（信号与信息处理专业论文）嵌入式linux下机顶盒驱动程序的开发.pdf

中文摘要 在近来国内众多的展览会上，d t v 和数字机顶盒已成为众人瞩目的焦点。在 当今模拟电视向数字电视转化的过渡期内，采用数字机顶盒是电视接入因特网和 接收广播电视服务的最便捷途径。数字机顶盒也必然成为当今数字电视广播业的 重要产品，所以机顶盒有着极好的应用前景。 本课题参考b r o a d c o m 公司的b c m 9 7 11 5 方案研制和开发符合欧洲d v b 标准的 标清数字电视机顶盒。方案中芯片b c m 7 1 1 5 完成系统控制、解复用、标清视、音 频解码和标清视频d a 变换等功能，并且可以输入两路t s 流，可实现画中画功 能。该机顶盒系统采用了当前较为流行的嵌入式l i n u x 操作系统。 本人在该课题中负责机项盒的硬件驱动程序的开发，主要是前端部分的驱动 程序。系统有两路前端，一路以b c m 3 4 1 5 实现信道解调，输出中频信号给b c m 7 1 1 5 完成信道解码：另一路采用t h o m s o n 公司的一体化前端d c f 8 7 2 0 进行信道解调和 解码，输出传输流给b c m 7 1 1 5 做下一步处理。本系统开发平台使用的是g n u 开发 套件集，包括g c c 编译器和g d b 调试器。驱动程序用c 语言编写，使用g n u 交叉 编译调试器。机顶盒通过串口与外围计算机相连，从而在终端打印输出调试信息， 以监控系统工作状况。本论文也对l i n u x 嵌入式操作系统及其设备驱动程序进行 了研究，选择了将前端驱动程序静态编译进内核的方法。前端驱动程序达到 了将上层相关的软件开发与前端硬件分离的目的，从而屏蔽了硬件 细节，为上层应用程序提供了通用接口，使软件具有更好的兼容性。 最后，论文详细阐述了联机调试的环境、步骤和结果，并对下一阶 段的工作提出了建议。 关键词：数字电视机顶盒嵌入式l i n u x 设备驱动程序b c m 7 1 1 5 a b s t r a c t i nt h er e c e n te x h i b i t i o n si nc h i n a , d t v ( d i g i t a l t e l e v i s i o n ) a n ds t b ( s e t t o pb o x ) h a v eb e c o m et h e f o c u s n o w a d a y s ，t h ea n a l o gt e l e v i s i o ni sb e i n gs u b s t i t u t e db y d i g i t a lt e l e v i s i o n ，w h i c h w i l lr u na l o n gt i m e ，a n dt h es t b i st h es h o r t c u tf o rb o t ht h e t e l e v i s i o nc o n n e c t i n gt oi n t e m e ta n dt h es e r v i c ef o rr e c e i v i n gt e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g s t bi st h ei m p o r t a n tp r o d u c to f t o d a y sd i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gi n d u s t r y , s oi t h a sa g r e a ta p p l i c a t i o n f u t u r e w e a d o p t e d t h eb c m 9 7 11 5e v a l u a t i o nb o a r dt or e s e a r c ha n d d e v e l o p o u rs d t v s t b ，w h i c hi sa c c o r d i n gt ot h ed v b c t h ec o r ec h i po f t h es y s t e mi sb c m 7 115 ， w h i c hh a st h ef u n c t i o n so fs y s t e mc o n t r o l ，a u d i od e c o d i n g ，m p m lm p e gv i d e o d e c o d i n ga n dc h a n n e ld e c o d i n g ，e t c t h es y s t e ms u p p o r t s t w oc h a n n e l so ft s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) a n d s oi th a st h ef u n c t i o no f p i c t a r e i n p i c t u r e t h i ss t bs y s t e m u s e se m b e d d e dl i n u xa si t so p e r a t i n gs y s t e m t h ed e v e l o p m e n to ft h ed r i v e r so ft h ef r o n t e n d si sm ym a i nw o r k w ed e v e l o p e d t w of r o n t e n d s o n ei sr e a l i z e dt h r o u g ht h ec h i pb c m 3 4 1 5a n dt h eo t h e ri sr e a l i z e d t h r o u g hd c f 8 7 2 0 ，w h i c hi s ap r o d u c to ft h e c o m p a n yt h o m s o n w eu s eg n u d e v e l o p m e n tp a c k g e i n c l u d i n gg c cc o m p i l e ra n dg d bd e b u g g e r t h ed r i v e r i s w r i t t e ni ncl a n g u a g ea n dc o m p i l e dw i t hc r o s s c o m p i l e r t h cs t bc o m m u n i c a t e s w i t ht h ec o m p u t e rt h r o u g hs e r i a lp o r t ia l s os t u d yt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e ma n dt h ed e v i c ed r i v e r s d e v i c e 出i v e r s l i eb e t w e e nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a p p l i c a t i o n s ，a sa ni n t e r m e d i a t el a y e rt h a ts e p a r a t e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tf r o m t h es p e c i f i ch a r d w a r ed e v i c ea n dt h u si m p r o v e st h ec o m p a t i b i l i t yo f t h ew h o l es y s t e m f i n a l l y ，m yd i s s e r t a t i o ni l l u s t r a t e st h ed e v i c e s ，p r o c e s sa n dr e s u l t a n di a l s og i v e s o m ea d v i c e sf o r 恤ef u r t h e rw o r k k e yw o r d s ：s t be m b e d d e dl i n u x d e v i c ed r i v e r sb c m 7 1 15 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导r j s d 旨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，也不包含为获得叁星盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：1 习捷 签字嗍 洌忙乙月z 产日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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。同意学校 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：1 习才录 导师签名 签字日期：础忙z 月己日 签字日期 粕以 ， 第一章绪论 1 1 数字电视概述 第一章绪论 1 9 9 8 年1 1 月1 日，数字电视( d t v ) 在美国和英国同时丌播，使电视广播从 模拟跨入数字时代，并且在世界上掀起了谈论数字电视的热潮。 在电视发展的历史上，在经历了黑白电视到彩色电视的一次革命，现在直接 面对着的就是模拟到数字的第二次革命。从严格的科学意义上来说：所谓的数字 电视，就是在电视信号的发射、传输和接收过程中全部实现数字化的电视系统。 它是继黑白电视、彩色电视之后的第三代电视，不仅能提供高清晰度影像和高保 真音响，而且还能提供视频点播、网上购物、网上银行等多种用途。数字化，是 当今世界的潮流。 1 2 数字电视的优点 与传统的模拟电视相比，数字电视的优点十分突出，主要体现在以下几个方 面： ( 1 ) 提高了频率资源的利用率。利用数字压缩技术可以在一个标准有线电 视模拟频道中传输4 1 0 套电视节目。 ( 2 ) 提高电视信号的传输和接收质量，可以实现用户接收到和前端播出效 果基本相同的电视信号。支持5 1 声道的数字环绕声节目源，可以使电 视节目品质达到家庭影院的音视频效果。 ( 3 ) 抗干扰。数字视频不受干扰、增益、相位错误和串音的影响。同等传 输条件下的抗干扰能力明显优于模拟电视。 ( 4 ) 可以兼容现有模拟电视。通过在普通电视机前加装数字电视机顶盒即 可接收数字电视节目，电视台的电视节目制作设备也可部分沿用。 ( 5 ) 提供新的业务。普通的模拟电视用户只能被动地接收电视台预定的节 目。而数字电视网与电信网及计算机网相结合，实现三网融合，不仅使 信息源更为丰富，还可增加用户与各种信息源之间的交互性，实现用户 自由点播节日、自由选取网上的各种信息，可以提供多种数据服务业务， 使电视机可以真正融入到信息网络中去，可以实现多种新的功能，例如， 家长可对部分电视节目设定密码，以防止未成年人收看限制级节日等。 笙二量竺堡 1 3 数字电视在国外的发展 早期的数字电视发展由于受到带宽的限制，发展缓慢。后来，随着视频压缩 技术的发展，人们对视频压缩算法的基本框架形成了共识，并制定了一系列视频 压缩标准。如：m p e g - 1 ，m p e g 一2 ，m p e g 4 等。在这些压缩标准中，其压缩核心 是采用d c t 变换编码、运动估值和哈夫曼熵编码。这些标准的制定，大大推动 了数字电视的发展。 1 3 1 数字电视在日本的发展 日本是数字电视研究与开发起步最早的国家。早在1 9 8 5 年它就建立了1 1 2 5 线、每秒6 0 帧的m u s e 制式。1 9 8 8 年率先在汉城奥运会进行大屏幕h d t v 试 播。1 9 8 9 年，n h k 开始进行面向h d t v 的广播演示，到1 9 9 1 年底，这种广播 每天已定时播放8 小时。s o n y 公司也于1 9 9 0 年底发行了第一盘h d t v 录像带。 日本的m u s e 制式打破了现有电视机的生产模式，h d t v 广播与现有电视广播 并行存在。日本第一台h d t v 接收机体积很大，只适合在百货商店或其它公共 场合使用。随后各公司电致力于r 丌发体积适中的家用h d t v 接收机( 以3 6 英寸 为主) 。由于价格昂贵( 1 台3 6 英寸h d t v 机约8 0 0 0 美元) ，市场推广非常困难。 h d t v 对推动日本d t v 起到了重要的作用，高清电视机的拥有量已达8 5 万台，加上原来接收m u s e n t s c 的接收机，可接收高清的接收机达2 0 0 万台。 1 9 9 9 年6 月，日本m p t 开放有线电视行业，使外国投资能够进入日本有线 电视。日本的有线d t v 始于1 9 9 8 年7 月，到2 0 0 1 年3 月已拥有1 0 4 8 万用户， 7 0 的c s 卫星用户是通过有线收看卫星电视的。日本计划到2 0 0 5 年有线电视全 部采用光纤，到2 0 1 0 年完成所有有线网的数字化改造。到2 0 11 年关闭模拟电视。 1 3 2 数字电视在欧洲的发展 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播( d v b ) 项目，并成立了d v b 联盟。d v b 联盟是一个由3 0 多个国家的2 3 0 多个成员组成的国际机构。该机构 的首要目标是在全球范围内发展和推广共同的数字电视广播标准。d v b 联盟共 同制定了数字电视的d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准。d v b 标准规定数 字电视系统使用统一的m p e g 。2 压缩方法和m p e g 2 传输流及复用方法；声音 标准比较灵活，可以采用m u s i e a m 立体声、m u s i c a m 环绕立体声或杜比a c 一3 环 绕声；在调制方式上，卫星广播采用q p s k ，有线电视采用q a m ，而地面广播 则倾向于c o f d m 。 从1 9 9 6 年开始，欧洲数字电视市场无论从订户数量、还是产值上都有相当 2 第一章绪论 高的增长率。到1 9 9 9 年中，欧洲数字电视有了快速发展，其中英国和瑞典既有 卫星和有线数字电视，又有地面数字电视：在卫星数字电视方面，卫星电视广播 的数字化已接近1 0 0 ，几乎所有的欧洲卫星电视频道都是按d v b s 标准广播。 有线数字化自1 9 9 7 年末以来取得重大进展，到1 9 9 9 年6 月近5 0 0 0 万有线终端 升级为数字传输( 占有线接通家庭的6 5 ，1 9 9 7 年是5 0 ) 。欧洲数字电视频道增 加得非常快，达到每年新增1 0 0 个数字频道，到1 9 9 9 年末欧盟已有约4 0 0 个数 字电视频道。数字电视频道主要是1 6 ：9 格式数字电视、p p v 和n v o d 节目， 同时有许多节目分类频道( 如电影、体育、记录片、家庭购物等) 。电子节目指南 ( e r a ) 、电子商务、电视银行、信息和新闻、游戏、电视电子邮件、电视互联网 接入和交互电视等业务得到了广泛的应用。根据n t l 的估计，到2 0 0 4 年，英国 卫星d t v 用户为7 0 0 万，有线d t v 用户为1 2 0 0 万，地面d t v 用户为3 0 0 万。 最近英国提出全面普及数字电视的时间表，最早可能从2 0 0 6 年开始，计划在2 0 1 0 年停止模拟地面电视广播，这将取决于：首先数字电视信号必须能够覆盖全国 9 9 4 的人口，其次9 5 的家庭拥有数字电视机或机顶盒等数字电视接收装置。 1 3 3 数字电视在美国的发展 同日本和欧洲相比，美国在数字电视的研究方面起步较晚，但由于它在发展 数字电视机方面占优势，所以美国的全数字h d t v 的发展备受世人瞩目。尽管 美国曾支持过日本推出的1 1 2 5 行h d t v 规格作为统一的世界标准，但当意识到 h d t v 潜在的巨大市场之后，美国加速了这方面的研究，并从一开始就采用了全 数字化的方案。美国在1 9 9 1 1 9 9 2 年对五种建议的h d t v 地面广播制式进行了测 试，由于被测试的各种全数字制式在技术和经济上的优劣没有显著的差别，为了 取长补短，同时统一国内市场，其中四个数字系统的提出者于1 9 9 3 年5 月组成 了“大联盟”( g a ) ，合作提出了一个统一的标准。1 9 9 5 年4 月a t s c 通过了 “a t s c 数字电视标准”，同年8 月g a 样机研制成功，l o 月“a t s c 数字电视标 准”被提交给f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月2 6 日，f c c 批准了该标准。1 9 9 7 年4 月f c c 宣布：以4 月7 日为起点，1 8 个月内有2 2 座电视台转为数字电视播出： 2 4 个月内，四大商业电视网在全美十大城市进行数字电视播出( 其中三大电视 网播出数字h d t v ) ；3 0 个月内有1 7 0 0 个电视台在3 0 个城市转为数字电视；最 终计划在2 0 0 6 年取消模拟电视的播出。根据c e s 的统计和估计，美国数字电视 机的销售呈稳定增长趋势，2 0 0 1 年底，数字电视机的拥有量己达2 2 2 万台。 1 4 数字电视在我国的发展 我国数字电视技术的研究开发基本与国际先进国家保持同步，但由于有关行 第章绪论 业标准尚未正式出台，一两年内还不能开展数字电视广播。同时由于数字电视节 目源不足和家庭电视机换代周期较长等因素的制约，我国数字电视和模拟电视并 存的过渡时间将长达十年左右。 我国对数字电视的跟踪研究从2 0 世纪8 0 年代末就已经开始了，在c 八五” 期间，国务院组织成立了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h d t v 发展战略专家组，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”，对数字高清晰度电视进行了理论研究和计算机模拟。 1 9 9 5 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( h d t v ) 研究总体组。1 9 9 6 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、研究所以及企业的共同努力，于1 9 9 8 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。1 9 9 8 年9 月，利用该功 能样机系统在北京中央电视台进行了开路演示，取得了很好的效果。在1 9 9 9 年 1 0 月1 日，中华人民共和固建国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。目前我国中央电视台和众多省市、地方电视台都已实现 了电视节目的数字卫星传输，电视台的发送和接收设备正在逐步实现数字化。国 家广电总局曾在十五规划和2 0 1 0 年远景规划中提出：我国将在卫星和有线电视 中采用国际通用的d v b 标准，在2 0 0 3 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2 0 0 5 年全面推进地面数字电视广播。在目前模 拟电视资源渐渐饱和的情况下，电视的数字化对于电子厂商、广播电视业者来说 更是一个难得的机遇。我国将在2 0 0 8 年全面推进数字高清晰度电视，2 0 1 0 年基 本实现数字化，2 叭5 年停止模拟信号的播出。 目前，我国正在努力定义一种可以挑战m p e g 4 和h 2 6 4 并具有自主知识产 权( i p ) 的音频与视频压缩技术标准a v s m j 。根据各方估计，在未来的十年内， 我国市场将会销售4 亿台数字电视( 含机顶盒) 和播放器，中国各地的消费者和 制造商将会由于采用a v s 标准而节省3 到1 0 亿美元的专利费。这一举措是中国 为降低对国外i p 的依赖而进行的努力的一部分。负责这一视频压缩标准项目的 是“中国音频视频编码标准( a v s ) 工作组”。根据2 0 0 3 年7 月2 日中国国家广 电总局广播电视计量检测中心对a v s 系统进行的检测，a v s 的压缩效率平均是 m p e g 2 的2 4 倍。如果a v s 要进入数字电视领域，广电前端系统只需要加入 m p e g 2 到a v s 的转码器，就可以轻易的由m p e g 一2 转为a v s 信号，用户端的 解码器也只需要在机顶盒和数字电视中加入与原有的m p e g 解码芯片管脚兼容 的a v s 解码芯片，并不需要改变数字电视和机顶盒的设计。 考虑到经济、技术和市场等因素，当前我国电视业应在积极筹备数字电视节 第一章绪论 目广播的同时，继续大力开发现有模拟电视机接收数字信号的相关产品，也就是 目前全国各地开始实旋的机顶盒数字电视接收设备，以适应将来数字电视与模拟 电视较长时期共存的现实需要。 1 5 本论文的主要工作 参考b r o a d g o m 公司的b c m 9 7 1 1 5 ( b c m 7 1 1 5 + b c m 7 0 4 0 ) 方案研制和开发符合 欧洲d v b 标准的数字标清数字电视机顶盒，本方案中b c m 7 1 1 5 完成系统控制、 解复用、标清视、音频解码和标清视频d a 变换、硬盘存储等功能，并且支持 两路t s 流的输入，可实现画中画功能。b c m 7 0 4 0 是m p e g 一2 编码器，用于对 模拟电视信号进行m p e g 一2 压缩，以便保存到硬盘上。 本人在该课题中承担机顶盒的驱动程序的开发工作，主要是开发前端部分的 驱动程序。系统有两路前端，一路以b c m 3 4 1 5 实现信道解调，输出中频信号给 b c m 7 11 5 完成信道解码；另一路采用t h o m s o n 公司的一体化前端d c f 8 7 2 0 进行信 道解调和解码，输出传输流给b c m 7 1 1 5 做下一步处理。方案采用嵌入式l i n u x 操作系统。论文对l i n u x 及其设备驱动程序进行了研究。由于嵌入式l i n u x 缺乏 象桌面l i n u x 那样使用i n s m o d r m m o d 动态加载卸载设备驱动程序的灵活性，系 统采用了将设备驱动程序静态编译进内核的方法。同时论文详细阐述了前端功能 的具体实现和驱动程序主要函数的流程设计，并介绍了软件的调试过程以及开发 过程中的实际经验和体会。 笙三童塑兰皇塑垫堡垒兰里塑：竺堡塑墨竺塑坌塑鲨 第二章数字电视机顶盒与d v b 一0 传输系统部分概述 2 1 数字电视机顶盒 目前，数字电视广播是一个从节目采集、制作、传输、到用户端接收机顶 盒( s t b ) 都以数字方式处理信号的端到端系统。数字电视接收机顶盒( s t b ) 是指以 模拟电视机为显示终端的信息接收和处理设备。它能使用户终端模拟电视机从被 动接收模拟电视转为交互式接收数字电视和数据广播，并能接) k i n t e r n e t ，使用 户享受数字电视、数据广播和i n t e r n e t 接入等全方位的信息服务。 图2 1 数字电视广播接收示意图 2 1 1 数字电视机顶盒的特点和功能。3 数字电视机顶盒从其结构上讲大体上可以分成两部分：信道解调解码部分 和信源解码部分。信道解调解码部分即前端，负责对射频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信道解调解码器。目前，信道部分主要 有三种传输方式：卫星、有线和地面传输。在d v b 标准中卫星传输采用q p s k 方式调制，有线传输采用q a m 方式调制，地面传输则采用c o f d m 方式。信源 解码部分也称后端，它主要完成从t s ( 传送流，t r a n s p o r ts t r e a m ) 输入到解码后的 音、视频输出之间的所有功能，包括t s 解复用、音频解码和视频解码等，是机 顶盒的核心部分。 数字电视机顶盒的主要功能是完成对数字电视信号的接收，具体讲就是把 从信道传输过来的射频信号，通过机顶盒前端的调谐器和q a m 解调芯片完成解 6 ! 多章数字电视机顶盒与d v b c 传输系统部分概述 调和信道解码，解出t s ( 传输流) 。然后通过后端进行解复用分出音、视频基本 流，再经过音、视频解码，输出织码后的数字视频和数字音频信号。最后通过视 频后处理单元和音频d a 转换器形成p a l 、n t s c 或s e c a 2 v l 制式的模拟电视信 号和模拟音频信号送入显示器显示和播放。除了完成主要功能外，同对还具有交 互式多媒体应用功能，包括：电子节目指南、准视频点播、视频点播、软件在线 升级、高速数据广播接收、实时股市行情接收、i n t e r n e t 网页信息浏览、电子 自日件、可视电话、交互游戏、远程购物，等等。还可实现条件接收功能，如：按 时间段预订付费收视、按次付费收视( p p v ) 、预订按次付费收视( 0 p p v ) 、即兴选 定节目按次付费收视( i p p v ) 等。随着数字电视技术、多媒体技术和网络技术的发 展，数字电视接收机顶盒功能将逐步完善，尤其是单片p c 技术的发展，将促使 数字电视接收机顶盒在物理上将各部分硬件高度集成，形成s t b 核心芯片，从而 减小体积，降低成本，提高可靠性。外部接口将更加丰富，通过u s b 接口可以和 数码相机等连接，通过i d e 接口可以挂接硬盘实现节目存储，等等。交互式机顶 盒将发展成为数字电视接收机顶盒的主流，用户在普通模拟电视机上将不仅能实 现收看数字电视，而且能实现娱乐和上网功能。 2 1 2 数字电视机顶盒硬件组成 数字电视接收机顶盒硬件由高频调谐器、q a m 信道解调器、信源数据传输流 ( t s ) 、解复用器、m p e g 一2 解码器、视频编码器、音频p c m 解码器、嵌入式c p u 与存 储器模块和接口电路、电缆调制解调( c m ) 模块、条件接收模块等组成。高频调谐 器接收来自有线电视网络的射频信号，通过q a m 信道解调器完成信道解码，从载 波中解调出包含视音频和其它数据信息的m p e g 一2 传输流。传输流中一般包含多个 视音频流及一些数据信息，传输流解复用器用来区分不同的节目，提取相应的视 音频流和数据流，其输出为m p e g 一2 视音频基本流( e s ) 以及数据净荷，然后由 m p e g 一2 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 模块还对视音频流进行解扰，并采用含有识别用户和进行记帐功能的智能卡 ( s m a r tc a r d ) ，保证合法用户正常收看。m p e g 一2 解码器完成视音频信号的解压缩， 经视频编码器和音频p c m 解码器变换，还原出模拟视音频信号，在模拟电视机上 显示高质量图像，并提供多声道或立体声音频节目，电缆调青4 解调模块由一个双 向调谐器、下行q a m 解调器、上行q p s k q a m 调制器和媒体访问控制器( m a c ) 组成， 该部分完成电线调制解调器的所有功能。嵌入式c p i j 与存储器模块用来存储和运 行软件系统，并对各个硬件模块进行控制。接口电路提供了丰富的外部接口，包 括通用串行接口u s b 、高速串行接口1 3 9 4 、以太隅接口、r 5 2 3 2 、r s 4 8 5 、i g e 硬盘 接口、视音频接口等。 第二章数字电视机顶盒与d v b c 传输系统部分概述 2 1 3 数字电视机顶盒基本工作原理 各类信源在进入有线电视网络前，在前端经过了两级编码，第一级是信源数 字化编码，并将所有信源封装成多节目传输流( m p t s ) ；第一级是传输用的信道编 码。与前端相应，数字电视机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解 调，接着还原被压缩的数字电视信源编码信号，恢复原始视音频数据流，同时完 成数据业务和交互式多媒体应用的接收和解析。下面以接收数字电视节目为例， 简单分析一下数字电视接收机顶盒的基本工作原理。 数字电视接收机顶盒的高频调谐器接收射频信号并变换为中频信号，然后进 行a f l d 转换为数字信号，再送入q a m 信道解调器进行q a m 解调，输出m p e g 一2 多节目 传输流数据，送给解复用器，解复用器从m p e g 一2m p t s 传输流数据中抽出一个节 目的已打包视音频基本流( p a c k e t i z e d e l e m e n t a r ys t r e a m ) ) 数据，包括视频p e s 、音 频p e s 和辅助数据p e s 。解复用器中包含一个解扰引擎，可在传输流层和p e s 层对 加扰的数据进行解扰，解复用器输出的是已解扰的视音频p e s 。视频p e s 送入视频 解码器，取出m p e g 一2 视频数据并对m p e g 一2 视频数据进行解码后，输出到模拟 p a l n t s c 编码器，编码成模拟视频信号，再经视频输出电路输出。音频p e s 送入 音频解码器，取出m p e g 一2 音频数据并对m p e g 一2 音频数据进行解码，输出p c m 音频 数据至i j p c m 解码器，p c m 解码器输出模拟立体声音频信号，经音频输出电路输出。 2 1 4 数字电视接收机顶盒关键技术 ( 1 ) 信道解调技术 在有线电视网络中传输数字电视及各类增值业务采用的是q a m 信道调制技 术，如6 4 q a m 。相应地，数字电视接收机顶盒对信道解调采用的是q a m 信遒解调技 术。 ( 2 ) 信道解码技术 数字电视广播采用m p e g 一2 视频压缩标准，信源解码器必须适应不同编码策 略，正确地还原原始视音频数据。 ( 3 ) 大规模集成芯片技术 为实现实时的解复用和数据信息处理，目前数字电视接收机顶盒大多采用专 用芯片，将嵌入式c p u 与m p e g 一2 传输流解复用器、d v b c 通用解扰器、m p e g 一2 视音 频解码器、n t s c p a l 编码器等硬件进行集成，n 成s t b 核心芯片，甚至还可集成 电缆调制解调模块，以完成电缆调制解调器的所有功能。 ( 4 ) 上行数据的调制编码 为开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用三种 第二章数字电视机顶盒与d v b c 传输系统部分概述 方式，即采用电话线、以太网卡和有线电视网络传送上行数据。 ( 5 ) 条件接收( c a ) 技术 c a 负责完成数字电视广播系统的用户认证、授权和节目加扰工作，它解决如 何从用户处收取费用和如何阻止用户收看那些未经授权的付费频道这两个问题。 c a 的基本原理是对数字电视节目进行加解扰和加解密处理，采用加扰控制字加密 传输的方法，用户端利用i c 卡解密。具体地讲，就是将复用后的传输流与一个加 扰伪随机序列进行模2 相加，这个伪随机加扰序列的生成由控制字发生器提供的 控制字( c w ) 确定，c a 的核心实际上是c w 传输的控制。在m p e g 一2 传输流中，与c w 传输相关的数据流为授权控制信息( e c m ) 和授权管理信息( e 删) ，e m m 中包括地址、 用户授权信息等。由业务密钥( s k ) 加密处理后的c w 在e c m 数据流中传送，对c w 加 密的s k 在e m m 数据流中传送，并且s k 在传送前要经过用户个人分配密钥( p d k ) 的加 密处理，p d k 存放在用户的智能卡中。用户端数字电视接收机顶盒为了再生出解 扰伪随机序列，必须获取相关的条件接收信息，s t b 从接收到的传输流中过滤出 e c m 和e m m 数据流后，通过s m a r tc a r d 接口送给s m a r tc a r d ，s m a r tc a r d 首先读取 p d k ，利用p d k 对e m m 解密，取出s k ，再利用s k 对e 跏解密，取出c w ，并将c w 通过s m a r t c a r d 接口送给解扰引擎，解扰引擎利用c w 目1 可对已加扰的t s 进行解扰。 2 1 5 数字电视机顶盒技术发展趋势 在应用方面，机顶盒将支持越来越多的应用，并且可以下载的应用将越来越 多。这些应用包括：电子节目指南、按次付费观看、立即按次付费观看、准视频 点播、数据广播、i n t e r n e t 接入、电子邮件、视频点播以及i p 电话和可视电话等。 在机顶盒的软件方面，标准化的中间件产品将进一步发展，用户将可以共享 丰富的应用软件。 外部接口将更加丰富，可以利用数字机顶盒建立家庭网络，将机顶盒与p c 、 打印机、d v d 机等数字设备连接起来，并通过内置的电缆调制解调器与i n t e r n e t 相连，真正地成为信息家电。 另外，机顶盒将为用户提供更具个性化和方便的导航系统，机顶盒将可以跟 踪用户的观看习惯，扫描宽带网络中的各种数字服务，为用户显示节目和服务的 建议时间表。 机顶盒有两大发展方向：一是p c 方式，即硬件解决方式，用功能越来越强 大的c p u ，配合专用芯片来完成各种功能；二是通用d s p 方案，即软件解决方式， 配合f p e g 、c p l d 可编程逻辑器件，用高度优化的各种算法来实现各种功能。这样 一来，标准与硬件上的限制因素少，便于实现应用软件的在线升级。同时存储器 容量越来越大；m p e g 解码器将支持同时解码多个h d t v 的节目；图形功能越来越强 第二章数字电视机顶盒与d v b c 传输系统部分概述 大，将从简单的o s d 发展到强大的2 d 、3 d 图形引擎；电缆调制解调器功能更加完 善，以支持高速i n t e r n e t 接入和电子邮件，并将w e b 页面与视频有机地融合。软 件解决方式有以下特点和优势。 ( 1 ) 功能与硬件分离 软件化机顶盒中有硬件，但不附加任何功能属性，功能只是机顶盒运行软 件的属件。任何功能的增减和变更都无需更改硬件。 ( 2 ) 中央处理器加外围设备的结构 软件解决方案的硬件平台是以高速并行处理器为核心的通用计算平台。与 外界的联系都通过标准设备接口。扩大了应用范围，减小了设备更新的风险。 ( 3 ) 全功能适应性 软件解决方案能适应通信标准或图像压缩标准的变化，也可以通过从网络 下载软件来改善物理层的性能和服务质量，并具有硬件解决方案能提供的其它 “软”功能。 ( 4 ) 资源再生 软件资源可以再利用，避免或减少用于知识产权和系统运行的重复性开支。 2 2d v b - c 传输系统部分概述 数字电视信号的传输可以利用卫星、有线、地面等不同的介质，因此通常可 以分为地面无线传输、卫星传输、有线传输三种不同的传输方式。 对于卫星信道来说，相对而言，它具有可用频带宽、功率受限、干扰大、信 噪比低的特点。这就要求采用可靠性高的信号调制方式。信道编码要有较强的纠 错能力，而对带宽要求不是特别高。因此d v b s ( d 阳中针对卫星传输的规范) 采 用包括v i t e r b i 编码、交织、r s 编码及加扰等信道编码方式，利用q p s k ( 正交 相移键控) 的调制方式把频带信号馈给卫星链路，接收时进行相反的处理。 对于电缆有线信道来说，相对而言，它具有信噪比高、频带资源窄、存在回 波和非线性失真的特点。这些特点要求d v b - c 采用带宽窄、频带利用率高、抗干 扰能力较强的调制方式。同时，由于信道信嗓比高，误码率较低，纠错能力要求不 很高。因此，d v b c 的信道编码采用r s 码和卷积码交织技术，调制方式采用正交 幅度调制( 姒! 1 6 ) 。 另外一种信道就是地面广播信道。地面广播信道的特点是：地形复杂、存在 时变衰落和存在多径干扰、信噪比较低。因此d v b t 采用包括内码交织、内码 v i t e r b i 编码、外码交织、外码r s 编码的信道编码方式，并采用能有效消除多径 干扰的正交频分复用( c o f d m ) 和格雷码映射4 1 6 6 4 q b l 等调制方法。然后在原 来用于模拟的6 m h z 、7 m h z 和8 m h z 的频带内发送数字电视节目。d r 8 一t 发送的比特 1 0 第二章数字电视机顶盒与d v b c 传输系统部分概述 率是可变的。例如：在6 m h z 频带可在3 7 2 3 8 m b i t s 比特率之间进行选择：在 8 m h z , 黼在4 g 3 1 7 m b i t s 比特率之间进行选择。以适应不同的接收环境、 如移动接收应适当降低发送的码率。 我国卫星数字电视已于1 9 9 6 年确定标准并成功播出，基本上采用的是d v b s 的标准。e h 于我国限制个人直接接收卫星数字电视节目，所以目前是由有线 电视台集中接收数字电视信号，并将其转化为模拟信号通过有线网络传输给广大 用户收看的。 2 0 0 1 年国家广电总局已颁布行业标准有线数字电视广播信道编码和调制 规范，该标准等同于d v b c 标准。行业标准的制订有利于我国有线数字电视的 推进。 我国有线数字电视的发展基础较好，很多城市建立了较为完善的有线电视 网，播放和接收设备正在迅速普及，很多设备已经有了国产的能力，因此播出所 需的投入成本较小，部分大中型城市已经进行了试播。加上有线数字电视因不受 国家政策限制，同时很多有线电视服务提供商正在积极开展业务，所以在今后一 段时期内，有线电视数字广播将会迅速扩大、普及。这也是为什么我们的课题主 要研究实用的d v b c 机顶盒的设计的一个原因。 目前，针对这种发展，世界上一些大的厂商正在积极推出各自的机顶盒解决 方案，涌现出了一大批数字机顶盒的低成本高功能的产品开发平台。我们的课题 就是在这些平台的基础上，开发适合我们消费者需求的产品。并且使我们的设计 更贴近实用、贴近生产，为推动有线数字电视接收机顶盒的商品化做出努力。 d v b 标准提供了套完整的、适用于不同媒介的数字电视广播系统规范。d v b 选定i s o i e cm p e g - 2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了 统一，随后对m p e g - 2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，最 后通过卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。 d v b 标准的核心是：系统采用m p e g 压缩的音频、视频及数据格式作为数据 源；系统采用公共m p e g 一2 传输流( t s ) 复用方式；系统采用公共的用于描述广 播节目的系统业务信息( s i ) ：系统的第一级信道编码采用r s 前向纠错编码保 护；调制与其它附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定：使用通用的加 扰方式以及有条件接收界面。 d v b c ( e t s3 0 04 2 9 ) 数字有线广播电视系统标准以有线电视网作为传输介 质，应用范围广。它具有1 6 、3 2 、6 4 、2 5 6 q a m 等多种调制方式。采用6 4 q a m f 交调幅调制时，一个p a l 通道的传送码率为4 1 3 4 m b s ，还可供多套节目复用。 系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。 第二章数字电视机顶盒与d v b c 传输系统部分概述 图2 2 系统发送端的信号流程 d v b c 针对电缆传输定义了帧结构、信道编码和调制方式。如图2 2 描述 了系统发送端的信号流程。 1 2 第二章数字电视机顶盒与d v b c 传输系统部分概述 在系统的发端，本地m p e g 一2 节目源产生m p e g 一2 传输复用包。 按照m p e g 一2 传输层的帧结构，每1 8 8 字节形成一个数据包，一个字节用来 进行包同步，三个字节的包头包含服务标识、加扰和控制信息，其后的i 8 4 个字 节用来传输m p e g 一2 或附加数据。 d v b c 发送端的信号流程可以分为信道编码、字节到符号映射年n q a m 调制三个 主要环节。 2 2 1 信道编码 由于有线电视传输信道的途径较短，信号衰减较小，且受到的外界干扰也较 小，因此d v b c 系统中的误码比较轻。为了针对数字信号的电缆传输获得适当成 度的差错控制能力，d v b c 系统中只采用了一级纠错编码和一次交织。纠错编码 采用r s 码，交织采用卷积交织。 1 、同步反转与数据扰乱 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中“0 ”与“1 ”出 现的概率是相等的，各为5 0 ，实际应用中的通信系统以及其中的数字通信技术 的设计性能指标首先也是以这一假设为前提的。但t s 码流经过编码处理后，可 能会在其中出现连续的“0 ”或连续的“1 ”。这样方面破坏了系统设计的前提， 使得系统有可能会达不到设计的性能指标，另一方面在接收端进行信道解码前必 须首先提取出比特时钟，比特时钟的提取是利用传输码流中“0 ”与i 之间的 波形跳变实现的，而连续的“0 ”或连续的1 给比特时钟的提取带来了困难。 为了保证在任何情况下进入d v b 传输系统的数据码流中0 与“1 ”的概率都能 基本相等，传输系统首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行扰乱处理。伪 随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成的，其中“0 ”与“l ”出现的概 率接近5 0 。由于二进制数值运算的特殊性质，用伪随机序列对输入的t s 码流 进行扰乱后，无论原t s 码流是何种分布，扰乱后的数据码流中的0 与“1 ” 的概率都接近5 0 。扰乱改变了原t s 码流，因此在接收端对传输码流纠错解码 后，还需按逆过程对其迸行解扰处理，以恢复原t s 码流。 另外，从信号功率谱的角度看，扰乱过程相当于将数字信号的功率谱拓展了， 使其分散开了，因此扰乱过程又被称为“能量分散”。 为了保证与m p e g 2 标准的兼容，d v b c 传输系统中的数据扰乱和r s 编 码都以m p e g - 2 的t s 包为基本单位进行处理。数据扰乱以8 个t