數(shù)字機(jī)頂盒的結(jié)構(gòu)和原理

□劉固蒂

數(shù)字機(jī)頂盒的結(jié)構(gòu)和原理

□劉固蒂

在數(shù)字電視的產(chǎn)業(yè)鏈中，數(shù)字電視機(jī)頂盒（STB）是一個(gè)既簡單又復(fù)雜的消費(fèi)類終端產(chǎn)品。機(jī)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(jī)能正常接收節(jié)目；同時(shí)，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(jī)。這里對(duì)數(shù)字機(jī)頂盒的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，可以讓大家對(duì)數(shù)字機(jī)頂盒硬件結(jié)構(gòu)有總體的了解和認(rèn)識(shí)。

一、數(shù)字機(jī)頂盒的結(jié)構(gòu)

數(shù)字電視機(jī)頂盒的工作過程：數(shù)字電視機(jī)頂盒通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊選擇頻道，并進(jìn)行解調(diào)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(gè)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(gè)解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對(duì)加擾的數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)其解碼后，輸出到模擬編碼器，編碼成模擬視頻信號(hào)，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(duì)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(hào)，經(jīng)音頻輸出電路輸出。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖一。

圖1 數(shù)字電視機(jī)頂盒結(jié)構(gòu)示意圖

1.數(shù)字電視機(jī)頂盒硬件組成。（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(gè)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(duì)于付費(fèi)電視，條件接收模塊還對(duì)音視頻流實(shí)施解擾，并采用含有識(shí)別用戶和記憶功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。（4）視音頻解碼器和后處理：MPEG-2解碼器完成對(duì)音視頻信號(hào)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(hào)，在模擬電視機(jī)上顯示高質(zhì)量圖像，并提供多聲道立體聲。（5）嵌入式CPU與存儲(chǔ)器模塊和接口電路：嵌入式CPU是數(shù)字電視機(jī)頂盒的心臟，它與存儲(chǔ)器模塊用來存儲(chǔ)和運(yùn)行軟件系統(tǒng)，并對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)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(jī)頂盒軟件系統(tǒng)。在機(jī)頂盒中，軟件系統(tǒng)是一個(gè)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。操作系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在這個(gè)操作系統(tǒng)中主要完成進(jìn)程調(diào)度、中斷管理、內(nèi)存分配、進(jìn)程間通信、異常處理、時(shí)鐘提取等工作。硬件驅(qū)動(dòng)部分提供外圍硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(duì)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(gè)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(dòng)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(gè)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(shí)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(tái)，為數(shù)字電視應(yīng)用提供運(yùn)行環(huán)境和軟件接口。中間件作為數(shù)字機(jī)頂盒中的一個(gè)獨(dú)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(duì)操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序定義了統(tǒng)一接口，同時(shí)對(duì)應(yīng)用程序也定義了統(tǒng)一接口，另外對(duì)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(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)，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(qiáng)。它通常由Java虛擬機(jī)、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(dòng)層軟件分隔開來，使應(yīng)用軟件不依賴于具體的硬件平臺(tái)。

（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(yùn)行狀態(tài)表（RST）、時(shí)間及日期表（TDT）、時(shí)間偏移表（TOT）等。通過這些數(shù)據(jù)表，機(jī)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(shí)間、節(jié)目的分級(jí)等信息。機(jī)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(jī)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。

（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(diǎn)逐一進(jìn)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(duì)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(jī)頂盒對(duì)節(jié)目業(yè)務(wù)的搜索要對(duì)應(yīng)前端廣播系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般是由運(yùn)營商指定一個(gè)固定頻道，作為頻道配置信息的發(fā)布頻道。在機(jī)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(jī)頂盒的基本功能，因此在數(shù)字電視機(jī)頂盒中可以較好的實(shí)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。

二、機(jī)頂盒的工作原理

機(jī)頂盒各個(gè)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(qǐng)求一個(gè)URL。在使用PPP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jī)架上。然后通過動(dòng)態(tài)分配法，該用戶獲得本次交易中使用的IP地址，并把請(qǐng)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(jī)頂盒。在有線電視的機(jī)頂盒，信息內(nèi)容被截獲。機(jī)頂盒在電視機(jī)與電纜網(wǎng)絡(luò)之間完成一個(gè)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(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的能力。一旦IP包到達(dá)機(jī)頂盒，把視頻信號(hào)從該包中分離下來，對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，然后把它送到瀏覽器里準(zhǔn)備在電視機(jī)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(kuò)展，而使用機(jī)頂盒則不需電腦，一部電視機(jī)足矣，因而機(jī)頂盒的市場(chǎng)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(jī)向帶機(jī)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?yàn)槿嗣裆罘?wù)過渡，是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展的大方向，機(jī)頂盒(STB)顯然是這個(gè)大方向上的一個(gè)階段。

三、數(shù)字電視機(jī)頂盒的功能

數(shù)字電視機(jī)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(jī)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(jī)頂盒的基本功能是接收數(shù)字電視廣播節(jié)目，同時(shí)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(gè)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(diǎn)播、視頻點(diǎn)播、互動(dòng)游戲等。（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(bào)紙、熱門網(wǎng)絡(luò)等各種信息。（4）因特網(wǎng)接入和電子郵件：數(shù)字電視機(jī)頂盒通過內(nèi)置的電纜調(diào)制解調(diào)器便可實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入功能。用戶可以通過機(jī)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(jí)：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(jí)軟件傳送給機(jī)頂盒，機(jī)頂盒能識(shí)別該軟件的版本號(hào)，在版本不同時(shí)接收該軟件，并對(duì)保存在存儲(chǔ)器中的軟件進(jìn)行更新。（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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)連接，通過IDE接口可以掛接硬盤實(shí)現(xiàn)節(jié)目存儲(chǔ)等。交互式機(jī)頂盒將成為數(shù)字電視機(jī)頂盒的主流，用戶在模擬彩色電視機(jī)上不僅能收看數(shù)字電視，還能實(shí)現(xiàn)娛樂和上網(wǎng)。

（作者單位：國家廣電總局七二二臺(tái)）