關(guān)于數(shù)字電視硬件系統(tǒng)的分析

趙偉

【摘要】本文介紹了數(shù)字電視硬件系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理，以及數(shù)字電視重要構(gòu)成部分機頂盒硬件體系的工作原理，對其硬件工作原理、編程模型、機頂盒的工作原理進行了詳細的探討。硬件部分從程序方面討論了數(shù)字電視的硬件系統(tǒng)的工作原理，對數(shù)字電視硬件系統(tǒng)的進一步發(fā)展做出了展望。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電視；硬件系統(tǒng)；機頂盒

引言

數(shù)字電視被稱作繼彩色和黑白電視之后的第三代電視， 數(shù)字電視的定義為通過數(shù)字電子技術(shù)處理信號的電視， 通俗地講就是從拍攝，編輯，制作，播出，傳輸，接收等電視信號處理的整個過程全都使用數(shù)字技術(shù)的電視系統(tǒng)，即傳統(tǒng)模擬電視系統(tǒng)的數(shù)字化。而數(shù)字電視系統(tǒng)是一個廣義上的概念。在電視信號的獲取，產(chǎn)生，處理，接收和存儲的整個過程中都使用數(shù)字電視信號即為數(shù)字電視系統(tǒng)。我國按《廣播影視科技“十五”規(guī)劃和2010年遠景規(guī)劃》要求從我國的國情出發(fā)，結(jié)合廣電的實際情況，要求廣播影視數(shù)字化實施“三步走”戰(zhàn)略。2003年全面推行有線數(shù)字電視，并計劃到2005年有線數(shù)字電視接收用戶要超過3000萬戶；2005年，我國發(fā)射直播衛(wèi)星，之后便開始開展衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)，并爭取直播衛(wèi)星接收用戶高達3000萬戶；2005年全面實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸，停止模擬傳送。在地面電視方面，2003年要完成我國地面的數(shù)字電視傳輸標(biāo)準，并在一些重點城市實行地面數(shù)字電視試驗，從試驗中取得經(jīng)驗后，2005年我國正式推廣地面數(shù)字電視廣播，2008年地面數(shù)字電視得到大力發(fā)展，分步驟、分區(qū)域、分階段，扎實有效推進數(shù)字化進程，2010年實現(xiàn)數(shù)字廣播電視，2015年即可停止模擬廣播電視的播出。1999年國慶，HDTV數(shù)字電視在北京進行了試播，002年上海基于長期單頻網(wǎng)發(fā)射技術(shù)、鄰頻雙工天饋技術(shù)、數(shù)字電視技術(shù)的實踐積累，成功開發(fā)出國內(nèi)第一套公交數(shù)字的移動電視系統(tǒng)，利用市內(nèi)2000輛公交車上進行移動電視技術(shù)試驗，取得了成功。在廣州，也進行了地面數(shù)字電視的移動接收的試驗工作。

目前，我國的數(shù)字電視系統(tǒng)平臺的硬件大多數(shù)以單機設(shè)備為主。從省網(wǎng)到地方再到縣大多數(shù)都是如此，而國外的數(shù)字電視平臺的搭建大多數(shù)以集成式設(shè)備為主。數(shù)字電視采用場頻加倍技術(shù)和逐行掃描，去除行間閃爍，能提高像垂直清晰度，采用了數(shù)字降噪技術(shù)，減輕了畫面噪點，采用了數(shù)字梳狀濾波器，使得亮度與色度信號完全分離，消除了亮色串?dāng)_現(xiàn)象。相對于國外目前非常成熟的多種業(yè)務(wù)經(jīng)營的數(shù)字電視平臺而言，雖然國內(nèi)的數(shù)字電視近幾年發(fā)展速度很快，但與國外相比我們的數(shù)字電視的發(fā)展仍處于初中級階段。因此，研究數(shù)字電視的硬件系統(tǒng)對與數(shù)字電視的高速發(fā)展是十分必要的。

一、硬件系統(tǒng)的組成

在數(shù)字電視系統(tǒng)中，經(jīng)過壓縮編碼器的處理后，各種電視信號（或者音頻廣播信號）成為很多數(shù)據(jù)碼流。在復(fù)用器中，其他數(shù)據(jù)流和這些數(shù)據(jù)流按照統(tǒng)一的協(xié)議進行時分復(fù)用。同時為了便于接收端選擇節(jié)目，在碼流中插入業(yè)務(wù)信息，可以用于提供關(guān)于節(jié)目業(yè)務(wù)的輔助信息。催數(shù)字電視節(jié)目的碼流進行加密處理，以便于實現(xiàn)電視廣播業(yè)務(wù)的付費收視。由于廣播系統(tǒng)采用了不同的傳輸信道，需對基帶碼流信號進行不同的信道調(diào)制或者編碼處理，然后再發(fā)射到信號通道中。用戶的終端系統(tǒng)有數(shù)字電視接收機、數(shù)字衛(wèi)星接收機、家用計算機、數(shù)字機頂盒等設(shè)備。數(shù)字電視在本質(zhì)上和數(shù)字通信是一樣的，只是一個技術(shù)上的變化，她們都是以數(shù)據(jù)的形式傳遞著信息。所以，通信業(yè)務(wù)和計算機多媒體業(yè)務(wù)可以進入電視領(lǐng)域，多種計算機協(xié)議和通信方式在數(shù)字電視系統(tǒng)中能夠得到應(yīng)用。

數(shù)字電視硬件系統(tǒng)由許多獨立的板塊構(gòu)成。各板塊具有相對獨立的功能，通常無需軟件來管理其間的通信。這些模塊大致分為信道解調(diào)器、主機編程接口（主控制器）、高頻頭、音頻解碼器、解復(fù)用器、OSD顯示控制、視頻解碼器、視頻編碼器等。另外還有一些較為簡單的模塊。如，LCD顯示、串行通訊端口、面板按鍵控制、紅外遙控等。之所以稱這些模塊為“簡單模塊”，因為他們不直接參與MPEG-2 碼流的解碼處理和射頻調(diào)制信號，所以主控制器可以單獨對它們進行編程，相對來說比較簡單。比如，紅外遙控模塊接收外界傳來的紅外控制信號，并利用硬件系統(tǒng)對信號進行譯碼，得到的按鍵碼會被送到主機的編程接口。主機的編程接口處理這個信息，然后控制系統(tǒng)的其他組成部分（如讓解復(fù)用器切換頻道以及控制LCD顯示按鍵符號）。解復(fù)用器和音頻解碼器這些功能相對比較復(fù)雜的板塊，通常被設(shè)計成硬件上的單獨的RISC DSP處理器。這些單獨的RISC DSP處理器，硬件采用了DSP 架構(gòu)，軟件采用了微碼驅(qū)動，軟硬件結(jié)合，其中，系統(tǒng)啟動后，微碼由主機編程接口加載。

硬件模塊要抽象出一些寄存器來給軟件使用，除非其不想接受上次軟件的控制。但并不是所有的硬件在設(shè)計的時候都要做出來一些寄存器，像FPGA開發(fā)工具設(shè)計出來的數(shù)字系統(tǒng)，就是比較純粹的硬件驅(qū)動。需要注意的是，如果想要硬件具有靈活的功能，寄存器的存在是必不可少的。因此，F(xiàn)PGA的設(shè)計方法被許多數(shù)字電視解碼器芯片內(nèi)部設(shè)計時采用。但當(dāng)融入到一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)中的時候，為了各部分模塊被軟件進行比較統(tǒng)一的管理，在外部做一些寄存器給軟件使用還是必要的。硬件至少需要提供給軟件一個狀態(tài)寄存器供其讀取，這樣軟件就可以知道它是不是在正常的工作。實際上，軟件可以控制硬件的唯一的借口便是硬件寄存器，硬件提供了大量的寄存器供軟件來使用。

二、硬件編程模型

在系統(tǒng)啟動后，應(yīng)用程序通過調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序，首先對硬件進行了初始化處理，此時，硬件寄存器被應(yīng)用程序直接進行了寫操作，這種方式被稱為阻塞式通信方式或者稱之為同步通信方式，它的特點是：軟件在硬件寄存器被正確寫入后返回。但這不是應(yīng)用程序控制硬件的唯一的方式，另一種方式為異步通信方式，或者稱之為緩沖式通信方式，這種方式是通過寄存器操作后通過回調(diào)函數(shù)來通知應(yīng)用程序。系統(tǒng)正常啟動運行后，通過異步通信方式，應(yīng)用程序?qū)τ布M行操作，比如，通過驅(qū)動任務(wù)，來完成關(guān)于EPROM2的讀寫操作

觸發(fā)硬件中斷的原因可能是硬件產(chǎn)生異常，或者是上層軟件需要處理時，此時需要調(diào)用中斷處理函數(shù)。硬件終端函數(shù)需要找出中斷產(chǎn)生的原因，即先判斷中斷源，然后再進行一些較為簡單的處理。隨后，它把信息發(fā)送到了驅(qū)動程序任務(wù)的信息隊列中，或通過調(diào)用回調(diào)函數(shù)交給應(yīng)用程序處理。幾乎所有的中斷處理函數(shù)都需要通過直接或者間接地向應(yīng)用程序發(fā)送信息。

通過采用單獨的嵌入式處理器，主機編程接口對系統(tǒng)作整體控制，在Conexant數(shù)字電視解決方案中采用了ARM7架構(gòu)的CPU核。系統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)中的各個模塊被主編程接口進行了初始化，在啟動完成后，系統(tǒng)便進入了工作狀態(tài)，主機編程接口收到了來自各個模塊的消息，然后進行處理，對相應(yīng)的模塊進行處理。

圖片為數(shù)字電視的簡單的硬件編程模型。圖中每個版塊都是編程得來的。應(yīng)用程序?qū)χ鳈C編程接口進行了控制，而驅(qū)動程序控制其他的硬件模塊。此外，像音頻解碼器、視頻解碼器、解復(fù)用器等專門的DSP 固件來控制。

信道解調(diào)器是在數(shù)字狀態(tài)下工作的，但是由高頻頭輸出的查分信號為模擬信號，所以在信道解調(diào)器的內(nèi)部要對差分信號進行變換，根據(jù)信號不同的調(diào)制方式，衛(wèi)星信號采用QPSK 方式進行解調(diào)，有線信號則采用QAM方式進行解調(diào)。這個功能是通過一個數(shù)字匹配濾波器實現(xiàn)的，接下來解調(diào)器還要進行信號的糾錯解碼。此后，解調(diào)器輸出便是基帶的MPEG-2傳輸流，可通過并行或串行的方式輸出到解復(fù)用器當(dāng)中。數(shù)字電視解碼器的OSD模塊事實上是一個比較強大的圖形處理器。軟件對它進行編程操作時，可直接控制硬件，比如，控制調(diào)色板和顯示控制器內(nèi)存等。軟件在寫顯示控制器內(nèi)存時，由于程序指令速度過慢出現(xiàn)圖形顯示不流暢現(xiàn)象，因此，有些圖形處理器常借助圖形加速協(xié)處理器，使用硬件直接寫顯存，此操作成為硬件blitter。

目前為止，在大多數(shù)場合下，數(shù)字電視還是通過使用模擬電視的AV輸入來收看，所以數(shù)字電視解碼器必須將音頻、視頻等圖文信息，在模擬電視制式的基礎(chǔ)上進行視頻編碼。視頻編碼器接受現(xiàn)實控制器模塊所輸出的視頻圖像信息，并進行視頻編碼根據(jù)具體的電視制式，最終輸出特殊接收終端所需要的分量視頻信號或復(fù)合視頻信號。音頻輸出可直接從音頻解碼器中獲得。

三、數(shù)字機頂盒硬件系統(tǒng)分析

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。

數(shù)字電視機頂盒硬件組成有很多。一是網(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）。二是信源數(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。三是條件接收模塊：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。四是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。五是嵌入式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。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字電視的發(fā)展，數(shù)字電視機頂盒的各項功能將更加完善，尤其是單片PC技術(shù)的發(fā)展將會在物理結(jié)構(gòu)上促進電視機頂盒各部分硬件的高度集成，形成STB核心芯片，從而降低成本，減小體積，提高性能。外部接口更加豐富，可以通過USB接口與數(shù)碼相機連接，也可以通過IDE接口掛接硬盤實現(xiàn)節(jié)目存儲。交互式機頂盒將會成為數(shù)字電視機機頂盒的主流，用戶在模擬彩色電視機上不僅能夠收看數(shù)字電視，還能實現(xiàn)娛樂和上網(wǎng)等功能。

四、結(jié)束語

對于數(shù)字電視硬件平臺未來的發(fā)展，硬件系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)該朝著靈活性、高集成性、更加強大的數(shù)據(jù)路由和備份功能的方向不斷發(fā)展，能夠具有更簡單、方便、高效的功能。數(shù)字化的道路上，我們要做的還有很多，在這條道路上，發(fā)展硬件系統(tǒng)，相信中國廣電的發(fā)展一定會越來越好。

參考文獻

[1]張慧玲，張忙喜.論數(shù)字電視及其應(yīng)用[J].大眾科技，2006年第4期.

[2]李新華，張向東.淺談數(shù)字電視系統(tǒng)及其發(fā)展[J].2003年第11期.

[3]孫學(xué)群.數(shù)字電視軟硬件體系分析及系統(tǒng)設(shè)計的研究[J].2005，6.

[4]孫學(xué)群.數(shù)字電視軟硬件體系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析[J].中國有線電視，2005，1.