数字电视机顶盒

数字电视机顶盒

数字电视机顶盒是信息家电之一，它是一种能够将数字电视信号转换成模拟信号的一种嵌入式计算设备，让用户在现有模拟电视机上观看数字电视节目，并进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费类电子产品。

数字电视机顶盒的功能

• 数字电视的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具 有所有广播和交互式多媒体应用功能，包括：

  （1）电子节目指南（EPG）：它为用户提供一种容易使用、 界面友好、可以快速访问想看节目的方式，用户可以通过该功 能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。

  （2）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。

  （3）软件在线升级：它可看成是数据广播的应用之一。数 DVB 据广播服务器按DVB数据广播标准将升级软件广播下来，机顶 盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保 存在存储器中的软件进行更新。

  （4）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。用户可以通过机顶 盒内置的浏览器上网，发送电子邮件。同时机顶盒也可以提供 各种接口与PC相连,使用PC接入因特网。

  （5）支持交互式应用如: VOD视频点播、互动游戏等。

  （6）有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密，数字 机顶盒应具有解扰和解密功能。

数字电视机顶盒的原理

• 数字电视机顶盒接收各种传输介质来的数字信号和各种 数据信息，通过解调、解复用、解码和音视频编码(或 者通过相应的数据解析模块)，在模拟电视机上观看数 字电视节目和各种数据信息。

  以有线数字电视机顶盒为例，其工作原理如下：有线数 字电视机顶盒接收数字电视节目、处理数据业务和完成 多种应用的解析。信源在进入有线电视网络前完成两级 编码，一是传输用的信道编码，另一级是音、视频信号 的信源编码和所有信源封装成传输流。与前端相应，接 收端机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道 解调; 其次是还原压缩的信源编码信号，恢复原始音、 视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。

数字电视机顶盒的结构层次

• 机顶盒从功能上看是计算机和电视机的融合产物，但结 构却与两者不同，从信号处理和应用操作上看，机顶盒 包含以下层次：

  (1)物理层和连接层：包括高频调谐器，QPSK、QAM、 OFDM、VSB解调，卷积解码，去交织，里德—索罗门 解码，去能量扩散。

  (2)传输层：包括解复用，它把传输流分成视频、音频和 数据包。

  (3)节目层：包括MPEG—2视频解码，MPEG/AC—3音 频解码。

  (4)用户层：包括服务信息，电子节目表，图形用户界面 （GUI），浏览器，遥控，有条件接收，数据解码。

  (5)输出接口：包括模拟音视频接口，数字音视频接口， 数据接口，键盘，鼠标等。

数字电视机顶盒的主要技术

• 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、机顶盒软件、显示控制和加解扰技术是数字电视机顶盒的主要技术。

  (1)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。

  (2)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。

  (3)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。

  (4)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。

  (5)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@HL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。

  (6)数字电视机顶盒软件

  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，具体如下： 　　1 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。

  2 嵌入式实时多任务操作系统：嵌入式实时操作系统是相对于桌面计算机操作系统而言的，它不装在硬盘中，系统结构紧凑，功能相对简单，资源开资较小，便于固化在存储器中。嵌入式操作系统的作用与PC机上的DOS和Windows相似，用户通过它进行人机对话，完成用户下达的指定。指定接收采用多种方式如：键盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。

  3 中间件： 开放的业务平台上的特点在于产品的开发和生产以一个业务平台为基础，开放的业务平台为每个环节提供独立的运行模式，每个环节拥有自身的利润，能产生多个供应商。只有采用开放式业务平台才能保证机顶盒的扩展性，保证投资的有效回收。

  4 上层应用软件： 执行服务商提供的各种服务功能，如：电子节目指南、准视频点播、视频点播、数据广播、IP电话和可视电话等。上层应用软件独立于STB的硬件，它可以用于各种STB硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。

  (7)显示技术

  就电视和计算机显示器而言，CRT显示是一种成熟的技术，但是用低分辨率的电视机显示文字，尤其是小于24×24的小字，问题就变得复杂了。电视机的显像管是大节距的低分辨率管，只适合显示720×576或640×480的图像，它的偏转系统是固定不变的，是为525行60Hz或625行50Hz设计的，而数字电视的显示格式有18种以上。上网则要符合VESA格式，显然，电视机的显示系统无法适应这么多格式。另外，电视采用低帧频的隔行扫描方式，当显示图形和文字时，亮度信号存在背景闪烁，水平直线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换到电视机上，水平边沿就会仅出现在奇场或偶场，屏显时间接近人眼的视觉暂留，会产生厉害的边缘闪烁现象，因而要用电视机上网，必须要补救电视机显示的缺陷。

  根据技术难度和成本，目前用两种方法进行改进，一种是抗闪烁滤波器，把相邻三行的图像按比例相加成一行，使仅出现在单场的图像重现在每场中，这种方式叫三行滤波法。三行滤波法简单易实现。但降低了图像的清晰度，适用于隔行扫描方式的电视机。另一种方法是把隔行扫描变成逐行扫描，并适当提高帧频，这种方式要成倍地增加扫描的行数和场数，为了使增加的像数不是无中生有，保证活动画面的连续性，必须要作行、场内插运算和运动补偿，必须用专用的芯片和复杂的技术才能实现，这种方式在电视机上显示计算机图文的质量非常好，但必须在有逐行和倍扫描功能的电视机上才能实现。另外把分辨率高于模拟电视机的HDTV和VESA信号在电视机上播放，只能显示部分画面，必须进行缩小这就像PIP方式，要丢行和丢场。同样为保证图像的连续性，也要进行内插运算。

  (8)加解扰技术

  加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密。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2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信息中传送，并且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥(PDE)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Smart 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就可以将已加扰的传输流进行解扰。

  (9)条件接收系统（CAs:Cditional Access System）

  有条件接收系统（CAS）是开展付费电视的核心技术，了解它的运行机制，掌握好它的使用和维护对付费电视业务的成功开展非常关键。CAS的组成包括有：用户管理系统SMS、业务信息生成系统SIG、节目管理PMS/SI编辑系统、节目调度处理EIS、用户授权管理系统SAS、条件接收CA等。主要有两大块：一块是管理用户的SMS，一块是管理节目的CA。CA主要分为两大部分：一是信号加扰部分，它是通过一个随机码发生器所产生的随机码（称为控制字CW）来控制加扰器对信号的加扰；二是加密部分，要使加扰的信号在接收端成功地解扰，接收端也必须要有和加扰端一模一样的控制字来控制解扰器，所以，要将前端的CW传送到接收端，如果直接传送会很容易被黑客截获而使CAS失去作用，为此，要对CW进行加密传送，这种加密是一种多层加密机制，从而增加CW传送的安全性，直接对CW加密的第一层所产生的密文称为授权控制信息ECM，通过复用器与加扰的码流一起传送，ECM还含有时间、节目价格、节目授权控制等信息，因此ECM是面向节目的管理信息。对CW加密的密钥称为工作密钥SK，SK通常又叫月密钥，每月换一次，每换一次SK，系统都要从新对所有用户进行授权。第二层加密是用称为节目密钥PDK对SK进行加密，所产生的密文和从SMS获取的授权指令通过SAS生成的授权信息组成授权管理信息EMM，EMM还含有智能卡号、授权时间、授权等级等用户授权信息。这些信息主要是完成对用户的授权，因此EMM是面向用户的管理信息，EMM对用户在什么时间看、看什么频道进行授权，它也通过复用器与加扰码流一起传送，以上这些组成了CA最基本的加密系统。

数字电视机顶盒的发展现状

• 数字电视是在还没有察觉的情况下就已经进入了我们的生活。而 我们能够开始感觉到数字技术的冲击只是一个时间问题，今天数 字技术已经在我们生活的方方面面有所体现，从电话、传真机到 微型电脑，再到目前风靡世界的因特网。 ——今天， 尽管我们在家里仍然收看的还是模拟电视节目，但是 节目制作棚里的设备已经是数字化了，从节目制作棚到发射塔的 信号传输也已是数字化了，没有这些节目制作与传输的数字技术， 我们的节目质量是无法满足的。当你通过卫星电视网、有线电视 网或开路电视网观看电视节目时，你已经是位于数字电视传输的 最后一个环节，这一个环节正在经历一场数字化革命,以达到电视 节目的全数字化传输。在电视数字化的进程中,国际DVB组织 (Digital Video Broadcasting)提出了全套的解决方案，这一方案涉 及我们常用的传输媒介：数字卫星电视(DVB-S)、数字有线电视 (DVB-C) 、数字开路电视(DVB-T) 。 ——电视数字化的时代已经到来!

  1 国外机顶盒的发展状况

  目前在全球数字电视广播领域有三个相对成熟的标准制式正在 参与全球制式竞争。他们是欧洲的DVB、美国的ATSC和日本的 ISDB。三者之间相互独立，在各自特定的应用领域里具有自己 的优势。

  ISDB已经在2002年内启动，其特点是为多媒体应用提供了最好 的支持。

  DVB-T DVB-T是三者中应用最为广泛和灵活的标准，并已在欧洲启动 实施。澳大利亚：地面数字电视广播基本上彩了DVB-T的方式。 新加坡：1998年2月新加坡开始了用单频网和ATM技术进行 DVB-T的数字电视实验。

  ATSC电视制式简介ATSC的英文全称是Advanced Television Systems Committee（美国高级电视业务顾问委员会）。该委员 会于1995年9月15日正式通过ATSC数字电视国家标准。ATSC制 信源编码采用MPEG-2视频压缩和AC－3音频压缩；信道编码采 用VSB调制，提供了两种模式：地面广播模式（8VSB）和高数 据率模式（16VSB）。随着多媒体传输业务的不断发展，为了 适应移动接收的需要，近来又计划增加2VSB的移动接收模式。 ATSC的节目已在美国多个试点台进行了试播。

  2 国内机顶盒的发展状况

  香港：已经宣布了数字电视广播的确定的日程。

  中国：由原国家科委、原电子部、原广电部等11个部委组成的HDTV研究开发直辖市 小组扶持的国家重点产业工程项目—数字高清晰度电视（HDTV）功能样机系统自 1996年7月立项以来，投资1500万元经费，至2005年9月8日研制成功，并于当日起在中 央电视台30频道向北京地区进行广播实验。这标志着我国成为继美国和欧洲之后的第 三个制成该系统的国家。中国计划在2015年全面开始普及数字电视，

  2000年8月14日，中国数字有线电视节目在深圳首播成功，2000年全国24个省、自治区、 直辖市有线电视联网，2001年实现全国联网。全国有300多个有线电视网络公司在双向 HFC分配网上进行综合业务试点，为数字有线电视多功能开发架起了桥梁。

  在HFC网改造成双向HFC网中，许多有线电视网络公司在开展广播电视、数据传输、 因特网接入、视频点播等综合业务试点上取得了成功经验。由于数字CATV（有线电 视）系统的数字电视机顶盒能将模拟电视节目、DTV（数字电视节目）和高速数据等 多媒体交互业务一起转换（显示）在用户的电视机和个人电脑上，向用户提供了更为 宽松的交互环境，用适合于用户的高速数据多媒体交互业务，把电视节目和广告连接 到网页，在数字电视机顶盒的遥控器上实现VOD（视频点播）和简单的E—mail（电子 邮件）收发；访问Internet（国际互联网）的娱乐、信息和授权的电子商务等。大大改 变了传统电视广播的特性，提供着信息的交互应用。

  随着数字电视广播业务的发展，数字电视机顶盒技术和市场都有了很大发展，现在， 对于任何经营数字广播业务的广播商而言，数字电视机顶盒是最大的投资，可以说， 数字电视广播和宽带互联网是数字电视机顶盒发展的外部条件。

数字电视机顶盒的发展趋势

• 从技术发展上机顶盒可以分成几个层次，低 端产品可以分别接入各种传输媒质传送的信 息源，如有线、地面、卫星甚至IP网络。之 后，这些不同接收方式的机顶盒走向融合， 出现了将有线、地面、卫星和IP网络结合在 一起的多模式机顶盒。在此基础上，机顶盒 还将融合PVR等更高端功能，从而成为家庭 媒体中心。