有线数字电视机顶盒原理.docx

1有线电视数字机顶盒的基本原理 有线电视数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，示意图如图1所示，调谐模块接收射频信号并下变频为中频信号，然后进行A/D转换变为数字信号，再送入QAM解调模块进行QAM解调，输出MPEG传输流串行或并行数据。解复用模块接收MPEG传输流，从中抽出一个节目的PES数据，包括视频PES、音频PES以及数据PES。解复用模块中包含一个解扰引擎，可在传输流层和PES层对加扰的数据进行解扰，其输出是已解扰的PES。视频PES送入视频解码模块，取出MPEG视频数据，并对MEPG视频数据进行解码，然后输出到PAL/NTSC编码器，编码成模拟电视信号，再经视频输出电路输出。音频PES送入音频解码模块，取出MPEG音频数据，并对MPEG音频数据进行解码，输出PCM音频数据到PCM解码器，PCM解码器输出立体声模拟音频信号，经音频输出电路输出。8 A- f/ I- U0 j: * 4 C有线电视数字机顶盒的关键技术 _1 _. E3 u% z 该机顶盒由以下几部分组成：数字电视广播接收前端、MPEG解码、视音频和图形处理、电缆调制解调器、CPU以及存储器、以及各种接口电路。数字电视广播接收前端包括调谐器和QAM解调器，该部分可以从射频信号中解调出MPEG传输流；MPEG解码部分包括解复用、解扰引擎和MPEG解压缩，其输出为MPEG视音频基本流以及数据净荷。视音频和图形处理部分完成视音频的模拟编码以及图形处理功能。电缆调制解调模块由一个双向调谐器、下行QAM解调器、上行QPSK/QAM调制器和媒体访问控制（MAC）模块组成，该部分实现电缆调制解调的所有功能。CPU与存储器模块用来存储和运行软件系统，并对各个模块进行控制。接口电路则提供了丰富的外部接口，包括通用串行接口USB、高速串行接口1394、以太网接口、RS232、视音频接口等等。 该框图所描述的有线电视数字机顶盒是一种功能齐全的机顶盒，实际上，在具体实现时，厂商可以根据需要对其进行裁减。 2实时操作系统, uV: Ca6 |7 A; ! R5 b 大家对PC的操作系统都比较熟悉，如DOS、Windows98、WindowsNT、Unix、MacOS。与这些操作系统不同，机顶盒中的操作系统不是非常的庞大，但却要求可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。这种操作系统称为实时操作系统。 目前流行的实时操作系统有WindRiverSystem公司的VxWorks、IntegratedSystemsIncorporated公司的pSOS、Microware公司的DAVIDOS-9、ST公司的OS20、前面介绍的WindowsCE、以及专为机顶盒开发的PowerTV。这些操作系统各有所长，在机顶盒中都有应用。其中VxWorks、pSOS、OS-9、OS20等是通用的实时操作系统，在其他的嵌入式应用中也有广泛的应用，在机顶盒中，应与下面将要介绍的中间件结合使用。PowerTV是专为机顶盒开发的，将中间件集成在一起的操作系统，在美国应用较广。另外，随着Linux的兴起，嵌入式的Linux已渐渐成熟。它不仅为机顶盒厂商提供一种选择，而且由于Linux的开放性和先进的结构，会对现有的实时操作系统构成巨大的威胁。7 w- l, m% o+ G& S - T& g4 J/ j9 f9 p# t U& F& o8 g 3中间件 |# n, : 5 r( G# d3 中间件是一种将应用程序与低层的操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境，它通常由各种虚拟机来构成，如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机、MHEG-5虚拟机等等。 一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为4层，从底向上分别为：硬件、底层软件、中间件、应用软件。硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用；中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用不依赖于具体的硬件平台。 成熟的商用中间件产品有Opentv的EN2、Liberate的TVNavigatorforDTV、Enreach的EnreachTVforDTV、Canel+的Mediahighway和Intellibyte的IBEPG、IBSIManager、IBBrowser等。这些产品在市场上都占有一席之地，但彼此并不兼容。) 5 O6 E# r8 t1 |, F! j* k! T: f 目前，标准组织已经认识到这个事实，并且开始着手建立公开的中间件标准。DVB提出了基于Java虚拟机的中间件标准DVB-MHP（多媒体家庭平台）；ATSC成立T3/S17技术专家小组委员会来为机顶盒定义软件环境，该软件环境称为DTV应用软件环境（DASE）。ATVEF（先进电视发展论坛）也创建了一种称为AdvancedTelevisionEnhancementForumSpecificationforInteractiveTelevision的规范。 4加解扰技术 加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密。目前，国际上有两种标准：OpenCable定义的POD和DVB定义的SimulCrypt和MultiCrypt标准。OpenCable定义的POD是一个通过PCMCIA接口与机顶盒相连的模块，该模块除了解扰功能外，还要完成与前端的交互功能。DVB的MultiCrypt也是采用PCMCIA接口与机顶盒连接，但它只有解扰功能。DVB的SimulCrypt则只需要机顶盒具有ISO7816的SmartCard接口既可，但需要机顶盒具有硬件解扰引擎。下面简述DVB的有条件接入的基本原理。/ D. x/ $ J3 i, k1 Q, W, L& b% 6 , # 有条件接入的基本原理如图4所示。节目在播出前，要经过加扰处理，加扰过程是将复用后的传送流（TransportStream）与一个伪随机加扰序列做模2加，而这个伪随机序列的生成由控制字发生器提供的控制字（ControlWord，简称CW）确定。有条件接入的核心实际上是控制字传输的控制。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信息中传送，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。$ Y0 9 % I W f2 G 2 z) Q( g9 m) V 在用户端，机顶盒为了再生出解扰随机序列，必须获取相关的条件接收控制信息。首先，机顶盒根据PMT和CAT表中CA_descriptor，获得EMM和ECM的PID值。然后，从TS流中过滤出ECMs和EMMs，并送通过SmardCard接口送给SmartCard。SmardCard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就可以将将已加扰的传输流进行解扰 5电缆调制解调器5 f& k7 a2 c6 A0 U) b1 U$ 2 T/ u+ Q& Q) $ 到目前为止，各种研究机构对电缆调制解调器进行了广泛的研究，这些研究成果最终形成了几个国际性组织定义的标准：IEEE定义的IEEE802.14协议、DAVIC定义的DAVIC协议和MCNS定义的DOCSIS协议。3 hY* k6 ; l3 e. V7 p! W/ ? 在这些协议中，MCNS标准的目的最为简单和明确，就是在有线网络上透明地传输IP数据包，因此该协议对IP的支持最好；DAVIC的目的主要是给用户提供交互式的数字视音频服务，同时也兼顾提供数据传输，该协议对数字视频的支持是最好的；IEEE802.14的目的是建立一个基于HFC的城域网，并使该网络能支持各种业务，包括固定比特率CBR、可变比特率VBR以及有效比特率ABR服务，该目的使得它对ATM有很好的支持。4 Y& |3 v( N! p7 J/ & J! S1 t- ?* 4 j. P5 r( # p 不同的目的使得各个标准间存在很大的差异，这些差异主要体现在各个标准定义的物理层、MAC层的帧格式和MAC协议。+ Yj1 s. 6 X( U; S IEEE802.14对ATM信元有很好地支持，并能通过ATM信元很好地支持OoS。在传输ATM信元方面，该协议与MCNS相比有较小的延迟和延迟抖动。但在支持IP方面，由于必须通过AAL5来支持，因而在传输IP分组的吞吐量方面比MCNS标准低，这一点对DAVIC标准同样适用。; L% G, j3 A3 j8 Y1 f7 ?2 R7 d. ?& U( Q 在对数字视频业务的支持上，DAVIC由于对数字电视广播的兼容和具有带外信道的优势，在数字机顶盒的标准中有重要影响。事实上，北美的OpenCable标准就是将MCNS与DAVIC有机地结合的产物，而欧洲的EuroBox和EuroModem实际上就是采用DAVIC标准。而最早开始制定的IEEE802.14协议，已渐渐地被市场抛弃。 在MAC层，MCNS标准的上行信道访问方式和碰撞解析算法比IEEE802.14和DAVIC都简单，使得用户端设备比较简单，再加上对IP有最好的支持，使MCNS标准在目前的市场上最为看好。但也正是因为其简单，在采用MCNS的CableModem进行话音和视频业务时还有一些缺陷，具体地说，在使用MCNS标准的CableModem支持IP电话和可视电话方面，还需要增加支持QoS的机制。但随着DOCSIS1.1的发布，该标准已逐步完善起来。DVB-C数字机顶盒的设计方案与实现方法 引言 在我国，数字电视节目在许多省市已经开始试播，由于用户端使用的基本都是模拟电视机，无法接收数字信号，因此需要一种接收装置来担当二者之间的桥梁，这就是机顶盒（SetTopBox，简称STB）。它是一种扩展电视机功能的一种新的家用电器。它可以把卫星直播数字电视信号、地面数字电视信号、有线电视网数字信号甚至互联网的数字信号转换成模拟电视机可以接收的信号，使现有的模拟电视机用户也能分享数字化革命带来的科技成果。文中主要介绍笔者开发的基于DVB-C的有线数字电视机顶盒。 DVB-C数字机顶盒的硬件设计 LSI2005主芯片介绍 DVB-C数字机顶盒采用LSILogic公司的SC2005作为主芯片。SC2005采用最新的1.27mmPBGA封装，将LSIL641x8传输译码器和L64105MPEG-2音视频解码器集成在一块芯片里，集成度高，内置工业标准的TinyRISC108MHzMIPSCPU，5层图形引擎，DMA控制器，以及统一的OSG存储器和AV存储器；集成有多标准的编码器、可独立编程的视频DAC，音频DAC。 SC2005接收来自信道解码器的TS流后，送到内部的L641x8模块中，由L641x8对数据进行解复用，形成音频和视频PES分组数据，通过AV接口输出给L64105MPEG-2解码器进行解码。L64105将PES分组进行解码，输出数字视频和数字音频信号各两组。一组数字视频和一组数字音频信号直接输出。另外一组数字视频信号送到视频编码器中，被转换成全电视信号(CVBS)或S端子信号(YC)，经过外部低通滤波后，便可直接送到电视机中。另一路数字音频信号送到音频DAC中，转换成立体声模拟信号，经外部低通滤波后输出。 SC2005提供了多种外围设备接口，包括两个UART接口、两个智能卡接口、I2C接口、IEEEl284接口、红外接口、图文电视接口、通用IO控制以及调制解调器接口。通过这些接口，SC2005可以和多种外围设备相连，其功能更加强大。另外，SC2005还有一个硬盘接口，可以将节目下载到硬盘中，以后再看。 DVB-C机顶盒的硬件总体设计 为了实现有线数字机顶盒的功能，从技术实现上要达到以下要求： （1）接收CATV网络上110MHz855MHz频率范围内的射频信号，并转换为中频信号。 （2）实现QAM解调制功能，将调制信号恢复为数字基带信号。 （3）完成信道解码处理，实现前向纠错功能。 （4）完成TS传送流解复用、MPEG-2解码功能，并且能够实现电视信号解码和音频DAC功能，输出符合要求的模拟音视频信号。 本设计实现了以上所有功能，设计总框图如图1所示。 图1SC2005机顶盒系统总框图 1、数字高频头：接收CATV电缆上的射频信号，由高频头电路将射频信号下变频为中频信号，并将中频信号送到内部得解调制芯片，由解解调制芯片完成QAM解调制及FEC前向纠错芯片，而后以并行或串行方式送出TS(传送流信号)。 2、SC2005：LSIlogic公司的传送流处理芯片。 3、CPU_SDRAM：提供SC2005内嵌CPU运行时所需要的存储空间。4、AV_SDRAM：提供SC2005内部MPEG解码器对PES流进行处理时所需的存储空间。 5、BOOT_FLASH:存放系统BOOT程序、引导系统正常启动。 6、SYS_FLASH:存放系统工作软件，实现系统功能。 7、串口：串口模块电路对SC2005的串行I/O口进行电平转换，提供标准的RS232串行接口，提供RS232调测接口。 8、SMARTCARD:实现授权、加密、收费等功能。 9、用户接口：提供给用户简单得输出、输入接口，如系统工作状态显示接口、按键接口、遥控接口等。 10、USB：提供给用户一个USB1.1兼容的接口，最高数据率12Mb/s；可以用于支持U盘，保存节目或者播放U盘上的节目。 11、IDE：提供给用户一个标准的IDE接口。挂接硬盘后可以用来实现保存节目或者播放硬盘上的节目。 DVB-C机顶盒的软件总体设计 DVB-C机顶盒软件实现方案基于稳定性、可靠性和可扩展性的原则进行设计，所有软件系统应该达到功能完备，使用简便和便于扩充几个特性。跟据上述分析，机顶盒软件体系结构如图2所示。 图2机顶盒软件模块层次图 整个机顶盒软件的结构采取开放式的模块化结构。其中硬件抽象层可以增加软件的硬件无关性；操作系统抽象层用于实现操作系统层的可移植性，以支持多种RTOS；中间件移植层用于各种商业化的中间件软件的移植。 从底下往上看，整个体系从硬件层到应用层分为以下几个层次： 1、硬件抽象层：通过提炼一些硬件操作的特性，将一些与硬件相关紧密的操作抽象出来，从而将操作系统和硬件层分开，这使得BSP和Driver的设计更简洁，有利于提高软件的可重用性和易移植性。 2、BSP层：用于将引导操作系统，对操作系统提供板级支持。同时提供一些近设备的驱动。 3、操作系统及硬件驱动层：提供操作系统内核和硬件驱动。操作系统主要提供内存管理、任务调度、时钟管理、资源共享和互斥等功能。硬件驱动层在操作系统和硬件抽象层的基础上实现对硬件的驱动。 4、中间件：是一种将应用程序和操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境，通常它都是由一些虚拟机器构成的，如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、MHEG-5虚拟机、Java虚拟机等。这使得应用不依赖于特定的硬件平台。著名的中间件提供商有：OpenTV和Canal+。 5、DVB引擎：实现DVB/DAVIC协议的解析。包括MPEG2解码器、SI引擎和DSM-CC数据接口。 6、应用层。建立在上述各个模块的基础上的应用程序片。包括：频道管理、系统自检、电子节目导航、软件下载与升级管理和家长控制等模块。 操作系统的选型机顶盒作为一个典型的嵌入式系统，对其操作系统有更高的稳定性和实时性要求，一般选用实时嵌入式操作系统，这里我们选用uCOS-操作系统：一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。由于uCOS-属于开放源码操作系统，所以开发包投入可以免除，而且去了版税。同时该操作系统在工业控制，消费电子和国防等领域已经得到了广泛的应用，实践证明该操作系统在稳定性和可用性上是完全适合在本方案中是选用的。随着三网融合的开展，广电加大了模拟向数字化转换的进程，诸多因素引起了数字电视和数字电视芯片市场迅速扩大。三网融合带动芯片市场升温市场研究机构iSuppli日前预计，今年电视芯片市场营收将为121亿美元，同比增长30%,去年电视芯片市场营收为93亿美元。iSuppli显示器电子首席分析师Shyam Nagrani表示，数字电视芯片市场的增长与数字电视的迅速普及是同步进行性的。2011年，全球数字电视出货量将达到2.3亿台，这几乎相当于2006年出货量7740万台的三倍。随着三网融合的开展，广电加大了模拟向数字化转换的进程，诸多因素引起了数字电视和数字电视芯片市场迅速扩大。中国是电视生产出口和消费大国，在模拟电视时代，视频类的芯片主要由欧美日等发达国家掌握，中国电视产业的数字化初期，视频类产品的主要芯片还是靠进口，但是随着数字化进程的深入，中国本地IC企业得到充分的发展环境。数字电视芯片产业主要由调谐芯片、解调芯片、解码芯片、显示芯片四个芯片模块构成，如果把其中2个，3个，甚至四个模块集成在一起，一般称机顶盒或一体机单芯片解决方案。三网融合下机顶盒面临安全挑战三网融合带给了机顶盒与芯片历史性的发展机遇，同样也带来了一场变革性的风暴。DVBCN网友认为广电网与互联网融合，正好为CA的CW网络共享提供了恣意滋生的环境。在智能卡与机顶盒通讯的过程中，CW非常容易被窃取，然后通过网络传播出去。有了CW之后，第二台机顶盒就不再需要智能卡就能共享第一台插有智能卡的机顶盒中的节目，而且通过互联网共享CW，还可以带动第三台、第四台、第n台机顶盒。这种CW共享可以通过局域网传播，也可以通过广域网传播，所以对于广电运营商来说，收视费的流失将是不可避免的。“寡头集中”和“百家争鸣”芯片市场浮躁在芯片领域，国内外厂商的芯片选择很多，中国本土厂商的芯片也有一定的实力。三网融合产品的硬件设计已没有问题，关键在于形成良性发展的产业链，关键在于能为用户提供丰富的内容服务，关键在于业务模式的突破。鉴于此，广电目前正积极地进行模转数和单向机顶盒向双向转换，但是广电普遍存在的问题就是机顶盒市场混乱，各种加密技术多如牛毛，不同的加密导致网与网之间难以实现互联互通。谈到机顶盒的混乱，内蒙古广电应该感到自豪。据了解，内蒙古所有机顶盒全部采用STM5105，是全国唯一统一采用单一机顶盒芯片及硬件方案的网络公司。在当时的情况下，这确实是一个绝佳的选择。照这个规则去做，机顶盒想乱都难。这就引伸出了一个问题，如果这样定制机顶