資訊熱線：數字電視機頂盒的結構和原理
超毅電子今天跟你討論電視機頂盒的結構和原理，數字機頂盒是一種能提供模擬音頻和視頻接口，使現在的模擬電視機能正常接收節目;同時，還能提供數字電視、數字廣播接口，提供交互式功能的接口裝置。它一頭接有線電視網的同軸電纜，一頭接用戶家里的電視機。專門為不打算買電腦和用電腦的廣大用戶設計。S-A（Scientific-Atlanta） 在94年為Time Warner Cable 在奧蘭多的Full Service Network（FSN）設計了第一個數字機頂盒（Digital Set-Top Box），采用SGI的MIPS芯片和軟件技術的數字機頂盒將計算機技術帶入家電領域。機頂盒除了能提供數字電視、數字廣播接口，提供交互式功能，包括電話接口、計算機數據接口，甚至提供攝像機與游戲機接口等。能接收和存儲用戶發出的某些指令，并擁有一個中央處理單元，控制機上變換器各部分的工作，能夠進行繁重的數值計算，并對數字視頻/音頻信號進行解壓縮輸出和壓縮輸入。機頂盒實際上就是多功能的計算機。這里對數字機頂盒的硬件結構進行介紹，可以讓大家對數字機頂盒硬件結構有總體的了解和認識。
二、機頂盒的工作原理：
機頂盒各個模塊在Internet的高速接入中，協同工作。用戶首先通過發送命令請求一個URL。在使用PPP點對點協議的一次交易過程中，該命令最終到達Internet業務提供者的調制解調器共用機架上。然后通過動態分配法，該用戶獲得本次交易中使用的IP地址，并把請求送往Internet。當Internet的內容被找到之后，接著把它送到Internet業務提供者（ISP）那里，再由ISP的路由器負責把它送到電纜電視網絡，最后回到用戶的機頂盒。在有線電視的機頂盒，信息內容被截獲。機頂盒在電視機與電纜網絡之間完成一個網關的任務。它的任務是管理IP的通信流量，具有控制用戶進出網絡的能力一旦IP包到達機 頂盒，把視頻信號從該包中分離下來，對其中的數據進行譯碼，然后把它送到瀏覽器里準備在電視機上顯示。
由于Cable Modem要求用戶要配置一部電腦才能上網，影響了用戶層的擴展，而使用機頂盒則不需電腦，一部電視機足矣，因而機頂盒的市場前景可能看好。信息使用者從企業向家庭過渡，網絡帶寬從窄帶向寬帶過渡，用戶入網設備從PC機向帶機頂盒（STB）的電視過渡，使用界面從Windows向電視遙控鍵界面過渡，信息內容從為企業服務向為人民生活服務過渡，是網絡服務發展的大方向，機頂盒（STB）顯然是這個大方向上的一個階段。
數字電視機頂盒接收數字電視節目，處理數據業務和完成多種應用的解析。各類信源在進入有線電視網絡之前經過兩級編碼，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，數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，接著還原壓縮的信源編碼信號，恢復原始視音頻流，同時完成數據業務和多種應用的接收、解析。
數字電視機頂盒的工作過程：數字電視機頂盒通過網絡接口模塊選擇頻道，并進行解調和和信道解碼處理，輸出MPEG-2多節目傳輸流數據，送給解復用器，解復用器從MPEG-2傳輸流數據中抽出一個節目的已打包的視音頻基本流（PES）數據，包括視頻PES，音頻PES和輔助數據PES，解復用器中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對加擾的數據進行解擾，解復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視頻數據并對其解碼后，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音頻數據并對其解碼，輸出PCM音頻數據到音頻D/A變換器，音頻D/A變換器輸出模擬立體聲音頻信號，經音頻輸出電路輸出。其結構示意圖如圖一。
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數字電視機頂盒包括硬件和軟件兩部分。硬件提供數字電視機頂盒的硬件平臺，實現音視頻的解碼。在數字電視技術中，軟件技術比硬件占有更為重要的位置，因為電視節目內容的重現、操作界面的實現、數據廣播業務的實現，以及機頂盒和Internet的互聯都需要軟件來實現。
1、數字電視機頂盒硬件組成
（1）網絡接口模塊（NIM）：網絡接口模塊完成信道解調和信道解碼功能，送出包含視音頻和其他數據信息的傳輸流（TS）。
（2）信源數據傳輸流解復用器：傳送流中一般包含多個音視頻流及一些數據信息，傳輸流解復用器用來區分不同的節目，提取相應的音視頻流和數據流，送入視音頻解碼器和相應的解析軟件。
（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量圖像，并提供多聲道立體聲節目。
（5）嵌入式CPU與存儲器模塊和接口電路：嵌入式CPU是數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，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，以太網接口及RS232，模擬、數字視音頻接口，數據接口等。
2、數字電視機頂盒軟件系統
在機頂盒中，軟件系統是一個重要的組成部分。主控制器的工作通過軟件的執行來完成。
機頂盒的軟件基本結構如圖二所示。操作系統一般采用實時操作系統。在這個操作系統中主要完成進程調度、中斷管理、內存分配、進程間通信、異常處理、時鐘提取等工作。硬件驅動部分提供外圍硬件設備的驅動，包括I2C總線、異步串行通信口、并行通信口、非易失內存、鍵盤、遙控器、調諧器、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動用于控制音頻解碼和視頻解碼硬件的工作。解復用和數據表提取模塊主要是對碼流解復用和數據表提取操作的控制。應用程序編程接口將所有與硬件相關的底層函數映射到一個統一的接口上，并且提供一些與硬件無關的公用處理函數，比如網絡協議、圖形格式分析、業務信息數據表分析等。條件接收驅動用于完成條件接收處理的工作和軟件接口。應用程序編程接口為應用程序提供了一個公共的編程接口，把應用程序與硬件屏蔽開，使得應用程序與硬件無關。這樣，就便于實現應用程序的可移植性。
（1）中間件
中間件是數字電視接收系統的軟件平臺，為數字電視應用提供運行環境和軟件接口。中間件作為數字機頂盒中的一個獨立的軟件層，將應用軟件與底層硬件和操作系統隔離開，對操作系統和驅動程序定義了統一接口，同時對應用程序也定義了統一接口，另外對常規數字廣播電視業務和增值業務也提供統一接口。中間件定義了一組較為完整而標準的應用程序接口，使應用程序獨立于操作系統和硬件平臺，從而將應用的開發變得更加簡捷，使產品的開放性和可移植性更強。它通常由Java虛擬機、網絡瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成，中間件將應用軟件與依賴于硬件的驅動層軟件分隔開來，使應用軟件不依賴于具體的硬件平臺。
（2）SI/EPG
業務信息（SI）包括：節目業務群關聯表（BAT）、節目業務描述表（SDT）、節目段信息表（EIT）、運行狀態表（RST）、時間及日期表（TDT）、時間偏移表（TOT）等。通過這些數據表，機頂盒可以向用戶提供節目的內容描述、節目的類型、節目的播放時間、節目的分級等信息。機頂盒在解復用的處理中提取這些數據表，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備告知機頂盒根據用戶的選擇提取相應的節目碼流或數據碼流。
（3）節目業務搜索
在模擬電視系統中，電視頻道的搜索只需要按照頻點逐一進行即可。而在數字電視系統中，頻道與節目業務不再是一一對應的關系，信道傳輸系統的參數也有多種配置方式。因此，機頂盒對節目業務的搜索要對應前端廣播系統進行設計。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布頻道。在機頂盒中預先內置該頻道參數。
（4）疊印字幕
由于數字電視系統本身就具有多業務功能，疊印顯示也是機頂盒的基本功能，因此在數字電視機頂盒中可以較好的實現疊印字幕功能。疊印字幕可以根據用戶的選擇開啟和關閉。
由于機頂盒中的軟件非常復雜，因此難免存在一些錯誤。另外隨著業務的不斷變化，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據口將程序燒寫到FLASH內存中，或通過更換程序RON實現。在線廣播下載更新是在系統前端通過特定的協議將更新軟件插入到碼流中，傳送給機頂盒。
三、數字電視機頂盒的功能
數字電視機頂盒能夠接收MPEG-2數字電視傳輸流和各種數據信息，通過解調、解復用、解碼和視音頻編碼，在模擬彩色電視機上觀看數字電視節目和各種數據信息。目前，數字電視機頂盒的基本功能是接收數字電視廣播節目，同時具有所有廣播和交互式多媒體應用功能，包括：
（1）電子節目指南：它為用戶提供一種容易使用，界面非常友好，可以快速訪問想看節目的方式，用戶可以通過該功能看到各個頻道上近期將播放的電視節目。
（2）支持交互式應用如準視頻點播、視頻點播、互動游戲等。
（3）高速數據廣播：能為用戶提供股市行情、票務信息、電子報紙、熱門網絡等各種信息。
（4）因特網接入和電子郵件：數字電視機頂盒通過內置的電纜調制解調器便可實現因特網接入功能。用戶可以通過機頂盒內置的瀏覽器上網，發送電子郵件，也可以提供各種接口與PC相連，使用PC接入因特網。
（5）軟件在線升級：可看成是數據廣播的應用之一。數據廣播服務器將升級軟件傳送給機頂盒，機頂盒能識別該軟件的版本號，在版本不同時接收該軟件，并對保存在存儲器中的軟件進行更新。
（6）有條件接收：有條件接收的核心是加擾和加密，數字電視機頂盒應具有解擾和解密功能。
隨著數字電視和網絡技術的發展，數字電視機頂盒的功能將更加完善，尤其是單片PC技術的發展，將促使數字電視機頂盒在物理結構上將各部分硬件高度集成，形成STB核心芯片，從而減小體積，降低成本，提高性能。外部接口將更加豐富，通過USB接口可以和數碼相機連接，通過IDE接口可以掛接硬盤實現節目存儲等。交互式機頂盒將成為數字電視機頂盒的主流，用戶在模擬彩色電視機上不僅能收看數字電視，還能實現娛樂和上網。
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