廣電智能交互式高清機頂盒研究

劉超杰

（定興縣廣播電視臺技術(shù)股 河北省保定市定興縣 072650）

1 引言

由于數(shù)字電視的逐漸普及，基于數(shù)字電視的相關(guān)業(yè)務(wù)正在高速發(fā)展，一些高清電視節(jié)目也增長迅速。視頻點播的雙向性、娛樂性豐富的游戲，通過智能電視或智能機頂盒連接到寬帶互聯(lián)網(wǎng)等增值業(yè)務(wù)不僅能給用戶帶來全新的感受和體驗，也能給運營商帶來更多的營收來源[1]。隨著用戶對視頻以及相關(guān)娛樂資源需求對不斷擴增，智能家居的運用也逐步推進，如何將傳統(tǒng)的廣播電視節(jié)目，同時又將網(wǎng)絡(luò)化的娛樂資源、視頻交互功能以及家庭的家用電氣智能控制有機的結(jié)合起來，進而研究出一種具有上述綜合需求的智能交互式高清機頂盒是各廣電局所需研究的一大課題，具有較好的市場前景。

2 機頂盒概述

隨著電子技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，機頂盒的種類也在隨之發(fā)生具體變化，依據(jù)支持的圖像分辨率的不同，目前有超高清、高清以及標清三種類型，其具體劃分主要是依據(jù)視頻節(jié)目支持的分辨率來進行，如果支持的分辨率高于1080P 則可以認為是超高清，高于720P 且不大于1080P 則認為是高清，低于720P 則認為是標清[2]。

依據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，又可以將其分為有線數(shù)字電視機頂盒、地面無線數(shù)字電視機頂盒、衛(wèi)星數(shù)字電視機頂盒以及網(wǎng)絡(luò)電視機頂盒等多種不同類型。其中，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)機頂盒中的IPTV 機頂盒主要采取的是基于Linux 操作系統(tǒng)，其內(nèi)部所支持的電視內(nèi)容節(jié)目主要是基于電信運營商所提供的專用網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)較為有限的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)機頂盒中的OTT 機頂盒則主要采取的是Android 操作系統(tǒng)，具有較為豐富的應(yīng)用程序，具備較為開放性的互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)。

隨著編解碼技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷推進，目前市場上也開始逐步出現(xiàn)智能機頂盒，當前主要是以搭載 Android 操作系統(tǒng)為主。智能機頂盒與普通電視機相配合不僅能夠?qū)崿F(xiàn)智能電視的功能，還能夠根據(jù)用戶個人需求可以打開瀏覽器看網(wǎng)頁，聽歌、玩各種好玩的游戲、看高清大片、K 歌，甚至擁有智能家居的多項功能[3]。

3 智能交互式高清機頂盒硬件分析與設(shè)計

3.1 智能交互高清機頂盒總體結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，整個智能交互式高清機頂盒的主要需要由網(wǎng)關(guān)單板以及機頂盒單板兩大部分構(gòu)成，具體的智能交互式高清機頂盒總體硬件結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計見圖1。從整個總體硬件結(jié)構(gòu)圖能夠看出，該智能交互式高清機頂盒的機頂盒部分主要由海思HI37 系列的芯片作為主控制器，網(wǎng)關(guān)部分的控制器則由ARMCortex-M 系列進行設(shè)計，機頂盒部分組是基于Android 系統(tǒng)進行開發(fā)，網(wǎng)關(guān)部分則是基于Linux 系統(tǒng)進行開發(fā)，兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信則是利用以太網(wǎng)接口進行數(shù)據(jù)信息交互。

圖1：智能交互式高清機頂盒總體結(jié)構(gòu)圖

圖2：機頂盒與網(wǎng)關(guān)通信的軟件結(jié)構(gòu)圖

圖3：機頂盒側(cè)與網(wǎng)關(guān)側(cè)通信示意圖

3.2 智能交互高清機頂盒中的機頂盒模塊結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

結(jié)合整個智能交互高清機頂盒總體硬件結(jié)構(gòu)圖可看出，該機頂盒模塊主要由存儲器、數(shù)據(jù)輸入輸出接口（HDMI、CVBS 等）、編解碼器、圖形處理器以及ETH 以太網(wǎng)接口等多個子模塊構(gòu)成。

3.2.1 存儲器模塊

在存儲器模塊中主要需要包括動態(tài)存儲控制器（即DDRC）、片外的NANDFlash 存儲控制器以及MMC/TF 控制器等。

通過存儲器模塊中的動態(tài)存儲控制器能夠?qū)崿F(xiàn)SDRAM 的存取控制；NANDFlash 存儲控制器主要用于實現(xiàn)對flash 中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行存??；MMC/TF 控制器主要通過SDIO 接口用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫與系統(tǒng)的啟動。

3.2.2 數(shù)據(jù)輸入輸出接口模塊

由于廣電機頂盒需要帶有廣電的數(shù)字視頻資源，需要能夠利用各種不同傳輸介質(zhì)，如衛(wèi)星、有線以及MNDSD 等，因此，在對數(shù)據(jù)輸入輸出接口設(shè)計時，需要支持接收 DVB（Digital Video Broadcasting）信號，數(shù)據(jù)輸入輸出接口模塊中的數(shù)據(jù)流輸入接口需要具備 TSI 接口或QAM 接口。

TSI 接口用于實現(xiàn)對TS 流進行解析以及解復用的處理，便于連接相應(yīng)的數(shù)字電視，實現(xiàn)對標準的圖像傳輸流的解析，其傳輸流需要至少滿足ISO 13818-1 中對于系統(tǒng)層的相關(guān)定義標準；QAM接口主要是通過將QAM 解調(diào)模塊進行內(nèi)置，然后利用該接口實現(xiàn)與外部的RF 模塊之中的中頻信號進行相互對接。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)高清信號的輸入，同時還需提供HDMI 接口，利用HDMI 接口能夠接入相應(yīng)的外圍設(shè)備，如攝像機，加上相應(yīng)的會議管理軟件，進而便于實現(xiàn)利用機頂盒召開視頻會議的需求。同時還能夠提高CVBS 的標清接口以及RCA 的音頻接口等。

3.2.3 編解碼器模塊

視頻的編碼器模塊主要是通過芯片內(nèi)部的硬件加速器和VF 軟件模塊所組成，具有較低的功耗，同時所占總線帶寬也較少，可以用于實現(xiàn)視頻的轉(zhuǎn)碼以及視頻會議等多種不同類型的視頻業(yè)務(wù)需求，其最高能夠支持4K 30fps 的性能需求。

視頻解碼器模塊同樣也是需要芯片內(nèi)部的解碼單元以及VFMW 視頻解碼固件所組成，通過對軟件上層所獲取的視頻碼流進行全面解析，并對硬件部分的解碼單元進行調(diào)用，進而實現(xiàn)解碼圖像序列的產(chǎn)生，并在軟件控制之下，通過相應(yīng)的視頻輸出接口，如HDMI 接口、CVBS 接口等輸出至電視機等相關(guān)顯示設(shè)備。能夠處理H.265、H.264、MPEG4、AVS 等多種不同類型的視頻編碼格式。

3.2.4 圖形處理器模塊

圖形處理器模塊主要需要包括GPU 和TDE 兩大部分，其中，GPU 主要用于實現(xiàn)對視頻子系統(tǒng)中的3D 圖形處理，進而提供視頻3D 圖像對編碼前以及編碼后對綜合處理，整個GPU 單元具備像素處理、電源管理、幾何處理和電源管理等多種功能，同時還能夠提供多種不同類型的標準接口；TDE 主要是針對視頻圖像中對2D 圖形的繪制和處理，利用APB Slave 總線接口實現(xiàn)對配置信息對獲取，并將視頻圖像中的濾波縮放系數(shù)、位圖數(shù)據(jù)以及鏈表節(jié)點參數(shù)等相關(guān)信息利用AXI Master 總線接口完成。

3.3 智能交互高清機頂盒中的機頂盒模塊與網(wǎng)關(guān)模塊的通信分析與設(shè)計

整個智能交互高清機頂盒中的機頂盒部分處理系統(tǒng)采用的是Android 系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)部分則采用的是Linux 系統(tǒng)。那么整個機頂盒內(nèi)容兩大系統(tǒng)間的相互通信，則主要采用的是Socket 通信方式，其系統(tǒng)架構(gòu)選取的是CS 模式進行。具體的機頂盒與網(wǎng)關(guān)通信的軟件結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計見圖2。

機頂盒內(nèi)部的兩系統(tǒng)間，服務(wù)器客戶端角色可隨時根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰M行改變，來實時保證通信的準確性。從該軟件結(jié)構(gòu)圖能夠看出，Linux 系統(tǒng)中主要是通過MPA 進程為雙系統(tǒng)通信提供相應(yīng)服務(wù)，與Android 系統(tǒng)中的Service JSON 來進行雙系統(tǒng)通信。

其中，MPA 進程的主要功能：

（1）Client 模式：用于實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)自身系統(tǒng)中其他進程發(fā)送過來的請求進行相應(yīng)的處理，并將其上報給Android 終端；

（2）Server 模式：用于實現(xiàn)對Android 系統(tǒng)的Service 發(fā)送過來的Socket 報文進行相應(yīng)處理。

結(jié)合機頂盒與網(wǎng)關(guān)通信的軟件結(jié)構(gòu)圖，具體的智能交互式高清機頂盒內(nèi)的機頂盒側(cè)與網(wǎng)關(guān)通信側(cè)的通信示意圖的設(shè)計見圖3。從該通信示意圖可知，機頂盒側(cè)的APK 與網(wǎng)關(guān)側(cè)進行相互通信時，主要需要利用AIDL 接口，對所需交互的信息進行格式轉(zhuǎn)換，然后對其進行加密編碼后，才能夠利用Socket 通信方式在網(wǎng)關(guān)側(cè)進行數(shù)據(jù)的處理，最后又通過上述逆過程進行信息反饋。

4 總結(jié)

本文結(jié)合廣電公司的實際業(yè)務(wù)發(fā)展需求，為了滿足市場上所需的智能交互式高清機頂盒的需要，通過采用基于 Android 系統(tǒng)和Linux 系統(tǒng)的相互結(jié)合，進而對智能機頂盒內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)進行了深入研究和分析， 整個智能交互式高清機頂盒的主要需要由網(wǎng)關(guān)單板以及機頂盒單板兩大部分構(gòu)成，機頂盒部分的主控制器可以采用海思半導體公司所研發(fā)的HI37 系列的芯片，網(wǎng)關(guān)部分的控制器可以選擇ARMCortex-M 系列芯片，機頂盒部分通過外接存儲器、數(shù)據(jù)輸入輸出接口（HDMI、CVBS 等）、編解碼器、圖形處理器以及ETH 以太網(wǎng)接口等多個子模塊，進而實現(xiàn)廣播電視、網(wǎng)絡(luò)電視、視頻會議等多種不同的需求，同時利用網(wǎng)關(guān)部分的設(shè)計可以實現(xiàn)家里的多種電器的智能控制，兩系統(tǒng)間可以采用Socket 通信方式完成兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的交互。該智能交互式高清機頂盒的研究，能夠在一定程度上提高廣電網(wǎng)絡(luò)運營商同電信運營商、網(wǎng)絡(luò)運營商的競爭力，給廣大的電視觀眾帶來較大的便利。