數(shù)字電視機頂盒的結(jié)構(gòu)和原理
超毅電子今天跟你討論電視機頂盒的結(jié)構(gòu)和原理,數(shù)字機頂盒是一種能提供模擬音頻和視頻接口,使現(xiàn)在的模擬電視機能正常接收節(jié)目;同時,還能提供數(shù)字電視、數(shù)字廣播接口,提供交互式功能的接口裝置。它一頭接有線電視網(wǎng)的同軸電纜,一頭接用戶家里的電視機。專門為不打算買電腦和用電腦的廣大用戶設(shè)計。S-A(Scientific-Atlanta) 在94年為Time Warner Cable 在奧蘭多的Full Service Network(FSN)設(shè)計了第一個數(shù)字機頂盒(Digital Set-Top Box),采用SGI的MIPS芯片和軟件技術(shù)的數(shù)字機頂盒將計算機技術(shù)帶入家電領(lǐng)域。機頂盒除了能提供數(shù)字電視、數(shù)字廣播接口,提供交互式功能,包括電話接口、計算機數(shù)據(jù)接口,甚至提供攝像機與游戲機接口等。能接收和存儲用戶發(fā)出的某些指令,并擁有一個中央處理單元,控制機上變換器各部分的工作,能夠進行繁重的數(shù)值計算,并對數(shù)字視頻/音頻信號進行解壓縮輸出和壓縮輸入。機頂盒實際上就是多功能的計算機。這里對數(shù)字機頂盒的硬件結(jié)構(gòu)進行介紹,可以讓大家對數(shù)字機頂盒硬件結(jié)構(gòu)有總體的了解和認(rèn)識。
二、機頂盒的工作原理:
機頂盒各個模塊在Internet的高速接入中,協(xié)同工作。用戶首先通過發(fā)送命令請求一個URL。在使用PPP點對點協(xié)議的一次交易過程中,該命令最終到達(dá)Internet業(yè)務(wù)提供者的調(diào)制解調(diào)器共用機架上。然后通過動態(tài)分配法,該用戶獲得本次交易中使用的IP地址,并把請求送往Internet。當(dāng)Internet的內(nèi)容被找到之后,接著把它送到Internet業(yè)務(wù)提供者(ISP)那里,再由ISP的路由器負(fù)責(zé)把它送到電纜電視網(wǎng)絡(luò),最后回到用戶的機頂盒。在有線電視的機頂盒,信息內(nèi)容被截獲。機頂盒在電視機與電纜網(wǎng)絡(luò)之間完成一個網(wǎng)關(guān)的任務(wù)。它的任務(wù)是管理IP的通信流量,具有控制用戶進出網(wǎng)絡(luò)的能力一旦IP包到達(dá)機 頂盒,把視頻信號從該包中分離下來,對其中的數(shù)據(jù)進行譯碼,然后把它送到瀏覽器里準(zhǔn)備在電視機上顯示。
由于Cable Modem要求用戶要配置一部電腦才能上網(wǎng),影響了用戶層的擴展,而使用機頂盒則不需電腦,一部電視機足矣,因而機頂盒的市場前景可能看好。信息使用者從企業(yè)向家庭過渡,網(wǎng)絡(luò)帶寬從窄帶向?qū)拵н^渡,用戶入網(wǎng)設(shè)備從PC機向帶機頂盒(STB)的電視過渡,使用界面從Windows向電視遙控鍵界面過渡,信息內(nèi)容從為企業(yè)服務(wù)向為人民生活服務(wù)過渡,是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展的大方向,機頂盒(STB)顯然是這個大方向上的一個階段。
數(shù)字電視機頂盒接收數(shù)字電視節(jié)目,處理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和完成多種應(yīng)用的解析。各類信源在進入有線電視網(wǎng)絡(luò)之前經(jīng)過兩級編碼,第一級是視音頻信號的信源編碼,并將所有信源封裝成傳輸流,第二級是傳輸用的信道編碼。與前端相應(yīng),數(shù)字電視機頂盒首先從傳輸層提取信道編碼信號,完成信道解調(diào),接著還原壓縮的信源編碼信號,恢復(fù)原始視音頻流,同時完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多種應(yīng)用的接收、解析。
數(shù)字電視機頂盒的工作過程:數(shù)字電視機頂盒通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊選擇頻道,并進行解調(diào)和和信道解碼處理,輸出MPEG-2多節(jié)目傳輸流數(shù)據(jù),送給解復(fù)用器,解復(fù)用器從MPEG-2傳輸流數(shù)據(jù)中抽出一個節(jié)目的已打包的視音頻基本流(PES)數(shù)據(jù),包括視頻PES,音頻PES和輔助數(shù)據(jù)PES,解復(fù)用器中包含一個解擾引擎,可在傳輸流層和PES層對加擾的數(shù)據(jù)進行解擾,解復(fù)用器輸出的是已解擾的視音頻PES。視頻PES送入視頻解碼器,取出MPEG-2視頻數(shù)據(jù)并對其解碼后,輸出到模擬編碼器,編碼成模擬視頻信號,再經(jīng)視頻輸出電路輸出。音頻PES送入音頻解碼器,取出MPEG-2音頻數(shù)據(jù)并對其解碼,輸出PCM音頻數(shù)據(jù)到音頻D/A變換器,音頻D/A變換器輸出模擬立體聲音頻信號,經(jīng)音頻輸出電路輸出。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖一。
數(shù)字電視機頂盒包括硬件和軟件兩部分。硬件提供數(shù)字電視機頂盒的硬件平臺,實現(xiàn)音視頻的解碼。在數(shù)字電視技術(shù)中,軟件技術(shù)比硬件占有更為重要的位置,因為電視節(jié)目內(nèi)容的重現(xiàn)、操作界面的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)的實現(xiàn),以及機頂盒和Internet的互聯(lián)都需要軟件來實現(xiàn)。
1、數(shù)字電視機頂盒硬件組成
?。?span lang="EN-US">1)網(wǎng)絡(luò)接口模塊(NIM):網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成信道解調(diào)和信道解碼功能,送出包含視音頻和其他數(shù)據(jù)信息的傳輸流(TS)。
(2)信源數(shù)據(jù)傳輸流解復(fù)用器:傳送流中一般包含多個音視頻流及一些數(shù)據(jù)信息,傳輸流解復(fù)用器用來區(qū)分不同的節(jié)目,提取相應(yīng)的音視頻流和數(shù)據(jù)流,送入視音頻解碼器和相應(yīng)的解析軟件。
(3)條件接收模塊:對于付費電視,條件接收模塊還對音視頻流實施解擾,并采用含有識別用戶和記憶功能的智能卡,保證合法用戶正常收看。
?。?span lang="EN-US">4)視音頻解碼器和后處理:MPEG-2解碼器完成對音視頻信號的解壓縮,經(jīng)視頻編碼器和音頻D/A變換,還原出模擬音視頻信號,在模擬電視機上顯示高質(zhì)量圖像,并提供多聲道立體聲節(jié)目。
?。?span lang="EN-US">5)嵌入式CPU與存儲器模塊和接口電路:嵌入式CPU是數(shù)字電視機頂盒的心臟,它與存儲器模塊用來存儲和運行軟件系統(tǒng),并對各個硬件模塊進行控制。接口電路提供豐富的外部接口,包括通用串行接口USB,以太網(wǎng)接口及RS232,模擬、數(shù)字視音頻接口,數(shù)據(jù)接口等。
2、數(shù)字電視機頂盒軟件系統(tǒng)
在機頂盒中,軟件系統(tǒng)是一個重要的組成部分。主控制器的工作通過軟件的執(zhí)行來完成。
機頂盒的軟件基本結(jié)構(gòu)如圖二所示。操作系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)。在這個操作系統(tǒng)中主要完成進程調(diào)度、中斷管理、內(nèi)存分配、進程間通信、異常處理、時鐘提取等工作。硬件驅(qū)動部分提供外圍硬件設(shè)備的驅(qū)動,包括I2C總線、異步串行通信口、并行通信口、非易失內(nèi)存、鍵盤、遙控器、調(diào)諧器、信道解碼模塊等。圖形接口主要用于完成圖形顯示功能,以便于為用戶提供友好的圖形用戶界面。音頻解碼和視頻解碼驅(qū)動用于控制音頻解碼和視頻解碼硬件的工作。解復(fù)用和數(shù)據(jù)表提取模塊主要是對碼流解復(fù)用和數(shù)據(jù)表提取操作的控制。應(yīng)用程序編程接口將所有與硬件相關(guān)的底層函數(shù)映射到一個統(tǒng)一的接口上,并且提供一些與硬件無關(guān)的公用處理函數(shù),比如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形格式分析、業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)表分析等。條件接收驅(qū)動用于完成條件接收處理的工作和軟件接口。應(yīng)用程序編程接口為應(yīng)用程序提供了一個公共的編程接口,把應(yīng)用程序與硬件屏蔽開,使得應(yīng)用程序與硬件無關(guān)。這樣,就便于實現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性。
(1)中間件
中間件是數(shù)字電視接收系統(tǒng)的軟件平臺,為數(shù)字電視應(yīng)用提供運行環(huán)境和軟件接口。中間件作為數(shù)字機頂盒中的一個獨立的軟件層,將應(yīng)用軟件與底層硬件和操作系統(tǒng)隔離開,對操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序定義了統(tǒng)一接口,同時對應(yīng)用程序也定義了統(tǒng)一接口,另外對常規(guī)數(shù)字廣播電視業(yè)務(wù)和增值業(yè)務(wù)也提供統(tǒng)一接口。中間件定義了一組較為完整而標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口,使應(yīng)用程序獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺,從而將應(yīng)用的開發(fā)變得更加簡捷,使產(chǎn)品的開放性和可移植性更強。它通常由Java虛擬機、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成,中間件將應(yīng)用軟件與依賴于硬件的驅(qū)動層軟件分隔開來,使應(yīng)用軟件不依賴于具體的硬件平臺。
?。?span lang="EN-US">2)SI/EPG
業(yè)務(wù)信息(SI)包括:節(jié)目業(yè)務(wù)群關(guān)聯(lián)表(BAT)、節(jié)目業(yè)務(wù)描述表(SDT)、節(jié)目段信息表(EIT)、運行狀態(tài)表(RST)、時間及日期表(TDT)、時間偏移表(TOT)等。通過這些數(shù)據(jù)表,機頂盒可以向用戶提供節(jié)目的內(nèi)容描述、節(jié)目的類型、節(jié)目的播放時間、節(jié)目的分級等信息。機頂盒在解復(fù)用的處理中提取這些數(shù)據(jù)表,通過分析和處理,然后通過用戶界面提供給用戶,形成了電子節(jié)目指南(EPG)。用戶瀏覽這些信息,并做出選擇,通過遙控器、鍵盤或按鍵等輸入設(shè)備告知機頂盒根據(jù)用戶的選擇提取相應(yīng)的節(jié)目碼流或數(shù)據(jù)碼流。
?。?span lang="EN-US">3)節(jié)目業(yè)務(wù)搜索
在模擬電視系統(tǒng)中,電視頻道的搜索只需要按照頻點逐一進行即可。而在數(shù)字電視系統(tǒng)中,頻道與節(jié)目業(yè)務(wù)不再是一一對應(yīng)的關(guān)系,信道傳輸系統(tǒng)的參數(shù)也有多種配置方式。因此,機頂盒對節(jié)目業(yè)務(wù)的搜索要對應(yīng)前端廣播系統(tǒng)進行設(shè)計。一般是由運營商指定一個固定頻道,作為頻道配置信息的發(fā)布頻道。在機頂盒中預(yù)先內(nèi)置該頻道參數(shù)。
(4)疊印字幕
由于數(shù)字電視系統(tǒng)本身就具有多業(yè)務(wù)功能,疊印顯示也是機頂盒的基本功能,因此在數(shù)字電視機頂盒中可以較好的實現(xiàn)疊印字幕功能。疊印字幕可以根據(jù)用戶的選擇開啟和關(guān)閉。
由于機頂盒中的軟件非常復(fù)雜,因此難免存在一些錯誤。另外隨著業(yè)務(wù)的不斷變化,軟件的功能也需要不斷的完善。因此軟件更新就成為一項重要的需求。軟件更新的實現(xiàn)方法包括在線廣播下載更新和單機本地更新。單機本地更新通過機頂盒上專用數(shù)據(jù)口將程序燒寫到FLASH內(nèi)存中,或通過更換程序RON實現(xiàn)。在線廣播下載更新是在系統(tǒng)前端通過特定的協(xié)議將更新軟件插入到碼流中,傳送給機頂盒。
三、數(shù)字電視機頂盒的功能
數(shù)字電視機頂盒能夠接收MPEG-2數(shù)字電視傳輸流和各種數(shù)據(jù)信息,通過解調(diào)、解復(fù)用、解碼和視音頻編碼,在模擬彩色電視機上觀看數(shù)字電視節(jié)目和各種數(shù)據(jù)信息。目前,數(shù)字電視機頂盒的基本功能是接收數(shù)字電視廣播節(jié)目,同時具有所有廣播和交互式多媒體應(yīng)用功能,包括:
(1)電子節(jié)目指南:它為用戶提供一種容易使用,界面非常友好,可以快速訪問想看節(jié)目的方式,用戶可以通過該功能看到各個頻道上近期將播放的電視節(jié)目。
(2)支持交互式應(yīng)用如準(zhǔn)視頻點播、視頻點播、互動游戲等。
?。?span lang="EN-US">3)高速數(shù)據(jù)廣播:能為用戶提供股市行情、票務(wù)信息、電子報紙、熱門網(wǎng)絡(luò)等各種信息。
?。?span lang="EN-US">4)因特網(wǎng)接入和電子郵件:數(shù)字電視機頂盒通過內(nèi)置的電纜調(diào)制解調(diào)器便可實現(xiàn)因特網(wǎng)接入功能。用戶可以通過機頂盒內(nèi)置的瀏覽器上網(wǎng),發(fā)送電子郵件,也可以提供各種接口與PC相連,使用PC接入因特網(wǎng)。
(5)軟件在線升級:可看成是數(shù)據(jù)廣播的應(yīng)用之一。數(shù)據(jù)廣播服務(wù)器將升級軟件傳送給機頂盒,機頂盒能識別該軟件的版本號,在版本不同時接收該軟件,并對保存在存儲器中的軟件進行更新。
?。?span lang="EN-US">6)有條件接收:有條件接收的核心是加擾和加密,數(shù)字電視機頂盒應(yīng)具有解擾和解密功能。
隨著數(shù)字電視和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字電視機頂盒的功能將更加完善,尤其是單片PC技術(shù)的發(fā)展,將促使數(shù)字電視機頂盒在物理結(jié)構(gòu)上將各部分硬件高度集成,形成STB核心芯片,從而減小體積,降低成本,提高性能。外部接口將更加豐富,通過USB接口可以和數(shù)碼相機連接,通過IDE接口可以掛接硬盤實現(xiàn)節(jié)目存儲等。交互式機頂盒將成為數(shù)字電視機頂盒的主流,用戶在模擬彩色電視機上不僅能收看數(shù)字電視,還能實現(xiàn)娛樂和上網(wǎng)。
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