电视机数字机顶盒设计

1、课程设计说明书 第 I页有线数字机顶盒组成和分析摘 要数字电视机顶盒是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，目前的数字电视机顶盒已成为一种嵌入式计算设备，具有完善的实时操作系统，提供强大的CPU计算能力，用来协调控制机顶盒各部分硬件设施，并提供易操作的图形用户界面，如增强型电视的电子节目指南，给用户提供图文并茂的节目介绍和背景资料。它也是扩展电视机功能的一种新型家用电器，负责将接收到的各种信息（包括电视节目）转换为电视机可现实的格式在屏幕上显示出来，同时，机顶盒具有“傻瓜计算机”能力， 这样通过内部软件功能和对网络稍加进行双向改造，很容易实现如因特网浏览、视频点播、家庭电子商务、电话通信

2、等多种服务。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, CPU ，CA课程设计说明书 第 II页目 录1 绪 论.1 1.1 课题背景和意义.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 编码解码模块 .4 2.3 MPEG II的解码模块 .4 2.4 数字视频编码器和音频DAC .5 2.5 图形控制模块 .5 2.6 媒体访问控制模块MAC .5 2.7 加解扰模块.6 2.8

3、 嵌入式CPU .63 数字机顶盒软件模块 .6 3.1 硬件和软件组成.6 3.1.1 软件部分 .7 3.1.2 硬件部分 .8 3.2 CA系统 .8 3.3数字机顶盒条件接收系统.8总结 . 12致谢 .13参考文献 . 14课程设计说明书 第1页1 绪论1.1 课题背景和意义随着社会的进步和科技的发展，电视机已经广泛的进入了人们的日常生活中，从早期的黑白电视机到后来的彩色电视机，经历了很好的发展，近年来，科技成果的日新月异，数字电视机逐渐进入了我们的生活，很快普及开来，但是有线数字电视机最重要的就是数字机顶盒，没有机顶盒就接收不到传来的数字信号。有线电视机顶盒是一台网络计算机，机顶盒

4、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，接收有线电视网络中传输的数字电视信号，信号经过处理后把节目在电视机上显示出来。使用不同的应用程序，机顶盒是一台具有计算和电视双重功能的“信息家电”，通过遥控器完成操作，十分灵活、方便，任何人都可以轻松使用它，机顶盒是终端产品，它需要与之相对应的前端播出系统提供节目信号。所以说，对机顶盒的组成的了解，以及对机顶盒的研究是非常重要的，它可以帮助我们更好的理解数字电视的工作原理1和信号的接收处理过程，使我们对数字电视的研究更加的深入和透彻。1.2 基本工作原理和框图有线电视数字机顶盒的基本功能2是接收数字电视节目，如图1，

5、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，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和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

6、，PCM解码器输出立体声模拟音频信号，经音频输出电路输出。课程设计说明书 第2页音频信号视频信号RF输入QAM解调器电缆调谐器EPROMCPU接口电路音频D/A转换器音频放大电路智能卡座智能卡接口FLASH ROM存储器SDRAM操作显示面板开关稳压电源解复用器MPEG解码器视频解码器视频滤波网络课程设计说明书 第3页图1 有线电视数字机顶盒框图2 数字机顶盒的重要模块2.1 调制解调模块数字机顶盒工作在有线电视网络3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

7、，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。+ 电缆调制解调器：到目前为止，各种研究机构对电缆调制解调器进行了广

8、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。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。不同的目的使得各个标准间存在很大

9、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。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。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

10、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。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(

11、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。课程设计说明书 第4页QAM调制器：QAM调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器（也就是串并转换器）内被分成两路，各为原来两路信号的1/2，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回原来的二进制信号。作为调制信号的输入二进制数据流经过串并变换

12、后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。2.2 编码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。1、信道解码：数字电视机顶盒中的信道解码电路4相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。在数字电视机顶盒中，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DTV目前已有的调制方式，信道解码应包括QPSK、QAM、OFDM、VSB解调功能。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

13、数据压缩标准。数字电视广播采用MPEGII视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC3和MPEGII两种标准。信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，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。 2.3 MPEG II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5可以称为CPU以外的核心模块，MPEG II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，以及视频码的解码工作。经以上

14、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)。MPEG-II是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在MPEG-II技术基础上，MPEG-II是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。MPLL用于VCD，可视电话会议和可视电话用的H.263和H.261是它的子课程设计说明书 第5页集。MPML用于DVD、SDTV，MPHL用于HDTV。 课程设计说明书 第5页MPEG-II图像信号处理方法6分运动预测、DCT、量化

15、、可变长编码4步完成，电路是由RISC处理器为核心的ASIC电路组成。 MPEG-2解压缩电路包含视频、音频解压缩和其它功能7。在视频处理上要完成主画面、子画面解码，最好具有分层解码功能。图文电视可用APHA迭显功能选加在主画面上，这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据，要有很高的速度和处理能力。OSD是一层单色或伪彩色字幕，主要用于用户操作提示。 在音频方面，由于欧洲DVB采用MPEG2伴音，美国的ATSC采用杜比AC3，因而音频解码要具有以上两种功能。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Motorol

16、a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DAC8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。课程设计说明书 第6页2.5图形控制模块和视频图形混合器数字机顶盒

17、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。2.6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、

18、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。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接口与机顶盒相连的模块，该

19、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。2.8 嵌入式CPU嵌入式CPU9是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，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在数字电视机顶盒专用的CPU中集成了32个以上可编程PID滤波器，其中两个用于视频和音频滤波，其余的用于PSI、SI和Private数据滤波。CPU是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（IC卡和Smart卡）、图文电视解码、数据解码、OSD、视频信号的上下变换等功能。为了达到

20、这些功能，必须在普通3264位CPU上扩展许多新的功能，并不断提高速度，以适应高速网络和三维游戏的要求。 3 数字机顶盒的软件模块3.1 硬件和软件组成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，从底向上分课程设计说明书 第7页别为：硬件、底层软件、中间件、应用软件10（如图2）。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。硬件平台底层（驱动程序、实时操作系统）中间层应用软件层（下载的应用软件、本地应用软件）图2数字机顶盒由硬件

21、平台和软件系统组成3.1.1 软件部分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/V解码器、OSD、视频编码器等。 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计算机操作系统而言的，它不装在硬盘中，系统结构紧凑，功能相对简单，资源开资较小，便于固化在存储器中。嵌入式操作系统的作用与PC机上的DOS和Windows相似，用户通过它进行人机对话，完成用户下达的指定。指定接收采用多种方式如：键盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。 3、中间件： 开放的业务平台上的特点在于产品的开发和生产以一个业务平台为基础，开放的业务平台为每个环节提供独立的运行模式，

22、每个环节拥有自身的利润，能产生多个供应商。只有采用开放式业务平台才能保证机顶盒的扩展性，保证投资的有效回收。 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、IP电话和可视电话等。上层应用软件独立于STB的硬件，它课程设计说明书 第8页可以用于各种STB硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。3.1.2 硬件部分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。3.2 CA系统加扰是CA系统的重要组成部分

23、。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。数字电视CA系统11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数字机顶盒条件接收系统框图数字机顶盒条件接收系统是数字电视比较重要的一个系统，它承担着接收射频输入信号并且经过一系列的解码编

24、码最终输出视频信号和音频信号传递给人们观看的重要作用，接收原理在文章中已经介绍的很清楚，下面介绍他的框图，如图3所示。模拟音频PCM音频音频PES分组模拟视频视频PES分组音视频PES分组MPEG传输流中频信号射频输入信号调谐A/D转换QAM解调解复用音频输出视频输出PCM解码PAL/NTSC编码音频解码视频解码PES分析图3数字机顶盒条件接收系统框图课程设计说明书 第9页总 结在这次课程设计中，我走了许多弯路，让我认识到我知识上的不足，很多东西掌握的还不牢固，还需要进一步更加深入的学习，但是这同时也让我从中积累了许多经验教训，正是这些经验教训使我对数字电视机顶盒的组成和工作原理有了更加深刻的理解，对数字电视有了更加深刻的认识，进一步巩固了自己所学的专业知识，无论是理论还是实践方面都有了较大的提高，同时，这也是对我三年来所