数字有线电视机顶盒组成和分析.doc

课程设计说明书 第12页 电视机原理课程设计 数字有线电视机顶盒组成和分析院（系）名称 信 息 工 程 学 院 专 业 班 级 12 普 本 电 信 一 班 学 号 1201020028 学 生 姓 名 胡 飞 指 导 教 师 贺 素 霞 2015年0 6月0 7日数字有线电视机顶盒组成和分析摘 要数字有线电视机顶盒是把有线电视网中的数字信号转换为模拟电视信号的设备，供普通模拟电视机收视清晰的数字电视。目前的数字电视机顶盒已成为一种嵌入式计算机设备，具有完善的操作系统。CPU是机顶盒的心脏，是嵌入式实时操作系统的硬件平台。这一关键技术的实现依赖于拥有一个核心的操作系统、数字电视核心和条件接收。操作系统和计算机系统一样起主导作用。数字机顶盒有硬件和软件组成。数字机顶盒重要模块有调制解调模块、编解码模块、数字视频编码器和音频DAC、图形控制模块、媒体访问控制模块MAC。数字电视核心是负责电视内容的各种专门功能的软件，CA负责管理观众对节目的接收。关键词：机顶盒，数字信号，CPU，条件接收，CA 目 录1 绪论1 1.1课题描述1 1.2基本工作原理及框图12 数字机顶盒重要模块2 2.1调制解调模块2 2.2编解码模块2 2.3 MPEGII的解码模块2 2.4数字视频编码器和音频DAC2 2.5图形控制模块3 2.6媒体访问控制模块MAC3 2.7加解扰技术33 数字机顶盒模块设计分析4 3.1硬件和软件组成分析43.1.1数字机顶盒硬件系统4 3.1.2数字机顶盒软件系统5 3.2 CA系统7 3.3数字广播中条件接收系统74 主要技术8 4.1嵌入式（实时）操作系统技术8 4.2条件接收技术8 4.3信号处理技术8总结10致谢11参考文献121 绪论1.1课题描述 数字机顶盒是一种数字信号接收装置，是一个连接电视机与外部信号源的设备。机顶盒中有CPU、内存、调制解调器、解码器、高频头等硬件及操作系统和应用程序等软件。它可以将压缩的数字信号转换成电视内容，并在电视机上显示出来。信号可以来自有线电缆、卫星天线、宽带网络以及地面广播。机顶盒接收的内容除了模拟电视可以提供的图像、声音之外，更在于能够接收数字内容，包括电子节目指南、因特网网页、字幕等。使用户能在现有电视机上观看数字电视节目，并可通过网络进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动。1.2基本工作原理及框图数字电视机顶盒通过网络接口模块选择频道，并进行解调和和信道解码处理，输出MPEG-2多节目传输流数据，送给解复用器，解复用器从MPEG-2传输流数据中抽出一个节目的已打包的视音频基本流（PES）数据，包括视频PES，音频PES和辅助数据PES，条件接收处理解复用数字电视信号网络接口模块音频信号视频信号视频后处理视频解压缩音频后处理音频解压缩主控制器存储器外围设备和接口图1有线电视数字机顶盒解复用器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，解复用器输出的是已解扰的视音频PES。视频PES送入视频解码器，取出MPEG-2视频数据并对其解码后，输出到模拟编码器，编码成模拟视频信号，再经视频输出电路输出。音频PES送入音频解码器，取出MPEG-2音频数据并对其解码，输出PCM音频数据到音频D/A变换器，音频D/A变换器输出模拟立体声音频信号，经音频输出电路输出1。有线电视数字机顶盒框图如图1所示。2 数字机顶盒重要模块2.1 调制解调模块数字机顶盒工作在有线电视网络状态下，有线电视网采用模拟传输，因此必须对数字信号进行调制和解调才能在模拟信道传输，调制解调器是系统关键的组成部分，在技术上类似现在的电话调制解调器的原理，但采用了更高的调制方法，下行多采用64QAM或256QAM，在DVB-C(Digital Video Broadcast by Cable) 和DAVIC中采用64QAM做为标准调制方法，以Motorola 的MC92305QAM 解调芯片为例，在7M模拟带宽上采用64QAM调制的数字信号速率可达42Mbit/S，上行目前采用两种方式，一种是采用电话线做为上行信道，另一种是采用双向HFC网的上行通道，采用HFC网时采用QPSK做为调制方案。QAM或QPSK调制器将MPEG格式的数据流调制在一个标准的PAL信道内，与其他视频调制信号一起合路发送出去2。2.2编解码模块由于采用模拟通道，为保证数据传输的可靠性和低误码率，前向纠错编码是必不可少的，DVB 采用Reed Solomon编码，RS码是一类纠错能力很强的多进制BCH码。2.3 MPEGII的解码模块数字机顶盒的核心是数字视频技术，MPEGII的解码模块可以称为CPU以外的核心模块，MPEGII数字传输中采用交织编码，首先需要对码流进行去交织，视频、音频和数据码流的分离工作，以及视频的解码工作。经过以上各步骤MPEGII码流成为视频（CCIR656格式）和音频数字信号。MPEG多路复用器将各路节目流、数据流复合在一起，以188字节为一帧的MPEG2数据格式发送到射频调制器并提供电子节目单(EPG)。2.4数字视频编码器和音频DAC数字机顶盒的“外设”是电视机和音响系统，数字的音视频信号必须转换为模拟音视频信号，以Motorola公司的MC44724为例，MC44724可以将ITU601、656标准4:2:2 并行视频数据转换为PAL或NTSC格式的视频、S-Video、Y/Cb/Cr 或R/G/B，扩展的VBI(Vertical Blanking Interval)信息输入口用于显示图文信息。音频DAC非常普遍这里不再介绍。现代音响系统都支持Dolby Pro Logic和Lucasfilm Home THX家庭影院系统，需在音频DAC之前用数字音频信号处理芯片对数字音频信号进行处理，目前有专用处理芯片和采用数字信号处理芯片DSP进行处理两种方式3。2.5图形控制模块和视频图形混合器数字机顶盒另一方面需要提供类似计算机的复杂图形甚至是三维图形，需要系统具有强大的二维和三维图形加速芯片，而且需要将图形和视频信号能进行混合叠加显示，此类功能类似现有的字幕机2。控制字发生器：要是接收端和发送短的两个PRBS同步，必须由发送端发送一个初始控制字(CW)去同步PRBS发生器，控制字是随机数，可有单片机程序产生。有了控制字就可以恢复加扰时使用的伪随机序列，对信号进行解扰。这一控制字又称为解扰密钥。因此控制字的安全传送是CA系统的关键。CW的字长一般为60bit,为了保证安全，CW每隔520S改变一次。2.6媒体访问控制模块MAC数字机顶盒在网络通信上可以看成是Cable Modem，IP路由器接收用户端通过PSTN( 公用电话网)传来的点播信号并传送到Internet服务器/ 路由器。目前主要参照DAVIC和IEEE 802.14 标准，IEEE802.14倡导采用ATM并在802.14 MAC访问层上定义了ATM层，DAVIC同时定义了以太网和ATM标准。现有数字机顶盒完全工作在网络环境，仅能利用智能卡进行一些类似个人帐号、 解码号等 信息的储存，不具备本地大数据存储功能，所有信息需要从网上获得，无论现在网络状况还是今后，像CD-ROM此类介质仍是大容量信息传递的一种主要方式，CD-ROM的缺点是信息无法更新。采用可擦写DVD不仅可以使用光盘上的巨大信息，更有效的是通过Internet网进行数据更新，使DVD盘上数据保持最新状态，DVD应成为数字机顶盒的重要的备用模块3。2.7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接口与机顶盒相连接的模块，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接口以机顶盒连接，但它只有解扰功能。3数字机顶盒模块设计分析3.1硬件和软件组成分析一个完整的数字有线电视机顶盒由硬件和软件系统组成，如图2所示。在硬件方面数字电视机顶盒的存储容量会不断增加，CPU 技术会越来越成熟，多个 HDTV 的节目可同时解码，3D、2D图形功能会越来越完善，电缆调制解调器能够实现Internet接入和电子邮件的收发，甚至将Web 页面与视频结合在一起。在软件方面，中间件产品的研究与开发将会进一步丰富用户的应用软件， 机顶盒能够建立家庭局域网，将DVD、打印机等设备与数字机顶盒有效地连接起来，实现信息家电。另外，机顶盒还可以分析和记录用户观看记录，通过分析对比，为客户提供方便与个性化的服务4。应用软件可下载的应用软件本机存储的应用软件中间件中间件应用软件嵌入式操作系统硬件驱动程序硬件硬件平台图2 数字有线电视机硬件软件系统3.1.1数字机顶盒硬件系统数字有线电视机顶盒的硬件系统由4大子系统组成，如图3所示。图3 数字有线电视机顶盒硬件系统控制子系统：由CPU、ROM、RAM 组成。 CPU 是STB（机顶盒）的心脏，是嵌入式实时操作系统的硬件平台，完成网络管理、条件接收管理、OSD（在线屏幕显示）、图文数据解码、信号的上下行变换等功能。随着技术的发展，CPU的功能将越来越强大，存储容量将越来越大，可灵活适应不同要求，使某些与传输有关的软件能在片上运行，提高了运算速度，降低了STB价格，同时还具有体系结构的伸缩性、软件可移植性和开放性等优点。信号处理子系统：音视频、数据信号的压缩编码和解压缩及其他各种信号的输入输出处理。网络接口子系统：现视频服务器的全双工通信。用户与扩展接口子系统：现与红外遥控、智能卡、解码卡、键盘等外设的通信。3.1.2数字机顶盒软件系统一种可行的第三代数字有线电视机顶盒的软件系统结构如图4所示。应用软件本机应如EPG可下载的应用其他应用中间件中间件核心层操作系统数字电视核心条件接收驱动程序层操作系统驱动程序数字电视驱动程序条件接收驱动程序硬件平台图4数字电视机顶盒的软件系统驱动程序是基于随芯片提供的开发包，符合HDI（硬件驱动程序接口）规范。操作系统驱动程序是操作计算设备所需的标准程序。数字电视驱动程序处理与电视相关的部分。条件接收驱动程序包括接收CA数据包和处理CA功能的驱动程序。核心层软件包括操作系统、数字电视核心和条件接收。操作系统同其他计算机的操作系统一样，起主导作用。数字电视核心是负责电视内容的各种专门功能的软件。CA负责管理观众对节目的接收。可下载的应用软件一般只允许改变存储在CPU闪存(FLASH)中的主软件，涵盖了从驱动程序到半永久的应用程序，它能用来升级现有软件、排除错误、增加新特性、完全更换已有的软件等。这是一种非常强的功能，也是促进机顶盒发展的关键之一。中间件：中间件的示意图如图5所示。中间件是指数字电视机顶盒内部实时操作系统与应用程序中间的软件部分，它以应用程序接口（API）的形式存在，整个 API 集合被存储在STB的FLASH中。它将应用软件与硬件平台分隔开来。使具体应用不依赖于具体的硬件平台，并定义一组完整的、符合数字电视广播相应标准的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，其最大的优势之一就是屏蔽多样的系统资源，保证良好的互操作性，其目的是使STB基本的和通用的功能以API的形式提供给STB生产厂家，以实现数字电视交互功能的标准化，同时使服务项目下载到用户终端。它对节目提供商制作节目和厂家生产STB的进一步简化和标准化都是非常有利的，所以有统一的、开放的、先进的中间件规范，对STB的发展尤为重要。DVB提供的基于Java虚拟机的MHP是世界上第一个中间件规范。目前流行的中间件主要有OpenTV, Liberate, Microsoft TV,CANAL+Media Highway等。我国尚无中间件产品标准化是数字广播电视的关键，因此立足于本国力量与国外先进技术相结合，开发基于Java的开放的中间件势在必行5。图5 中间件示意图应用软件：它的功能是执行服务商提供的各种服务，如电子节目指南、准视频点播、数据广播、IP电话和可视电话等。它可以用于各种STB硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。3.2 CA系统加扰是CA系统的重要组成部分。所谓加扰就是在前端CA系统的控制字的控制下，连续不断的对被传送的视频、音频或辅助数据惊喜有规律的扰乱。加扰过程又称为“数据随机化”过程6。数字电视CA系统的加解扰中普遍采用PRBS的处理方式。加解扰过程是这样进行的：发送端的原始信息通过PRBS进行实时扰乱控制；在接收端解扰器中也有一个和发送端结构完全相同的PRBS发生器，对收到信息进行解扰；当发送端和接收端的两个PRBS发生器完全同步时，两者的PRBS完全相同，接收端地PEBS就可以用来加扰信息恢复为原始信息。3.3数字广播中条件接收系统随着计算机、网络通讯和多媒体技术的飞速发展，为电视广播增殖了很多业务，例如付费电视、视频点播及网上游戏等。为了确保这些业务的实现，不仅需要有一个安全可控的综合管理平台，更重要的的是有一个安全、开放的条件接收（CA）系统，简称CA系统7。4 主要技术数字电视机顶盒的技术含量很高，它集中反映了多媒体技术、计算机技术、数字压缩编码技术、通信技术、网络技术、加解扰技术、加解密技术的发展水平，目前数字电视机顶盒的关键技术有下面几个方面。4.1嵌入式（实时）操作系统技术RTOS（嵌入式（实时）操作系统）技术是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术等与具体应用对象相结合的产物，反映当代最新科技的先进水平。相对于PC机上的操作系统而言，它不装在硬盘中，系统结构紧凑，功能相对简单，可以由设计师选择和取舍，资源开销小，便于固化在存储器中，用户可以通过它进行人机对话，完成用户下达的指令，指令接收采用多种方式：键盘、鼠标、语言、触摸屏、红外遥控器等。设计一个操作系统比设计一个芯片的工程规模要大得多，所费的时间、人力、物力和技术难度非一般公司所能承担8。4.2条件接收技术条件接收（CA）系统是数字有线电视机顶盒的重要组成部分，它完成系统用户的认证、授权和节目加扰工作，解决如何对用户收取费用和如何阻止用户收看未经授权的付费节目。CA技术是一种综合技术，涉及到系统调度管理、网络技术、数字解压缩编码、加解扰算法、调制解调技术、智能卡技术、用户管理、节目管理、收费管理等数据应用技术。其评价指标主要在于其功能的完整性、性能、使用规模及安全性，其中安全性是尤为关键的问题。4.3信号处理技术由于我国的CATV网是以同轴电缆入户，使用最广泛的是模拟电视机，要从CATV 网络中提取所选择的数字信号并实现交互功能，数字有线电视机顶盒须进行许多信号处理。首先要将来自电缆的信号进行调谐、AD转换、QAM解调、前向纠错译码、差分译码、RS译码等，得到数字化的数据流。由于原始数据量非常大，码率高，必须进行信源的解压缩编码，因为传输信道为同轴电缆，所以还要进行信道的调制与解调，使TS（传输流）能在电缆信道中顺利传输。其次，为了实现CA，要对数字节目进行加密和解密；为了实现交互功能，要对上行数据进行调制编码；另外，还有OSD等技术。随着技术的发展，目前已有可完成所有这些功能的芯片组9。总结本次数字有线电视机顶盒的结构与分析课程设计的，使我对数字电视机机顶盒有了进一步深入的了解，明白了数字机顶盒的基本作用。即将数字信号转换为模拟信号的变换设备，也是一种嵌入式设备，具有完善的实时操作系统，提供强大的