（计算机应用技术专业论文）数字电视机顶盒loader系统的研究与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要：数字电视技术具有众所周知的强大优越性，近年来，电视数字化的进程明 显加快，模拟信号向数字信号的过渡全面展开。本文对符合m p e g 2 和d v b c 标 准的数字电视机顶盒进行了研究，对硬件系统的组成以及各个部分实现的功能进 行了论述，从软件层次和软件模块的角度对数字电视机顶盒的软件系统进行了分 析，并对每个软件层的功能以及每个模块将要实现的功能进行了详细的论述。 本文的主要工作是在研究数字电视机顶盒的相关概念和软、硬件系统的基础 上，设计并实现了数字电视机顶盒的主要软件模块：在线升级( 以下简称l o a d e r ) 系统。该数字电视机顶盒是由p h i l i p s 公司提供的基于p n x 8 3 1 0 芯片的设计方案上 实现的，论文研究了数字电视机顶盒软件升级技术及方案；完成了集成l o a d e r 系 统后f l a s h 存储器存储空间的重新规划及存储信息和启动流程的设计；完成了空中 升级、串口升级数据发布形式与流程的设计；设计并实现了空中升级和p c 机到数 字电视机顶盒的串口升级功能，使数字电视机顶盒具有在线更新软件的能力。 本文的研究成果，在某些地方电视台的数字电视机顶盒在线软件升级中得到了 实际应用，对数字电视机顶盒的软件系统的研究作出了一定的贡献。 关键词：数字电视；机顶盒；软件在线升级： 分类号：t p 3 1 9 ； 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo ft h ew e l l k n o w na d v a n t a g e so fd i g i t a lt v t e c h n o l o g y , t h et r a n s i t i o nf r o ma n a l o gt v t od i g i t a lt vl a a sb e c o m eo b v i o u s l yf a s t e r a n df a s t e r t h i sp a p e ri sar e s e a r c ho i lr e c e i v i n gt e c h n o l o g yo fs e tt o pb o xo fc a b l e d i 画t a lt e l e v i s i o ne o n f o 珊c dt om p e g 一2a n dd v b c i nt h i sp 印f i r s t l y , t h es t r u c t u r e o fh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h ef u n c t i o no fh a r d w a r ep a r t sa r ed i s c o u r s e d ；s e c o n d l y , t h e s o f t w a r es y s t e mi ss t u d i e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fs o f t w a r ei e v e l $ a n ds o f t w a r e m o d u l e s ，a n dt h ef u n c t i o no fe v e r ys o f t w a r el e v e la n de v e r ys o f t w a r em o d u l ei sa l s o d i s c u s s e dd e t a i l e d l y b a s e do nd i s c o u r s e dt h es t r u c t u r eo f h a r d w a r ep l a t f o r i l la n dt h es o t l w a r es y s t e mo f s t b ，t h em a i nt a s ki n t h i sp a p e ri sd e s i g n e da n da c h i e v e dt e c h n o l o g yo fs t bl o a d e r s y s t e m t h es t bi sb a s e do i lt h es y s t e mb l u ep r i n to f p n x 3 8 1 0p r o v i d e db yc o m p a n y p h i l i p s ，a n dt h en e wo r g a n i z a t i o no ff l a s hm e m o r ys p a c e ，t h es t o r a g ew a y so fs t b i n f o r m a t i o na n dt h eb o o tp r o c e s sa f t e ri n t e g r a t e dl o a d c ra r ed e s i g n e da n da c h i e v e d t h e d e s i g no fd a t ar e l e a s e df o rm a ta n df l o w c h a r to fs o f t w a r eu p g r a d eb ya i ra n db ys e r i a l p o r ti sc o m p l e t e d t h ef u n c t i o no f s o f t w a r eu p g r a d eb ya i ra n db ys e r i a lp o r ti si n t e g r a t e i n t os t bs o f t w a r es y s t e m ，8 0t h es t bh a st h ec a p a c i t yo f u p g r a d i n gs o f t w a r eb ya i ra n d b ys e r i a lp o r to n - l i n e t h er e s u l t so ft h i sp a p e r sr e s e a r c hh a v eb e e na p p l i e dt ou p g r a d e i n gs o t t w a r eo f s t bf o rf 。o m et vs t a t i o n , h a sm a d ea l li m p o r t a n te o n u i b u t i o nt ot h es o f t w a r es y s t e mo f d i 百t a lt vt e c h n o l o g y k e y w o r d s - d i g i t a lt v ：s e tt o pb o x ；l o a d e r ； c l a s s n 0 ：t p 3 1 9 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学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，并采片；j 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：囱绵毋霞 签字日期：唧年d 月1 2 , e 1 导师签 签字日期 ，细 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所吊交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究r 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 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使h j 过的材料。与我一同j ：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：訇i # 扫雷 签字日期： 卅年j 工月j 日 致谢 本论文的工作是在我的导师卢苇教授的悉心指导下完成的，卢苇教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来卢苇 老师对我的关心和指导。 卢苇教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向卢苇老师表示衷心的谢意。 卢苇教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吴秋果、邵逊等同学对我论文的部分研究工 作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及意义 随着信息技术的发展，互联网接入、视频点播、电子商务、远程教育、远 程医疗、网上音视频广播等新的概念、新的业务层出不穷。电视的发展也不例 外，数字电视技术是电视产业发展的必然趋势，也是电视网络化的前提和必要 条件，它与传统的模拟电视技术相比产生了质的飞跃。 数字电视，作为一种全新的广播方式和电视未来的发展趋势，是指一个从 节目摄制、编辑、发射、传输到信号接收、处理、显示完全数字化的电视系统。 数字电视的图像清晰度是现有电视的两倍，所包含的信息量大约是模拟电视的5 倍【1 1 。越来越多的国家正在试运行数字电视系统，在美国的四家主要网络b c ， n b c ，c b s 和f 0 x 都已经从1 9 9 9 年1 1 月开始数字广播。截止至i j 2 0 0 6 年，美国的 联邦通讯委员会要求不再发送模拟电视信号。在欧洲，法国、爱尔兰、西班牙、 德国、荷兰和英国的广播界已在1 9 9 9 年启动数字化技术。我国也实行了分步骤、 循序渐进的数字电视发展战略。据国家广电总局发布消息称，到2 0 0 7 年底，我 国计划推出的数字电视付费频道将扩大到8 0 个，付费广播节目增至4 5 套，并在 2 0 1 5 年将关闭原有的模拟电视。 从清晰度的角度来说，数字电视的业务包括数字商清晰度电视( h d t v ，h i 曲 d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ，数字标准清晰度电视( s d t v ，s t a n d a r dd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 和数字低清晰度电视( u ) t v ，l o w d e f m i t i o n t e l e v i s i o n ) 。三者的 区别主要在于图像质量和信号传输时所占的带宽不同。从视觉效果来看，h d t v 的图像质量可达到或接近3 5 m m 宽银幕电影的水平，显示图像分辨率达1 9 2 0x 1 0 8 0 ，长宽比为1 6 ：9 ，适合大屏幕观看；s d t v 的图像质量相当于演播室水平， 显示图像分辨率p a l ( p h a s e a l t e r n a t i o n l i n e b y l i n e ，逐行倒相) 制为7 2 0 x5 7 6 ， n t s c ( n a t i o n a l t e l e v i s i o n s y s t e m c o m m i t t e e ，国家电视系统委员会) 制为7 2 0 x4 8 0 ，这是一种普及型数字电视，成本较低，具备数字电视的各种优点：l d t v 对应于现有v c d 的图像分辨率i z 。4 1 。 数字电视的传输主要分为地面( t e r r e s t r i a l ，简称t ) 无线广播、有线( c a b l e ， 简称c ) 广播和卫星( s a t e l l i t e ，简称s ) 广播三种方式。针对三种不同传输介质 的特性，采取不同的信道编码和调制方式，制定不同的传输标准。在全球由模 拟电视向数字电视转换的进程中，各国根据本国的实际情况优先发展的方向也 北京交通大学硕士学位论文绪论 不相同。我国拥有近1 亿有线电视用户，开展有线数字电视广播具有得天独厚的 条件，因此我国优先发展的是有线数字电视。 由于数字电视与模拟电视的传输与接收采用完全不同的技术体系，模拟电 视无法接收数字电视信号。而我国的模拟电视拥有量超过3 亿，各大电视机厂商 也从未停止过模拟电视机的生产和销售，因此不可能在一夜之间完成数字化的 改造，需要一个相对较长的过渡时期。为了使广大模拟电视机用户能够收看数 字电视节目，需要一种转换装置，数字电视机顶盒( s t b ，s e tt o pb o x ，有时也 称数字机顶盒或机顶盒) 应运而生。 数字电视机项盒是一种能够接收数字电视信号、完成相应处理并输出模拟 电视信号，通过模拟电视播出节目的家用电子设备。根据传输介质不同，数字 机项盒可分为地面数字电视机顶盒、有线数字电视机顶盒和卫星数字电视机项 盒( 也称数字卫星综合接收解码器，i r d ，i n t e g r a t e dr e c o v e rd e c o d e r ) - 。6 1 。 就我国的国情而言，我国是发展中国家计算机的普及率较低电视机的普及 率较高广播电视是我国最普及的信息工具和最便捷的信息载体运用现代的数字 电视系统安装数字电视机顶盒就可以使家家户户的电视机变为多媒体信息终 端。 本论文正是在这样的背景下展开的在深入了解有线电视接入网数字电视的 标准和我国国情等方面的情况下，主要是开发符合我国数字电视发展现状的有 线数字电视机顶盒。由于有线电视网络较好的传输质量以及电缆调制解调器技 术的成熟，使得这类机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如 数字电视广播接收、电子节目指南、准视频点播、按次付费观看、软件在线升 级、数据广播、因特网接入、电子邮件、口电话和视频点播等。因此本课题对 现有的l o a d e r 系统进行了分析，提出并实现了一套完整的解决方案。 1 2 数字电视机顶盒的发展现状 1 2 1 世界各国数字电视机顶盒的发展现状 1 9 9 3 年2 月，美国首先决定其高清晰度电视发展计划不再采用模拟制式，随 后由数家知名公司和院校组成“大联盟”开展商清晰度数字电视标准与系统的 技术攻关，1 9 9 5 年9 月，美国制定出a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m c o m m i t t e e ，高级电视制式委员会) 标淮，1 9 9 6 年1 2 月，“a t s c 数字电视标准” 被通过。之后，美国经过了充分的工业准备，包括芯片设计、广播和接收设备 生产、试播台建立，到1 9 9 8 年1 1 月，1 l 家电视台同时丌始地面h d t v 广播，在 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 世界上率先实现高清晰度数字电视节且的商业播出。a t s c 数字电视标准包括 h d t v 、s d t v 、数据广播、多声道立体声和卫星直播等，是一种全数字，频道 兼容、基于m e p g - 2 ( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t s g r o u p ，运动图像专家组) 压缩编 码的h d t v 体制，适合卫星、地面和有线电视系统传输，其特点是强调覆盖范 围和数据容量，侧重于数字电视地面广播。到2 0 0 6 年美国将全部停止n t s c 匍j 式 模拟电视广播，收回全部n t s c 占用的频率资源【7 8 。 在美国的带动下，欧洲也开始研制数字电视并制定自己的数字电视标准， 1 9 9 3 年启动d v b ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ，数字视频广播) 项目，并较快地 制定出卫星数字电视d v b s 标准、地面数字电视d v b t 标准和有线数字电视 d v b - c 标准。d v b 标准是一个系列标准，他以m p e g 一2 标准为基础，内容覆盖 了数字电视广播的各个方面。除提高图像和声音质量、实现高清晰度数字电视 广播外，还为利用电视信道开展各种新的增值业务提供了可能。这些业务包括 电子节目指南、条件接收、交互业务、数据广播和多媒体家庭平台等，目的就 是要将开放系统的好处带给用户，最终建立一个统一的标准平台，实现广播电 视，电信和计算机业务的融合【9 _ 1 2 1 。欧溯短短几年己从标准化进入商品化、实用 化和产品化阶段，并以惊人的速度发展。欧洲主要以标准清晰度数字电视为主 攻方向，发展卫星和有线网络的数字电视1 7 “。 继欧、美之后，日本在欧洲d v b 技术的基础上，研制出世界上第三个拥有 独立知识产权的数字电视地面广播标准i s d b t ( i n t e g r a t e ds e r v i c e dd i g i t a l b r o a d c a s t i n g ，综合业务数字广播) 。目标是把各种信息集中到同一个信道中广 播，这些信息包括：活动和静止图像、声音、文字和各种数据。i s d b 能开展不 同的新业务，灵活地将不同业务的数据复用起来，还具有与通信网和计算机系 统的交互性【1 3 】。e t 本按计划于1 9 9 9 年夏季在l o 个地区进行了测试试验，正式开 播时间定于2 0 0 3 年，服务地区为东京、大阪和横滨三市 7 1 。 d v b 标准，a t s c 标准和i s d b 标准是三种不同的数字电视国际标准。己被世 界上的许多国家和地区采用。很多国家都进行了数字电视试播或正式播出工作， 并制定了本国数字电视时间表。目前欧美己经拥有数千万数字电视用户( 主要 是有线和卫星数字电视) 。前已述及，美国计划在2 0 0 6 年关闭模拟电视，欧洲 各国计划在2 0 1 0 年关闭模拟电视，日本计划在2 0 1 1 年关闭模拟电视【悼蟮l 。 阿根廷、新加坡、澳大利亚和加拿大等国以选用标准为主。他们在选用标 准之前，也进行了大量的试验、测试和比较工作。目前澳大利亚、印度、巴西、 新加坡等国结合本国的国情，确定选用欧洲的d v b 地面数字电视广播标准。澳 大利亚从2 0 0 1 年开始用1 0 8 0 5 0 i 播出h d t v 。加拿大、阿根廷和中国台湾省选 用a t s c 的地面数字电视广播标准。中国的台湾省、韩国己经选定1 0 8 0 6 0 i 作为 北京交通大学硕十学位论文 h d t v 信号源标准。而i s d b t 除日本外还没有被其他国家和地区选用f 1 7 1 。 随着数字电视的迅猛发展，各种数字电视专用集成电路芯片也纷纷问世， 许多世界著名的芯片制造厂商都跻身于数字电视机顶盒专用解码芯片的开发， 推出了面向从低端到高端产品的信源解码器，并提供了完整的解决方案。目前 提供数字电视机顶盒解决方案的公司主要有p h i l i p s 、s t 、i b m 、l s i 、n e c 、 n s 、t i 等公司【抽，l ”。其q b p h i l i p s 公司推出的机顶盒后端解码器p n x 8 3 1 0 具有功 能强大，价格低廉的特点，因而基于p n x 8 3 1 0 的系统解决方案得到较为广泛的 应f 1 8 1 。 1 2 2 我国数字电视机顶盒的发展状况 我国从2 0 世纪9 0 年代末启动数字电视，尤其是从2 0 0 1 年底在全国十三省、 市开始有线数字电视试验以来，国内已有二十多个省、市、自治区。八十多个 城市获准开展数字电视业务。目前，全国已运行的数字电视平台超过1 0 0 个，数 字电视的进程大大加快，而数字电视机顶盒是开展数字电视业务的关键终端， 每一个要接入有线电视网享受数字电视服务的用户必须配置这种终端设备。因 此数字机顶盒是实现有线电视数字化的标志。换言之，数字机项盒是实现“有线 电视向数字化整体平移”战略的跳板【l ”。 我国数字电视机顶盒产品的研制起步于1 9 9 6 年，经过几年的发展，目前已 出现各种类型的数字电视机项盒并存的局面。 目前，受我国数字电视发展进程的影响。国内数字电视机顶盒仍处于初步 发展的阶段。根据其功能定位可分为3 类： 1 基本型数字电视机顶盒：接收数字电视信号到模拟电视机并实现付费收 看： 2 增强型数字电视机顶盒：接收数字电视信号到模拟电视机，实现付费收 看，多种有线电视增值业务及简单交互式应用； 3 交互式数字电视机顶盒：出于机顶盒的模块化设计。在功能选择上更加 灵活。增n i n t e m e t 浏览功能只需要在硬件上增加c p u 及相关应用软件。该类型 机顶盒的功能可在基本型数字电视机顶盒或增强型数字电视机顶盒的功能基础 上按需要添加。 对于卫星数字电视广播和有线数字电视广播，各国采用的信道编码和调制 方案基本相同，我国的卫星数字电视广播系统信道编码与调制规范基本上采用 d v b s i 标准，有线数字电视广播系统信道编码与调制规范基本上采用d v b c 标 准，但在地面数字电视广播方面，由于各国有不同的侧重考虑，所采用的信道 4 北京交通大学硕士学位论文绪论 编码和调制方案有所不同，我国出于对自主知识产权和国家安全以及后续开发 等方面的考虑，尚未确定地面数字电视广播传输标准【l ”。 与美国、欧洲、澳大利亚等西方发达国家不同的是，我国城市人口居住相 对集中，9 0 以上的人是通过有线电视收看电视节日的，城市居民物质生活水 平较高，这为发展数字电视创造了条件。同时，有线数字电视传输、条件接收 系统等标准己经颁布实施，为有线数字电视试验提供了良好的技术标准支持。 另外，全长3 7 0 0 0 多公里的国家广播电视光缆干线网的开通，为全国有线数字电 视试验的开展创造了网络条件【5 】。 数字电视机顶盒在我国的推广与几年前相比已有长足的进步，但仍然存在 着几个问题： 1 数字电视机顶盒的技术含量较高，真正有价值的产品并不是很多； 2 各种网络资源各自为政，数字电视机顶盒的大范围普及推广还需时日； 3 信息和节目资源贫乏； 4 资费偏高，多数用户难以接受。 尽管当前数字电视机顶盒的推广受到很大的限制，但数字电视机顶盒有着 自己独特的优势。特别适合我国国情，是模拟电视机向数字电视机过渡的最佳 解决方案，是数字电视的过渡产品。数字电视机顶盒是未来家庭必备的多媒体 信息终端，使用数字电视机顶盒的有线电视用户，可以享受电视、数据、语音 等全方位的信息服务。可以相信，随着数字技术、多媒体技术和网络技术的发 展。数字电视机顶盒的功能将逐步得到完善，其广阔的发展前景将日益显现出 来。 耳翦我国己经有2 0 多个省、8 0 多个城市获准开展数字电视业务，全国己运 行的数字电视平台超过1 0 0 个。按照规划，至1 j 2 0 0 6 年内我国有线数字电视的用户 应该达至u 3 0 0 0 万户，我国数字电视将有很大的发展【l7 1 。 1 3 本文的主要研究内容 综上所述，数字电视机顶盒已经成为当今世界数字电视发展过程中不可逾 越的数字家电产品。我国的数字电视行业也面临着一个十分难得的发展契机。 根据我国的国情，已经优先发展有线数字电视，因此开发和研制符合我国国情 的有线数字电视机顶盒具有非常重要的意义。 本文旨在p h i l i p s 公司的p n x 8 3 1 0 硬件平台上，符合m p e g 一2 的d v b s i 标准 和d v b c 标准，完成有线数字电视机顶盒的系统在线升级功能，i i 0 l o a d e r 系统。 l o a d e r 系统的主要功能是：通过广播的方式和p c 机到数字电视机顶盒中对系统 北京交通大学硕士学位论文绪论 软件进行更新。在数字电视机顶盒整个系统开发的过程中，主要工作具体来说 包括以下内容： 1 对m p e g 一2 的d v b s i 的数据广播协议结构和原理的研究： 2 研究基于p h i l i p sp n x 8 3 1 0 有线数字电视接收系统的硬件平台与软件 系统。数字电视机项盒的硬件平台和软件系统是整个系统工作的基础平台，也 是丌展后续研发工作的前提和基础。 3 对数字电视机顶盒在线升级的原理以及关键技术进行分析和研究。机顶 盒在线升级对用户、机项盒制造商和网络运营商来说都是十分有用的功能。为 了设计和完成机顶盒在线升级功能，必须对机项盒在线升级的原理以及关键技 术进行分析和研究。 4 设计并实现了数字电视机顶盒在线升级系统，即l o a d c r 系统。在深入研 究和分析机顶盒在线升级原理及关键技术的基础上，设计并实现了数字电视机 顶盒的空中升级和串口升级协议，从而完成了数字电视机项盒的l o a d e r 系统功 能的实现。 本文的研究成果在某些地方电视台的数字电视机顶盒的在线软件升级中得 到了实际应用，对数字电视机顶盒的软件系统的研究作出了一定的贡献。 1 4 本文的结构安排 本论文共分为五章，各种讨论的主要内容如下： 第一章提出了本课题的来源以及意义，阐述了国内外数字电视机顶盒的发 展现状，并说明了本论文的主要研究内容、论文的结构安排和论文中用到的主 要的术语和缩略语的解释。 第二章介绍了数字电视机顶盒的相关概念和本课题研究的数字电视机顶 盒的软、硬件系统结构和软件开发环境及软件调试方法。 第三章研究分析了基于m p e g 一2 的d v b s i 数据广播协议结构和原理，为 l o a d e r 系统的设计和实现打下了良好的理论基础。 第四章介绍了l o a d e r 系统的设计和实现，第四章是本文的重点，笔者从系 统的设计原则、系统的协议设计、系统的具体实现、l o a d e r 系统与应用程序的 交互以及系统的安全机制等六方面对l o a d e r g 统进行了详细的阐述。 第五章总结和展望。 6 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 5 本文中用到的主要术语 s t bs e t t o pb o x 机顶盒； b s l b fb i ts t r i n gl e f tb i tf i r s t 比特串，左位在先： u i m s b fu n s i g n e di n t e g e rm o s ts i g n i f i c a n tb i tf i r s t 无符号整型，高位在先 c r cc i r c l er e d u n d a n c yc h e c k 循环余效验； p a tp r o g r a ma s s o c i a t i o nt a b l e 节目关联表； p m t p r o g r a mm a p p i n gt a b l e 节目映射表； n i tn e t w o r ki n f o r m a t i o nt a b l e 网络信息表； p i dp a c k e ti d e n t i f e r 包标识符； p s i p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n 节目特别信息； s is e r v i c ei n f o r m a t i o n 服务信息； 7 北京交通大学硕士学位论文数字电视机顶盒的相关概念及其系统结构 2 数字电视机顶盒的相关概念及其系统结构 数字电视机顶盒不仅可使模拟电视能接收数字电视节目和上网，还可能成 为未来家庭的控制中心。中国8 0 0 0 多万户的有线电视网用户，l 亿以上的有线电 话网用户为数字电视机顶盒提供了市场条件。数字电视机顶盒是将电视机和因 特网联接的新一代消费电子产品，具有极其广阔的市场前景。我国目前只有l 千 多万台p c 和2 百多万网民，但却有3 亿多台电视机，所以机顶盒的市场远远大于 p c 的市场。数字电视机顶盒可能成为未来1 0 年或更长时间计算机与消费电子产 品的主流，包括i b m 、s t 、l s i 、p h i l i p s 、s o n y 在内的多家公司都进入该领域， 一些国际或地区性组织纷纷制定相关标准及协议。 本文研究的有线数字电视机顶盒将p h i l i p s 公司的p n x 8 3 1 0 作为主芯片，该芯 片功能强大，只需在芯片外部辅以存储器、高频头、w 输出加以软件控制，即 可以完成数字电视接收工作。 本章的第一节将主要介绍数字电视机顶盒的相关概念，后两节主要从本文 研究的有线数字电视机项盒的硬件平台和软件架构两方面介绍数字电视机顶盒 的系统结构。 2 1 数字电视机顶盒的相关概念 对于机项盒s t b ( s e t - t o p - b o x ) ，目前没有标准的定义，传统的说法是： “置于电视机顶上的盒子”它是利用有线电视网络作为传输平台，电视机作 为用户终端，以提高现有电视机的性能或增加其功能。由于功能和用途不同， 使得“机顶盒”这个概念有些模糊不清，如早期的增补频道机顶盒、图文电视 机顶盒、付费电视机顶盒等。 2 1 i 数字电视机顶盒的概念 目前，已出现在市场上的机顶盒基本上可划分为三类：数字电视机顶盒、 网络电视机顶盒和多媒体机顶盒。目前应用较广泛的是数字电视机顶盒，本文 主要主要研究的是数字电视机顶盒中的有线电视机顶盒。 1 9 9 8 年1 1 月，美国和欧洲d t v ( 数字电视) 及h d t v ( 高清晰度数字电视) 试播后，又一次掀起了机顶盒的高潮，这次枫顶盒的主要作用是用普通模拟电 视机收看数字电视或数字高清晰度电视，当然也具备网络和有条件接收功能， 8 北京交通丈学硕士学位论文数字电视机顶盒的相关概念及其系统结构 这种机顶盒被称为数字电视机顶盒。 数字电视机顶盒的主要功能就是将接收下来的数字电视信号转换为模拟电 视信号，使用户不用更换电视机就能收看数字电视节目，图像质量接近5 0 0 线水 平，但无上网功能。根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒又可分为数字卫星 机顶盒( d v b s ) 、地面数字电视机顶盒( d v b t ) 和有线电视数字机顶盒 ( d v b c ) 三种。 数字卫星机项盒( d v b s ) 。这种机顶盒接收卫星数字电视信号，对数字 信号进行处理后送出模拟音频信号和视频信号到模拟电视机a v 输入端。同时， 该种机顶盒还可实现节目费用的支付管理，即以节目为单位，实现解密收视， 用户直接支付所解密收视节目的费用。 地面数字电视机顶盒( d v b t ) 。地面数字机顶盒的基本原理与数字卫星 机顶盒、有线电视数字机顶盒相同，所不同的也只是传输介质变成了地面广播 信道。该类机顶盒所使用频率与有线电视频率相同，但由于这种无线信道的情 况比有线电视网络复杂得多，所以它的信号传输技术与有线电视数字机顶盒也 有较大差别。采用的关键技术是编码正交频分复用c o d f m ，该技术可有效地解 决数字地面广播中所存在的多径接收、邻频干扰等问题。 有线电视数字机顶盒( d v b c ) 。有线电视数字机顶盒的功能与数字卫星 机项盒类似，所不f 3 的只是信号传输介质是有线电视广播所采用的全电缆网络 或光纤同轴混合网。但由于有线电视网络较好的传输质量以及电缆调制解调器 技术的成熟，使得该类机顶盒可以实现各种交互式应用，并被业界广泛看好。 该类机项盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字电视广播接 收、电子节目指南( e p g ) 、准视频点播( n v o d ) 、按次付费观看( p p v ) 、 软件在线升级、数据广播、i n t e r n e t 接入、电子邮件、口电话和视频点播等。 以上这三种数字电视机顶盒的硬件结构主要区别在解调部分。目前应用较 为广泛的是数字卫星机顶盒及有线电视数字机顶盒。本文介绍的就是有线数字 电视机顶盒。 2 1 2 数字电视机顶盒的功能 数字电视机顶盒是信息家电之一，它是一种能够让用户在现有模拟电视机 上观看数字电视节目，并进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费类 电子产品。 数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具有所有广播 和交互式多媒体应用功能。主要包括： 9 北京交通大学硕士学位论文数字电视机顶盒的相关概念及其系统结构 1 电子节目指南( e p g ) ；它为用户提供一种容易使用、界面友好、可以 快速访问想看节目的方式。用户可以通过该功能看到一个或多个频道甚至所有 频道上近期将播放的电视节目； 2 高速数据广播：它能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门 网站等各种信息； 3 软件在线升级：它可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器按d v b 数据广播标准将升级软件广播下来。数字电视机顶盒能识别该软件的版本号， 在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新； 4 因特网接入和电子邮件：数字电视机顶盒可通过内置的电缆调制解调器 方便地实现因特网接入功能，用户可以通过数字电视机顶盒内置的浏览器上网， 发送电子邮件。同时数字电视机顶盒也可以提供各种接口与p c 相连，使用p c 接入因特网； 5 支持交互式应用：如视频点播、互动游戏等； 6 有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密，数字电视机顶盒应具有 解扰和解密功能。 2 1 3 数字电视机顶盒的原理和结构 数字电视机顶盒接收各种传输介质来的数字电视和各种数据信息，通过解 调、解复用，解码和音视频编码( 或者通过相应的数据解析模块) ，在模拟电 视机上观看数字电视节目和各种数据信息。 以有线数字电视机顶盒为例，其工作原理如下：有线数字电视机顶盒接收 数字电视节目、处理数据业务和完成多种应用的解析。信源在进入有线电视网 络前完成两级编码，一是传输用的信道编码，另一级是音、视频信号的信源编 码和所有信源封装成传输流，与前端相应，接收端机顶盒首先从传输层提取信 道编码信号，完成信道解调；其次是还原压缩的信源编码信号，恢复原始音、 视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。 根据接收数字电视广播和互联网信息的要求，一个数字电视机顶盒的硬件 结构由信号处理( 信道解码和信源解码) 、控制和接口几大部分组成。数字电 视机顶盒的结构图如图2 1 所示。 数字电视机项盒从功能上看是计算机和电视机的融合产物，但结构却与两 者不同，从信号处理和应用操作上看，数字电视机顶盒包含以下层次： 物理层和连接层；包括高频调谐器，q p s k ，q a m ，o f d m ，v s b 解调，卷 积解码，去交织，里德一索罗门解码，解能量扩散。 1 0 北京交通大学硕士学位论文数字电视机顶盒的相关概念及其系统结构 甲甲 - t 一+一j 图2 - 1 数字电视机顶盒的结构图 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo f d t vs t b 音频 税频 传输层：包括解复用，它把传输流分成视频、音频和数据包。 节目层：包括m p e g 一2 视频解码，m p e g a c 一3 音频解码。 用户层：包括服务信息，电子节目表，图形用户界面( g u i ) ，浏览器，遥 控，有条件接收，数据解码。 输出接口：包括分模拟视音频接口，数字视音频接口，数据接口，键盘， 鼠标等。 ， 数字电视机顶盒的工作过程大致如下：高频头接收来自有线网的高频信号， 通过q a m 解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音、视频和其它数据信息 的传送流( t s ) 。传送流中一般包含多个音、视频流及一些数据信息。解复用 器则用来区分不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流，送入m p e g 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，条件接收模块对 音、视频流实施解扰，并采用合有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合 法用户正常收看。 m p e g 2 解码器完成音、视频信号的解压缩，经视频编码器和音频d a 变换， 还原出模拟音、视频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声 道立体声节目。 数字电视机顶盒在接收电视的同时，还可以接收m p e g - 2 传输流中携带的数 据，并可将数据或视音频数据转发给其他设备使用，因此，机顶盒通常还提供 了丰富的外部接口，例如r s 2 3 2 接口、以太网接口、高速串行接e i i e e e l 3 9 4 、 通用串行接口u s b 以及i d e 接口等。通过u s b 接口可以实现和数码相机的连接， 通过i d e 接口可以挂接硬盘实现节目存储。 北京交通大学硕士学位论文 数字电视机项盒的相关概念及其系统结构 2 1 4 数字电视机顶盒的关键技术 信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式c p u 、m p e g - 2 解压缩、 机顶盒软件、显示控制和加解扰技术是数字电视机顶盒的关键技术。下面我们 一一作简单的介绍。 1 解调和信道解码技术 数字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d t v 目前己有的调制方式，信道 解码应包括q p s k ，q a m ，o f d m ，v s b 解调功能。 2 解复用和信源解码技术 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。数字电 视广播采用m p e g 2 视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有 a c 3 和m p e g - 2 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 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。 4 嵌入式c p u 嵌入式c p u 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c p u 中集成了3 2 个以上可编程p i d 滤波器，其中两个用于视频和音频 滤波，其余的用于p s i ，s i 和私有数据滤波。c p u 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( i c 卡和s m a r t 卡) 、图文电视解码、数据解码、o s d 、视频信号的上下变换等功能。为了达 到这些功能，必须在普通3 2 6 4 位c p u 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。 5 m p e g 2 解码 m p e g 2 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m p e g - 2 技术基础上，m p e g - 2 是包括从网络传输到高清晰度电视的 全部规范。 m p e g 2 图像信号处理方法分运动预测、d c t 量化、可变长编码4 步完成， 电路是由r i s c 处理器为核心的a s i c 电路组成。m p e g - 2 解压缩电路包含视频、 北京交通大学硕士学位论文数字电视机顶盒的相关概念及其系统结构 音频解压缩和其它功能。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a p h a 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。o s d 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d v b 采用m p e g 2 伴音，美国的a t s c 采用杜比a c 3 ，因而音频解码要具有以上两种 功能。 6 数字电视机项盒软件 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，直至机顶盒和个人计算机的互联以及和i n t e m e t 的互联都需要由软件 来实现，具体如下： ( 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a n 解码器、o s d 、视频 编码器等。 ( 2 ) 嵌入式实时单任务操作系统： 实时操作系统负责本地资源和网络资源的管理，提供基本的操作功能和设 备的访问控制。 ( 3 ) 中间件： 在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题：实时多任务操作系统，硬 件平台原理细节，复杂的行业标准，繁杂的用户界面以及实用功能等各项跨行 业的难题。为了解决上述问题，中间件技术应运而生，并成为数字电视核心技 术，也就是我们前面提到的开放式业务平台。中间件是在数字电视接收机的应 用程序和操作系统、硬件平台之间嵌入的一个中间层，定义一组较为完整的、 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，从而将应用的 开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。它通常由j a v a 虚拟机、 网络浏览器、图像与多媒体模块等组成。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，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、口电话和可视电话等。上层应用软件独立于s t b 的硬件，它可 以用于各种s t b 硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。 北京交通大学硕士学位论文数字电视机顶盒的相关概念及其系统结构 7 加解扰技术 加解扰技术用于对数字节目进行加密解密。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i c 卡解密。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( c a ) 系统应用于同一网络平台之中，从 有线电视台角度是实现技术的选择和竞争的环境。 多密技术要求数字电视机顶盒采用c i 技术，实现同一机顶盒可接收不同c a 系统加密节目。从用户角度来讲，不会因购买是一家c a 的机顶盒而受到限制， 用户还有选择其c a n 务的可能性。 8 电缆调错解调器技术 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，i e e e 定义的i e e e 8 0 2 1 4 协议、 d a v i c 定义的d a v i c 协议和m c n s 定义的d o c s i s 及e u r od o c s i s 协议。 2 2 数字电视机顶盒的硬件系统 数字电视机顶盒的开发属于嵌入式系统开发领域，所以在很大程度上依赖 于