燕宪文 中视联系统部
机顶盒原理及关键技术
1. 机顶盒原理
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。
图1
图1是有线数字电视机顶盒原理框图，机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2解码器、视频编码器、音频D/A、嵌入式CPU系统和外围接口、条件接收模块等组成。具有交互功能的机顶盒则需回传通道。
高频头接收来自有线网的高频信号，通过QAM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(TS)。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MPEG-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，并采用含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。MPEG-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。
2. 机顶盒关键技术
a. 机顶盒硬件技术
(1)信道解调技术: 国际、国内标准均规定，在有线网络中传输数字电视及增值业务采用QAM调制方式，其中16QAM、32QAM、64QAM必选，128QAM和256QAM可选。由于有线网络信道质量好，只用RS编码作为纠错编码。
(2)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MPEG-2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC-3和MPEG-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)大规模集成芯片技术: 为实现实时的解复用和数据信息处理，目前的系统大多采用专用芯片，将CPU 内核与MPEG-2传输流解复用器，DVB通用解扰器，MPEG音视频解码器，NTSC/PAL编码器集成，形成STB 的核心芯片。
(4)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。
b. 机顶盒软件结构
广播数字化后，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Internet的互联都需要由软件来实现。
图2
图2是一个机顶盒软件模型。除去硬件，第一层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序，第二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件平台，第三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: 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)实时操作系统: 与PC操作系统不同，机顶盒中的操作系统采用实时操作系统(RTOS)，可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。目前流行的实时操作系统有VxWorks、Psos、OS20、Windows CE等。这些操作系统各有所长，在机顶盒中都有应用。
(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Java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、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，它可以用于各种STB硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。
机顶盒发展趋势
1. 硬件平台
从机顶盒发展趋势看，Tuner和解调芯片合二为一，物理上减小体积，降低成本，提高性能; 或者采用芯片实现Tuner 的功能。
由于CPU与TS流解复用器，MPEG-2 A/V解码器，视频编码器集成，形成STB 的核心芯片，它的发展速度将决定机顶盒未来的方向。必然的趋势是CPU处理速度越来越快，存储器容量越来越大，MPEG解码器将同时支持多路节目的解码; 同时用户可以直接看到的图形显示界面将从简单的OSD，发展到强大的2D、3D图形引擎。
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，可以实现各种交互式应用。通过上行通道和机顶盒，观众坐在家中就能享受到视频点播(VOD)、网上冲浪、远程购物、交互游戏等增值业务。这种交互性将极大地改变人们看电视的方式。因此，双向传输方案将成为机顶盒发展的主流。
外部接口将更加丰富，通过USB口可以实现和数码相机的连接，通过IDE接口可以挂接硬盘实现节目存储等等。
机顶盒是网络的终端产品，现实中存在着通信网、计算机网和广播电视网。虽说三网合一是必然趋势，而且三网在骨干网的传输技术上已经融合。最终将数字机顶盒发展成为家庭网关，将机顶盒与PC、打印机、DVD机等数字设备连接起来，并通过双向模块与Internet相连，真正地成为信息家电。
2. 软件平台
有线电视网络数字化改造的不断深入，开放式业务系统的广泛使用，运营商的利润增长点将从以前靠收视费和广告费转向靠多种应用去支撑。因此，机顶盒将支持越来越多的应用，如电子节目指南、PPV节目、IPPV节目、准视频点播、数据广播、Internet接入、电子邮件、视频点播以及IP电话和可视电话等。而上述应用的发展，必须依靠机顶盒的软件平台，也就是中间件。因此，机顶盒的发展趋势在很大程度上依靠中间件技术的发展方向。
摘自《中国CATV》
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