數(shù)字機頂盒的結(jié)構(gòu)和原理

數(shù)字電視機頂盒接收數(shù)字電視節(jié)目，處理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和完成多種應(yīng)用的解析。各類信源在進入有線電視網(wǎng)絡(luò)之前經(jīng)過兩級編碼，第一級是視音頻信號的信源編碼，并將所有信源封裝成傳輸流，第二級是傳輸用的信道編碼。與前端相應(yīng)，數(shù)字電視機頂盒首先從傳輸層提取信道編碼信號，完成信道解調(diào)，接著還原壓縮的信源編碼信號，恢復(fù)原始視音頻流，同時完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多種應(yīng)用的接收、解析。

數(shù)字電視機頂盒的工作過程：數(shù)字電視機頂盒通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊選擇頻道，并進行解調(diào)和和信道解碼處理，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)用器中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對加擾的數(shù)據(jù)進行解擾，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)并對其解碼后，輸出到模擬編碼器，編碼成模擬視頻信號，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，經(jīng)音頻輸出電路輸出。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖一。

數(shù)字電視機頂盒包括硬件和軟件兩部分。硬件提供數(shù)字電視機頂盒的硬件平臺，實現(xiàn)音視頻的解碼。在數(shù)字電視技術(shù)中，軟件技術(shù)比硬件占有更為重要的位置，因為電視節(jié)目內(nèi)容的重現(xiàn)、操作界面的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)的實現(xiàn)，以及機頂盒和Internet的互聯(lián)都需要軟件來實現(xiàn)。

1、數(shù)字電視機頂盒硬件組成

(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。

(4)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。

(5)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。

2、數(shù)字電視機頂盒軟件系統(tǒng)

在機頂盒中，軟件系統(tǒng)是一個重要的組成部分。主控制器的工作通過軟件的執(zhí)行來完成。

機頂盒的軟件基本結(jié)構(gòu)如圖二所示。操作系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)。在這個操作系統(tǒng)中主要完成進程調(diào)度、中斷管理、內(nèi)存分配、進程間通信、異常處理、時鐘提取等工作。硬件驅(qū)動部分提供外圍硬件設(shè)備的驅(qū)動，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，為數(shù)字電視應(yīng)用提供運行環(huán)境和軟件接口。中間件作為數(shù)字機頂盒中的一個獨立的軟件層，將應(yīng)用軟件與底層硬件和操作系統(tǒng)隔離開，對操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序定義了統(tǒng)一接口，同時對應(yīng)用程序也定義了統(tǒng)一接口，另外對常規(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)用程序獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，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。它通常由Java虛擬機、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)動層軟件分隔開來，使應(yīng)用軟件不依賴于具體的硬件平臺。

(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)、運行狀態(tài)表(RST)、時間及日期表(TDT)、時間偏移表(TOT)等。通過這些數(shù)據(jù)表，機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)目的播放時間、節(jié)目的分級等信息。機頂盒在解復(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逐一進行即可。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，機頂盒對節(jié)目業(yè)務(wù)的搜索要對應(yīng)前端廣播系統(tǒng)進行設(shè)計。一般是由運營商指定一個固定頻道，作為頻道配置信息的發(fā)布頻道。在機頂盒中預(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，疊印顯示也是機頂盒的基本功能，因此在數(shù)字電視機頂盒中可以較好的實現(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。

由于機頂盒中的軟件非常復(fù)雜，因此難免存在一些錯誤。另外隨著業(yè)務(wù)的不斷變化，軟件的功能也需要不斷的完善。因此軟件更新就成為一項重要的需求。軟件更新的實現(xiàn)方法包括在線廣播下載更新和單機本地更新。單機本地更新通過機頂盒上專用數(shù)據(jù)口將程序燒寫到FLASH內(nèi)存中，或通過更換程序RON實現(xiàn)。在線廣播下載更新是在系統(tǒng)前端通過特定的協(xié)議將更新軟件插入到碼流中，傳送給機頂盒。