电缆数字广播电视接收机顶盒

1 引言

　　1994年欧洲21个国家170多个机构联合制定了DVB(Digital Video Broadcasting)的计划和标准，这个标准涉及到卫星、电缆和地面等媒介。美国、英国、日本等发达国家随后都开始了基于DVB标准的数字卫星广播(DVB－S)，中国也紧跟世界卫星电视技术的发展，于1995年正式开播DVB，目前已有二十几个上星频道。同时在中国的某些城市也开始了电缆DVB试播(DVB－C)。数字电视发展之快，是由于它卓越的性能所决定的。与模拟电视相比，数字电视有下列主要优点：

　　(1) DVB的视、音频信号从信源、传输到终端接收均为数字化，因而大大提高了音像质量，达到了人们满意的SDTV标准和综合数据服务的要求；
　　(2) DVB价格低廉，一个DVB接收机顶盒成本在1 000元以下；
　　(3) DVB节约频率资源，传输一路模拟电视占用卫星转发器36MHz的带宽，可传数字电视4～6路；传输一路模拟电视占用电缆带宽8MHz，可传数字电视9路。可见数字电视大大节省了宝贵的频率资源，可以为用户提供大量的电视节目。

　　因此数字电视在中国的推行是必然趋势，但是中国现有1 000多家电视台、4亿台模拟电视机，其中彩电2亿台。此外在中国的广大农村还面临着彩电普及问题。如此状态要真正实现从发射源到接收机全部环节的数字化，势必要经过相当长的一段时间。在这期间将是模拟电视和数字电视共存。因而作为既不影响模拟电视接收又能将数字电视接收后转换成模拟电视的机顶盒将成为市场热销产品。

　　近年来，随着广播和因特网的迅速发展，机顶盒经历了从模拟式到数字式，从广播式到交互式的变迁，从单一的解密收费装置发展成为集解压缩、Web浏览、解密收费和交互控制为一体的数字化终端设备。

　　根据传输媒体和功能的不同，DVB机顶盒有7种，目前已经研制试用的有两种，即DVB－S(接收卫星数字电视信号)和DVB－C(接收电缆网中的数字电视信号)。DVB－S在欧洲应用比较广泛，但中国卫星接收还没有完全开放，很难普及。而DVB－C在城市中则是首选的，它除了作为模拟电视机接收数字电视的桥梁外，还可以利用CATV网络进行宽带交互式服务，如视频点播、网上购物、家庭银行、互动教室和交互游戏等；也可以作为电视接入因特网的重要工具。因此，DVB－C在中国将具有很大的市场。

　　本文在介绍DVB－C基本原理的基础上，介绍我们用Philips公司的芯片集开发的电缆数字广播电视机顶盒。

　　2 DVB－C的基本原理

　　数字电视主要依据了MPEG2标准的图像压缩技术和DVB标准的信道编码技术。在信源部分采用了ISO/IEC 13818－2(MPEG2)和Dolby AC－3标准分别对视频和音频进行压缩，使其成为码速率较低的节目流，再将几路这样的节目流经过变换、复用形成码速率较高的便于传输的传输流，输入信道编码调制设备。

　　信道编码依据DVB标准，有关电缆内容的称为DVB－C标准和反向的DVB－RC标准，其中ETS 300 800和ETS 300 801标准定义了电缆分布系统的交互信道中与网络有关的层协议，ETS 300 800针对电缆网上的交互信道，而ETS 300 801是以PSTN和ISDN网为交互信道。TR 101 196标准是ETS 300 800的指南。EN 300 429标准则定义了电缆网中的下行物理层，包括帧结构、信道编码和调制。为了保证正确同步，使数据“1”和“0”随机分布，解决长零串的问题，需要加扰码。为了增强对突发干扰的抵抗能力，除了选用性能优良的前向纠错编码RS码之外，还要加上卷积交织，使数据之间的相关性减弱，将突发性信道改造成随机性信道。调制技术则选用QAM方式，折衷考虑频带利用率和抗噪声性能，在传输环境较好的电缆中常使用64QAM。

　　机顶盒的原理框图如图1所示。调谐器接收来自电缆网中的信号，变成中频，经滤波、放大、A/D转换，再进行QAM解调，包括解卷积交织、RS码、扰码等，输出TS流，再经过解复用，滤出所选择的节目，解出视、音频压缩编码，最后经过模拟编码变成各种格式的视、音频模拟信号，如RGB、S端和复合视频等等，可以在模拟电视机上收看。节目的选择和菜单控制采用面板按键或遥控。

图1　电缆数字接收机机顶盒原理框图

　　3 数字机顶盒的硬件组成

　　数字机顶盒是由软件控制的嵌入式实时系统，所以它的实现包括硬件和软件两个部分。

　　根据功能要求，机顶盒的硬件可分成下列几个部分(见图2所示)：主板、前端板、前面板和智能卡板及电源等。主板实际上就是一个专用计算机系统，包括内嵌的CPU、FLASH、 DRAM和EEPROM等存储器。同时，它还有一些数字音视频的专用处理芯片。在我们的方案中，我们选用Philips公司的SAA7214、SAA7215等机顶盒专用芯片集作为主板上的核心芯片。SAA7214内嵌MIPS CPU，实现与外围部件的接口，如IEEE 1394、1284并口、RS232串口、IC卡接口等，同时实现MPEG TS的解复用处理及与SAA7215的接口。

图2　数字机顶盒的硬件框图

　　SAA7215主要实现MPEG音视频的解压缩过程，并提供显示所要求的各种功能，如光标、窗口、图形等。

　　前端板功能是将电缆上来的QAM信号解调，纠错后恢复出MPEG TS 送给主板。它的工作通过I2C总线受主板上的SAA7214控制。

　　前面板是实现与用户的接口，它接收遥控信号，并将其通过串口送给主处理板上的CPU，经处理后，回送到前面板显示。智能卡板上有一个智能卡阅读器，它读出智能卡上的信号，用于数字电视的收费和加密。

　　4 数字机顶盒的软件组成

　　4.1软件实现的总体结构

　　机顶盒的软件采用了功能分层的方法，按功能将整个软件分为应用层、功能层、平台层、I/O设备驱动层和资源层，如图3所示。平台层模块和I/O设备驱动模块运行于硬件模块上，它们由一些设备驱动程序组成。功能层模块位于平台层之上，功能层不能直接与硬件发生关系。资源层可被所有层的软件模块使用，它对所有软件模块提供了一些通用的操作，如实时操作系统功能、调试功能、C标准库功能等。

图3　数字机顶盒的层次结构

　　应用层提供“可见和可感觉”的功能，同时在该层中还规定流与用户的交互功能。为了实现这些功能，应用层要调用功能层的功能。

　　功能层提供的功能是由多个设备驱动程序所提供的功能的组合，如为了实现teletext功能，它要用到TS/PES(Transport Stream/Packetized Elementary Stream)设备驱动程序和AVG(Audio Video Graphics)设备驱动程序。

　　平台层由一组驱动程序组成，每个驱动程序控制一个由硬件实现的MPEG/DVB功能，例如视频解码、音频解码、TS流处理、节目调谐等。平台层驱动程序的接口是由通用的函数构成的，其目的是不直接规定特定的硬件接口函数而是规定与MPEG/DVB相关的函数，这样做使得硬件更新时对软件的影响减小。有一些平台驱动程序虽然没有直接与硬件接口，但采用了I/O方式的平台驱动程序。平台层驱动程序之间一般不允许互相通信，如果一定要通信，只能通过功能层进行。

　　I/O平台驱动程序的功能是访问硬件，如I2C总线驱动程序、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)驱动程序等。

　　4.2 软件实现结构

　　根据软件的总体结构，结合具体的Philips芯片集以及硬件框架，我们所实现的数字机顶盒的软件结构如图4表示。

图4　数字机顶盒软件构成

　　应用层主要实现数字电视的收看及用户界面的交互操作。具体来说，应用层要实现各种显示功能，如用户界面、各种菜单功能(包括菜单的安装、选择，图形、图像、字符、视频和声音的的显示与播放等)。

　　功能层提供在应用层控制对象的低层图像例子程序、MPEG2传输流中对TS流处理的PSI(Program Specific Information)处理程序、与前面板通信程序、前端模块(调谐和解调)执行程序，以及图文处理程序等等。

　　平台层和I/O设备驱动层则和具体的硬件设备有关，提供各硬件模块的设备驱动程序，包含控制解复用和解扰码的硬件MSP(MPEG System Processor)、音频/视频/图像设备驱动、前面板设备驱动、FLASH(闪存)、NVM(Non Volatile Memory)等设备驱动以及PIO(Programmable Input Output)、UART和I2C等设备驱动。

　　资源层可为各个软件层所共享，它由操作系统抽象(OSA)、实时操作系统(RTOS)及板支持软件包(BSP)等模块组成。其中OSA是对实时操作系统的进一步封装，所提供的操作系统方法可直接应用于相关层次的功能实现中，所使用的实时操作系统是PSOS系统。PSOS系统是一种模块化的、高性能的实时操作系统，它在开放系统的标准上提供了完全的多任务环境。并且由于嵌入式实时应用软件总是与硬件相关，而各种应用的硬件平台各不相同，特别是根据需要常常使用不同的CPU芯片，因此，为了提供操作系统与硬件的连接，资源层就要采用BSP对不同的硬件板加以封装。

　　5 结束语

　　正如业内人士预料的一样，在近来国内众多的展览会上，DTV和数字机顶盒已成为众人瞩目的焦点。众厂家一致认为，在当今模拟电视向数字电视转化的很长过渡期内，数字机顶盒是电视接入因特网和接收广播电视服务的最便捷途径。由于逐步认识到数字机顶盒的巨大市场潜力，一时间，消费电子厂家、计算机公司、通信设备公司以及广播电视公司等纷纷抢占机顶盒领域的制高点。

　　我们已经研制成功有线数字电视接收机顶盒，即将通过测试，并在此基础上正在开发有反向信道功能的综合机顶盒。面对中国这个巨大的机顶盒潜在市场，国外企业已经虎视眈眈，这对国内企业来说就更要把握机遇，迎接中国数字广播时代的到来。

[摘要] 文章在简要介绍了DVB－C的基本原理后，着重介绍了基于电缆的数字机顶盒的硬件结构、软件结构及实现概要。

[关键词] 数字视频广播 机顶盒 正交调幅

[Abstract] This article introduces the architectures of hardware and software,which are used in developing cable－based STB,and realization mechanism, after the basic principle of DVB－C is briefly introduced.

[Keywords] Digital video broadcasting Set top box QAM