i o n s f o r t h e f u t u r e i m p r o v e m e n t s . t h e u s b - t v s y s t e m i s a n e w v i d e o a p p l i c a t i o n s y s t e m , i t s a d v a n t a g e s b a s e d o n i t s mp e g c o m p r e s s a n d u s b c a b l e t r a n s f e r m e t h o d . i t c a n b e u s e d fl e x i b l y i n n o t e p c , a n d h a s b e t t e r v i d e o q u a l i t y . t h e s y s t e m c a n s t o r e t h e c o m p r e s s e d v i d e o s i g n a l i n t o p c s , a n d t h e v i d e o s i g n a l c a n c o m e fr o m d v d , v c d , t v , c a m e r a o r o t h e r s , t h e u s e r c a n p r e v i e w o r p l a y b a c k t h e s e s i g n a l s o n t h e s c r e e n s o f p c s o r m o n i t o r s . t h e t a r g e t o f t h i s p a r t i s t o a d d t h e f u n c t i o n o f d e a l i n g w i t h t h e p a l t v b r o a d c a s t i n g s i g n a l . t o c o m p l e t e t h i s j o b , i d e v e l o p e d t h e a p p l i c a t i o n s o ft w a r e o f t h e s y s t e m . a n d t h i s p a rt o f s o ft w a r e b a s e d u p o n u s b i w d m, d i r e c t x j d i r e c t s h o w , c o m ni s u a l c + + , e t c . i c o m p l e t e d t h i s j o b b y d e v i s i n g t h e b e t a 3 . 5 s o ft w a r e o f t h e s t r e a m m a c h i n e s o ft w a r e p a c k e t . a t t h e e n d o f t h i s p a rt ; i g a v e s o m e t h o u g h t s o f t h e w o r k w e a r e d o i n g n o w a n d w i l l d o i n t h e f u t u r e . k e y w o r d s : d v b - c s t b f r o n t e n d u s b d i r e c t s h o w 技术的发展和需求的推动， 使广播电视从模拟黑白电视发展到模拟彩色 电视， 如今正在向全数字电视 ( d t v ) 过渡。在数/ 模方式共存的过渡阶段， 为解决利用现有模拟电视收看数字广播电视信号的要求，提出了机顶盒 s e t - t o p b o x 解 决 方 案 . 由于电视广播有地面、 卫星和有线电缆三种方式， 并根据它们的不同传 输条件形成了不同的信道编码和调制体制. 所以， 机顶盒中负贵信道处理的 前端电路又有多种解决方案，这在后文中将有详细介绍. 论文第一部分的主要内容和工作 本论文的第一部分是有线数字电视接收前端的研制工作. 首先在第一章 介绍了 数字电视标准和机顶盒技术发展的概况，并指出其中的关键技术。 第二章详细介绍了机顶盒的前端电路技术， 并且对主流公司的相关产品 以及解决方案做了详细总结; 在此基础上得出了前端技术高度集成化、 通用 化和解决方案灵活化的趋势，之后给出了我国数字电视广播的前端技术建 议: 最后详细介绍了 本前端所采用的l s i l o g i c 公司 单芯片解决方 案的 硬件 和软件技术。 第三章介绍了 本前端 硬件和软 件的实 现细节。 涉及到 硬件和软 件的 开发 环境和工具，调试以 及结果、结论等。 可见这一部分论文工作的内容主要涉及到: 机顶盒及前端技术总结、 具 体技术方案选型、 研究并具体实现该方案等. 技术步骤主要是: 嵌入式操作 系统p s o s 的 编译和调 试工具使 用; 前端电 路控制流程的 详细研究与实 现， 相关软、硬件设计和调试;前端的硬件/ 软件与信源系统的结合以及联调， 论文最后给出了总结和改进建议。 本前端的特点及最后成果 本前端的特点是: a )采用了l s i l o g i c 公司的 单芯片信道解调 解码芯片方案， 可以比 传统 方案更少的器件、和规棋来完成前端功能，并且软硬件实现更加容 易; 前端与后端分离，前端的高频调谐器与信道芯片分离，但是前端电 路由主控制器利用软件进行控制， 方便了未来的技术升级或者移植， 例如更换前端或者前端组件等: 采用了 其有双向 传输功能的高 频调谐器，可以 在未来产品升级的时 候对软件和硬件进行比 较少的改动来实现交互的功能; 本前端的 硬件和软 件部分先后调试完成后， 在l s i l o g i c 提供的开 发 平 台和我们自己开发的信源板上均已调试通过， 并获得稳定良 好的图像. 信号 源先后采用了华天公司的码流发生器和数字卫星广播信号， 并且利用了p b i 公司的调制器进行q a m调制后作为信号 源。 调试时 采用了固 定的5 2 2 m h z 的第1 9 频道作为载频， 符号率曾 采用过4 - 7 兆波特每秒， q a m调制格式采 用过1 6 , 3 2 , 6 4 , 1 2 8 等. 在这些系统上的使用结果均表明本前端可以正常 完成接收d v b - c广播信号的 功能. 现在该前端已 经可以与信源一起组装整 机并进行整机测试。 传统的视频会议系统、 可视电话、 视频监视系统等由于压缩标准和传输 通路的限 制， 使得其服务能 力和 质it受到限 制。 例如s o n y 公司新 近推出 的 p c s - 6 0 0 0高 端多媒体视频会议系统也只支持最多 六点会议，图 像质盆最多 到c i f ( 3 5 2点x 2 8 8 线) 级别 等，并且价格不菲. 另 外这些系统中多数没 有考虑在 i p网中传输的特点，所以难以直接应用于视频点播等新型的系统 中. 这些缺憾都限制了上述系统的应用范围。 本来应该很大的视频应用市场 并没有完全打开，目 前还只停留 在高端的公司应用等范围。 u s b - t v系统没有完全解决上述的问题，但是它结合 u s b传输的灵活 性和 m p e g编码的高服务质盆为解决这些问 题提供了一种良 好的补充，而 且它还可以方便的接口 到i p 网络传输和v o d系统中去， 从而有着广阔的应 用前景。 论文第二部分的主要内容和工作 第四章首先介绍了u s b - t v系统与传统视频应用系统的不同点， 以及该 系统的基本连接和组成;之后介绍了u s b总线及其特点和使用方法:后面 给出7 用到的c o m, d i r e c t s h o w和wd m等软件技术。 第五章介绍了 系统的 硬件和软件结构. 硬件包 括最主要的u s b接口 控 制 芯 片c y 7 c 6 4 6 1 3 和m p e g 视 频 编 解 码 芯 片s m 2 2 1 0 ， 还 有 周 围 的 芯 片 和 电路以 及连接关系等。 系统的软件是一个层次化的结构， 包含驱动程序、 动 态链接库、过滤器文件、参数配置文件和可执行程序等众多文件. 第六章详细介绍了 u s b - t v系统的应用软件设计过程.目 标是实现 u s b - t v 系统对我国p a l 制式电 视节目 的 接收、 录制存储和播放， 最终由 修 改应用层的软件而实现. 首先介绍了所用的软件开发环境和工具包， 然后详 细介绍了具体编译和调试的过程， 最后讨论了一些未来升级时应该考虑的问 题。 这一部分论文工作的主要任务是实现u s b - t v系统对我国队l制式电 视节目的接收、录制存储和播放。主要沙及到视频应用系统的研究和分析、 系统硬件和软件技术的了解、 最后软件编程实现研究目 标等. 技术步骤主要 是: u s b - t v系统相关硬软件技术及其应用、 软件环境和工具的搜集和建立、 应用层软件的编制和调试、对整体系统和结果的研究等。 u s b - t v系统特点及最后成果 相对于传统视频系统，本系统的主要特点是: 1 )采用u s b总 线传输: 整 套系统可以 傲成计 算机的u s b 外设， 可以 热插拔并且能够方便的应用于笔记本电脑等移动场合: 2 )采用 m p e g压缩标准:有 v c d ( 1 . s m b / s ) , s v c d ( 2 m b / s )以 及 3 m b / s 和4 m b / s 四 种预设的压缩格式， 还可以自 定义更高码率的压 缩格式， 可选p a l 或n t s c制式， 大范围适应不同用户的空间条件 和质盆需求: 3 )硬软件结合方案: 音频的 压缩和回 放均 采用了 计算机的 声卡来完成， 录制视频节目 和回放到电视机上时采用系统的m p e g 硬件编解码芯 片，在计算机上回放时则采用了播放软件 p o w e r d v d配合 c p u来 完成;由于采用了d i r e c t s h o w中的过滤器概念， 可以方便的和不同 公司软件接口，或者应用于实时的视频点播领域: 4 )广泛灵活的 应用:由 于采用了上面的 压缩标准和技术方案，该系统 可以应用在多种视频采集、视频监视或视频会议、远程教学、局域 网 视 频 煮 播 等 多 种 情 况 下 。 既 可 以 作 为 一 套 完 备 的 系 统 ， 也 可 以 将 其中的主要电路板做成方便用户应用的随身硬盘录像机.将来在系 统中加入数字电视兼容的功能也会比较方便. 软件部分工作完成后已经在原系统上调试并运行通过. 现在该系统已经 可以实用，并已生产数台样机.本系统先后参加了2 0 0 2 年的天津通信设备 展和2 0 0 2 年1 2 月的上海第四届国际工业博览会的展览， 引起了热烈的反响. 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作和取得的 研究成果， 除了 文中 特别加以 标注 和致谢之处外， 论文中不包含其他人已 经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 或其他教育机构的学位或证 书 而 使 用 过的 材 科. 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 究 所 做 的 任 何 贡 献 均已 在 论 文中 作了明确的说明并表示了 谢意。 学 位 论 文 作 者 跳孵昌签 字 日 期 : 、 年 ” 湘 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 a l a 丛递- 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 . 特 授 权 二 互 生人崖 匕 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 枪 索， 并采用影印、 缩印 或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅. 同 愈学校 向国 家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 签 字日 期 : 江 时 马年 导 师 签 名 : 川 a 洋 签 字 日 期 : 1 110 , ， 年 月 ， ; 日 第一章 盆字电视及机顶盘棍迷 第一章 数字电 视及机顶盒概述 数字电视不仅能提高频谱资源的利用率， 还能提供高清晰度的观赏效果 和吸引人的交互电视等附加业务功能， 所以全数字化是广播电视技术的发展 目 标. 机顶盒则是在模拟电视和数字电 视并存阶段的过渡产品， 有着非常广 阔的市场前景。 本章将介绍数字电视的标准和机顶盒技术发展的概况， 并指 出其中的关键技术。 芬 1 . 1 数宇电视和机顶盒的发展 圣 1 . 1 . 1数字电视广播的发展概述 技术的发展和需求的推动， 使广播电视从模拟黑白电 视发展到模拟彩色 电 视， 如今正在向 着数字电 视( d t v ) 过渡。 数字电 视系统， 包括采编设备、 传输网络、接收终端等将形成一个庞大的市场。由于数字电 视的诱人前景， 2 0 世纪9 0 年代以 来， 世界发达国 家都在积极 研究开发数字电视广播的 标准 和技术。目 前， 许多国家已经在卫星、 有线和地面广播电视中采用数字电视 技术。 1 .橄字电视广播的，要意义 数字电视的重要性表现在以下几个方面: 1 )信号压缩技术提高了 频谱利用率， 传输一路模拟电 视的带宽可以 传 送4 - 1 0 路标准清晰度数字电视节目。 2 )信道编码技术提高了 信号的 传输质盘: 3 )数字电视能够提供多方面的信息服务，而不仅是将原有模拟电 视数 字化，或提高和改进原有电视的某些性能指标。数字电视作为一个 信息传输平台，除提供电视广播外，还将提供其它多种业务。数字 电 视促进了电视、计算机和通信业务的融合. 4 )电 视是人们获取日常信息和娱乐的重要途径，数字电视的发展必将 影响到千家万户.因此各国政府出于对本国政治利益和经济利益的 考虑，对数字电视的研究开发、标准制订和产业发展给予积极的影 第一章 数字电视及机顶盘概述 响和支持. 2 .模拟离清晰度电视、数字电 视与致字高清晰度电视 从时间上讲，先有模拟高清晰度电视，后有数字电视。电视技术在完 成了黑白电视向彩色电视的转变之后， 人们希望能够进一步提高电 视图像的 清晰度，以达到电影胶片的图像质盘.日本人最早提出模拟商清晰度电视 ( h d t v )的 概念， 并 在 8 0 年代初期 ( 1 9 8 1 ) 完成 世界 第一套高 清晰 度电 视演示系统. 按照国际电联( i t u ) 的定义， 高清晰度电视是观看者在距h d t v 显示屏高度三倍距离上所看到的图像质it具有观看原始景物或表演所得到 的印象。换句话说，高清晰度电 视的图像质盆应相当于3 5 m m胶片的质i t . 高清晰度电视在水平和垂直方向上的清晰度是现有电视清晰度的两倍， 其包 含的信息t大约是常 规电视的五倍， 显然， 用原有的电 视节目 传输方法传送 高清晰度电视节目 是不现实的。 h d t v是 8 0 年代提上日 程的，日 本率先开 发出h d t v并于 1 9 8 9 年就试播了m u s e - h d t v( 多重抽样编码) .几乎同 时欧洲掀起了ma c制和h d - m 人 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。 但是无论是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 h z - 3 0 m h z ) ， 使节目 的扩展和频道的利用受到限制. 因 此，在高清晰度电视传输方案上，无论日 本首先提出的 mu s e体制，还是 欧洲随后提出h d - m a c体制，基本上都只是用于卫星广播上. 在技术上，混合传输方式不可能实现用一个模拟电视频道传送一路高 清晰度电视节目。同时， 实时传送序列图像的需要， 促进数字视频压缩技术 的发展。 数字视频压缩技术发展到能够把图像的信息f压缩2 05 0 倍时， 就 为数字电视的出现提供了必要条件。 数字电视为离清晰度电视节目 提供了一 个新的更经济更实用的传输手段， 而高清晰度电视只是数字电视广播的业务 之一。因此， 现在不再单独谈论高清晰度电视， 而是强调数字电视这个大概 念. 这里要强调一下， 上面所说的数字电视不是广义上的数字电视， 而是狭 义上的数字电视传输系统。 由于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 ( f c c ) 第一t掀字电 视及机顶盒概 述 提出了美国数字电视标准的建议 电视标准” ，1 9 9 7 年4月，f c c 广播的频道，并公布了到2 0 0 6 t o 1 9 9 6 年 1 2 月， f c c通过7 a t s c数字 为全美 1 6 5 0 个电 视台指派了用于数字电视 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 程表。美国提出的全数字频道兼容 m p e ( 1 - 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 一个共容的地面广播电视频道 ( 6 m h z - 8 m h z ) ，而其 1 0 0 0 线以上的高清晰 度画面和5 . 1 声道的环绕立体声使视听的效果更加理 想。 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 界各国所公认和接受.美国于1 9 9 8 年 1 2 月2 5日 前按照美国政府制定的体 制标准和加快数字电视地面广播进程的框架文件，分属三个主要电视网的 2 6 个电 视台正式广播了h d t v节目， 并且决定在2 0 0 6 年前停止全国的模拟 电 视广播，取而代之的是h d t v和d v b的 数字电 视广播. 3 .砍洲的。 湘 标准 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 在美国 之 后， 但 它们 很重视 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 !k以上的高清晰度 ( h 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。 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，而被许多国家广泛采用。与此同时，亚洲、 澳洲等也纷纷为其开展数字广播积极地傲准备， 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. 4 .我国的救字电视广播发展 在我国众多省市、地方电视台都实现了电视节目的数字卫星广播和接 收， 中央电视合和许多地方省台都在通过卫星向全国传送数字卫星节目， 我 第一章 数字电 视及机顶盒概述 国1 9 9 7 年 1 月1 日， 河南、青海、 福建、 江西、辽宁、内蒙 ( 狡、汉语两 套) 等 1 1 套电视节目， 使用数字压缩技术上星播出.1 9 9 8 年 1 月1 日，又 有几家电视台也开始播出了 采用 d v b - s 标准的电视节目。电视台的发送和 接收设备大都实现了数字化， 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. 与以 往的模拟电 视 业务相比， 数字电视不仅在节省频谱资源、 提高节目 质a方面带来了一场革 命，而且，在传送业务信息方面，也开辟了一个新的时代。 我国的有线电视网络正在进行着宽带化和数字化建设. 不但要逐步更新 现有的单向网络为双向宽频网络， 还要在过渡期间尽可能的发挥现有的数a 庞大的模拟电视机的作用， 并逐步向它们提供除了传统的电视节目 之外的交 互式、 综合化的服务， 这就给了有线电视数字机顶盒很大的生存和发展空间. 肠 1 . 1 . 2数字电视机顶盒 无论是以前的模拟彩电还是现在的所谓数码电视都不具备对数字电视 信号进行解码的功能， 因而需要一种能够接收数字电视信号并解码用于显示 输出的中间设备， 这就是数字电视机顶盒。 它充当着数字电视信号与用户的 模拟显示设备二者之间桥梁作用。 1 .橄字电视机顶盒的分类 数字电视机顶盒按照传输介质的不同分为数字卫星机顶盒、数字地面 机顶盒、 数字有线电视机顶盒， 其中， 数字卫星机顶盒又称为综合业务接收 机( i r d ) ， 用来接收数字卫星广播节目 。 我们所看的许多卫视节目 都是有缘 电视台通过专业的工 r d 从卫星接收下来，再通过有线电视送入用户家中的. 数字地面机顶盒的传输介质是地面广播信道。由于数字地面广播中所 存在着多径接收、 邻频千扰等问题， 所以它的调制技术采用了编码正交频分 复用c o f d m( 欧洲d v b - t 标准) 或残留 边带调制8 v s b 美国a t s c 标准) 。 数字有线电视机顶盒的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t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。事实上，该类机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用， 第一 章孩字电 视及机 顶盒概途 如 数 宇 电 视 广 播 接 收 、 电 子 节目 指 南( e p g ) 、 准 视 频 点 播( n v o d ) . 按 次 付 费观看 ( p p v ) 、软件在线升级、数据广播、i n t e r n e t接入、电子邮件、i p 电话和视频点播等。 2 .橄字电视广播与机项盒的发展 数字电视的发展方向有两个方面:一方面，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， 所以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 的机顶盒的 主要发展方向是数据服务，交互式服务。 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暇目的焦点。 在国外， 数字有线电视机顶 盒市场正在处于繁荣阶段。巨大的潜在市场，吸引着 i t 、电子、信息服务 以及娱乐业巨头纷纷加入竞争。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 始进入该领域。 1 . 2数字电视机顶盒的主要技术 1 . 2 . 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， 是由信道和信源 部分配合来完成的， 这两个部分习惯上也分别称为前端和后端。 首先对数字 电视信号进行信道部分的解调和解码， 得到传输流: 然后由信源部分对传输 流进行解复用分出音频和视频荃本流， 再分别经过音频和视频解码， 输出解 码后的视频和音频信号。 某些机顶盒具有交互功能， 这些机顶盒除了循要信 息的下传通道外还需要一个上传通道， 在结构上比 之前者要复杂些。 机顶盒中的设计方案中一般会采取信道和信源部分硬件上互相独立的 方法， 它们之间通过一个固定的接口 进行通信. 这样做的好处就是在开发适 用于不同传输标准的机顶盒时可以不用改动信源部分的硬件设计， 从而减小 开发成本或者缩短开发时阅。 就系统工作方式来讲，可能是由后端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 c p u ， 通过对它的 编程来控制前端，后端 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， 现在需要作什 么，具体的操作由 前端自 身的软件完成. 信道部分 采用的 技术有: q p s k调制( 卫星) 、 q a m调制( 有线) 、 8 v s b 调制 ( 地面) 、c o f d m ( 地面)及相应的解调技术:r e a d - s o l o m o n编码、 卷积编码、交织等以及相应的解码技术。信源部分采用的技术有:m p e g - 2 数字视频压缩编解 码. m p e g - 2 数字音频压缩编解码或d o l b y a c - 3 音频压缩 编解码技术以 及传 输流复 用和解复用技术等; 信源解码器的一般结构包括以下一些部分: 作为解复用和解码控制器的c p u c p u软件存储所需的r o m和r a m 视频解码器和用于视频解码的r a m 视频后处理模块电路 音频解码器 部分外部接口 模块 我们采用的数字电视机顶盒的硬件方案使用的是集音视频解码和解复 用功能于一身的芯片s c 2 0 0 0 ，则从硬件上讲它没有上述那样细的划分。 1 . 2 . 2机顶盒中的关锐技术 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 下行数据解调与信道解码技术 实时软件操作系统技术 上行数据的编码和调制 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 码技术都是前端技术的一部分: 解压缩技术也就是音视频解码技术， 它和解 复用都是信源部分的内 容: 实时软件操作系统是包含多任务的系统控制软件 第一章 我字电 视及机 的调度器， 它是整个机顶盒的控制中心， 因而是必不可少的: 上行数据的编 码和调制则是交互功能的机顶盒的一部分， 如v o d( 视频点播) 、因特网浏 览等交互信息在上行信道中都要经过编码和调制才发送出去. 在我们所设计的机顶盒系统中，用到了前面的三项技术，将来可以考 虑 加 入 交 互 功 能 竺 我 们 在 硬 件 设 计 上 ， 前 端 使 用 了 包 含 上 行 功 能 的 高 频 调 谐 器， 方便将来的改进工作. 下面章节中将具体介绍不同的机项盒技术以及我 们所采用的方案。 第二幸 橄字电视机顶盒前端技术 多种名称的数字电 视机顶盒其实主要区别在于前端， 这是机顶盒中标准 和技术最丰富的地方. 本章以 数字有线电视为主介绍了前端技术的发展状况 和原则，还详细介绍了本课题中采用的数字有线接收前端硬软件技术。 9 2 . 1 前端技术及其发展 在 机顶盒技术中， 信 源部分的 主要 任务是对传 输流 ( t s流) 解复用和 m p e g - 2 解码， 所以是一个相对稳定的模块. 而前端也就是信道模块由于所 涉及到的产品、 方案和标准众多， 所以其配置和组成更为灵活和复杂。 各地 的有线网络水平不一， 也需要采取相应的解决方案。 我国正在制定自己的数 字有线电视标准， 将对国内市场上的机顶盒提出更为具体的要求。 这播耍我 们了解和掌握前端的发展状况和应用。 夸 2 . 1 . 1数字有线电视机顶盒的前端 数字有线电视机顶盒的前端是指从电缆的射频信号输入到后面的信源 解码电路之间的部分。 它的主要任务有下变频、 下行信道的解调解码以 及上 行信道的编码和调制等.前端有时也被称为网 络接口 模块 ( n i m . n e t w o r k i n t e rf a c e mo d u l e ) . 数字有线机顶盒根据功能不同， 可以分为基本功能数字有线机顶盒与全 功能数字有线机顶盒两类。 前者的主要任务是播放数字有线电视节目， 包括 电子节目 指南 ( e p g ) 、软件在线升级、数据广播等功能。而后者除以上功 能之外， 还支持几乎所有的广播和交互式应用。 例如i n t e r n e t 接入、 i p电话、 视频点播 ( v o d )等。 全功能机顶盒与荃本功能机顶盒的前端设计方案是不同的，由 下面的讨 论可以 看出来。一个功能较全的数字有线电 视机顶盒前端部分框图如图2 - 1 所示。 第二 幸 盆率电 锐帆 顶众 前端技术 商 绷 头 圈2 - 1 数字有线电 视机顶盒前端框图 其中高频头的作用是将有线电视电缆中输入的射频信号进行下变频， 得 到的中频信号经过模数转换之后进行正交幅度调制 ( q a m)的解调，然后 再进行前向纠错编码 ( f e c ) 的解码， 最终得到传输流并供给后面的模块进 行处理。同时用户需上传的数据经上行信道处理模块进行编码和调制之后， 再转换成射频信号发送到电缆中去。 基本功能数字有线电视接收机顶盒不包含上行信道部分， 但是可以 接收 从发送端来的视频信号和数据。 全功能数字有线机顶盒中上行信道的构成根 据实际情况和要求，可以用公用电 话网 ( p s t n )实现，也可以用电缆接入 光纤同轴混合网络( h f c ) 利用其中的反向回传信道， 通过频分多址( f d m a ) 或者时分多址 ( t d m a )的方式来实现。由于前者的实现方法相对简单， 本 文中所涉及到的上行信道方案将只讨论后者。 2 . 1 . 2主要的前端产品和技术 前端电路按其功能可划分为射频段和中频段两部分， 射频段电路主要完 成电缆输入的射频信号下变频到中频或者将待发送信号调制到射频载彼上 的功能， 中频段则对射频部分传来的中频信号进行处理， 或者将反向 信号进 行编码和调制之后送到射频段去。 其中射频段电路涉及的产品有分支器、 同 向双工器、高频头、零中频调谐器、声表面波滤波器 ( s a w) 、宽带射频放 大器、中频放大器等。中频段可能用到的产品有模数转换器、q a m解调芯 片、上行的 q p s k i q a m调制芯片等。但是随着大规模集成电路 ( l s ! )技 术的发展， 已经有越来越多的功能可以 集成在高频头和解调芯片中。 下面把 它们作为射频段电路和中频段电路的代表来介绍前端技术。 第二章 数字电视机顶盒前端技术 ， .离拓头以及射组技术 高频头的主要作用是把从电缆中输入的射频信号下变频到中频信号，以 便后面的中频电路进行处理. 传统的模拟高频头由于性能达不到要求， 不能 应用于 数字有线电 视节目 的传输处理中， 所以 必须采用可以 接收数字有线信 号的高频头。 现在数字技术和射频处理技术的 发展使高 频头突破了 传统产品 所能 完 成的功能，不但广泛采用数字锁相环 ( p l o 技术完成调谐任务，而且还集 成了许多附加功能，例如: 1 )在高频头中集成分支器的功能，可以 完成模拟和数字信号的 兼容接 收. 如p h ilip s 公司的c d 1 5 0 0 1 c d 1 3 0 0 系列; 2 )在高频头集成分支器和同向 双工器， 则可以 同时 完成下行信号的接 收和上行信号的发送. 如t e l e f u n k e n公司的4 9 0 7 d i 5 系列中的 产品; 3 )在高频头中集成第二次下变频电 路， 从而可以 直接输出 低中频信号. 目 前a l p s , s h a r p , p h i l ip s 等公司的许多产品都可以 做到这一点; 4 )特别是将零中 频调谐芯片、 外围器件与q a m解调芯片组合放在一块 电路板上的方案，可以直接输出传输流给信源部分处理.如 a l p s 公司的下 d r系列。 2 .信道解佣解码技术和芯片 从高频头中输出的中频信号经过一些变换或者处理之后送给信道解调 解码芯片进行处理， 在这里主要完成从中频信号的输入到传输流的输出之间 的 解调解 码功能。 多 数的 解调 芯片 都由 主 控芯 片 通过!2 c 总 线 进行控 制. 它 还提供自 动增益控制 ( a g c ) 电 压给射频部分。 另外， 由 于iz c信号会对高 频头内部的本振产生相位噪声， 所以设计中常常用解调芯片的管脚与高频头 的iz c 总 线管脚连接构 成本地iz c 环路而不是 把高 频头 直接挂在i z c 总 线上. 通过解调芯片管脚电 压的高 低变化来模拟iz c总线时 序， 完成对高频头的 控 制功能。 目 前多数解调解码芯片中已 经集成了模数转换器的功能，集成更多功能 的芯片有: 绍二 ，妞字电 栩机顶t前端技术 1 )可以 直该抽入几十兆的高中频信号，从而可以省略二次下变 频擂要的外部电路，例如s 下公司的v 0 2 9 7 ; 集成了上行通道的芯片，如l s i l o g i c公司的c l 2 1 5 1 ，这 就扩展了解调芯片的功能: 可同时解调多种调制格式的芯片， 如o r e n 半导体的o r 5 1 2 2 1 犷 把v s 日和q a m的解调功能做到一起，也为机顶盒的通用化 提供了一种前端解决方案。 2 . 1 . 3前端技术的发展趋势 在数字电视技术和徽电子技术的推动下， 前端技术也得到了非常快的发 展。 前端技术的发展趋势之一是器件的高度集成化， 可以把更多的外部电路 集成在片内， 从而缩短机顶盒产品的上市时间， 降低开发费用。 例如在早些 时候t i 公司曾经提出过综合其3 片d s p功能来搭出一个单片q a m解调模 块的方案。后来这种信道解调和解码分开的模式发展为单芯片解调解码模 式，之后又把a d c也做到片内。现在已经可以把上下行通道集成在一个芯 片中。 发展趋势之二是前端的通用化， 能够一机多用和兼容多种标准。 在这一 点上， l s i l o g i c公司的c l 2 1 5 ， 是典型的代表。 它不但拥有两个下行通道 和一个上行通道，还集成了一个硬件m a c和两个内部处理器， 使它能够支 持全球几乎所有的主要电缆标准。把它和原 c - c u b e的视频处理芯片 a v ia 9 6 0 0结合在一起， 就可以组成一个能够完成几乎所有有线接收机顶盒 和电缆调制解调器功能的机顶盒产品。 通用化的另外一个表现就是向着能够兼容卫星、 有线和地面数字广播的 方向 发展。 兼容多个标准的前端芯片可以使机顶盒有更强的通用性， 也就能 够在为用户提供更多的方便的同时降低自己的设计成本. 发展趋势之三是实现方法更灵活， 适应要求更多样。 可以 采用同时接收 模拟和数字有线电视信号的高频头， 能够直接输出传输流的高频头等。 它们 各有一定的应用空间， 例如后者可以使整个接收电路变得更加小巧方便而且 策二 章 傲 字电 视机顶 t前端技术 可以简化设计，方便做成p c插卡 互 2 . 1 ， 4前端的组成原则 数字有线接收机顶盒前端的可选方案很多，但这也常常使人无所适从。 而在机顶盒的研制过程中， 开发者所要完成的前端功能的多少和所选择的前 端方案将对整个机顶盒的开发时间和成本产生重要影响。 所以如何选择自己 的 方案就是一项很重要的 任务. 而且还要把整 体的 发 展趋势 和实际的 情况与 需求结合起来. 我们国家各地的有线网络发展程度不一，有的地区还是以单向网络为 主， 有些地方是单向网络和双向宽频网络并存， 有些比较发达的地区则大部 分改造为双向宽频网. 另外人们的消费水平和习惯也有不同。 所以荃本功能 的有线数字机顶盒在一段时间之内还将有一定的市场， 有的可能还要求机顶 盒有模拟和数字信号兼容接收的能力. 全功能机顶盒的实现也要考虑到不同 的 情 况， 例 如 在以 单向 网 络 为 主 的 地区 ， 可以 考 虑 采 用p s t n网 作 为回 传 信道以实现少童信息的交互. 而在网络条件比较好的地区， 则可以直接采用 电缆作为回传信道，以提供更多的交互式服务. 在过渡期间的机顶盒产品要考虑到未来升级的方便性。 对于前端来说则 包括硬件和软件的升级。 硬件上的要求就是尽盘减少重新设计的时间以尽快 的适应新的要求， 还要降低设计的成本. 所以在前端的设计过程中应该采取 开放的模块化设计， 增加模块的可重用性， 方便未来功能的扩展。