电视机课程设计-数字有线电视机顶盒组成和分析

1、课程设计说明书 第 I 页数字有线电视机顶盒组成和分析摘 要目前数字电视已经进入快速发展阶段，与数字电视相关的业务也将大幅度增长。数字有线电视机顶盒是把有线电视网中的数字电视信号转换为模拟电视信号的设备。数字机顶盒的的工作原理的工作过程和功能，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。数字机顶盒有硬件和软件组成。关键词：机顶盒，解码，模块课程设计说明书 第 II 页目 录1 绪论.11.1 课题描述.11.2 基本工作原理及框图.11.3 机顶盒的工作过程.21.4 机顶盒的功能.22 数字机顶盒硬件设计.32.1 调制

2、解调模块.32.2 编解码模块.42.4 数字视频编码器和音频 DAC.52.5 图形控制模块.62.6 媒体访问控制模块 MAC.63 数字机顶盒软件模块设计.63.1 硬件和软件组成.63.2 数字机顶盒软件系统.73.3 数字电视机顶盒硬件系统.83.4 CA 系统 .103.5 数字广播中条件接收系统.10总 结.11致 谢.12参考文献.13课程设计说明书 第1页1 绪论1.1 课题描述数字机顶盒是一种数字信号接收装置，它能够接收模拟信号，也能够接收数字式电视信号，然后把数字信号还原成模拟信号输入给电视机，通过这种方式接收的电视节目没有雪花点，图像稳定、清晰。因此在电视机应用技术中机

3、顶盒是目前模拟电视向数字电视转换过程中的产物，通过本课题，我们了解数字电视机顶盒系统结构和基本功能，深刻理解数字电视条件接收 CA 工作原理。 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，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

4、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。图 1 有线电视数字机顶盒框图课程设计说明书 第2页1.3 机顶盒的工作过程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

5、频PES 和辅助数据 PES，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6。1.4 机顶盒的功能数字电视机顶盒能够接收 MPEG-2 数字电视传输流和各种数据信息，通过解调、解复用、解码和视音频编码，在模拟彩色电视机上观看

6、数字电视节目和各种数据信息。目前，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，包括： (1)电子节目指南：它为用户提供一种容易使用，界面非常友好，可以快速访问想看节目的方式，用户可以通过该功能看到各个频道上近期将播放的电视节目。 (2)支持交互式应用如准视频点播、视频点播、互动游戏等。 (3)高速数据广播：能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网络等各种信息。 (4)因特网接入和电子邮件：数字电视机顶盒通过内置的电缆调制解调器便可实现因特网接入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子邮件，也可以提供各种接口与 PC 相连，使用 PC

7、 接入因特网。 (5)软件在线升级：可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器将升级软件传送给机顶盒，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。 (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课程设计说明书 第3页和解密功能。 随着数字电视和网络技术的发展，数字电视机顶盒的功能将更加完善，尤其是单片 PC 技术的发展，将促使数字电视机顶盒在物理结构上将各部分硬件高度集成，形成 STB 核心芯片，从而减小体积，降低成本，提高性能。外部接口将更加丰富，通过 USB 接口可以和数码相机连接，通过 IDE 接口可以挂接硬盘实现节目存

8、储等。交互式机顶盒将成为数字电视机顶盒的主流，用户在模拟彩色电视机上不仅能收看数字电视，还能实现娱乐和上网6。2 数字机顶盒硬件设计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

9、 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1。 图 2 QPSK 调制器的原理图课程设计说明书 第4页（1）QPSK 调制器 ：QPSK 即四进制移向键控，它利用载波的四种不同相位来表示数字信息，由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。两个二进制码元中的前

10、一个码元用 a 表示，后一个码元用 b 表示。 QPSK 信号可以看作两个载波正交 2PSK 信号的合成。QPSK 调制器的原理图如图 2 所示。 (2) 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。如图 4-2 所示的是 16-QAM 的调制原理图。作为调制信号的输入二进制数据流经过串并变换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

11、，转换成两路 4 电平数据2。QAM 调制器的原理图如图 3 所示。图 3 QAM 调制器的原理图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。 (1)信道解码：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、课程设计说明书 第5页地面电视接收频道、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

12、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。数字电视广播采用 MPEG2 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 MPEG2 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。（4）MPEG-2 解码：MPEG-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 MPEG-2 技术基础上，MPEG-2 是包括从网络传输到高清晰度电视的

13、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是它的子集。MPML 用于 DVD、SDTV，MPHL 用于 HDTV。 MPEG-2图像信号处理方法分运动预测、DCT、量化、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。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

14、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3。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

15、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，目前有专课程设计说明书 第6页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2。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，

16、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

17、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。3 数字机顶盒软件模块设计3.1 硬件和软件组成数字电视机顶盒包括硬件和软件两部分。硬件提供数字电视机顶盒的硬件平台，实现音视频的

18、解码。在数字电视技术中，软件技术比硬件占有更为重要的位置，因为电视节目内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现，以及机顶盒和 Internet课程设计说明书 第7页的互联都需要软件来实现4。3.2 数字机顶盒软件系统在机顶盒中，软件系统是一个重要的组成部分。主控制器的工作通过软件的执行来完成操作系统一般采用实时操作系统。在这个操作系统中主要完成进程调度、中断管理、内存分配、进程间通信、异常处理、时钟提取等工作。硬件驱动部分提供外围硬件设备的驱动，包括 I2C 总线、异步串行通信口、并行通信口、非易失内存、键盘、遥控器、调谐器、信道解码模块等。图形接口主要用于完成图形显示功能，以便于为用户

19、提供友好的图形用户界面。音频解码和视频解码驱动用于控制音频解码和视频解码硬件的工作。解复用和数据表提取模块主要是对码流解复用和数据表提取操作的控制。应用程序编程接口将所有与硬件相关的底层函数映射到一个统一的接口上，并且提供一些与硬件无关的公用处理函数，比如网络协议、图形格式分析、业务信息数据表分析等。条件接收驱动用于完成条件接收处理的工作和软件接口。应用程序编程接口为应用程序提供了一个公共的编程接口，把应用程序与硬件屏蔽开，使得应用程序与硬件无关。这样，就便于实现应用程序的可移植性4。机顶盒的软件基本结构如图 2所示。图 2 机顶盒的软件基本结构(1)中间件：中间件是数字电视接收系统的软件平台

20、，为数字电视应用提供运行环课程设计说明书 第8页境和软件接口。中间件作为数字机顶盒中的一个独立的软件层，将应用软件与底FS:Page层硬件和操作系统隔离开，对操作系统和驱动程序定义了统一接口，同时对应用程序也定义了统一接口，另外对常规数字广播电视业务和增值业务也提供统一接口。中间件定义了一组较为完整而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 Java 虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成，中间件将应用软件与依赖于硬件的驱动层软件分隔开来，使应用软件不依赖于具体的硬件平台。(2)SI/EPG：业务信息（SI

21、）包括：节目业务群关联表（BAT） 、节目业务描述表（SDT） 、节目段信息表（EIT） 、运行状态表（RST） 、时间及日期表（TDT） 、时间偏移表（TOT）等。通过这些数据表，机顶盒可以向用户提供节目的内容描述、节目的类型、节目的播放时间、节目的分级等信息。机顶盒在解复用的处理中提取这些数据表，通过分析和处理，然后通过用户界面提供给用户，形成了电子节目指南（EPG） 。用户浏览这些信息，并做出选择，通过遥控器、键盘或按键等输入设备告知机顶盒根据用户的选择提取相应的节目码流或数据码流。(3)节目业务搜索：在模拟电视系统中，电视频道的搜索只需要按照频点逐一进行即可。而在数字电视系统中，频道与

22、节目业务不再是一一对应的关系，信道传输系统的参数也有多种配置方式。因此，机顶盒对节目业务的搜索要对应前端广播系统进行设计。一般是由运营商指定一个固定频道，作为频道配置信息的发布频道。在机顶盒中预先内置该频道参数。(4)叠印字幕：由于数字电视系统本身就具有多业务功能，叠印显示也是机顶盒的基本功能，因此在数字电视机顶盒中可以较好的实现叠印字幕功能。叠印字幕可以根据用户的选择开启和关闭。由于机顶盒中的软件非常复杂，因此难免存在一些错误。另外随着业务的不断变化，软件的功能也需要不断的完善。因此软件更新就成为一项重要的需求。软件更新的实现方法包括在线广播下载更新和单机本地更新。单机本地更新通过机顶盒上专

23、用数据口将程序烧写到 FLASH 内存中，或通过更换程序 RON 实现。在线广播下载更新是在系统前端通过特定的协议将更新软件插入到码流中，传送给机顶盒4。3.3 数字电视机顶盒硬件系统课程设计说明书 第9页机顶盒硬件系统组成图如图 3 所示。图 3 机顶盒硬件系统组成图(1)网络接口模块（NIM）：网络接口模块完成信道解调和信道解码功能，送出包含视音频和其他数据信息的传输流（TS） 。(2)信源数据传输流解复用器：传送流中一般包含多个音视频流及一些数据信息，传输流解复用器用来区分不同的节目，提取相应的音视频流和数据流，送入视音频解码器和相应的解析软件。(3)条件接收模块：对于付费电视，条件接收

24、模块还对音视频流实施解扰，并采用含有识别用户和记忆功能的智能卡，保证合法用户正常收看。(4)视音频解码器和后处理：MPEG-2 解码器完成对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，在模拟电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。(5)嵌入式 CPU 与存储器模块和接口电路：嵌入式 CPU 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

25、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，并不断提课程设计说明书 第10页高速度，以适应高速网络和三维游戏的要求5。 3.4 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。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。3.5 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