双向数字电视机顶盒的设计与实现

双向数字电视机顶盒的设计与实现

摘要: 文章讨论了基于DVB 标准的嵌入式双向数字机顶盒的有关问题，在此基础上描述了一个交互式机顶盒软、硬件的详细设计方案。

关键词: 嵌入式、交互式、STB
 
　　随着网络技术的发展，尤其是光网络技术的发展使得主干网上的带宽达到了数十Gbps。同时，光传输网的价格不断下降使得光纤传输系统在有线电视网络中得到了大量应用，从传统的同轴电缆发展成为混合光纤同轴电缆(HFC)。HFC就是在骨干网采用光传输系统，而在接入部分仍然使用同轴电缆的混合网络。

HFC网丰富的带宽和客户资源使有线电话、高速Internet接入、利用机顶盒的视频点播(VOD) 以及交互式数字电视等业务成为可能，具有巨大的产业开发价值。但是，传统有线电视网传输的电视信号是广播式的，而新业务传输强调的是双向交互，用户在接收信息时还需要回传个人信息。根据用户回传信息方法的不同，可将这种交互式业务分为基于双向HFC 网络回传的交互和基于PSTN 回传的交互两种。

文章主要讨论基于DVB 标准的在双向HFC 网络上的交互式数字电视系统的一些关键技术问题，并在此基础上提出了一种交互式数字电视机顶盒的实现方案。
 
　　1. 基于DVB 的交互式数字电视系统

1.1　双向HFC 网络系统设计

为了在有线电视网络上开展交互数字电视业务，必须提供能够使用户发送交互信息的回传信道。因为骨干光网络是环形的，所以交互方法将现有的单向HFC 网络进行双向改造主要是将接入网的单向放大器改为双向放大器。这里，我们主要讨论在双向HFC 上实现交互数字电视的方法，其网络结构设计如图1 所示。

 

图1 　双向HFC 网络

从图1 可以看到,整个网络可以划分为前端(如广播电视中心局) 、干线传输网(光纤传输) 、分配网络(同轴传输) 三个部分，电视台的节目在前端由光调制后先通过HFC 网络的骨干光纤环网传输到双向同轴电缆网络，然后传输到用户机顶盒，而用户的上行信息也通过HFC 网络的规定频段上传到前端进行解调。
 
　　1.2　于DVB 的交互式数字电视系统

关于交互式数字电视的标准主要有欧洲的DVB、美国的DOCSIS以及DAVIC等。其中，DVB 标准制订时间最长，在世界范围内最普及，我国当前的大多数数字电视相关的产品也都是基于DVB 标准的，所以，我们主要讨论基于DVB 的交互式数字电视系统。

根据DVB-C标准,我们设计的交互数字电视系统的下行频率分配为550MHz 到750MHz 的200M 带宽用于增殖业务下行信道，120MHZ到550MHZ用于传输原有的63个模拟频道节目，750MHZ以上用于未来的应用，下行调制以正交幅度调制 (64QAM)为基础；其上行信道安排在5～42MHz内，有接近40MHz的频带，还可以扩展到48MHz。其中5～8MHz传输状态监视信息， 8～12MHz传VOD信令，15～46MHz传输电话或数据。上行信道的调制方式为QPSK。

基于DVB-C标准以双向HFC网络上开展交互式数字电视业务的系统结构如图2 所示。

图2 　基于双向HFC 网的交互式数字电视系统框图

从图2 可以看到，基于双向HFC传输网络的交互式数字电视系统的实现是在原有服务(模拟电视传输) 方式上的扩展和叠加，电视台前端需要设置双向数据交换中心，主要由以太交换机、网管站、各种功能的服务器、前端处理器(实现调制/解调等功能) 等设施组成。

以太交换机位于网络系统管理中心，能实现与服务器、网管站、前端处理器、路由器等每个交换端口的交换功能，完成多路100M以太数据流的快速交换和多路100M视频流、数据流的输出任务；视频服务器在本系统中承担视频节目的存储与实时播放任务，其所播放的节目已经通过编辑服务器进行了格式编辑并以文件的方式存储在海量视频数据存储器中，不要求视频服务器对节目进行实时压缩和格式转换；管理服务器在本网络系统中承担用户请求的响应以及中心资源的实时控制与分配，是系统管理中心的主控服务器，除要求系统运行速度外，还对系统的稳定性与可靠性有更高的要求；数据库服务器在本网络系统中承担系统数据库的管理工作，由系统用户数据库、资源数据库、流水数据库、财务数据库等相关数据库构成，是系统统计、分析与优化的参考源；编辑服务器在本网络系统中承担系统资源的制作与准备工作，同时兼作中心数据资源服务器，要求具有较大的存储容量；QAM 调制器位于系统中心，主要负责32Mbps下行数据流的QAM调制。系统采用64QAM调制方式支持ETS300 429 标准；解调器主要任务是接收5～42MHz 的上行射频信号，并把RF 信号解调后成为以太交换机能理解的信号格式,送往相关服务器。
 
　　２　交互式数字机顶盒的硬件设计

目前，从功能上来看，机顶盒可以分成三类：一是卫星数字机顶盒(亦称卫星综合接收解码器)；二是有线电视机顶盒，三是上网机顶盒。机顶盒的硬件结构随功能和工作方式的不同有着很大的区别，但其基本的组成一般是高性能的处理器内核、存储器、通讯接口、数据解码器、视频音频图像处理器、电视编码及接口、外围IPO 接口等。图1 为一个机顶盒的组成框图，整个硬件系统分为若干个子系统：MPEG解码、音频视频和图形处理、电缆调制解调器、高性能嵌入式微处理器、存储器以及外围接口电路。
下面分别介绍系统中个部分的组成、功能。

(1) 数字电视广播接收前端

包括调谐器和QAM解调器，该部分可以实现从射频信号中解调出MPEG传输流。调谐模块接收射频信号并下行变频为中频信号，然后进行APD转换为数字信号，再送入QAM 解调模块进行QAM 解调，输出MPGE传输流的串行或并行数据。

(2)MPEG解码

MPEG解码部分包括解复用、解扰处理和音频视频信号解压缩，输出为音频视频基本流以及数据净荷。解复用模块接收MPEG传输流，从中抽出一个节目的PES数据，包括视频PES、音频PES 以及数据PES。解复用模块中包含一个解扰引擎，可在传输流层和PES 层加扰的数据进行解扰，其输出是已解扰的PES。

(3)Video/Audio 信号处理

完成音频视频模拟编码以及图形处理功能，可以直接输出Video 和Audio 信号。视频PES 送入视频解码模块，取出MPEG视频数据，并对MPEG视频数据进行解码，然后输出到PALPNTSC 编码器,编码成模拟电视信号，再经视频输出电路输出。音频PES 送入音频解码模块，取出MPEG音频数据，并对MPEG音频数据进行解码，输出PCM 音频数据到PCM 解码器，PCM 解码器输出立体声模拟音频信号，经音频输出电路输出。

(4) 电缆调制解调器(Cable Modem)

电缆调制解调器模块由一个双向调谐器、下行QAM解调器、上行QPSKPQAM 调制器和媒体访问控制(MAC) 模块组成，该部分按照DAVIC 协议在外部输入数据与微处理器见实现数据变换，用通过该模块可以实现高速Internet 接入以及交互式的数字视频音频服务。

(5) 嵌入式微处理品(Embedded Processor)

微处理器和存储模块提供信号的存储和控制的处理功能，提供一个可编程的硬件平台，并对系统中各个功能模块间进行协调和控制。嵌入式微处理器是整个系统的核心，其性能的优劣直接关系到整个系统的性能。微处理器选择时应当从其处理能力、功耗、可扩展能力、集成度以及供货情况和技术支持能力等方面综合考虑。目前，比较流行的有: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 结构的嵌入式微处理器。

(6) 外围接口电路

外围接口电路提供各种外部接口(如通用串行接口USB，告诉串行接口1394、以太网口、RS232 以及音频视频接口等) ,用来连接无线的键盘、鼠标以及VCR、VCD、数字摄像机等设备,以实现微处理器与外部设备的通讯。
 
　　3. 交互式数字机顶盒的软件设计

交互式数字机顶盒的软件是以一个实时操作系统(RTOS) 为核心，根据系统硬件结构和系统功能设计加以扩充。目前通用的操作系统，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 以及专为机顶盒开发的Power TV 等。另外，还有一种开放源码的实时的操作系统Linux，并通过一组嵌入式可配置实时操作系统,在该操作系统内核的最底层有一个硬件抽象层(HAL)，通过HAL 直接控制和访问硬件，并通过一组宏向其它与机器无关的代码提供服务，这样大大简化了RTOS kernel 的移植工作，如果硬件平台变化了,除了设备驱动程序外，只需要修改硬件抽象层的代码就可以了。

图3 所示是一个以Linux为操作系统内核的机顶盒

 
图3一个交互式数字机顶盒软件设计模块图
图3中，最低的一层为各类硬件部件的驱动程序，这些硬件部件包括音频视频图形处理部件，网络通讯部件，系统IPO 部件(串行口、并行口、智能卡接口等) 以及系统存储器。目前这些部件都是专用的芯片,它们的驱动程序也是直接与硬件有关的。
在硬件驱动程序上一层就是实时操作系统Linux内核,这是整个软件系统的核心，它负责任务调度、实时监控、资源分配. 在操作系统内核的最底层是硬件抽象层HAL，操作系统通过HAL 管理下层的硬件驱动程序。
实时操作系统层上面是系统控制层和库程序，系统的交互性也是在这里得到控制和实现。 系统控制层提供对视频音频数据控制、用户存取接口、通讯、通道选择等高级功能,也支持多个应用程序对这些功能的共享和重复使用。库程序则提供系统视频、音频图像处理等的函数的程序。
最上而为应用程序层，这里处理各种应用功能，从系统控制层选择相应的功能模块，实现预定义的功能,如上网浏览、软件下载、收发EMAIL视频点播、交互式游戏、网上购物等等。
 
　　3. 结　论
利用双向HFC 结构开展交互式数字电视业务进行了详细介绍，并对实现过程中所要考虑的双向HFC网络改造、交互式数字电视系统的系统设计以及前端设计都提出了相应的解决 策略。同时，还提出了一个实际的机顶盒设计方案，详细讨论了其软硬件设计与实现过程，并这对于构建完整的数字电视系统是非常有意义的。