雙向數字電視機頂盒的設計與實現

雙向數字電視機頂盒的設計與實現

摘要: 文章討論了基于DVB 標準的嵌入式雙向數字機頂盒的有關問題，在此基礎上描述了一個交互式機頂盒軟、硬件的詳細設計方案。

關鍵詞: 嵌入式、交互式、STB
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　　隨著網絡技術的發展，尤其是光網絡技術的發展使得主干網上的帶寬達到了數十Gbps。同時，光傳輸網的價格不斷下降使得光纖傳輸系統在有線電視網絡中得到了大量應用，從傳統的同軸電纜發展成為混合光纖同軸電纜(HFC)。HFC就是在骨干網采用光傳輸系統，而在接入部分仍然使用同軸電纜的混合網絡。

HFC網豐富的帶寬和客戶資源使有線電話、高速Internet接入、利用機頂盒的視頻點播(VOD) 以及交互式數字電視等業務成為可能，具有巨大的產業開發價值。但是，傳統有線電視網傳輸的電視信號是廣播式的，而新業務傳輸強調的是雙向交互，用戶在接收信息時還需要回傳個人信息。根據用戶回傳信息方法的不同，可將這種交互式業務分為基于雙向HFC 網絡回傳的交互和基于PSTN 回傳的交互兩種。

文章主要討論基于DVB 標準的在雙向HFC 網絡上的交互式數字電視系統的一些關鍵技術問題，并在此基礎上提出了一種交互式數字電視機頂盒的實現方案。
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　　1. 基于DVB 的交互式數字電視系統

1.1　雙向HFC 網絡系統設計

為了在有線電視網絡上開展交互數字電視業務，必須提供能夠使用戶發送交互信息的回傳信道。因為骨干光網絡是環形的，所以交互方法將現有的單向HFC 網絡進行雙向改造主要是將接入網的單向放大器改為雙向放大器。這里，我們主要討論在雙向HFC 上實現交互數字電視的方法，其網絡結構設計如圖1 所示。

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圖1 　雙向HFC 網絡

從圖1 可以看到,整個網絡可以劃分為前端(如廣播電視中心局) 、干線傳輸網(光纖傳輸) 、分配網絡(同軸傳輸) 三個部分，電視臺的節目在前端由光調制后先通過HFC 網絡的骨干光纖環網傳輸到雙向同軸電纜網絡，然后傳輸到用戶機頂盒，而用戶的上行信息也通過HFC 網絡的規定頻段上傳到前端進行解調。
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　　1.2　于DVB 的交互式數字電視系統

關于交互式數字電視的標準主要有歐洲的DVB、美國的DOCSIS以及DAVIC等。其中，DVB 標準制訂時間最長，在世界范圍內最普及，我國當前的大多數數字電視相關的產品也都是基于DVB 標準的，所以，我們主要討論基于DVB 的交互式數字電視系統。

根據DVB-C標準,我們設計的交互數字電視系統的下行頻率分配為550MHz 到750MHz 的200M 帶寬用于增殖業務下行信道，120MHZ到550MHZ用于傳輸原有的63個模擬頻道節目，750MHZ以上用于未來的應用，下行調制以正交幅度調制 (64QAM)為基礎；其上行信道安排在5～42MHz內，有接近40MHz的頻帶，還可以擴展到48MHz。其中5～8MHz傳輸狀態監視信息， 8～12MHz傳VOD信令，15～46MHz傳輸電話或數據。上行信道的調制方式為QPSK。

基于DVB-C標準以雙向HFC網絡上開展交互式數字電視業務的系統結構如圖2 所示。

圖2 　基于雙向HFC 網的交互式數字電視系統框圖

從圖2 可以看到，基于雙向HFC傳輸網絡的交互式數字電視系統的實現是在原有服務(模擬電視傳輸) 方式上的擴展和疊加，電視臺前端需要設置雙向數據交換中心，主要由以太交換機、網管站、各種功能的服務器、前端處理器(實現調制/解調等功能) 等設施組成。

以太交換機位于網絡系統管理中心，能實現與服務器、網管站、前端處理器、路由器等每個交換端口的交換功能，完成多路100M以太數據流的快速交換和多路100M視頻流、數據流的輸出任務；視頻服務器在本系統中承擔視頻節目的存儲與實時播放任務，其所播放的節目已經通過編輯服務器進行了格式編輯并以文件的方式存儲在海量視頻數據存儲器中，不要求視頻服務器對節目進行實時壓縮和格式轉換；管理服務器在本網絡系統中承擔用戶請求的響應以及中心資源的實時控制與分配，是系統管理中心的主控服務器，除要求系統運行速度外，還對系統的穩定性與可靠性有更高的要求；數據庫服務器在本網絡系統中承擔系統數據庫的管理工作，由系統用戶數據庫、資源數據庫、流水數據庫、財務數據庫等相關數據庫構成，是系統統計、分析與優化的參考源；編輯服務器在本網絡系統中承擔系統資源的制作與準備工作，同時兼作中心數據資源服務器，要求具有較大的存儲容量；QAM 調制器位于系統中心，主要負責32Mbps下行數據流的QAM調制。系統采用64QAM調制方式支持ETS300 429 標準；解調器主要任務是接收5～42MHz 的上行射頻信號，并把RF 信號解調后成為以太交換機能理解的信號格式,送往相關服務器。
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　?。病〗换ナ綌底謾C頂盒的硬件設計

目前，從功能上來看，機頂盒可以分成三類：一是衛星數字機頂盒(亦稱衛星綜合接收解碼器)；二是有線電視機頂盒，三是上網機頂盒。機頂盒的硬件結構隨功能和工作方式的不同有著很大的區別，但其基本的組成一般是高性能的處理器內核、存儲器、通訊接口、數據解碼器、視頻音頻圖像處理器、電視編碼及接口、外圍IPO 接口等。圖1 為一個機頂盒的組成框圖，整個硬件系統分為若干個子系統：MPEG解碼、音頻視頻和圖形處理、電纜調制解調器、高性能嵌入式微處理器、存儲器以及外圍接口電路。
下面分別介紹系統中個部分的組成、功能。

(1) 數字電視廣播接收前端

包括調諧器和QAM解調器，該部分可以實現從射頻信號中解調出MPEG傳輸流。調諧模塊接收射頻信號并下行變頻為中頻信號，然后進行APD轉換為數字信號，再送入QAM 解調模塊進行QAM 解調，輸出MPGE傳輸流的串行或并行數據。

(2)MPEG解碼

MPEG解碼部分包括解復用、解擾處理和音頻視頻信號解壓縮，輸出為音頻視頻基本流以及數據凈荷。解復用模塊接收MPEG傳輸流，從中抽出一個節目的PES數據，包括視頻PES、音頻PES 以及數據PES。解復用模塊中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES 層加擾的數據進行解擾，其輸出是已解擾的PES。

(3)Video/Audio 信號處理

完成音頻視頻模擬編碼以及圖形處理功能，可以直接輸出Video 和Audio 信號。視頻PES 送入視頻解碼模塊，取出MPEG視頻數據，并對MPEG視頻數據進行解碼，然后輸出到PALPNTSC 編碼器,編碼成模擬電視信號，再經視頻輸出電路輸出。音頻PES 送入音頻解碼模塊，取出MPEG音頻數據，并對MPEG音頻數據進行解碼，輸出PCM 音頻數據到PCM 解碼器，PCM 解碼器輸出立體聲模擬音頻信號，經音頻輸出電路輸出。

(4) 電纜調制解調器(Cable Modem)

電纜調制解調器模塊由一個雙向調諧器、下行QAM解調器、上行QPSKPQAM 調制器和媒體訪問控制(MAC) 模塊組成，該部分按照DAVIC 協議在外部輸入數據與微處理器見實現數據變換，用通過該模塊可以實現高速Internet 接入以及交互式的數字視頻音頻服務。

(5) 嵌入式微處理品(Embedded Processor)

微處理器和存儲模塊提供信號的存儲和控制的處理功能，提供一個可編程的硬件平臺，并對系統中各個功能模塊間進行協調和控制。嵌入式微處理器是整個系統的核心，其性能的優劣直接關系到整個系統的性能。微處理器選擇時應當從其處理能力、功耗、可擴展能力、集成度以及供貨情況和技術支持能力等方面綜合考慮。目前，比較流行的有:Motorola 和PowerPC 系列、Intel 的Strong Arm 系列、NSC 的Geode Gxm 系列以及MIPS32 和MIPS64 系列等RISC 結構的嵌入式微處理器。

(6) 外圍接口電路

外圍接口電路提供各種外部接口(如通用串行接口USB，告訴串行接口1394、以太網口、RS232 以及音頻視頻接口等) ,用來連接無線的鍵盤、鼠標以及VCR、VCD、數字攝像機等設備,以實現微處理器與外部設備的通訊。
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　　3. 交互式數字機頂盒的軟件設計

交互式數字機頂盒的軟件是以一個實時操作系統(RTOS) 為核心，根據系統硬件結構和系統功能設計加以擴充。目前通用的操作系統，如Wind River System 公司的VxWorks、Integrated Systems Incorporated 公司的pSOS、Microware 公司的DAVIDOS - 9、ST 公司的OS20 、Windows CE 以及專為機頂盒開發的Power TV 等。另外，還有一種開放源碼的實時的操作系統Linux，并通過一組嵌入式可配置實時操作系統,在該操作系統內核的最底層有一個硬件抽象層(HAL)，通過HAL 直接控制和訪問硬件，并通過一組宏向其它與機器無關的代碼提供服務，這樣大大簡化了RTOS kernel 的移植工作，如果硬件平臺變化了,除了設備驅動程序外，只需要修改硬件抽象層的代碼就可以了。

圖3 所示是一個以Linux為操作系統內核的機頂盒

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圖3一個交互式數字機頂盒軟件設計模塊圖
圖3中，最低的一層為各類硬件部件的驅動程序，這些硬件部件包括音頻視頻圖形處理部件，網絡通訊部件，系統IPO 部件(串行口、并行口、智能卡接口等) 以及系統存儲器。目前這些部件都是專用的芯片,它們的驅動程序也是直接與硬件有關的。
在硬件驅動程序上一層就是實時操作系統Linux內核,這是整個軟件系統的核心，它負責任務調度、實時監控、資源分配. 在操作系統內核的最底層是硬件抽象層HAL，操作系統通過HAL 管理下層的硬件驅動程序。
實時操作系統層上面是系統控制層和庫程序，系統的交互性也是在這里得到控制和實現。 系統控制層提供對視頻音頻數據控制、用戶存取接口、通訊、通道選擇等高級功能,也支持多個應用程序對這些功能的共享和重復使用。庫程序則提供系統視頻、音頻圖像處理等的函數的程序。
最上而為應用程序層，這里處理各種應用功能，從系統控制層選擇相應的功能模塊，實現預定義的功能,如上網瀏覽、軟件下載、收發EMAIL視頻點播、交互式游戲、網上購物等等。
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　　3. 結　論
利用雙向HFC 結構開展交互式數字電視業務進行了詳細介紹，并對實現過程中所要考慮的雙向HFC網絡改造、交互式數字電視系統的系統設計以及前端設計都提出了相應的解決 策略。同時，還提出了一個實際的機頂盒設計方案，詳細討論了其軟硬件設計與實現過程，并這對于構建完整的數字電視系統是非常有意義的。