（通信与信息系统专业论文）dmbth数字电视接收端系统的构建.pdf

中文摘要 近年来，数字电视的发展非常迅猛，就国内来说，北京奥运会将采用高清数 字电视进行转播，全国的各个地区和城市也都陆续得用数字电视取代了模拟电 视，或者正在筹划着用数字取代模拟。可见，数字电视无论在全球还是在我国来 看正处于快速发展时期。中国的有线和卫星标准较早就确定为欧洲的d v b c 和 d v b s 标准，只有地面数字电视标准一直悬而未决。直到2 0 0 6 年上半年，才初 步定为清华d m b t 和上海交大的a d t b t 融合d m b t h 标准，d m b t h 标准将 是我国地面数字电视的强制标准。在大力发展数字电视的环境下，本文建立了一 种支持d m b t h 标准的机顶盒的研发平台：基于f u j i t s u 的s m a r t m p e g 解码芯片 与北京凌讯华业科技有限公司的l g s 8 8 1 3 a i 解调芯片的硬件平台和基于 m e t a w a r e 的软件平台。在此平台上设计了完全符合d m b t h 标准的机顶盒。之 后，为了加强系统的可扩展性，提升f l a s h 的利用效能，在系统中增加了文件 系统的支持，再者为了提高系统处理数据的效率，节省处理数据时c p u 被占用的 资源，在系统中移植了s q l i t e 嵌入式数据库。 大多数机顶盒开发方案中都没有f l a s h 文件系统的支持，这让机顶盒开发 人员处理f l a s h 存储时非常头疼，不得不经常为f l a s h 的块( b l o c k ) 分配头 疼。本文介绍了一种f l a s h 文件系统的实现过程，满足了机顶盒开发中的一般 应用。同时简单的介绍了对这一f l a s h 文件系统测试过程及结果。 由于机顶盒软件系统需要处理的表种类繁多，数据大，而且相互关系复杂， 但是机顶盒的c p u 资源有限，所以传统的机顶盒中通过链表来处理数据的方法 由于处理过程复杂，导致系统响应时间过长，影响用户的使用，在本文中介绍了 如何在机顶盒软件中嵌入s q l i t e 数据库，从而很好的解决了以上的问题，让应 用软件开发人员从复杂的数据处理中解放出来。 关键词：数字电视d m b t h机顶盒 a 1 r l o a df l a s h 文件系统 l g s 8 813 alb 0 0 t l o a d s q l i t e 数据库 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lt e l e v i s i o n ( d t v ) i sv e r yr a p i d s u c ha s i nc h i n a ，t h eo f f i c eo fb e i ji n gc i t yd e c l a r e dt h a tt h eb r o a d c a s to f2 0 0 8o l y m p i cg a m e s w i l lu s eh d t v b e s i d e s ，m o r ea n dm o r ec i t y si nc h i n at r a n s f o r mt h e i rt vs y s t e mt o d t v a c c o r dt ot h a t ，t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o n ( d t v ) i sc u r r r e n t l yi na t h r i f t i l ys t a t e s e v e r a ly e a r sa g o ，t h eg o v e r n m e n to fc h i n ah a v ea n o u n c e dt h a tc h i n a w i l lu s ed v b ca n dd v b - s b u tr e f e rt ot e r r e s t r i a ld t vs t a n d a r d t h eg o v e r n m e n t h a v e n tm a d et h ed e c i s i o n u n t i lt h es u m m e ro f2 0 0 6 ，t h eg o v e r n m e n tp r o c l a i mt h a t c h i n aw i l lu s ed m b t ha sh e rt e r r e s t r i a ld t vs t a n d a r dw h i c hb a s e b o t ho n t s i n g h u a sd m b ta n ds j t u sa d t b t j u s ti n s u c hs i t u a t i o n ，t h i sp a p e rd e s c r i b e h o wt oc o n s t r u c tas t bd e v e l o p i n gp l a t f o r mw h i c hb a s eo nf u ji t s u ss m a r t m p e g d e c o d e c h i p a n dl g s 一8 813 a lt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m b a s e do n m e t a w a r e t h e nw ed e s i g n e ds t bw h i c hp e r f e rt od m b t hs t a n d a r d t h e ni no r d e r t oe n f o r c et h ee x t e n s i b i l i t yo ft h es y s t e ma n dm a k ef l a s hs t o r a g em o r es i m p l ea n d e f f i c i e n tw ed e s i g n e daf l a s hf i l e s y s t e mf o rt h es y s t e m f o rt h es a k eo fi m p r o v i n g o nh a n d l ed a t a ，w et r a n s l a t es q l i t ed a t a b a s ei n t os y s t e m m o s to fs t bd e v e l o p i n gp l a t f o r mp r o v i d e r sh a v e n ti m p l e m e n tf l a s h f i l e s y s t e mi nt h e i rp r o d u c t s ot h es o f t e n g i n e e rh a v et om a n a g ef l a s hs t o r a g eb y t h e m s e l v e s ，t h a ti ss oc o m p l i c a t e da n dl a c ko fe f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , w i l li n t r o d u c e h o wt od e s i g naf l a s hf i l e s y s t e mw h i c hw i l ls e t t l et h em o s to fp r o b l e m si nf l a s h s t o r a g e t h e nd e c r i b et h ep r o c e s so f t e s ta n dt h er e s u l to f t e s t b e c a u s es t bh a v et oh a n d l em u l t i - t y p eo ft a b l ew i t hc o m p l i c a t er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m ，s e v e r a lo ft h e s ec o n t a i nh u g eb y t eo fd a t a b u tt h ec a p a c i t yo fh a n d l e d a t ao f t h ec p uo fs t bi sl i m i t e d 。t h em e t h o du s ec h a i nt os t o r ed a t ai sn o tw o r kv e r y w e l l s o m e t i m e st h es y s t e mr e s p o n s es os l o w l yt h a tu s e rc o u l d n te n d u r ei t i nt h ef i f t h c h a p to ft h i sp a p e r , w ed e s c r i b et h ep r o c e s so ft r a n p l a t e i n ga e m b e d e dd a t a b a s en a m e d s q l i t ei n t os t b ，w h i c hp e r f o r mw o n d f u l l yo nh a n l d i n gd a t ai ns t b t h e nd e c r i b e d e c r i b et h ep r o c e s so ft e s ta n dt h er e s u l to ft e s t a f t e rt h a ti n t r o d u c eh o wt ou s e s q l i t ef o re p gm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：d i g i t a lt e l e v i s i o n ( d t v ) ，d m b t h ，s t b ，l g s 一8 8 13 一a1 ， b o o t l o a d a i r l o a d ，f l a s hf s ，s q l i t ed a t a b a s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 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，也不包含为获得基童盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料：与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：。糸考，牌 签字目期：2 0 0 r年9 月旦事日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞基鲎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，并采用影印、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：苏置惩乏 签字日期：2 沁年鲁月旦1 日 导师签名： 签字日期： 第章绪论 1 1 数字电视发展概述1 】1 2 1 第一章绪论 自1 9 0 0 年，俄国物理学家c o n s t a n t i np e r s k y i 首次使用了电视这个词以来， 电视已经与现代人的生活密不可分。进入到9 0 年代以来，随着数字通信技术、 数字图像压缩技术、数字音视频处理技术的日臻成熟，数字电视广播技术也不可 逆转的成为电视广播技术发展的趋势。 数字电视( d i g i t a lt e l e v i s i o n ，d t v ) 的概念首先是由高清晰度电视( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 引出的。数字电视是指采用数字技术将活动图像 和声音等信号加以处理、压缩、编码，经存储或实时广播后，供用户接收、播放 的电视系统。系统的各个环节，包括从演播室节目制作，到处理、传送、存储 传输，直至接收、显示等过程都采用数字信号。目前，数字电视广播的标准主要 有美国、日本、欧洲三种。美国的标准是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 先进电视制式委员会) ；欧洲的标准是d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 数字视频广播) ；日本的标准是i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g 综 合业务数字广播) 。 最早提出h d t v 的概念的是日本，并在1 9 8 1 年完成世界第一套高清晰度电 视演示系统，达到电影胶片的图像质量；之后，日本开始制定数字电视标准1 s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 。1 9 9 5 年，美国通信委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 提出了美国数字电视标准的建议，并于次年 1 2 月通过了“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 sc o m m i t t e e ) 数字电视标准”。 美国提出的全数字频道兼容m p e g 2 压缩编码的h d t v 体制既适合卫星广播也 适合地面广播和有线电视系统传输，它仅占用一个共容的地面广播电视频道 ( 6 m h z 8 m h z ) ，而其1 0 0 0 线以上的高清晰度画面和5 1 声道的环绕立体声达 到了视听的理想境界。同时，数字传输的特点为多种信号复用提供了方便。因此 这种全数字频道兼容h d t v 已为世界各国所公认和接受。1 9 9 3 年开始，欧洲也 开始研制数字电视并制定自己的数字电视标准，即d v b ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v b ) 标准。欧洲研制数字电视很重视数字电视可以增加节目内 容这个潜在的优势。他们抓住数据压缩可以比模拟制式更节省带宽这个特点，潜 心于卫星数字视频广播( d v b s ) 和有线数字视频广播( d v b c ) 这两项开发， 第一章绪论 使右能够利用各种途径传送到千家万户。与此同时，亚洲、澳洲也纷纷为其开展 数字广播积极地做准备，纷纷制定各自的数字电视标准和广播电视全面数字化的 日程安排，形成一股全球化的数字浪潮。 我国的数字电视技术也一直紧跟世界技术的步伐。在我国众多省市、地方电 视台都实现了电视节目的数字卫星广播和接收，中央电视台和许多地方省台都在 通过卫星向全国传送数字卫星节目。电视台的发送和接收设备大都实现了数字 化，只是当电视台将数字节目从卫星上接收下来之后，仍然将其变成模拟信号通 过有线电视网送到各家庭。但是值得注意的是为了推广数字电视的广播，我国已 经出台了数字电视广播的日程安排表。全国已经有很多城市的部分地区开始数字 电视试播，2 0 0 8 北京奥运会又成为了我国全面推广数字电视的一个契机。据预 计，到2 0 1 0 年，电视基本实现数字化，数字电视接收机得到普及；2 0 1 5 年，中 国的电视台将全面停止模拟信号的播出，完成从模拟向数字化的过渡。 相比与现行的模拟电视，数字电视具有显著优点：1 ) 清晰度高，图像质量 高。由于数字电视全过程采用数字信号，不受节目编辑、传输、转播和接收的影 响，s d t v 数字电视节目可以达到d v d 质量，在观看h d t v 节目时清晰度是 目前电视的4 倍以上，如3 5 m m 电影般清晰。接收端几乎可达到演播室的图像 质量，像素高达1 9 2 0 x1 0 8 0 ( h d t v 的分辨率) ；2 ) 节目容量大。在同一信道 传输相同清晰度等级的节目，数字电视可传输的节目套数是模拟的4 2 0 倍( 例 如，一个卫星转发器，只能转发一路模拟电视节目；却可转发4 - 6 套同等级的数 字节目) ；3 ) 伴音质量好。数字电视支持单声道、双声道和立体声；4 ) 频带利 用率高。原p a l 频道可播放4 到8 套标清数字电视。5 ) 抗干扰性能好。解决 了模拟电视中的闪烁、重影、亮色互串等问题；可以实现城市楼群的高质量接收， 移动载体中也可接收到清晰的数字电视节目。6 ) 便于开展各种综合业务和交互业 务( 包括因特网业务) ，有利于构建“三网合一”的信息基础设施。7 ) 节目的加密 处理等应用。正是由于数字电视这么多方面的优越性及其在功能和市场中的巨大 潜力使得d t v 成为众人瞩目的焦点，d t v 发展也非常迅速。 目前，开播的数字电视节目主要是标准清晰度的，即是s d t v ( s t a n d a r d d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 。然而，高清晰度的图像是人们追求的理想的电视画面效果。 同时，互动式地收看节目也是人们一直所向往的。所以数字电视的发展方向有两 个方面：一方面，数字高清晰度电视( h d t v ) 是数字电视的主要目标；另一方 面，在数字电视系统中提供多种创新的服务功能( 如互动游戏、视频点播v o d 等) 也是一个重要的发展方向。 第一章绪论 1 2 我国的数字电视标准3 6 】 在前面的介绍中提到了数字电视的三大标准：美国的a t s c 、欧洲的d v b 和日本的i s d b 。对于我国的标准，在卫星和有线信道中传送数字业务的标准类 同于d v b 标准；而地面信道的标准初步确定为，在清华大学d m b t 和上海交 大a d t b t 标准融合的称为d m b t h 标准，其主体为清华大学的d m b t 标准 ( 以下d m b - t 就是指d m b t h ) 。下面介绍d m b t h 标准。 1 2 1d m b t h 简介 数字电视逐步替代模拟电视是一次新的产业升级。中国将有巨大的数字电视 消费市场，确立中国自己的技术标准来发展拥有自主知识产权的数字电视事业， 不仅可以满足广大人民群众日益增长的物质、文化需求，还可以带动相关产业快 速发展，摆脱我国在d v d 、数码相机等领域受国外专利困扰的尴尬局面。 此外，模拟电视由于存在雪花、重影、斜纹、亮色互串等问题，而正在全世 界范围内逐步引退。而世界上已有的欧洲、美国、日本三大地面数字电视标准， 在移动接收、频谱效率、单频网、干扰、系统的灵活性等方面各有相应的不足之 处和无法解决的问题。对于地面数字电视广播来讲，首先要求有足够高的传输码 率，其次要实现和模拟电视节目的同播，更重要的是能够支持移动接收和便携接 收，还有多业务扩展功能。 清华大学经过对数字电视技术发展趋势和我国应用与产业需求的认真分析， 对美国a t s c 、欧洲d v b t 和日本i s d b t 三个地面数字电视系统进行了深入研 究，借鉴和吸收了该三个标准和国内h d t v 研究的经验和教训，融合了数字通 信最新发展的成熟技术，在1 9 9 9 年原创性地提出具有完整自主知识产权的 d m b t 标准方案。目标是提出具有我国自主知识产权、在功能上具有可扩展性、 满足我国地面数字电视传输要求的地面数字电视广播传输方案，通过扩展进而能 够实现多媒体信息的室内室外、固定移动和便携、单向广播双向通信等。并 于2 0 0 1 年首次实现d m b t 从发端到收端的试验系统，到2 0 0 2 年底基本定型。 在随后进行的各种试验和测试中，都充分证明该方案与现有模拟电视传输频道制 式兼容，并且具有高清晰度电视、标准清晰度电视和多媒体数据兼容传输和单频 组网能力，支持移动接收和便携式终端；特别是在快速同步、抗干扰能力、高频 谱利用率、灵活组网等关键技术性能方面，与欧洲、美国、日本已有标准相比， 具有明显的综合技术优势和应用特点。到目前为止，d m b t 在技术可行性、系 统稳定性、产业化、运营可行性等方面已经满足我国地面数字电视标准的要求。 第章绪论 d m b t 传输协议每个频道的有效净荷的信息传输码率在8m h z 的带宽下可高达 3 3 m b p s 。系统的核心采用了m q a m q p s k 的时域同步正交频分复用( t ! m e d o m a i ns y n c h r o n o u so r t h o g o n a i f r e q u e n c y d i v i s i o n - m u l t i p l e x ，t d s - o f d m ) 调制 技术，其频谱效率可以高达4b i t s h z ；系统使用更加先进的前向纠错编码f e c 来抵抗突发误码和各种干扰，例如t u r b o 码等；实现了分级调制和编码，可以 提供分级服务；同时可以实现快速同步，适于数据业务。 地面数字电视广播中的纠错部分，基本上都采用了外码纠错( r e e d s o l o m e n 码) 、交织l ( 卷积交织) 、内码纠错( 卷积码t u r b o 码) 、交织i i ( 矩阵交织) ， 而调制技术采用t d s o f d m ( 多载波技术) 。 图1 1d m b t h 系统示意图 和传统广播技术不同，d m b t 协议结合了传统的广播技术和现代通信技 术，是一种新型信息广播技术。它不仅适用于传统的电视节目( 视频码流) 广播， 也适用于提供其它多媒体的信息传输服务。此协议具有以下特性： 与现有电视广播的传输频率兼容； 高数据传输码率。在8 m h z 的信道中，最大净荷的码率高达3 3m b p s ； 支持蜂窝单频网，易于频率规划； 卓越的移动接收能力； 可靠的快速同步。d m b t 同步时间约5 毫秒，而其它标准在1 0 0 毫秒以上； 低功耗，适于便携、移动设备； 在各种条件和环境下接收能力强。与其它d t v 标准相比，d m b t 抵抗室 第一章绪论 内电器产生的脉冲干扰和汽车移动过程中的动态干扰的性能尤为显著； 低建网成本和运营成本。 总之，d m b t 传输协议是基于现有的电视广播体系结构，这使得它能够很 快速地开展起来。 1 3 数字机顶盒 当前，无论是以前的模拟彩电还是现在的数字处理电视都不具备对数字电视 信号进行解码的功能( 数字电视接收和显示一体机除外) ，因而需要一种能够接 收数字电视信号并转变成模拟信号输出的中间设备，这就是数字电视机顶盒( s e t t o pb o x ，s t b ) 。它是充当着电视台发送的数字电视信号与用户的显示设备二者 之间桥梁的一种接收装置，是随着数字电视广播的发展而出现的。 数字电视的快速发展，使得数字机顶盒( s t b ) 备受关注。据2 0 0 0 年底i t u 的统计表明，全球有1 4 亿台以上的电视机，这远远超过固定电话( 7 8 7 亿) 、移 动电话( 7 5 亿) 和个人电脑p c ( 2 7 7 亿) ：而且在未来的1 0 2 0 年，这1 4 亿台 模拟电视机都将更换为数字电视。在中国，有上亿个有线电视用户，而且每年以 近1o 的速度增长，即便每年只有2 的用户希望接收数字电视节目，也有几百 万台数字机项盒的需求量。巨大的潜在市场，吸引着i t 、电子、信息服务以及 娱乐业巨头纷纷加入竞争，开始抢占机顶盒领域的制高点。 数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具有所有广播与交互 式多媒体应用功能，主要包括： ( 1 ) 电子节目指南：电子节目指南( e p g ) 给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。同时，e p g 可提供分类功能，帮助用户浏览和选择 各种类型的节目。 ( 2 ) 高速数据广播：高速数据广播能给用户提供股市行情、票务信息、电子 报纸、热门网站等各种信息。 ( 3 ) 软件在线升级：软件在线升级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传播下来，机项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，用户可以通过机项盒内置的浏览器上网，发送电子邮件。 同时机顶盒也可以提供各种接口与p c 相连，用p c 机上网。 第一章绪论 ( 5 ) 有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密，数字机顶盒应具有解扰 和解密功能。 ( 6 ) n v o d 与v o d ：n v o d ( n e a rv i d e oo i ld e m o n d ) 不需要回传信道而实现 准视频点播，v o d ( v i d e oo nd e m o n d ) 需要回传信道而实现真正意义上的视频 点播。 而对数字机顶盒可以从不同的角度进行分类，比如根据传输媒体的不同，数 字电视机顶盒分为卫星数字电视机顶盒( d v b s 机项盒) 、地面数字电视机顶盒 ( d m b t h ，d v b t 机顶盒) 、有线数字电视机顶盒( d v b c 机项盒) 、以及网络 机顶盒( 所谓的i p t v ) 。 而按机项盒的功能和技术性不同，又可分为普及型、增强型及交互型数字机 顶盒3 种。 普及型数字机顶盒可以有加密或没有加密，主要以接收基本的付费数字电视 节目为主，有非常简单的中间件( 内置式中间件) 。普及型数字机顶盒满足大 多数用户需求，并且具有良好的性能价格比，其主要功能有：支持基本的数 字音视频和数字音频广播接收；集成有条件接收系统；具有中文电子节目指 南和二级以上字库；支持软件在线更新功能；支持复合视频( c v b s ) 输出， 具有音频输出处理功能( 单声道、立体声和双声道) 。 增强型数字机顶盒在普及型机顶盒基础上增加基本中间件软件系统，基本中 间件可以实现数据信息浏览、准视频点播、实时股票接收等多种应用。增强 型数字机顶盒已经超越了以观看数字电视为主的需求，增加了多种增值业 务，且具有可升级性，价格容易被接受，对今后的应用发展、业务开发也没 有限制。新增功能有：集成基本中间件系统；支持数据广播、实时股票等数 据信息接收功能；支持n v o d 点播功能；具有多种游戏；具有音频输出处 理功能( 单声道、立体声和双声道) ：具有y c 、复合视频( c v b s ) 、y c b c r 输出( 可选功能) ；具有逐行扫描输出( 可选功能) ；可支持m o d e m 电话拨 号回传方式。 交互型数字机顶盒是在增强型数字机项盒的基础上增加有线调制解调器 ( c a b l em o d e m ，c m ) 和硬盘，支持m p e g 2 媒体流处理，通过周围的网 关可以和各户联网。交互型数字机顶盒集成了符合m h p 标准的中间件软件 系统，除提供增强型机顶盒的主要功能外，还可以基于m h p 提供交互式应 用、网页信息浏览等多种增值业务。交互型数字机顶盒价格比较高，另外， 前端需要很多的开发投入，比方说，如果使用c m ，双向网络的改造投入相 当大；如果要网上购物，让信用卡在机顶盒上马上结算的话，前端要和银行 连接起来；如果在机项盒上用i p 电话打长途，前端系统就要和电信局的交 第一章绪论 换机连接起来，需要做很多工作，如建立用户的数据库等，目前这方面的核 心技术只掌握在国际上两三家公司的手中。交互型数字机顶盒新增功能有： 集成m h p 中间件系统；支持交互式应用，如：视频点播、互动游戏、网上 冲浪等。 目前，上述类型的机顶盒在市场上都可以看见，主要是以标清电视( s d t v ) 为主，这类机顶盒的主要发展方向是数据服务和交互式服务。而高清电视 ( h d t v ) 的机顶盒市场上比较少，开发商们正在紧锣密鼓地研发。 第二章机顶盒的研发平台 第二章机顶盒的研发平台 本章舟绍了一种数字机顶盒( s t b ，s a t o p b o x ) 研发平台( 也是s t b 的软 硬件整体设计方案) ：基于f 面恼u 的s m a r t m p e g 解码芯片和d m b - t h 解调芯 片l g s - 8 8 1 3 - a 1 的硬件平台( l g s - 8 8 1 3 将在第三章中详细介绍) 和基于m e t a w a r e 的较件平台，该平台适合于各种类型的s t b 研发。 2 1 硬件平台设计 在设计中，选用了f 哪i b u 的s m a r t m p e g 系列的m b 8 6 h 2 x 。f u j i b u 开发 m p e g 0 2 解码芯片比较早从早期的m b 8 7 l 2 2 5 0 到2 1 4 x 系统再到m b 8 6 h 2 x 系 图2 1m b 9 6 h 2 x 模块框图 列，经历了至少3 代的演进，因此该芯片以及相应的解决方案都比较成熟完善 第二章机顶盒的研发平台 在市场上应用也比较广泛。 m b 8 6 h 2 x 的内部框图如上图2 1 所示，该芯片内带1 3 0 m h za r cr s i c 内 核、支持两路t s 码流同时解复用( 还有一路内部的t s 流通道，用于录制节目 的回放) 丰富的接口、灵活的o s d 等。由此可见，m b 8 6 h 2 x 是一款功能强大的 适合高端数字机项盒的芯片。 2 1 2 硬件总体设计 在对机项盒物理层的数据处理流程进行了深入探讨的基础上，我们提一种能 支持多标准的硬件平台设计方案，其原理框图如下图2 2 所示。下面对各模块简 单说明： 图2 2 硬件总体框图 p c 机 音视频 输出 ( 1 ) 主芯片( m b 8 6 h 2 x ) 它是整个系统的核心，负责系统的控制和m p e g 解码。而且它主要由c p u ( a r c ) 、解复用器( d e m u x ) 、解扰器( d e s c r a m b l e r ) 、m p e g 音视频解码( m p e g d e c o d e r ) 和在屏显示( o s d ) 等组成。 ( 2 ) 调制解调器( m o d e m ) 这里是电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) ，是机项盒和h f c 网络交互的接口， 是双向的。它要完成用户信息的回传和来自服务器信息的接受。电缆调制解调器 第二章机顶盒的研发平台 模块由一个双向调谐器、下行q a m 解调器、上行q p s k p q a m 调制器和媒体访 问控铝i j ( m a c ) 模块组成，该部分按照d a v i c 协议在外部输入数据与微处理器 见实现数据变换，用通过该模块可以实现高速i n t e r n e t 接入以及交互式的数字视 频音频服务。 ( 3 ) 前端( 高频头t u n e r 和d m b t h 解调芯片l g s 8 8 1 3 a 1 ) 接收电视节目，并且解调到数字的t s 码流，再将数字数据发给主芯片 m b 8 6 h 2 x 。 ( 4 ) 硬盘( h d d ) 硬盘主要用于实现个人视频记录( p v r ) 功能，即是用来存储用户选定的节 目，而且用户可以将之读出播放。 ( 5 ) 内存( s d r a m ) s d r a m 主要用于应用程序执行、m p e g 解( 即音视频流的数据缓冲器) 码 等使用。在设计，s d r a m 的大小支持8 - 3 2 m 字节。 ( 6 ) f l a s h 存放程序和字库，以及用户数据( 比如频道信息，系统配置信息等) 。本平 台支持2 - 8 m 字节的f l a s h 。 ( 7 ) r s 2 3 2 u s b 负责与计算机( p c 机) 的通信，包括程序下载，调试信息的输出。 ( 8 ) 按键( i r & k b ) 红外遥控( i r ) 和键盘( k b ) ，用户进行操作的控制器。 值得说明的是，在本设计中由于时间和成本问题，调制解调器( m o d e m ) 和 硬盘( h d d ) 模块还有条件接收智能卡( s m a r t c a r d ) 在实际系统中没有加上。 2 1 3 硬件具体设计 为了机顶盒的灵活性和适用性，我们将整个硬件系统划分为五个模块：电源 ( p o w e r b o a r d ) 、主板( m a i nb o a r d ) 、前端( t u n e r b o a r d ) 、前面板( f r o n tp a n e l ) 和智能卡( s cb o a r d ) ，如下图2 3 所示。 第二章机顶盒的研发平台 ( 注：本图只是示意图，故只画出了主要的连接关系) 图2 3 硬件的p c b 划分 ( 1 ) 电源( p o w e r b o a r d ) p o w e rb o a r d 为其他四块板提供直流电源。其中主板是5 v 和3 3 v ；前面板 和智能卡为5 v ；而前端根据所选择的t u n e r 而定。 ( 2 ) 主板( m a i nb o a r d ) m a i nb o a r d 是系统的核心，实现对系统的控制和m p e g 2 解码。它包括了解 码芯片、s d r a m 、f l a s h 、音视频等。， ( 3 ) 前端( t u n e rb o a r d ) t u n e rb o a r d 负责接收节目信息，并进行解调，得到数字的t s 流；再把数据 送到主板的解码芯片。t u n e r 与l g s 8 8 1 3 a i 和主板之间是采用1 2 c 总线进行通信 的( 图2 3 中的s c l 和s d a ) 。 ( 4 ) 前面板( f r o n tp a n e l ) 前面板，主要是接收红外遥控和键盘的按键，以及一些重要信息的指示，比 如电源灯、t u n e r 锁定和节目同步指示。如果用户需要，还可以添加其他功能， 比如加上数码管后可以实现频道号等信息。 ( 5 ) 智能卡( s cb o a r d ) s cb o a r d ，比较简单，就是实现c p u 和s m a r tc a r d 的通信的物理连接。其 实，只是一个卡套及其相关电路，主要是解决电平适配问题，即是3 3 v ( 解码 芯片m b 8 6 h 2 x 的i o 端口的电平) 和5 0 v ( 智能卡的i o 端口的电平) 之间的 交互转换。 第二章机顶盒的研发平台 2 2 软件设计 2 2 1 软件开发平刽9 】 软件开发平台是“m e t a w a r e + s o u r c ei n s i g h t3 5 + u l t r a e d i t + 超级终 端”。其中m e t a w a r e 是编译、链接和调试的集成开发工具。但是，其调试功能 不是很完善，所以需要超级终端辅助调试。而s o u r c ei n s i g h t 和u l t r a e d i t 都 是功能强大的代码编辑工具。 m e t a w a r e 从事编译器设计二十余年，公司拥有支持3 0 多种不同结构处理器 的编译器产品，产品很容易维护和移植，各种编译器产品共享大部分代码，包括 前端分析部分和全局优化部分，与目标相关的代码由目标相关代码产生器生成。 我们采用的m e t a w a r e 软件是m e t a w a r e 公司为f u j i s t u 解码芯片定制的专用 于a r c 处理器的集成开发工具。它支持c 和c + + 的混合语言，并针对a r c 做了一 定的优化，所以代码效率比较高。 2 2 2 软件层次1 0 1 s 1 7 】 对于嵌入式系统的软件，一般是分层的结构( 常常分为4 层) ：从底向上分 别为：硬件驱动层、实时操作系统层、中间件层和应用软件层，如图2 - 4 。 图2 4 数字机项盒的软件层次 。己 各层完成其相应的功能：第一层软件提供各种硬件驱动程序；第二层实时操 作系统负责机顶盒资源的管理，提供基本的操作功能和设备的访问控制；第三层 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 第二章机顶盒的研发平台 件平台；第四层应用软件包括本机存储的应用和用户即时下载的应用。 ( 1 ) 硬件驱动层软件( d r i v e r s ) 硬件之上是驱动程序，为上层软件提供操作接口。其主要功能包括：m p e g 解复用接口的设置及监视，m p e g 解码控制寄存器的设置及监视，o s d 底层操 作，前端的调谐器、解调芯片的驱动，s i 过虑操作，解扰部分的驱动等。 ( 2 ) 实时操作系统( r t o s ) 实时操作系统主要作用是控制各种资源，包括各种硬件的控制、系统资源的 分配等，此部分往往简单而高效，并能在较小的内存空间中运行。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。目前 流行的实时操作系统有n e c l u e s 、o s 2 0 、v x w o r k s 、t h r e a d x 、l i n u x 、w i n c e 、 等，而且r t o s 一般已提供a p i 。 ( 3 ) 中间件( m i d d l e w a r e ) 中间件，即开放式业务平台，已成为交互式电视的核心技术。中间件通常由 j a v a 虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成，通过定义一组完整的标准 应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，使应用程序的开发变得 更加简捷，产品的开放性和可移植性更强，以保证机顶盒的扩展性和投资的有效 回收。 ( 4 ) 应用软件( a p p l i c a t i o n ) 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、数据广播、 i p 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。此外，用户可编程接口由操作系统提供 ( 中间层或实时操作系统) ，使用户能够对软件进行修改。 2 2 3 软件总体设计 基于上述的分层思想，所设计的数字机顶盒的软件具体架构，如下图2 5 所 示： 第二章机顶盒的研发平台 一 叵固l 厂 i 条件接收i l l t c a s ( w 选) l ij i 一 驱动程序( f d - a p hf d l i b a ) 硬件程序( f h - a p hm _ l i b a ) ：。一。一一一一一一一一。- 一一。一一一。一一一一一_ 一一一一一。一。一j ： 硬件： l 一一一一一一一一一一 2 2 3 1 硬件驱动库 图2 5 数字机项盒的软件层次 硬件驱动库( h a r d w a r ed r i v e ra p i ，h d a p i ) ，是各底层硬件操作的函数接口。 其主要包括：e 2 p r o m 、f l a s h 、t u n e r 、前面板、红外遥控( i r ) 、在屏显示( o n s c r e e n d i s p l a y ，o s d ) 、音视频解码、音频输出( a o ) 、视频输出( v o ) 、解复用( d e m u x ) 等。 本系统中，硬件驱动库包括两层：硬件程序( f h a p i ，f hl i b a ) 和驱动程 序( f d a p i ，f dl i b a ) 。除了部分程序( 如1 2 c 驱动、红； l - i r 、t u n e r 等) ，基本是 f u j i t s u 提供的函数库。其中，f h a p i ，是最底层的接i ：1 函数，多数是读写寄存器 等基本操作；而f d a p i ，一般是基于f h a p i 提供的功能比较独立的驱动函数接 口。 2 2 3 2 实时操作系统 对于实时操作系统( r t o sa p i ，o s a p i ) ，本设计中，我们选择了成熟的 n u c l u e s 系统，并移植到m b 8 6 h 2 x 的a r c 上( 其静态库为r t o s l i b a ) 。n u c l u e s 主要是提供多任务的实现，以及内存、定时器等资源管理。而任务间采用基于消 息( m e s s a g e ) 的管道( p i p e ) 通信。 第二章机项盒的研发平台 n u c l e u s 实时操作系统是a c c e l e r a t e rt e c h n o l o g y 公司( a t i ) 开发的嵌入式 r t o s 产品，它对c p u 的支持能力比较强，支持当前流行的大多数r i s c 、c i s c 、 d s p 处理器，比如：8 0 x 8 6 ( 实时、保护模式) 、a r c 、p o w e r p c 、i 9 6 0 、m i p s 、 a r m 、等。n u c l e u s 对于不同的处理器，操作系统的源码大部分是相同的，只有 5 的源码是用汇编写的跟c p u 有关；而且它不用写板支持软件包( b s p ) 。因此， n u c l e u s 易于移植易于使用。 n u c l e u s 提供任务控制、任务通信、任务同步、内存管理、可编程的定时器、 标准的输入输出设备接口等服务。所有的操作系统对象( 任务、邮箱、队列、 管道等) 都可以动态地创建和删除。创建一个对象