【毕业学位论文】（Word原稿）基于安卓平台的DVB-C电视机顶盒软件系统的设计与实现-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 基于安卓平台的 视机顶盒软件系统的设计与实现 姓 名： 学 号： 所在院系 ：软件学院 职业类型：工程硕士 专业领域：软件工程 指导教师： 副指导教师： 二 一三年五月 in 2010 2013 V 基于安卓 平台的D V B | 软件系统的设计与实现 同济大学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收 集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 经指导教师 同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年 月 日 年 月 日 济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 随着数字电视的不断普及推广，数字电视机顶盒行业已经得到了长足的发展，机顶盒已经在每个家庭中占据了重要的角色。而在近几年来，随着“三网融合”的不断推动，机顶盒提供的功能越来越多，开始朝着智能化的方向发展，逐渐向家庭信息娱乐终端转变。如何快速地开发满足未来需求的新型机顶盒，是目前机顶盒行业探索的重要方向。 本文论述了基于 统、采用 盒的软件系统的设计和实现，讨论了将数字电视业务融合到 统框架下的方法。笔者认为 统提供的开放性和开发的便利性可以对数字电视机顶盒行业带来很大帮助。 本文首先介绍了当前的行业背景及数字电视机顶盒的发展现状，论述了系统开发的基本目标 ,介绍了系统开发所涉及的相关技术，然后详细论述了系统的整体架构设计以及系统的组成，依次介绍了数字电视业务功能层、本地框架层、件抽象层等各个层次模块的设计与实现。 本系统基于 架，将数字电视业务融合到框架之内，同时保证框架的一致性 。系统按组织架构关系划分为相应层次，层次之间通过定义清晰的接口连接，保证了层次之间的低耦合度。同时软件系统通过硬件抽象层实现平台的无关性，方便跨平台移植。 关键字 : 电视机顶盒， I of V, V an in In as of is It a is to a to a V s to I by be of to V of of V it of it in it of by NI of is on it is of is of to AL to TV 同济大学 硕士学位论文 目录 录 第 1章 引言 . 1 景 . 1 . 1 题研究内容 . 2 文的组织结构 . 3 第 2章 相关技术 . 5 . 5 输流 . 5 目特定信息 . 5 . 6 务信息 . 7 务信息表结构 . 7 字电视机顶盒的基本原理 . 9 字电视机顶盒的工作流程 . 9 字电视机顶盒的主要技术 . 11 . 14 . 14 型 . 15 . 17 构体系 . 17 . 18 章小结 . 18 第 3章 系统分析与总体设计 . 19 统分析 . 19 统的整体架构 . 21 章小结 . 26 第 4章 数字电视业务功能层的设计和实现 . 28 字电视业务功能层的设计 . 28 字电视业务功能层的实现 . 29 息事件的实现 . 29 同济大学 硕士学位论文 目录 消息循环的实现 . 30 I 表解析引擎工作流程的实现 . 32 I 表接收的实现 . 35 I 表解析的实现 . 36 I 表查询的实现 . 40 第 5章 数字电视业务本地框架层的设计和实现 . 41 字电视业务本地框架层的设计 . 41 字电视业务本地框架层的实现 . 42 的实现 . 42 . 43 的实现 . 45 护进程的实现 . 46 第 6章 数字电视业务 . 47 字电视业务 . 47 字电视业务 . 47 . 47 . 48 . 49 第 7章 数字电视业务硬件抽象层的设计和实现 . 51 字电视业务硬件抽象层的设计 . 51 字电视业务硬件抽象层的实现 . 51 本数据类型的定义 . 51 . 52 . 56 第 8章 总结与展望 . 58 论 . 58 一步工作的方向 . 58 致谢 . 60 参考文献 . 61 附录 A 插图清单 . 62 附录 B 表格 清单 . 63 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果 . 64 第 1章 引言 1 第 1 章 引言 题研究背景 数字电视 1随着电视机顶盒（ 普及推广已经走进人们的生活之中，人们对通过电视机顶盒来收看电视已渐渐地不再陌生。目前广泛使用的电视机顶盒大多基于实时操作系统 2（ 者 作系统，传统的机顶盒应用软件开一般基于 C 语言，由于机顶盒平台众多，各个地区的需求规范也不一致，从底层驱动到上层应用开发起来往往费时费力。后来出现了以茁壮、同洲等为代表的浏览器中间件厂商，它们通过提供一个较为稳固的浏览器中间件将应用层和驱动层隔离开，机顶盒厂商只需要实现较少的移植层接口，就可以比较方便地支持多个平台，而应用界面的展现则完全通过标准 网页来实现，有效避免了前面所述的问题。然而，对于机顶盒厂商来说，不可避免地和中间件厂商 捆绑在一起，只充当一个硬件平台的提供者，相对失去了话语权。另外，网页的界面展现效果相对终端的界面展现效果来说较差。如何既能在商业竞争中占有主动优势，也不失去快速开发的能力，同时还能做到界面美观，这是每个机顶盒厂商都要思考的课题。 司主导的 统在智能手机领域的高速发展，给数字电视行业带来了很多启发。 统完全可以充当了中间件的角色，对下它基于核，很多已有的 动略加调整就可以移植上去；对上它提供了稳定可靠的 发者可以快捷地基于 发自己的 应用程序，而且由于 够方便地在不同平台之间移植。除此之外， 统带来的开放性，庞大的应用商店，也能给一向保守封闭的数字电视行业带来很多变化。而随着“三网融合”进程的不断深入，广电运营商基于自身的考虑也需要为用户提供更多更好的更高自由度的业务。如此，基于 统开发新的电视机顶盒，就成为当前数字电视行业的共识。 字电视机顶盒的发展现状 同济大学 硕士学位论文 基于安卓平台的 视机顶盒软件系统的设计与实现 2 数字电视机顶盒的出现最初是由于在模拟电视信号向数字电视信号转换的过程中 3，广大用户家庭的电视还是普通的模拟电视，无法直接 支持数字电视信号，同时广电运营商期望能够在数字电视业务运营中做到可管可控，因此带来了这一事物。世界范围内针对数字电视的标准很多，按传输方式可以分为地面传输（无线）、有线传输、卫星传输、手持设备传输四个体系。我国最普遍使用的是有线传输方式的数字电视机顶盒，采用的标准是由欧洲电信标准委员会（ 定的数字视频广播（ 准中的有线数字电视标准，即用有线电视网的电缆作为传输媒介。 由于各地广电运营商对于自身业务的需求有不同的考虑，目前我国并没有统一的数字电视应用软件规范，而是由各地广电运营商制定各自的规范，不同机顶盒厂商基于规范在各自提供的机顶盒硬件平台上实现相应的应用软件，因此就出现了各地“百花齐放”的机顶盒硬件方案和应用软件界面，这给机顶盒厂商带来了很大的挑战。各大厂商也相应想出了不少方案试图一劳永逸地解决这个难题，例如实现自己的移植中间层，针对各个硬件平台抽象出统一的 的硬件平台只要实现这组 可 以把之前的应用平移到新平台上；同时基于不同应用规范搭建出一套较为完备的基础应用框架，试图达到实现新的应用规范只需要对应用框架作出较少改动的目的。然而要将中间层和框架做到完善，需要投入相当的时间和人力，对于大多数机顶盒厂商来说很难做到这点。而浏览器中间件 4的适时推出，很大程度缓解了这个难题，也因此在近几年得到普遍使用。 在“三网融合”试点的不断推进下，广电运营商开始考虑如何扩展自身业务，加强自身的竞争能力，因此电视机顶盒也慢慢地从单纯的数字电视接收的功能扩展为包括互联网浏览、电子商务、视频点播（ 股票等功能 5。 2012 年，“智能”与“ 成为了最热门的词汇，智能机顶盒具有以往传统机顶盒不具备的强大功能，随着智能家居的发展进程，很可能在不远的将来成为家庭中重要的信息娱乐终端设备。 题研究内容 本课题是基于 台进行设计和实现的，在设计的过程中，结合数 第 1章 引言 3 字电视业务需求，参考 架的实现代码，使用 一建模语言和面向对象设计思想建立开发模型，从而制定出可行的开发方案对系统进行设计与开发。 具体的研究内容 包括： 1. 研究 架的多媒体业务系统，确定在不破坏整体框架的情况下新增业务的可行性。 2. 结合数字电视的基本业务需求，设计出 划分出相应层次，降低实现的复杂性。 3. 根据数字电视业务需求，设计所需的功能库接口，保证使用功能库的应用不会因为功能库受到阻塞而影响操作体验。 4. 在 架内设计数字电视业务的本地框架，确保数字电视业务功能库的实例的唯一性，并使框架和 5. 设计本地代码和 言的通信模式。 6. 分 离数字电视业务的硬件相关接口，并设计出统一抽象的硬件抽象层，便于跨硬件平台移植。 7. 对整个软件系统进行详细设计和开发，实现各层次的功能，然后联调各个层次，并对系统进行调试。 文的组织结构 本文分为八个章节，组织结构如下： 第 1 章引言部分，主要介绍了课题的研究背景和意义，以及数字电视机顶盒的发展现状，最后介绍了本课题的研究内容。 第 2 章相关技术部分，主要介绍了软件系统在设计和实现过程中所涉及到的方法和技术。 第 3章系统分析与总体设计部分，主要是通过对照数字电视业务和 确定整个系统框架的设计思路，并运用架构图分析设计系统层次，分离系统的复杂性和减少耦合性。 第 4 章数字电视业务功能层的设计和实现部分，主要介绍了功能库的设计思路，并给出了主要的 第 5 章数字电视业务本地框架的设计和实现部分，主要是本地框架的相关同济大学 硕士学位论文 基于安卓平台的 视机顶盒软件系统的设计与实现 4 的设计和具体实现。 第 6 章数字电视业务 的设计和实现部分，主要是说明本地代码如何通过 第 7 章数字电视业务硬件抽象层的设计和实现部分，主要介绍了硬件抽象层的设计原则，并介绍了其中几个 重要模块的实现。 第 8 章总结与展望部分，主要是对软件系统的设计和实现进行总结，并提出了可能改进的地方。 第 2章 相关技术 5 第 2 章 相关技术 准 简介 准是由国际化标准组织 运动图像专家小组（ 出的关于运动图像和伴音的压缩编码标准 6，并支持多路节目复用和传输。它规定了视频编码和音频编码的表达方式，规定了视音频数据组合和同步的复用结构、解码中重组声音和图像信号的过程，同时还规定了用于传输的数据结构。这个标准被欧洲电信标准委员会在 准中采纳，规定传输的数据必须建立在 输流 流格式分为两种，分别是节目流（ 传输流（ 节目流主要用于单个节目的存储，而传输流则用于多路节目的复用传输 7。 传输流由固定长度的 成，每个包都是 188 字节个字节，它的语法结构如图 图中可以看出，每个 有效负载（ 部分。首部由固定的同步字节 0 送错误指示、有效负载起始指示、传送优先级等组成，有效负载则由音视频的 、节目特定信息（ 者自己规定的私有数据（ 目特定信息 准中规定的 实由一系列表组成，这些表用于描述传输流提供的节目、如何获取这些节目以及每个节目的相关事件等。 1. 网络信息表（ 用来记录运载传输流同济大学 硕士学位论文 基于安卓平台的 视机顶盒软件系统的设计与实现 6 的网络的相关信息，如网络 标识符等，另外还记录了物理载体的相关信息，如调制频率、调制方式、符号率等。 2. 条件接收表（ 用来记录条件接受相关的信息，一般用于节目加解扰和加解密。 3. 节目关联表（ 记录所在传输流的所有节目的节目号（ 以及该节目对应的 的 4. 节目映射表（ 记录某个节目的节目信息，包括所包含的视音频类型或者私有数据。 图 准 简介 由于 定义的 于具体的业务 和事件信息并没有涉及。因此为了实现数字电视相关的业务， 准在 准基础上增加了业务信息 8（ 第 2章 相关技术 7 务信息 务信息同样也是由一系列表组成，总共包含以下 9张表 9： 1. 业务群关联表（ :用来提供业务群相关的信息，包含业务群的名称以及每个业务群中的业务列表。 2. 业务描述表（ 用来记录业务的描述信息，包括业务名称、业务类 型、业务提供者等。 3. 事件信息表（ 用来记录事件相关的信息，如事件名称、事件的起始时间、持续时间等。 4. 运行状态表（ 用来描述事件的运行状态。 5. 时间和日期表（ 用来记录当前的时间和日期信息。 6. 时间偏移表（ 用来记录和当前时间、日期和本地时间偏移相关的信息。 7. 填充表（ 用来填充无效段 。 8. 选择信息表（ 用来记录描述码流片段的业务信息的概要数据。 9. 间断信息表（ 用来插入码流片段业务信息间断的地方。 标准还规定在这些表中可以插入描述符（ 行业务描述，运营商也可以插入私有的描述符来实现其它需求。 务信息表结构 和 一样，最终都将被分成若干段（ 入到 ，作为有效负载。段是一种用来映射成 结构，它的长度不是固定不变的，但是最大长度则有限制。除 096字节以外，所有表的段最大长度为 1024 字节。每个段都会包含表标识符（ 表标识符扩展（ 段号（ 版本号（ 当前后续指示符（ 些元素作为它的唯一标识符。 准中已经预先分配好了使用的表的 营商配置前端网络同济大学 硕士学位论文 基于安卓平台的 视机顶盒软件系统的设计与实现 8 时需要注意规避这些已经分配的值。 分配表如表 表 配表 值 描述 0目关联段 0件接收段 0目映射段 0输流描述段 0 0留 0行网络信息段 0它网络信息段 0行传输流业务描述段 0 0留使用 0它传输流业务描述段 0 0留使用 0务群关联段 0 0留使用 0行传输流事件信息段，当前 /后续 0它传输流事件信息段，当前 /后续 0 0行传输流事件信息段，时间表 0 0它传输流事件信息段，时间表 0间 0行状态段 0充段 0间偏移段 0 0留使用 0连续信息段 0择信息段 0 0户定义 0留 第 2章 相关技术 9 字电视机顶盒的基本原理 字电视机顶盒的工作流程 数字电视机顶盒是数字电视网络中的终端接收 设备，主要负责 接收数字电视信号和处理 准的数字视 /音频信号 ，并将数字电视信号转化为模拟电视信号 10。 它的工作流程见图 体描述如下： 1. 调谐模块 通过 射频 线接收到射频信号并下行变频为中频信号，高频头 （ 称锁频器） 通过 2. 中频信号经滤波、放大、 模数（ A/D） 转换为数字信号后送入 调模块进行 调 。 准 的信道编码采用 积交织方式，调制则采用 64此机顶盒必须要完 成 错处理）的过程，并输出 3. 解复用模块接收 输 流，并从中 获取到 一个节目 数据 （ 包括视频 频 据 ， 再 将音频和视频数据直接送给 复用模块中包括一个解扰引擎，可对加扰的数据进行解扰，其输出是已解扰 的 据 。 4. 由于 解复用模块送出的数据是 经过 压缩的视频 据和音频 据，必须由 码器对 据进行解压缩。 解压缩之后 输出两组信号，一组 是 字视频数据 ，将 送给视频编码器 ； 另一组 是频数据 ，将 解码为 字音频信号再送给音频数模变换 器（ 5. 视频编码 同济大学 硕士学位论文 基于安卓平台的 视机顶盒软件系统的设计与实现 10 视频编码器的功能是将已解码的 字视频信号转换为模拟电视信号，这些信号经过一个低通滤波器送到电视的 音视频（ V） 插口上进行播放 。 解 复 用 模 块音 频 解 码 模 块 视 频 解 码 模 块P C M 解 码 器 P A L / N T S C 编 码 器电 视 扬 声 器 电 视 显 像 管Q A M 模 块调 谐 模 块A / D 转 换视 频 输 出音 频 输 出图 顶盒 工作流程图 6. 音频 频 第 2章 相关技术 11 字电视机顶盒的主要技术 数字 电视机顶盒 使用的 主要技术 包括 信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式 顶盒软件 、 显示控制和加解扰技术 11，下面分别介绍： 1. 信道解码 电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。在电视机顶盒中，高频头是必须的，不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。根据 道解码应包括 2. 信源解码 模拟信号数字化后，信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准 12。数字电视广播采用 频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有 源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原始音、视频数据。 3. 上行数据的调制编码 开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有 3种方式， 即 采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。 4. 嵌入式 入式 数字电视机顶盒的心脏 。 当数据完成信道解码以后，首先要解复用，把传输流分 解 成视频、音频，使 音视频数据 和 其它 数据分离开 。一般 在数字电视机顶盒专用的 集成了 32 个以上可编程滤波器，其中两个用于视频和音频滤波，其余的用于 数字电视业务信息相关的 数据滤波。 嵌入式操作系统的运行平台，它要和操作系统一起完成网络管理 、 显示管理、有条件接收管理、图文电视解码、数据解码、 屏幕显示（ 、视频信号上下变换等功能。为了达到这些功能，必须在普通 的 32位或 64位 不断提高 运行 速 度， 才能 适应 目前 高速网络和三维游戏的要求。 5. 前面介绍过的 准 是数字电视中的关键技术之一，目前实用的同济大学 硕士学位论文 基于安卓平台的 视机顶盒软件系统的设计与实现 12 视频数字处理技术基本上 都 是建立在 准 技术基础上 的。括 了 从网络传输到高清晰度电视的全部规范 13。 6. 数字电视机顶盒软件 电视数字化后，数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置。除了音视频的解码由硬件实现外，包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现，直 到 机顶盒和个人计算机的互联以及和 软件 具体 包括 如 下 组成部分 ： 1) 硬件驱动层软件： 驱动程序驱动硬件功能，如射频解调器、传输解复用器、 A/频编码器等。 2) 嵌入式实时多任务操作系统：嵌入式实时操作系统是相对于桌面操作系统而言的，它不 安装 在硬盘中，系统结构 相对 紧凑，功能相对简单，资源 开销 较小，便于固化在存储器中。嵌入式操作系统的 完成的功能和个人计算机 上的 桌面操作系统 相似， 由它实现 人机对话，完成用户下达的指定。 目前机顶盒可以接受的 指定 已经包括 多种方式 ，例 如 ： 键盘、鼠标、语音、触摸屏 以及 红外遥控器等 。 3) 中间件：中间件是一种将应用程序与底层的操作系统 、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 拟机、拟机、 14等等。数字电视机顶盒软件中间件的核心层模块包括 图形设备接口（ 模块、 数字电视业务信息解析 模块、文件系统模块、 览器模块、系统模块等。它不仅能够为应用层提供与业务无关的应用软件接口，而且能够屏蔽掉上层软件模块对硬件的依赖性，构建一个软件平台适配层。 4) 上层应用软件： 执行服务商提供的各种服务功能，如：电子 节目指南、准视频点播、视频点播、数据广播、 层应用软件独立于 电视机顶盒 的硬件 平台 ，它可以 使 用 在 各种 机顶盒 硬件平台， 从而 消除应用软件对硬件 平台 的依赖。 7. 显示技术 就电视和计算机显示器而言， 显像管（ 显示是一种成熟的技术，但是用低分辨率的电视机显示文字，尤其是小于2424 的小字，问题就变得复杂了。电视机的显像管是大节距的低分 第 2章 相关技术 13 辨率管，只适合显示 720576 或 640480 的图像 15。 它的偏转系统是固定不变的，是为 525行 6025行 50数字电视的显示格式有 18 种以上。显然，电视机的显示系统无法适应这么多格式。另外，电视采用低帧频的隔行扫描方式，当显示图形和文字时，亮度信号存在背景闪烁，水平直线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换到电视机上，水平边沿就会仅出现在奇场或偶场，屏显时间接近人眼的视觉暂留，会产生厉害的边缘闪烁现象，因而要 使 用电视机上网，必须要补救电视机显示的缺陷。 根据技术难度和成本，目前 采 用 了 两种方法进行改进，一种是抗闪烁滤波器， 即 把相邻三行的图像按比例相加成一行，使仅出现在单场的图像重现在每场中 ， 这种方式 叫三行滤波法。三行滤波法简单易实现 ， 但降低了图像的清晰度， 只 适用于隔行扫描方式的电视机 ； 另一种方法是把隔行扫描变成逐行扫描，并适当提高帧频，这种方式要成倍地增加扫描的行数和场数，为了使增加的像数不是无中生有，保证活动画面的连续性，必须要作行、场内插运算和运动补偿 ，这就 必须 使 用专用的芯片和复杂的技术才能实现 。 这种方式在电视机上显示计算机图文的质量非常好，但必须在有逐行和倍 频 扫描功能的电视机上才能实现。另外把分辨率高于模拟电视机的 视频 信号在电视机上播放，只能显示部分画面，必须进行缩小 处理 ， 需 要丢行和丢场。同样为 了 保证图像的连续性，也要进行内插运算。 8. 加解扰技术 加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密。其基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法，用户端利用 智能卡（ 解密 16。加解扰技术分为同密和多密技术。同密技术是将两家或两家以上的条件接收（ 统应用于同一网络平台之中，从有线电视台角度 看 是 为了 实现技术选择和竞争的环境 ； 多密技术要求机顶盒采用 标准公共接口（ 技术，实现同一机顶盒可接收不同 统加密节目。 加解扰技 术的 工作原理 表现为：在播出节目前，先 经过加扰处理，加扰过程是将复用后的 传输 流与一个伪随机加扰序列做模 2加 运算 ，而这个伪随机序列的生成由控制字发生器提供的控制字（ 济大学 硕士学位论文 基于安卓平台的 视机顶盒软件系统的设计与实现 14 确定。 核心实际上是 输的控制。在 输流中，与 权控制信息（ 授权管理信息（ 由业务密钥（ 密处理后的控制 字在 传送，其中还包括节目来源、时间、内