数字机顶盒关键技术及交互应用

数字机顶盒关键技术及交互应用

摘 要 本文提出交互式电视是未来有线电视的发展方向，对其重要组成部分的数字机顶盒进行了详细介绍，重点是关键技术和交互应用，最后指出发展数字机顶盒的重要意义。

　　关键词 交互式电视 数字机顶盒 视频点播 电子节目指南 实时操作系统

1 引言

　　在以数字化、网络化和信息化为基本特征的21世纪，电信网、计算机网和有线电视网三网融合的进程必将不断加快，而这种融合的具体体现正是交互式电视（ITV ，Interactive Television）。

　　交互式电视是一种受用户控制的视频分配业务，在节目间和节目内观众能够作出选择。它采用一种不对称的双向传输网络，用户信息通过窄带的上行信道传到信息中心，而由信息中心到用户的下行信道则是具有视频传输能力的宽带信道。因而是一种非对称双工形式的新型电视广播技术。正是现代通信技术、多媒体技术和数据压缩编码技术的进步，为传统的模拟、单向有线电视，向数字化、交互式方向发展奠定了坚实的基础。

　　数字机顶盒（STB，Set-Top-Box）是交互式电视系统中不可缺少的重要组成部分，它是普通电视与宽带传输之间的桥梁，通过它用户可在普通电视上收看高清晰度图像以及进行视频点播（VOD，Video On Demand）、家庭购物等服务。因此，设计性能卓越、功能完备的数字机顶盒对发展交互式电视具有重大意义。

2 数字机顶盒结构组成及实现功能

　　模拟电视向数字电视转化的进程不断加快，这不仅仅是视频传输和显示的一场变革，更重要的是由于采用了先进的数字压缩技术、多媒体技术和宽带网络技术，从而使电视广播不再限于单向发送音频视频信号，而是需要服务提供商能够根据用户的选择来提供相应的服务。模拟机顶盒只具备电视调谐和解码功能已不能满足要求，新型的数字机顶盒因此应运而生。

　　数字机顶盒是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，通过对数字化压缩的图像声音信号进行解码还原，产生模拟视频和声音信号，以提供给观众高质量的电视节目。数字化、交互式、多媒体、多功能是数字机顶盒的基本特征，其中交互式是数字机顶盒的生命力所在。因为只有交互才能使用户的要求得以实现，而在未来有线电视和多媒体宽带网中最有应用前景的也正是交互式电视。

2.1 数字机顶盒结构组成

　　数字机顶盒由四大子系统组成，即控制子系统、信号处理子系统、网络接口子系统、用户扩展接口子系统。

　　· 控制子系统：控制系统或系统微处理器是数字机顶盒的核心，它由 CPU、 ROM、 RAM组成。微处理器通过总线把各部分和谐地组织起来，除负责各子系统的初始化之外，还必须控制各部分的协调工作，共同实现数字机顶盒的整体功能。

　　· 信号处理子系统：由单片或多片专用芯片组成。其中，数字调谐器接收来自天线、地面或有线电视网来的数字信号，并且从控制系统接收指令，通告有关传输层的类型、带宽、解调方式和解码信息。然后进行信道解调，解调后的视频数据流和音频数据流送至 MPEG-2解码器和MPEG-4解码器。

　　· 网络接口子系统：用来实现与视频服务器的全双工通信，针对不同的接入网，采用相应的接口。

　　· 用户接口及扩展接口子系统：与红外遥控器、面板、游戏控制器等外设进行通信，另外，随着付费电视的逐渐实行，解密卡和智能卡将成为数字机顶盒中必不可少的部分。

　　事实上，一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成。底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；中间件将应用软件与依赖于硬件平台的底层软件分隔开，使应用不依赖于具体的硬件平台；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用程序，通过应用程序来实现机顶盒的各种功能。

2.2 数字机顶盒实现功能

数字机顶盒的基本功能是接收和解码数字电视广播。

　　此外，围绕数字机顶盒的数字视频、数字信息与交互式应用三大核心功能开发了多种增值业务，包括：　　· 电子节目指南EPG(Electronic Program Guide)：它为用户提供一种容易使用、界面友好、快速访问所需节目的方式，用户可以通过EPG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。

　　· 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。

　　· 软件在线升级：是数据广播的应用之一，数据广播服务器按DVB（Digital Video Broadcasting）数据广播标准将升级软件广播下来，数字机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件以对保存在存储器中的软件进行更新。

　　· 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，并通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子邮件，也可提供各种接口与PC相连。

　　· 有条件接收：其核心是加扰和加密。数字机顶盒应具有解扰解密功能，这是交互式电视收费运营机制的保证，通过建立一种有偿服务体系，为交互式电视产业的发展奠定良性循环的经济基础。

3 数字机顶盒关键技术

　　数字机顶盒集中反映了多媒体、计算机、数据压缩编码、加解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术发展水平，因此技术含量非常高，其关键技术主要有：

　　· 复用和解压缩技术：模拟信号数字化后，信息量剧增，数据压缩必不可少。MPEG-2( ISO/IEC 13818)视频压缩标准在交互式电视中广泛采用，适用于多种清晰度图像质量；MPEG-4(ISO/IEC 14496)则采用基于对象的压缩编码方法，它把图像和视频分割成不同的对象分别处理，不仅提高了数据压缩比,还能实现许多基于内容的交互功能，为多媒体数据压缩编码提供了更为广阔的平台。

　　随着大规模集成电路技术及嵌入式系统技术的广泛应用，数字机顶盒硬件实现多采用专用芯片或数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）芯片，将CPU 内核与MPEG-2 、MPEG-4传输流解复用器、DVB通用解扰器、MPEG音频视频解码器和NTSC/PAL编码器集成，形成STB 的核心芯片，以实现实时解复用和实时数据信息处理。

　　· 下行数据解调与信道解码技术：压缩后的数据不能直接在信道上传输，还需进行信道编码和调制。国际、国内标准均规定，在有线网络中传输数字电视及增值业务采用QAM(Quadrature Amplitude Modulation)调制方式及RS(Reed Solomon)纠错编码。

　　· 上行数据的调制编码：在交互式应用中，需要考虑上行数据的调制编码问题，目前普遍采用3种方式，即采用电话线传送上行数据，采用以太网传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。由于上行数据相对于下行数据要少很多，故多使用 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)或 16QAM方式进行调制。

　　· 网络浏览技术：为实现真正意义上的网络浏览，有线电视网与因特网连接除了考虑上行和下行数据之外，还必须考虑在其上运行IP（Internet Protocol）。

　　· 实时操作系统：数字机顶盒中的操作系统采用实时操作系统（RTOS，Real-Time Operating Sys- tem)，如目前流行的VxWorks、Windows CE等。RTOS可在实时环境中工作，并占用较小的内存空间,它负责管理本地资源和网络资源，提供基本的操作功能以及设备的访问控制。

　　· 中间件技术：中间件（Middleware）技术，即开放式业务平台，已成为交互式电视的核心技术。中间件通常由Java虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成，通过定义一组完整的标准应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，使应用程序的开发变得更加简捷，产品的开放性和可移植性更强，以保证机顶盒的扩展性和投资的有效回收。

4 MPEG-4在数字机顶盒中的交互应用

4.1 MPEG-4在交互式应用中的优势

　　作为一种新型的视频压缩标准，MPEG-4正开始应用在多媒体存取和交互式电视技术中，它通过定义一种格式、一种框架，而不是具体算法，以实现一种更自由的通信与开发环境。

　　MPEG-4具有以下重要特性，非常适于交互式多媒体应用。

　　· MPEG-4支持将不同性质的对象和不同来源的素材用于不同应用，既考虑了各类Web性能差异性，又允许多媒体信息以通用的形式接入，是第一个使用户视听方式由被动转为主动的动态图像标准；

　　· MPEG-4在较低的数据码率下，仍具有很高的视频图像质量，它提供了比 MPEG-1和MPEG-2更强的编码算法，能实现极低码率下的多媒体交互应用中音频视频数据的综合。

4.2 MPEG-4在数字STB中的交互应用

　　在交互式电视应用中，数字化数据可以伴随数字音频视频信号同时传送给用户，从而能够在交互式环境里享受视听。因此开发数字机顶盒时，除应具备MPEG-2的音频视频功能外，还应具有以下功能：

　　· 多媒体码流控制；

　　· 输出控制；

　　· 用户界面控制；

　　· 绘图合成与控制；

　　· 限制访问管理；

　　· 电子节目指南显示和控制；

　　· 档次管理；

　　· 资源管理。

　　这些功能适于用MPEG

-4来实现，这正是考虑了MPEG-4可在保证系统特定质量的前提下，对音频、视频数据进行最大程度的压缩，以便最有效地利用系统带宽，并支持Web的多媒体交互应用，故可利用MPEG-4来开发这种新型数字机顶盒。

5 结束语

　　交互式电视是未来有线电视的发展方向，在多媒体宽带网建设和国家信息基础设施中占有举足轻重的地位。当前我国正处在数字电视与高清晰度电视发展的关键时期，交互式电视产业蓬勃发展，因此大力发展数字机顶盒尤为重要。

　　数字机顶盒不仅是宽带综合信息网的重要组成之一，更重要的是与之相关的多媒体技术、数据压缩技术、宽带网络技术将是未来构建信息高速公路的关键技术。交互式电视正是以上述技术为基础，并相辅相成，为应用上述技术开发新产品提供契机，这必将对推动信息产业的飞速发展，加快我国数字化、网络化和信息化进程具有特别重要的意义。

　　刘 达，南京邮电学院信息工程系硕士研究生，研究方向：信息网络与多媒体通信。

　　龚建荣，南京邮电学院信息工程系副教授，博士，研究生导师，研究领域：信息网络、多媒体通信、PPGA/CPLD/ASIC设计。