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数字机顶盒论文参考

发布时间: 2014/3/5

                                           编号         

 

 

南阳师范学院

 

毕业论文

 

题  目

智能数字机顶盒的设计

 

学生姓名

 

学    号

 

系    部

 

专    业

 

班    级

 

指导教师

 

顾问教师

 

 

二〇一〇年十月


摘  要

随着数字电视广播和因特网的迅速发展,用户对信息需求的不断增强,机顶盒演变成以电视机为显示终端的信息接收和处理设备。

本文简单介绍了机顶盒的基本概念、原理以及分类。详细介绍了机顶盒的构成,软件系统和硬件系统并以大显DC-618C型数字电视接收机顶盒为例对机顶盒的设计与制作展开了详细阐述,另外还简单介绍了新一代高清机顶盒的系统设计以及机顶盒未来的发展,三网融合技术。

 

关键词:软件系统、硬件系统、大显DC-618C机顶盒、高清数字机顶盒


目  录

 

摘  要................................................................................................................................ I

第一章 绪论....................................................................................................................... 1

1.1智能数字机顶盒的认识................................................................................................... 1

1.2数字机顶盒的分类......................................................................................................... 1

1.3数字机顶盒的功能......................................................................................................... 2

第二章  智能数字机顶盒的原理及构成.................................................................................. 4

2.1机顶盒的工作原理......................................................................................................... 4

2.2机顶盒的软件系统......................................................................................................... 5

2.3机顶盒的硬件系统......................................................................................................... 8

第三章  智能数字机顶盒的设计(以大显DC-618C为例)..................................................... 12

3.1引言......................................................................................................................... 12

3.2 DC-618C数字电视接收机顶盒的设计.............................................................................. 12

3.2.1应用于DC-618C机顶盒的OS20操作系统.................................................................. 13

3.2.2 DC-618C机顶盒的软件架构设计.............................................................................. 15

3.2.3 EPG(电子节目指南)的实现.................................................................................. 15

3.2.4 PSI/SI信息及其功能.............................................................................................. 16

3.2.5 EPG信息的提取................................................................................................... 17

第四章 新一代高清机顶盒的设计........................................................................................ 19

4.1引言......................................................................................................................... 19

4.2高清机顶盒技术发展与设计挑战..................................................................................... 19

4.3ST高清机顶盒解决方案................................................................................................ 20

4.4 STi7105技术特点及关键应用......................................................................................... 22

第五章  机顶盒的未来...................................................................................................... 25

第六章  总结与展望.......................................................................................................... 27

6.1总结......................................................................................................................... 27

6.2课题展望................................................................................................................... 27

致  谢............................................................................................................................. 28

参考文献.......................................................................................................................... 29

 


第一章 绪论

1.1智能数字机顶盒的认识

数字视频变换盒(英语:Set Top Box,简称STB),通常称作机顶盒或机上盒,是一个连接电视机与外部信号源的设备。它可以将压缩的数字信号转成电视内容,并在电视机上显示出来。信号可以来自有线电缆、卫星天线、宽带网络以及地面广播。机顶盒接收的内容除了模拟电视可以提供的图像、声音之外,更在于能够接收数据内容,包括电子节目指南、因特网网页、字幕等等。使用户能在现有电视机上观看数字电视节目,并可通过网络进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动。

机顶盒属于数字电视过渡性产品的认识已经被普遍认同,然而随着数字电视的普及型发展和近两年新兴技术的出现,我们对机顶盒的作用需要进行重新认识。

在以前的意识中,我们通常认为机顶盒属于过渡性产品,最终的产品一定是机顶盒和电视机的融合,也就是将来的智能数字电视一体机。然而我们需要对这个看法进行更深入的认识。一是“机顶盒属于过渡性产品”的“过渡性”,另一个是“将来智能数字电视一体机”的“将来性”。

伴随着今年手机开始智能化革命的浪潮,“智能机顶盒”的概念开始登上历史舞台,“集成机顶盒”光环暗淡,走向谢幕。“集成机顶盒”顾名思义就是机顶盒中的各种软件是相互集成在一起的,一次成型难以改变,就像非智能手机,想要改变里面的软件是不可能的。而“智能机顶盒”指的是有操作系统平台的,就像PC机一样,操作系统和应用软件是相互分离的,只要硬件和操作系统支撑能力足够,可以无限制加载应用软件。就像现在的苹果智能手机和安卓智能手机都已经可以加载几十万种应用。

 

1.2数字机顶盒的分类

根据电视节目发送管道的不同,数字机顶盒可分为数字地面(Terrestrial)机顶盒、数字卫星(Satellite)机顶盒、数字有线(Cable)机顶盒,以及通过网络(xDSL、Cable Modem、光纤)的IP 机顶盒等形式。整体而言,数字机顶盒的技术主轴朝向支持HDTV(High Definition TV)及互动性(Interactive)发展,但不同市场区块仍有技术及应用上的偏重。为了达到产品的差异化定位,加入硬盘的数字视频录像机(DVR)及整合家庭网络功能的家庭网络网关器(Residential Gateway, RG),也是数字机顶盒的重要设计方向。

图1-2-1数字机顶盒的分类

1.3数字机顶盒的功能

由于多种因素的限制,国内广播电视的数字化改造以有线电视作为发展重点,广电总局也于2001年5月发布了“有线数字电视广播信道编码与调制规范”。 有线数字电视终端产品——机顶盒在近几年获得快速发展,国际上主流芯片的机顶盒解决方案,如: ST、IBM、LSI Logic、Fujitsu、Philips,在国内均已产品化。

机顶盒已经在开展数字电视广播的地区开始使用,根据用户需求和消费水平的差异,机顶盒支持的业务也不同,存在着多种类型的产品。

普及型机顶盒: 主要以接收基本的付费数字电视节目为主,满足大多数用户需求,并且具有良好的性能价格比。主要功能如下:

支持基本的数字音视频和数字音频广播接收。

集成有条件接收系统。

具有中文电子节目指南(EPG)和二级以上字库。

支持软件在线更新功能。

支持复合视频(CVBS)输出,具有音频输出处理功能(单声道、立体声和双声道)。

增强型机顶盒: 在普及型机顶盒基础上增加基本中间件软件系统,基于基本中间件可以实现数据信息浏览、准视频点播、实时股票接收等多种应用。

集成基本中间件系统。

支持数据广播、实时股票等数据信息接收功能。

支持NVOD点播功能。

具有多种游戏。

具有音频输出处理功能(单声道、立体声和双声道)。

具有Y/C、复合视频(CVBS)、Y/Cb/Cr输出(可选功能)。

具有逐行扫描输出(可选功能)。

可支持Modem电话拨号回传方式。

交互式机顶盒: 集成了符合MHP标准的中间件软件系统,除提供增强型机顶盒主要功能外,还可以基于MHP提供交互式应用、网页信息浏览等多种增值业务。新增功能如下:

集成MHP中间件系统。

支持交互式应用,如: 视频点播、互动游戏、网上冲浪


第二章  智能数字机顶盒的原理及构成

2.1机顶盒的工作原理

图2-1-1有线数字电视机顶盒原理框图

图2-2-1是有线数字电视机顶盒原理框图,机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2解码器、视频编码器、音频D/A、嵌入式CPU系统和外围接口、条件接收模块等组成。具有交互功能的机顶盒则需回传通道。

高频头接收来自有线网的高频信号,通过QAM解调器完成信道解码,从载波中分离出包含音、视频和其它数据信息的传送流(TS)。传送流中一般包含多个音、视频流及一些数据信息。解复用器则用来区分不同的节目,提取相应的音、视频流和数据流,送入MPEG-2解码器和相应的解析软件,完成数字信息的还原。对于付费电视,条件接收模块对音、视频流实施解扰,并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡,保证合法用户正常收看。MPEG-2解码器完成音、视频信号的解压缩,经视频编码器和音频D/A变换,还原出模拟音、视频信号,在常规彩色电视机上显示高质量图像,并提供多声道立体声节目。

2.2机顶盒的软件系统

电视数字化后,数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置。除了音视频的解码由硬件实现外,包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现,直至机顶盒和个人计算机的互联以及和Internet的互联都需要由软件来实现。

应用层

中间解释层 (中间件/虚拟机)

操作系统和环境

电视核心

条件接受

驱动层 (硬件驱动程序接口)

条件接受驱动程序

数字电视驱动程序

操作系统驱动程序

机顶盒硬件

 

图2-2-1 数字机顶盒软件系统

硬件驱动层软件:驱动程序驱动硬件功能,如射频解调器、传输解复用器、A/V解码器、OSD、视频编码器等。

机顶盒作为一个客户端系统,除了要具有良好的硬件平台外还需要配备不同的软件系统才能使其完成各种任务。

驱动层

    驱动层包括机顶盒硬件的驱动程序和API接口,它主要用于完成对硬件设备的操作。

中间解释层

    中间解释层将STB的应用程序指令翻译成CPU能识别的指令,从而通过驱动层去调动硬件设备完成相应的操作。该层包括嵌入式操作系统、中间件、CA驻留软件等。虽然中间件的使用可以给STB软件的设计和应用带来极大好处,但高昂的使用费用,对硬件需求的增加以及技术上的不成熟使中间件在国内鲜有应用。目前许多软件设计者采用直接调用驱动层的软件来编写应用程序,这虽然可以满足一时的需求,但随着应用需求的增加,在STB中使用中间件才是一个很好的解决方案。

应用层

    应用层可以分成驻留应用程序和可下载应用程序两部分,不同的STB软件设计理念使这两个部分包含的应用程序也不尽相同,合理规划这两部分的组成将有助于提高STB的可靠性和相应时间。目前国内机顶盒中的应用较少,主要以EPG、数据广播、股票、简单的下载游戏等为主,而数字电视的魅力并不在于看电视,而在于这种基于数字电视平台的业务应用,这些应用将会改善人们的一些日常生活习俗。随着双向网络的建设,交互式应用的普及,基于交互式的应用软件也将越来越多,这也会给运营商带来难以预料的增值收入。有线电视数字机顶盒的技术含量非常高,它集中反映了多媒体、计算机、数字压缩编码、 加解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术发展水平。

加解扰技术

    加解扰技术用于对数字节目进行加密解密,其基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法,用户端利用IC卡解密。在MPEG传输流中,与控制字传输相关的有两个数据流:授权控制信息(ECMs)和授权管理信息(EMMs),由业务密钥(SK)加密处理后的控制字在ECMs中传送,其中还包括节目来源、时间、内容分类和节目价格等节目信息。对控制字加密的业务密钥在授权管理中传送,并且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥( PDK)的加密处理,EMMs中还包括地址、用户授权信息,如用户可以看的节目或时间段,用户付的收视费等。用户个人分配密钥(PDK)存放在用户的智能卡(Smart Card)中。 在用户端,机顶盒根据PMT和CAT表中的CA-descriptor,获得EMM和ECM的PID值,然后从TS流中过滤出ECMs和EMMs,并通过Smard Card接口送给Smart Card。Smart Card首先读取用户个人分 配密钥(PDK),用PDK对EMM解密,取出SK,然后利用SK对ECM进行解密,取出CW,并将CW通过 Smart Card接口送给解扰引擎,解扰引擎利用CW就可以将扰的传输流进行解扰。 加解扰技术分为同密和多密技术。 同密技术是将两家或两家以上的条件接收(CA)系统应用于同一网络平台之中,从有线电视台角度是实现技术的选择和竞争的环境。 多密技术要求机顶盒采用CI技术,实现同一机顶盒可接收不同CA系统加密节目。从用户角度 来讲,不会因购买是一家CA的机顶盒而受到限制,用户还有选择其CA服务的可能性。


2.3机顶盒的硬件系统

从结构上看,机顶盒一般由主芯片、内存、调谐解调器、回传通道、CA(Conditional Access)接口、外部存储控制器以及视音频输出等几大部分构成。

图2-3-1机顶盒硬件系统

调谐解调器部分的作用是将传输过来的调制数字信号解调还原成传输流,调谐解调器的不同就构成了不同的数字机顶盒,例如用于QPSK解调的卫星机顶盒(DVB-S),用于QAM解调的有线数字机顶盒(DVB-C)以及用于OFDM解调的地面传输数字机顶盒(DVB-T)。目前市场上比较流行的调谐解调器的生产厂商有Thomson、Sharp等,国内虽然也有一些厂商生产调谐解调器,但市场份额很小。

信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式CPU、MPEG-2解压缩是数字电视机顶盒的主要技术。

  信道解码

  数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。在数字电视机顶盒中,高频头是必须的,不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。根据DTV目前已有的调制方式,信道解码应包括QPSK、QAM、OFDM、VSB解调功能。

  信源解码

  模拟信号数字化后,信息量激增,必须采用相应的数据压缩标准。数字电视广播采用MPEG-2视频压缩标准,适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC-3和MPEG-2两种标准。信源解码器必须适应不同编码策略,正确还原原始音、视频数据。

  上行数据的调制编码

  开展交互式应用,需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有3种方式,采用电话线传送上行数据,采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。

  嵌入式CPU

  嵌入式CPU是数字电视机顶盒的心脏,当数据完成信道解码以后,首先要解复用,把传输流分成视频、音频,使视频、音频和数据分离开,在数字电视机顶盒专用的CPU中集成了32个以上可编程PID滤波器,其中两个用于视频和音频滤波,其余的用于PSI、SI和Private数据滤波。CPU是嵌入式操作系统的运行平台,它要和操作系统一起完成网络管理,显示管理、有条件接收管理(IC卡和Smart卡)、图文电视解码、数据解码、OSD、视频信号的上下变换等功能。为了达到这些功能,必须在普通32~64位CPU上扩展许多新的功能,并不断提高速度,以适应高速网络和三维游戏的要求。

  MPEG-2解码

  MPEG-2是数字电视中的关键技术之一,目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在MPEG-2技术基础上,MPEG-2是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。MP@LL用于VCD,可视电话会议和可视电话用的H.263和H.261是它的子集。MP@ML用于DVD、SDTV,MP@MH用于HDTV。

  MPEG-2图像信号处理方法分运动预测、DCT、量化、可变长编码4步完成,电路是由RISC处理器为核心的ASIC电路组成。

  MPEG-2解压缩电路包含视频、音频解压缩和其它功能。在视频处理上要完成主画面、子画面解码,最好具有分层解码功能。图文电视可用APHA迭显功能选加在主画面上,这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据,要有很高的速度和处理能力。OSD是一层单色或伪彩色字幕,主要用于用户操作提示。

  在音频方面,由于欧洲DVB采用MPEG-2伴音,美国的ATSC采用杜比AC-3,因而音频解码要具有以上两种功能。

随着芯片技术的发展,越来越多的厂家将机顶盒的功能更多地集成在一个主芯片里,例如现在大部分厂商都将CPU、解码器、解复用器、图形处理器与视音频处理器集成在芯片中,甚至一些以Philips为代表的芯片厂商将调谐解调器也集成在芯片中,形成一体化的芯片解决方案,有效地降低了器件成本并提高了可靠性。

在主芯片中,首先根据传输流所传递的标志信息对接收到的传输流进行解复用,然后根据CA智能卡所传递的解扰信息对节目流进行解扰,解扰后的TS流送到视音频解码器中分别对其进行解码,还原成AV信号进行输出,同时,也分离出复用在TS流中的各类系统数据表,送给机顶盒处理器分别输出。

另外,由于在主芯片中集成了CPU和图形管理器,使机顶盒可以完成更多的功能,它可以运行各种软件完成诸多任务,例如股票接收、网页浏览等,也可以通过图形管理器实现2D甚至3D的图形处理,为用户提供更美观的界面,实现交互式游戏等各种高画质应用。

由于CPU是主芯片的核心,因此通常情况下CPU的性能就决定了主芯片的性能。CPU的性能一般是由主频决定的,主频越高则CPU的性能也越高。目前最快的CPU主频已经超过了400 MIPS,即使是目前市场上流行、最基本的机顶盒中CPU的主频也超过了50 MIPS。CPU速度同运行其上的业务系统有着必然的联系,如果需要在一个STB中运行一个HTML浏览器,100 MIPS可能就是对CPU的最低要求,当然这还需要内存的配合。

在某些方面,机顶盒同PC机有很多相似之处,甚至可以说是一台简化了的PC机,两者最相似之处就是内存。对机顶盒而言,内存主要分为Flash内存和SDRAM内存。Flash用来存贮机顶盒的系统软件、驱动软件、应用程序以及一些用户信息,在系统断电时内容还可保留,同时Flash可以通过在线的方式对其上所载的软件进行更新,达到机顶盒软件升级的目的。SDRAM主要是用来存储应用数据。机顶盒的许多功能都需要内存来实现,例如图形处理、视音频解码和解复用等,不同的应用需求,内存的大小配置也各不相同。容量大的Flash和SDRAM的配置虽然可以为将来的业务系统预留足够的内存空间,但内存并不是决定软件能否运行的因素,它需要配合CPU来工作,不切合实际的高配置只会造成资源浪费,而无助于STB性能的提高。

外部存储设备一般指外挂式硬盘,大容量的硬盘可以用于存储节目流以满足用户的个性化需求。一个STB中能否外挂硬盘一般都是由主芯片所决定的,只有CPU的处理能力达到一定程度时才有可能支持硬盘的读写,而硬盘的读写也需要更多的内存空间。

通过读卡器读取CA智能卡中的数据用于数字电视节目的解扰,特别是在付费电视发展的今天,这是大多数STB必不可少的部件。除了标准的读卡器外,在有些STB中也采用通用接口CI(Common Interface)来完成对CA智能卡的读取。CI是一个由DVB组织为机顶盒和分离的硬件模块之间定义的标准接口。这种起源于PCMCIA的技术应用,使机顶盒可以批量生产,也为机顶盒带来了变化,有着广泛的应用前景。

随着机顶盒应用的扩展,使用户对机顶盒的需求已经不单单停留在简单地收看视音频节目上了,交互式的需求使机顶盒中内嵌了回传设备,这些设备可以包括网络适配器、调制解调器等通信接口,用于满足用户将信息回传到前端。

新技术的发展使机顶盒的物理接口也不断地增加,如RS232接口、红外遥控器接口、无线键盘接口、Wi-Fi接口等等,使STB可以同摄像机、DVD、PDA等众多设备进行连接。


第三章  智能数字机顶盒的设计(以大显DC-618C为例)

3.1引言

数字电视机顶盒的技术含量非常高,它集中反映了多媒体、计算机、数字压缩编码、加解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术的发展水平,在设计技术上主要包括机顶盒硬件技术和软件技术两大部分, 其中,软件技术占有更为重要的位置。除了音视频的解码由硬件实现外,包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现,直至机顶盒和个人计算机的互联以及和Internet的互联都需要由软件来实现。

这里介绍一款基于STi5518 芯片的DC-618C型数字电视接收机顶盒的设计。

3.2 DC-618C数字电视接收机顶盒的设计

图3-2-1 STi5518芯片内部功能框图

芯片内置81MHz的32位RISC CPU、2K字节存储器、2K字节D存储器和4K字节D存储器(SDRAM);片内的音频解码器支持MPEG-2多声道解码,3×2声道PCM输出,DTS数字输出和MP3解码;具有高性能在屏显示功能,每像素2到8位OSD可选,具有抗闪烁、抗摆动的滤波器;内置PAL/NTSC/SECAM编码器,支持RGB、CVBS、Y/C和YIN输出。

图3-2-2解复用、音视频解码模块

分配SDRAM存储器接口可支持1或2×16M位、或1× 64M位、125MHz的SDRAM,对SDRAM、ROM和外围器件可编程;前端接口有串行、并行和ATAPI接口,硬件扇区滤波器,集成的CSS解扰和跟踪缓冲器;片内的传输流解复用器支持并行/串行输入,DES和DVB解扰,32个PID;具有2个UART、2个智能卡、I2C控制器、3个PWM输出、3个捕捉定时器;支持MODEM;具有44位可编程I/O口、红外发射器/接收器。

 3.2.1应用于DC-618C机顶盒的OS20操作系统

内嵌于Sti5518内部的CPU--ST20,使用的是ST所独有的嵌入式实时操作系统OS20。OS20操作系统是一个模块化的高性能的实时操作系统, 它具有较强的实时性和多任务能力,这主要取决于它的任务调度机制,从调度策略上来讲,OS20采用分优先级调度策略(默认为16)和时间片轮转调度策略 ——即同一优先级下多任务处理采用时间片轮转处理方式。

 OS20系统的内存开销也很小,核的开销大约为:内部只占600字节,每个任务占用的内存:内部24字节,外部36字节。

 此外,OS20操作系统还具有任务切换时间短等特点

STi5518解码芯片本身的性能比较强大,可以满足应用对硬件的要求,关键在于软件对硬件的管理上,随着应用的复杂化,一个嵌入式控制系统可能要同时控制和监视很多外设,要求有实时响应,有很多处理任务,各个任务之间有多种信息传递。如果仍采用原来的程序设计方法存在两个问题,一是中断可能得不到及时响应。处理时间过长,这对于一些控制场合是不允许的,对于网络通信方面则会降低系统整体的信息流量。二是系统任务多,要考虑的各种可能也多,各种资源如调度不当就会发生死锁,降低软件可靠性,程序编写任务量都会有大幅度增加。

图3-2-3STi5518硬件系统结构

3.2.2 DC-618C机顶盒的软件架构设计

依据软件工程的原理,DC-618C机顶盒软件采用从上到下的层次化设计,依次由易到难,由具体到抽象和由软件到硬件,主要包括如下几层

应用层:应用层是控制整个机顶盒操作的高层代码,也是需要程序员自己完全实现的代码。在这一层中实现各种各样的功能,包括初始化各种外设、创建任务、设置节目频点、实现用户输入输出操作等。对于与第三方的软件合作,包括网络浏览器,也嵌入在应用层中,应用程序可以直接调用驱动层的应用程序接口(API)。第三方的中间件可以通过驱动使用层来调用应用程序接口。所有的应用层组件在功能上能通过操作系统移植层来访问实时操作系统。

驱动层:驱动层通过调用硬件抽象层,来管理各种外设和内部子系统模块,将这些模块的功能抽象化和屏蔽化,向上一层提供应用层程序接口,使得应用层的操作直观和简洁。应用层组件通过调用驱动层API来控制系统硬件功能和服务。这些驱动完成普通的低层任务,如控制传输解复用和音视频解码等。

硬件抽象层:对DC-618C的所有硬件的操作必须通过修改寄存器来实现,DC-618C将所有寄存器与接口统一编址,使得通过软件对寄存器的操作非常简单,硬件抽象层正是完成这一功能.可以说,H.A.L.是驱动层的子集,负责直接编辑硬件。驱动层提供通用的低层功能,同时H.A.L.在硬件上实现这些功能。为了响应驱动层的调用, H.A.L.执行特定的芯片函数,编辑芯片寄存器来完成一个特定的功能,它只与一种特定的芯片相对应,所以当改变硬件平台时,只需要改变相应的硬件抽象层。

 3.2.3 EPG(电子节目指南)的实现

  电子节目指南,是指在符合MPEG-2的TS传输流中插入DVB标准定义的SI信息,使机顶盒的综合接收解码器可以从TS流中提取出节目提供商播出节目的列表和播出参数,以直观的形式显示给数字电视用户。EPG信息由两部分信息组成:基本EPG信息和扩展EPG信息。基本EPG信息是指完全可以用《数字广播业务信息规范》中的网络信息表NIT、业务群关联表BAT、业务描述表SDT和事件信息表EIT进行描述的EPG信息。扩展EPG信息是指在基本EPG信息之外,通过数据轮播传递的EPG信息,这些信息的入口采用EPG映射表(EMT)进行描述,信息的内容被封装成具有多级目录结构的文件系统,称为扩展EPG内容信息(XECI)。基本EPG信息和扩展EPG信息中的EPG映射信息均采用表传输方式;扩展EPG信息中的扩展EPG内容信息采用数据轮播方式传输。

  在数字电视节目的播出过程中,可以加入辅助的SI信息,供机顶盒解码器的开发者来实现五花八门的电子节目指南的导航功能。EPG提供的信息主要包括:传送信息的天数(例如一周)、传送频道的数目和名称、传送的节目数、节目提供商的标识和名称、传送网络的信息(网络标识和网络名称),其细节信息还包括:节目名称、节目的简单介绍、节目的开始和结束时间、节目的主题、节目的类属、节目的观看分级限制(例如对某个年龄段进行限制)。利用机顶盒收看数字电视节目,用户通过EPG不仅能够接收普通的电视节目、广播节目或图文电视节目,而且,还可以查看感兴趣的信息:按节目分类(如音乐节目、体育节目、电影等)检索节目;按节目提供者检索节目;未来一段时间内节目播出表;视频网络中节目播出情况等信息。

 3.2.4 PSI/SI信息及其功能

MPEG-2中的传送码流是根据ITU-TRecH220、ISO/IECDIS13818-2和ISO

/IEC13818-3协议定义的一种数据流,其目的是为了在有可能发生严重错误的环境下进行一道或多道程序的编码数据的传送和存储。这种错误表现为比特值错误或分组丢失。传送流的速率可以是变化的或固定不变的。在任何情况下组成的原始流可以是变化的或固定不变,在这些情况下的语法和语义限制是相问的。传送流速率由节目参考时钟(PCR)字段的位置和数值决定,通常对于每个程序都有自己的PCR字段。传送流中有关PID的信息及各PID之间的关系包含在最主要的PSI(ProgramSpecificInformation:节目特定信息)中,MPEG-2解码器将使用PSI信息来自动设置解码所需的各种参数。PSI信息使用4个表来定义码流的结构:PAT(ProgramAssociationTable:节目关联表)、PMT(ProgramMapTable:节目映射表)、NIT(NetworkInformationTable:网络信息表)、CAT(ConditionalAccessTable:条件访问表)。

MPEG-2在PSI中提供了不少有关节目组成和相互关系的信息,从而使得在接收端可以正确地对TS流进行解复用。但是这些信息在实际使用时仍然显得不够,为此在DVB标准中采用SI(ServiceInformation:业务信息)对PSI信息进行了进一步的扩展。PSI中的信息基本上都是与当前码流相关,即它们所涉及的内容都与当前码流中的部分信息相关;而SI信息可以包括不在当前码流中的一些服务和事件,允许用户进行更多的选择和了解更多的其他服务。

业务信息(SI)是用来描述传送系统,传送内容和广播数据流时间表等的数据,是补充MPEG-2节目说明信息(PSI)的附加数据,这些数据帮助综合接收解码器(IRD)自动调谐,给用户提供附加信息,使IRD能自动设置可供选择的业务。

头端系统每隔一定周期将重复传送SI信息,对于最高速率为100Mbits/s的传送流而言,重复传送SI信息的最小间隔为25毫秒。这样,对于新开机的用户,在很短的时间内,就可以接收到SI(业务信息),构成EPG(电子节目指南)所需的各项条款。

  3.2.5 EPG信息的提取

 一般而言,PAT表的PID号为“0x00”,解复用器工作总是通过寻找PAT表开始。PAT给出了构成传送流中各个节目业务的PMT(节目映射表)的PID,同时也给出了NIT(网络信息表)的PID号。根据PID值及对应的TableID值可以从流中解出相应的PMT、NIT、SDT、EIT等信息。机顶盒接收端的解析主要负责这些SI数据信息的重建。SI数据信息必须按照一定的数据结构进行存储,这样才能方便、快捷地对其进行检索和数据的提取。特别是对于运行于机顶盒的实       时操作系统中的EPG,需要对用户的交互进行实时的动作,所以对响应速度的要求很高,SI数据库建立的好坏对其性能有重要的影响。SI数据主要有:网络信息、传输流信息、业务(节目)信息,业务的事件信息等,并且大量的信息都是通过描述子来传输的,所以可用树状链表来存储数据,构成从网络、传输流、业务、事件的树状结构,传送不同信息的描述子用继承于同一基类的描述子类来表示。

网络信息表传送本网络以及与此有关的其它网络的一些信息。每个网络都有唯一的识别符,网络编码请参看ETR162。网络信息表主要携带:网络识别(network_id)、网络名称、传输系统参数(包括:频率、调制方式、FEC外码、符号率、FEC内码)等信息,如果NIT表中有关于传输系统参数的正确描述,只要调谐到携带此NIT表的传送流中,即可提取其它网络的参数,一般解码器便可根据提取出来的信息,自动搜索频道。

节目业务描述表的每一个子表都对一个特定传送流中的节目业务进行了描述。这些节目业务可以一部分是本身实际的传送流,也可以是其它传送流,这一点可以通过table_id(表识别符)进行识别。节目业务描述表提供了如下的信息:属于哪一个节目业务群;节目业务的类型,如PAL、NTSC、SECAM、调频广播、图文电视、准视频点播等;节目业务的提供者;可以接收该节目业务的国家和不可以接收该节目业务的国家;指向特定信息的链接信息;实现准视频点播的指导信息;实现多画面的控制信息;指示使用的加密系统;给出实现交互式回传信道的电话号码;提供多语种的节目业务名称和广播者以及私有数据。

事件信息表按时间顺序提供每一个节目业务中包含的节目段的信息。事件信息表提供如下信息:节目段的标识号、起始时间、节目长度、播放状态、是否加密;指向特定信息的链接信息;节目段多语种的简短介绍;节目段的详细介绍;两段同样节目段的时间偏移;基本码流类型,如视频的幅型比、伴音的类型、字幕的类型等;使用的加密系统;节目类型,如电影/戏剧、新闻、综艺、体育、少儿、音乐、艺术、社会政治、文教等;节目限定年龄的级别;给出实现交互式回传信道的电话号码;为满足各节目段的码率而提供的缓存大小信息及私有数据。

 

 

 

 

 


第四章 新一代高清机顶盒的设计

4.1引言

数字电视机顶盒在过去几年中国有线电视的市场中取得了飞速的发展,目前的中国国内有线数字电视机顶盒市场的保有量已经超过四千万台以上。国内的数字卫星电视也在过去半年中得到发展, 第一步是针对偏远地区,解决电视的收看问题,村村通项目用的机顶盒已经开始招标发放,接下来卫星电视也会进行商业运营。地面数字电视广播标准已经确定,信号已经在多个地区发射。电信运行商开展的IPTV目前在国内也有几百万的用户。

高清数字电视机顶盒是一个重要发展趋势。以高清平板电视为例,目前,中国国内市场上高清平板电视保有量已超过两千五百万台,而其中只有不到1%的用户能收看到1~3个高清节目频道。这就带来矛盾的局面:一方面大量用户拥有高清平板电视机,另一方面大量电视节目是模拟和数字的标清格式,决大多数已经部署的机顶盒只具有标清解码能力。可以预见,未来高清机顶盒将会占有相当大的市场份额。主要接收形式包括,有线机顶盒、地面波机顶、卫星机顶盒、一体机和IPTV。

4.2高清机顶盒技术发展与设计挑战

数字电视机顶盒的功能已经从开始的接收码流,解压缩视音频,显示EPG信息,简单的OSD菜单,到现在的增加交互功能,宽带网视音频应用,外围的数据接口也增加了高速USB,以太网的接口,eSATA接口等一些PC常用的接口。这些接口的增加使得机顶盒的应用范围得到有效的扩展,现在也可以用意法半导体(ST)的高性能机顶盒芯片STi7105来实现家庭媒体中心的应用。所以高清机顶盒的应用开发已经不再是单一的功能的开发,而是如何利用高性能的机顶盒芯片来开发多功能的应用,最大可能利用芯片处理能力,这对机顶盒产品的开发是一个挑战。

MPEG2作为数字电视采用的第一个标准已经用了10多年,新一代编码格式H.264也已大量的得到应用,中国的AVS编解码标准也在一些地方得到应用。同时支持有线数字电视和IPTV的双模机顶盒的应用也越来越多,因此,对于芯片产品而言,不但要支持现有标准,还需要具有可升级的能力以便支持新的技术,所有这些都给机顶盒的开发提出更高要求,机顶盒的稳定性也面临更严格的挑战。

低成本、高性能、低功耗的产品要求已经开始变得非常重要。定义产品在各种状态下实现最低功耗也已成为设计工程师的一大挑战,他不仅需要了解芯片的低功耗的能力,还要知道如何用好这些能力,以实现产品的最优化并广为市场接受。

在高性能的芯片上可以开发出很多复杂的应用,也必然使得软件,硬件开发的复杂度大大增加,怎样在短时间内,高质量地开发出满足市场要求的产品对研发工程师和项目管理人员提出了挑战。ST充分认识到了客户面对的挑战,因此ST在提供高性能芯片的同时,也提供操作系统如Linux,WinCE,OS21 和成熟的驱动软件,同时还提供能帮助研发工程师快速熟悉和使用的API源程序代码,以及3FX OpenGL ES1.1的API

4.3ST高清机顶盒解决方案

意法半导体(ST)是世界上最大的机顶盒(STB)芯片厂商,目前中国国内机顶盒厂家大量采用ST的芯片,ST的机顶盒芯片在国内市场份额最大。ST通过不断地推出新的产品,提高芯片性能,降低芯片成本,同时提升技术服务质量来实现并保持多年的市场领先地位。

图4-3-1:基于STi7105的机顶盒架构框图

目前ST已经开发出了4代高清解码芯片,在高清数字电视单片解码SoC领域积累了丰富的经验,包括灵活的芯片技术架构设计,支持客户进行各种应用的开发,成熟的低成本的先进生产工艺等。其中STi7105 是一款高性能H.264高清数字电视机顶盒SoC解码芯片,采用先进的半导体生产工艺和优化设计来完善,提升各个功能模块的性能,增加高速数据接口,降低耗电量,降低系统的整体材料成本。STi7105是一款应用范围很广的SoC芯片,主要用于有线高清数字电视机顶盒,卫星高清数字电视机顶盒,地面数字电视机顶盒,IPTV机顶盒,网络电视下载播放,多媒体手持设备,家用多媒体中心等等。

图4-3-1:STi7105内部结构简图。

4.4 STi7105技术特点及关键应用

STi7105 芯片内部集成了一颗高性能的ST40 应用程序处理器,它的实时处理、运算能力超过900DMIPS,另外芯片内还集成有两颗实时运算加速器,如果需要的话,它们也可以用于各种运算要求的处理。如果把芯片的整个计算能力加在一起,STi7105的实时处理、运算能力能够达到3,000DMIPS以上。这样的处理能力不但可以达到高清机顶盒的要求,还能够充分满足家庭多媒体中心的设计需求。

STi7105的TS流输入处理模块可以支持4路TS流输入,1路TS流输出,这个处理模块内可以同时处理、分解多个码流,用于同时进行录像(PVR)、码流回放、画中画。这些码流可以从传统的数字电视广播通道过来,也可以来自CableModem、EoC、以太网IP、光纤的IP通道。这个高性能模块能为用户提供灵活的产品开发模式。

芯片的安全性功能的支持:STi7105具有完整的嵌入式安全加密,解密功能,包括DES、AES和DVB解扰器等等,将会支持所有的高级安全功能。目前,高级安全功能正处于主要CA厂家的认证阶段中,包括Nagra,NDS,Conax,Irdeto等等,ST也会和中国国内的CA厂家永新视博、天柏、数码视讯等公司展开认证工作。 支持Windows DRM 10数字版权管理和安全视频处理器(SVP)标准。它也支持DVB-CI及其他的机卡分离技术。

视频解码格式:STi7105集成了高性能的视音频解码器,其灵活的解码架构可以满足目前已有的各种视音频编码压缩格式的解码要求,也可以通过软件升级来支持这些标准,在视频编解码方面,它可以支持H.264 HP@HL4.1,MPEG2 MP@HL, VC-1 MP@HL, AP@L3, MPEG4 P2 ASP@L5, DiVx格式,RM,RMVB,中国自己的视频压缩格式 AVS,已知的一些用于流媒体的视音频格式和目前流行的Adobe Flash的格式。除了解码以外, 7105还具有一定的视频的编码的能力。其解码器可以用于PVR,画中画功能。支持1080p 60帧的格式,这在目前的产品中是最先进的。内置的图像降噪声处理,增强优化的后处理电路能够给用户带来前所未有的优美图像。

在音频编解码器方面,它可以支持MPEG-1 layer I/II, MP3, MPEG-2 layer II, AC-3 Dolby Digital, DD+,AAC, AAC+SBR等等,也可以支持杜比,DTS的新算法。同时可支持中国DRA音频标准,还也可以用于音频编码。

视音频接口方面,7105支持最新版本的HDMI 1.3接口标准,支持1080p 60帧的格式,支持各种隔行、逐行扫描显示格式,各种格式之间的互相转换,同时支持模拟的视频接口如YPbPr、CVBS 和数字视频信号的输入和输出,从而增强了7105的应用灵活性。

STi7105使用的DDR2接口和32位统一存储系统,使设计人员可以使用成本更具竞争力的、高容量的DDR2外部存储器,DDR2的速率可以达到800MHz。高容量存储器在复杂系统的应用开发中可以降低系统成本,为客户提供最大的价值。

图4-4-1:基于STi7105的便携多媒体设备架构框图

在同类产品中,STi7105具有最低的功耗和最好的散热性能,在客户设计出的机顶盒产品中可以不使用散热片而可以长时间的正常工作。此外其先进的电源管理功能,独特的设计进一步提高STi7105的低功耗性能,有助于终端产品达到节能标准,7105的待机功耗小于0.1W,大大优于国际能源组织(IEA)“1W节能计划”的标准。

STi7105同时支持多路高速USB2.0接口,高速以太网接口,配合高性能的芯片解码能力,适于机顶盒、汽车多媒体播放器或家庭多媒体中心等应用。SATA接口用于硬盘的连接,可用于PVR应用,MMC卡接口也集成到该芯片中。

图形加速处理器的性能在机顶盒的应用中变得越来越重要,STi7105集成了高性能的2D加速器,其图形处理能力可应用于3D图形显示,从而丰富了应用的表现能力。ST提供3FX OpenGL ES API接口。 高速CPU加上高性能的图形加速器可以实现对下一代中间件、插件及Flash媒体播放功能的更好支持。


第五章  机顶盒的未来

三网融合是指电信网、计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造,能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。 三合是一种广义的、社会化的说法,在现阶段它是指在信息传递中,把广播传输中的“点”对“面”,通信传输中的“点”对“点”,计算机中的存储时移融合在一起,更好为人类服务,并不意味着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一,而主要是指高层业务应用的融合。“三网融合”后,民众可用电视遥控器打电话,在手机上看电视剧,随需选择网络和终端,只要拉一条线、或无线接入即完成通信、电视、上网等。三网融合的通信网络将是一个覆盖全球、功能强大、业务齐全的信息服务网络,即为全球一体化的综合宽带多媒体通信网。而这一网络结构应是一个统一完整的结合体系,为全球任一地点,采用任何终端的用户提供综合的语音、数字、图像等多种服务。它将是以IP协议为基础,所有网络将向以IP为基本协议的分组网统一。因特网的广泛业务,诸如电子邮件、文件传输、远程登录、全球WWW浏览,已使因特网成为人们广为利用的网络技术,而未来的网络是集语音、数据文字、图像视频于一体的综合网络,因特网是实现这一网络综合化的基础,也是实现三网融合的综合业务平台。对如何构成高速数据传输链路IP主干网,已成为当今信息传输领域的焦点。

三网融合技术难点

 (1)现在三个网络的技术体制没有一个可以称得上是真正意义上的三网融合技术体制。大家都讲用一个网络能够提供三类业务,并且保证服务质量,其实目前还做不到,还是在用多种网络技术拼凑提供,毫无经济性可言,也谈不上有何先进性。

 (2)网络的管控体制在技术上还没有很好解决。三种网络的管控要求和技术是不一样的,电信网要求可追溯;互联网是不可管,高度的自由主义;广电网是严格控制不能出半点纰漏。这三类网络的监管要求合起来,怎么能保证不至于降低管控标准,不至于带来新的国家文化和网络信息安全问题。总之,“网络刹车”技术现状还很不适应三网融合的发展需求,尚需要技术上有创新的作为,因为没有可供引进的现存技术可用。

 (3)如果我国也把三网融合后的家庭用户接入速率定在十年后每秒100兆比特、企业用户接入速率1000兆比特的国际先进水准上,现有的网络体制和技术手段支撑起来都是十分困难的,需要发展更多的创新技术,所以说三网融合的核心是创新,除了体制机制创新外,技术创新是根本。

 现有资源

我国数据通信业务起步较晚,但发展速度快,电信部门的数据通信网络,采用的是时分复用SDH系统,迄今全国骨干网已建成,它以话音业务为主,同时也提供数据业务服务。但系统带宽、地域覆盖、业务种类等许多方向不能满足经济快速发菜带来的日益广泛的客户要求。我国是有线电视大国,有线电视入网用户迄今已达8000万户。大多数有线电视网络已建成HFC网。前端到光节点采用光缆传输。每个光节点覆盖500-1500用户,光缆为四芯以上,其中一芯用于传送模拟电视广播信号,其它作备份。有线电视HFC网的宽带资源和网络物理结构建设三网融合的新型多媒体网络提供了良好的物质基础。

三网融合的3个重要技术

1.成熟的数字化技术,即语音、数据、图像等信息都可以通过编码成0和1的比特流进行传输和交换,这是三网融合的基本条件;

2.采用TCP/IP协议。只有基于独立IP地址,才能实现点对点、点对多点的互动,才能使得各种以IP为基础的业务能在不同的网上实现互通;

3.光通信技术。只有光通信技术才能提供足够的信息传输速度,保证传输质量,光通信技术也使传输成本大幅下降。

“三网融合”不仅仅有着国家战略层面的深远意义,而且“三网融合”还可以创造新的服务形态改变我们的工作或生活方式。


第六章  总结与展望

6.1总结

本文主要介绍了机顶盒的分类、发展及原理,并结合了大显DC-618C机顶盒的设计,最后还对新一代高清机顶盒的系统设计做了简单的论述。对三网融合也有简单的介绍

 

6.2课题展望

基于数字电视机顶盒多种CA、下载器、EPG、数据广播和中间件系统的优势,外来插件与之融合,集家电、电子、增值服务于一体的增值运用使得数字电视机顶盒趋于产业化、市场化。以目前颇受关注的电视体感游戏为例来说,国际巨头任天堂、索尼和微软等均对国内的高清数字电视和数字机顶盒蠢蠢欲动,欲与之合作插入高清体感游戏增值服务,这也是当前高清数字机顶盒的发展主流之一。目前,国内首次实现数字机顶盒开放式应用平台的康佳与广州代代星电子科技有限公司合作,使代代星自主研发的体感游戏成为康佳硬件标配,基于康佳独有的十核“锐芯”技术,通过开放式的SDK软件开发工具,丰富多彩的体感游戏的任何应用程序可以顺畅运行,详细的技术解读可以参考参考资料。即消费者在自家的客厅就可以玩3D游戏,并且代代星研发的体感游戏是由身体动作控制游戏角色的动作,达到娱乐与运动一体的效果,是客厅娱乐的新玩法。


致  谢

在论文完成之际,我首先向关心帮助和指导我的指导老师马勇表示衷心的感谢并致以崇高的敬意!

在论文工作中,遇到了很多困难,一直得到马勇老师的亲切关怀和悉心指导,使我倍感亲切马勇老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象,我将终生难忘。再一次向他表示衷心的感谢,感谢他为学生营造的浓郁学术氛围,以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际,谨向马勇老师致以最崇高的谢意!

在学校的学习生活即将结束,回顾两年多来的学习经历,面对现在的收获,我感到无限欣慰。为此,我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!

特别感谢我的师兄以及师姐对我的学习和生活所提供的大力支持和关心!还要感谢一直关心帮助我成长的室友!

在我即将完成学业之际,我深深地感谢我的家人给予我的全力支持!

最后,衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!

 

 

 

 

 


参考文献

1.姜秀华 张永辉,数字电视广播原理与应用,人民邮电出版社

2.中国电子视像行业协会,数字电视知识解读,人民邮电出版社

3.赵坚勇,电视原理与接收技术,国防工业出版社

4.郑志航,数字电视原理与应用,中国广播电视出版社年

5.百度百科,数字电视机顶盒

6.黎洪松编著。数字视频技术及其应用。清华大学出版社

7.王连山。数字电视在有线电视网络中的传输。有线电视技术

8.ETSI.DigitalVideoBroADCasting(DVB):Framingstructure,channelcodingandmodulationforcablesystem.EN300429v1.2.1,1998.4

钟玉琢等译。运动图像及其伴音通用编码国际标准。清华大学出版社1997

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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