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数字电视机顶盒技术综述

(2008-02-22 15:05:40)
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杂谈

摘要】本文从数字电视机顶盒的概念、功能、原理与结构、主要技术及其在国内的发展现状等方面,详细地介绍了数字电视机顶盒。
    
机顶盒STBSetTopBox)起源于20世纪90年代初,当时在欧美作为保护版权和收取收视费的重要手段,有线电视台在每台用户电视机之前加一个密钥盒,只有交了费的用户才能正常收看电视,这就是最初的机顶盒。
    20
世纪90年代中期,国际互联网在全世界快速发展和普及,人们萌发了用电视机上网的想法,于是具有Internet功能的机顶盒出现了。当时,计算机和网络厂商都期望因特网机顶盒能成新的家用电器,市场炒作曾经几起几落,但始终未成气候。
    1998
11月,美国和欧洲DTV(数字电视)及HDTV(高清晰度数字电视)试播后,又一次掀起了机顶盒的高潮,这次机顶盒的主要作用是用普通模拟电视机收看 数字电视或数字高清晰度电视,当然也具备网络和有条件接收功能,这种机顶盒被称为数字电视机顶盒。根据传输媒体的不同,数字电视机顶盒又分为数字卫星机顶 盒(DVBS)、地面数字电视机顶盒(DVBT)和有线数字电视机顶盒(DVBC)三种,三种机顶盒的硬件结构主要区别在解调部分。目前应用较为广 泛的是数字卫星机顶盒及有线电视数字机顶盒。本文主要介绍有线数字电视机顶盒。 1 数字电视机顶盒的概念
    
对于机顶盒,目前没有标准的定 义,传统的说法是:置于电视机顶上的盒子'。它是利用有线电视网络作为传输平台,电视机作为用户终端,以提高现有电视机的性能或增加其功能。由于功能和 用途不同,使得机顶盒这个概念有些模糊不清,如早期的增补频道机顶盒、图文电视机顶盒、付费电视机顶盒等。
    
数字电视机顶盒是信息家电之一,它是一种能够让用户在现有模拟电视机上观看数字电视节目,并进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费类电子产品。 2 数字电视机顶盒的功能
    
数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目,同时具有所有广播和交互式多媒体应用功能,包括:
    
1)电子节目指南(EPG):它为用户提供一种容易使用、界面友好、可以快速访问想看节目的方式,用户可以通过该功能看到一个或多个频道甚至所有频道上近期将播放的电视节目。
    
2)高速数据广播:它能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种信息。
    
3)软件在线升级:它可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器按DVB数据广播标准将升级软件广播下来,机顶盒能识别该软件的版本号,在版本不同时接收该软件,并对保存在存储器中的软件进行更新。
    
4)因特网接入和电子邮件:数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现因特网接入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网,发送电子邮件。同时机顶盒也可以提供各种接口与PC相连,使用PC接入因特网。
    
5)支持交互式应用如: 视频点播、互动游戏等。
    
6)有条件接收:有条件接收的核心是加扰和加密,数字机顶盒应具有解扰和解密功能。 3数字电视机顶盒的原理与结构
    
数字电视机顶盒接收各种传输介质来的数字电视和各种数据信息,通过解调、解复用、解码和音视频编码(或者通过相应的数据解析模块),在模拟电视机上观看数 字电视节目和各种数据信息。以有线数字电视机顶盒为例,其工作原理如下: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。
    
根据接收数字电视广播和互联网信息的要求,一个数字电视机顶盒的硬件结构由信号处理(信道解码和信源解码)、控制和接口几大部分组成。机顶盒的结构图如图1所示。


    
具有交互功能的机顶盒则需回传通道。
    
机顶盒从功能上看是计算机和电视机的融合产物,但结构却与两者不同,从信号处理和应用操作上看,机顶盒包含以下层次:
    (1
)物理层和连接层:包括高频调谐器,QPSKQAMOFDMVSB解调,卷积解码,去交织,里德索罗门解码,解能量扩散。
  (2)传输层:包括解复用,它把传输流分成视频、音频和数据包。
  (3)节目层:包括MPEG—2视频解码,MPEG/AC—3音频解码。
  (4)用户层:包括服务信息,电子节目表,图形用户界面(GUI),浏览器,遥控,有条件接收,数据解码。
  (5)输出接口:包括分模拟视音频接口,数字视音频接口,数据接口,键盘,鼠标等。
   数字电视机顶盒的工作过程大致如下: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MPEG2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。MPEG2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。
4
 数字电视机顶盒的主要技术
  信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式CPUMPEG2解压缩、机顶盒软件、显示控制和加解扰技术是数字电视机顶盒的主要技术。
  (1)信道解码
   数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。在数字电视机顶盒中,高频头是必须的,不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接 收频道、有线电视增补频道。根据DTV目前已有的调制方式,信道解码应包括QPSKQAMOFDMVSB解调功能。
  (2)信源解码
  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MPEG2视频压缩标准,适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC3MPEG2两种标准。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)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。
  (4)嵌入式CPU
   嵌入式CPU是数字电视机顶盒的心脏,当数据完成信道解码以后,首先要解复用,把传输流分成视频、音频,使视频、音频和数据分离开,在数字电视机顶盒专 用的CPU中集成了32个以上可编程PID滤波器,其中两个用于视频和音频滤波,其余的用于PSISIPrivate数据滤波。CPU是嵌入式操作系 统的运行平台,它要和操作系统一起完成网络管理,显示管理、有条件接收管理(IC卡和Smart卡)、图文电视解码、数据解码、OSD、视频信号的上下变 换等功能。为了达到这些功能,必须在普通3264CPU上扩展许多新的功能,并不断提高速度,以适应高速网络和三维游戏的要求。
  (5)MPEG2解码
   MPEG2是数字电视中的关键技术之一,目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在MPEG2技术基础上,MPEG2是包括从网络传输到高清晰度 电视的全部规范。MP@LL用于VCD,可视电话会议和可视电话用的H.263H.261是它的子集。MP@ML用于DVDSDTVMP@MH用于 HDTV
  MPEG2图像信号处理方法分运动预测、DCT、量化、可变长编码4步完成,电路是由RISC处理器为核心的ASIC电路组成。
   MPEG2解压缩电路包含视频、音频解压缩和其它功能。在视频处理上要完成主画面、子画面解码,最好具有分层解码功能。图文电视可用APHA迭显功能 选加在主画面上,这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据,要有很高的速度和处理能力。OSD是一层单色或伪彩色字幕,主要用于用户操作提示。
  在音频方
面,由于欧洲DVB采用MPEG2伴音,美国的ATSC采用杜比AC3,因而音频解码要具有以上两种功能。
  (6)数字电视机顶盒软件
  电视数字化后,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,具体如下:
  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 嵌入式实时多任务操作系统:嵌入式实时操作系统是相对于桌面计算机操作系统而言的,它不装在硬盘中,系统结构紧凑,功能相对简单,资源开资较小,便于固化 在存储器中。嵌入式操作系统的作用与PC机上的DOSWindows相似,用户通过它进行人机对话,完成用户下达的指定。指定接收采用多种方式如:键 盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。
  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、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。
  (7)显示技术
   就电视和计算机显示器而言,CRT显示是一种成熟的技术,但是用低分辨率的电视机显示文字,尤其是小于24×24的小字,问题就变得复杂了。电视机的显 像管是大节距的低分辨率管,只适合显示720×576640×480的图像,它的偏转系统是固定不变的,是为52560Hz62550Hz设计 的,而数字电视的显示格式有18种以上。上网则要符合VESA格式,显然,电视机的显示系统无法适应这么多格式。另外,电视采用低帧频的隔行扫描方式,当 显示图形和文字时,亮度信号存在背景闪烁,水平直线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换到电视机上,水平边沿就会仅出现在奇场或偶场,屏显时间 接近人眼的视觉暂留,会产生厉害的边缘闪烁现象,因而要用电视机上网,必须要补救电视机显示的缺陷。
  根据技术难度和成本,目前用两种方法进行 改进,一种是抗闪烁滤波器,把相邻三行的图像按比例相加成一行,使仅出现在单场的图像重现在每场中,这种方式叫三行滤波法。三行滤波法简单易实现。但降低 了图像的清晰度,适用于隔行扫描方式的电视机。另一种方法是把隔行扫描变成逐行扫描,并适当提高帧频,这种方式要成倍地增加扫描的行数和场数,为了使增加 的像数不是无中生有,保证活动画面的连续性,必须要作行、场内插运算和运动补偿,必须用专用的芯片和复杂的技术才能实现,这种方式在电视机上显示计算机图 文的质量非常好,但必须在有逐行和倍扫描功能的电视机上才能实现。另外把分辨率高于模拟电视机的HDTVVESA信号在电视机上播放,只能显示部分画 面,必须进行缩小这就像PIP方式,要丢行和丢场。同样为保证图像的连续性,也要进行内插运算。
  (8)加解扰技术
  加解扰技术用于 对数字节目进行加密和解密。其基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法,用户端利用IC卡解密。在MPEG传输流中,与控制字传输相关的有2个数据流:授 权控制信息(ECMs)和授权管理信息(EMMs)。由业务密钥(SK)加密处理后的控制字在ECMs中传送,其中包括节目来源、时间、内容分类和节目价 格等节目信息。对控制字加密的业务密钥在授权管理信息中传送,并且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥(PDE)的加密处理。EMMs中还包括地址、 用户授权信息,如用户可以看的节目或时间段,用户付的收视费等。
  用户个人分配密钥(PDK)存放在用户的智能卡(Smart Card)中,在用户端,机顶盒根据PMTCAT表中的CAdescriptor,获得EMMECMPID值,然后从TS流中过滤出ECMsEMMs,并通过Smart Card接口送给Smart CardSmart Card首先读取用户个人分配密钥(PDK),用PDKEMM解密,取出SK,然后利用SKECM进行解密,取出CW,并将CW通过Smart Card接口送给解扰引擎,解扰引擎利用CW就可以将已加扰的传输流进行解扰。
5
数字电视机顶盒在我国的发展现状
  数字电视机顶盒将改 变我们现有的电视的概念,也将为互联网提供一个崭新的消费终端,而且这个消费终端将比其他任何终端如PC、手机、PDA都普及、方便、吸引人。随着各地有 线数字电视的试播,数字电视机顶盒的推广与几年前相比已有长足的进步,但是数字机顶盒在国内还没有得到广泛的应用,这主要有几个原因:
  (1)数字机顶盒的技术含量较高,真正的产品并不是很多,许多厂商的VOD(视频点播)事实上大多处于概念阶段。
  (2)网络双向改造与质量问题。由于数字电视机顶盒受网络带宽制约较大,尤其是目前国内网络发展基础薄弱,而且各种网络资源各自为阵, 因此它的大范围普及推广还需时日。
   (3)服务不力、缺乏专业的ICP,即信息和节目资源贫乏。如VOD业务推广应用的一大难点就是节目源的开放以及片源、版权。国家有线电视主干网的建 立、专业供片商的出现可在一定程度上缓解这一难题。许多厂家纷纷开发基于宾馆、酒店、小区的VOD系统,也是为了避开这一难题。
  (4)资费偏高。即使是每月50元的信息费用,对多数用户而言也是不小的开支。中国人的消费心理是可以承受一次性较大的购置成本,却不大愿意接受长期持续不断的、没有明显回报的消费支付。
   尽管当前数字机顶盒的推广受到了很大的限制,但是数字电视机顶盒不仅是用户终端,也是网络终端,它能使模拟电视机从被动接收模拟电视转向交互式数字电视 (如视频点播等),并能接入因特网,使用户享受电视、数据、语言等全方位的信息服务。随着数字技术、多媒体技术和网络技术的发展,数字电视机顶盒功能将逐 步完善,尤其是单片PC技术的发展,将促使数字电视机顶盒内置和整个成本下降,让大多数用户在普通模拟电视机上实现既能娱乐,又能上网等多种服务。

 

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