DVB機頂盒工作原理

   一、DVB-STB的概念與分類
  機頂盒(STB,Set Top Box),是指利用網絡(電視網絡或信息網絡)作爲傳輸平臺,以電視機作爲用戶終端,用來增強或擴展電視機功能的一種信息設備。由於人們通常將它放置在電視機的上面,所以又被成爲機頂盒或頂置盒。目前機頂盒有模擬和數字之分,而相比於電視的模擬製式來說,數字電視擁有更爲旺盛的生命力,所以現在常說的機頂盒一般是指數字電視機頂盒。
  數字電視機頂盒是一種將數字電視信號轉換成模擬信號的變換設備,它對經過數字化壓縮的圖像和聲音信號進行解碼還原,產生模擬的視頻和聲音信號,通過電視顯示器和音響設備給觀衆提供高質量的電視節目。目前的數字電視機頂盒已成爲一種嵌入式計算設備,具有完善的實時操作系統,提供強大的CPU計算能力,用來協調控制機頂盒各部分硬件設施,並提供易操作的圖形用戶界面。它可以支持幾乎所有的廣播和交互式多媒體應用,包括收看普通電視節目、數字加密電視節目、點播多媒體節目和信息、電子節目指南(EPG)、收發電子郵件、因特網瀏覽、網上購物、遠程教育等。
  數字電視機頂盒根據傳輸媒體的不同,可分爲衛星數字機頂盒(DVB-S)、地面數字電視機頂盒(DVB-T)和有線數字電視機頂盒(DVB-C)等,這些機頂盒的硬件結構主要區別在信道的解碼和解調部分。
二、DVB機頂盒的工作原理
  數字電視機頂盒的基本功能是可接收數字電視信號和處理MPEG-2標準的數字視/音頻信號,並將其轉換成爲模擬電視信號(或電視機可接收的信號)。

它的工作過程爲(如圖1所示):

1.調諧模塊(tuner)
  通過天線接收到射頻信號並下行變頻爲中頻信號,高頻頭是通過I2C總線技術來控制進行選臺的(調諧)。
2.QAM解調與信道解碼
  中頻信號通過經濾波、放大、A/D轉換爲數字信號後送入QAM解調模塊進行QAM解調,DVB的信道編碼是採用RS+卷積交織方式,調製則採用64QAM方式,因此機頂盒必須要完成QAM解調、RS解碼和解交織(糾錯處理)的過程,並輸出MPEG傳輸流的串行和並行數據。如芯片(L64768)
3.MPEG2-TS解複用
(爲了提高信道利用率,使多個信號沿同一信道傳輸而互相不干擾,稱多路複用。目前採用較多的是頻分多路複用和時分多路複用。頻分多路複用用於模擬通信,例如載波通信,時分多路複用用於數字通信,例如PCM通信。而這裏的MPEG-TS流就是採用了複用技術,MPEG多路複用器將各路節目流、數據流復合在一起,以188字節爲一幀的MPEG2數據格式發送到射頻調製器並提供電子節目單(EPG))
  解複用模塊接收MPEG2-TS流,並從中抽出一個節目PES數據,包括視頻PES、音頻PES、數據PES,並將音頻和視頻數據直接送給MPEG-2解碼器進行解碼。解複用模塊中包括一個解擾引擎,可對加擾的數據進行解擾,其輸出是已解擾PES。如芯片(SAA7214,L64108)
4.MPEG-2解碼
  解複用模塊送出的數據是壓縮的視頻PES數據和音頻PES數據,必須由MPEG-2解碼器對PES數據進行解壓縮。輸出兩組信號,一組爲MPEG2數字視頻數據送給視頻編碼器,另一組對MPEG音頻數據進行解碼爲PCM數字音頻信號再送給音頻數模變換。如芯片(SAA7215,L64005)
(注:以下兩點爲目前DVB機頂盒的現狀(機頂盒輸出以模擬信號爲主),如果以後電視都是數字電視了,DVB機頂盒此模塊很可能會將數字音視頻信號直接丟給電視機處理)
5.視頻編碼
  視頻編碼器的功能是將已解碼的MPEG2數字視頻信號轉換爲模擬電視信號,這些信號經過一個低通濾波器送到電視機的A/V插口上進行播放。
6.音頻DAC
  音頻DAC的功能是將已解碼的數字PCM數據解碼成立體聲模擬信號。
三、數字電視機頂盒的結構
數字電視機頂盒硬件部分多采用模塊化設計,一般可分爲五個模塊:分別是接收前端模塊、主模塊、電纜調制解調器模塊、音視頻輸出模塊和外圍接口模塊。(如圖2所示)

  其中,接收前端模塊包括調諧器和QAM解調器,該部分可以從射頻信號中解調出MPEG-2傳輸流。主模塊是整個數字電視機頂盒的核心部分,解碼部分可對傳輸流進行解碼、解複用、解擾等操作,而嵌入式CPU和存儲器用來運行和存儲軟件系統,並對各個模塊進行控制。電纜調制解調器模塊由一個雙向調諧器、下行QAM解調器、上行QPSK/QAM調製器和媒體訪問控制(MAC)模塊組成,該部分實現電纜調製解調的所有功能。音視頻輸出模塊中對音視頻信號進行D/A轉換還原出模擬音視頻信號,並在常規彩色電視機上輸出。外圍接口模塊則提供了豐富的外部接口,包括高速串行接口1394、通用串行接口USB等等。
  音視頻的解碼由硬件實現,而機頂盒與個人計算機的互聯以及和Internet的互聯則由軟件實現。在廣播數字化後,數字電視機頂盒技術中軟件技術佔有更爲重要的位置。數字電視機頂盒軟件主要包括以下幾個部分:硬件設備驅動程序:提供對硬件設備的驅動功能;實時操作系統RTOS:嵌入式實時操作系統是機頂盒軟件運行的平臺,主要爲上層軟件提供多任務的運行環境,完成任務間的調度、實現任務間的通信;系統移植接口:爲保證中間件和應用軟件能夠在不同的硬件平臺和操作系統上運行,一般機頂盒都會在硬件驅動層和操作系統之上定義一層系統移植或硬件接口函數,以方便中間件和應用軟件的移植;中間件:是在應用軟件、操作系統和硬件平臺之間建立的一箇中間層軟件,定義一組較爲完整的、標準的應用程序接口,是應用程序獨立於操作系統和硬件平臺;應用軟件:完成機頂盒功能的上層軟件,根據業務功能的不同,可以有不同的應用軟件。

(如圖3,圖4所示)


四、數字電視機頂盒的主要技術
信道解碼、信源解碼、上行數據的調製編碼、嵌入式CPU、MPEG-2解壓縮、機頂盒軟件、顯示控制和加解擾技術是數字電視機頂盒的主要技術。
  (1)信道解碼
  數字電視機頂盒中的信道解碼電路相當於模擬電視機中的高頻頭和中頻放大器。在數字電視機頂盒中,高頻頭是必須的,不過調諧範圍包含衛星頻道、地面電視接收頻道、有線電視增補頻道。根據DTV目前已有的調製方式,信道解碼應包括QPSK、QAM、 OFDM、VSB解調功能。
  (2)信源解碼
  模擬信號數字化後,信息量激增,必須採用相應的數據壓縮標準。數字電視廣播採用MPEG-2視頻壓縮標準,適用多種清晰度圖像質量。音頻目前則有AC-3和MPEG-2兩種標準。信源解碼器必須適應不同編碼策略,正確還原原始音、視頻數據。
  (3)上行數據的調製編碼
  開展交互式應用,需要考慮上行數據的調製編碼問題。目前普遍採用的有3種方式,採用電話線傳送上行數據,採用以太網卡傳送上行數據和通過有線網絡傳送上行數據。
  (4)嵌入式CPU
  嵌入式CPU是數字電視機頂盒的心臟,當數據完成信道解碼以後,首先要解複用,把傳輸流分成視 頻、音頻,使視頻、音頻和數據分離開,在數字電視機頂盒專用的CPU中集成了32個以上可編程PID濾波器,其中兩個用於視頻和音頻濾波,其餘的用於 PSI、SI和Private數據濾波。CPU是嵌入式操作系統的運行平臺,它要和操作系統一起完成網絡管理,顯示管理、有條件接收管理(IC卡和 Smart卡)、圖文電視解碼、數據解碼、OSD、視頻信號的上下變換等功能。爲了達到這些功能,必須在普通32~64位CPU上擴展許多新的功能,並不 斷提高速度,以適應高速網絡和三維遊戲的要求。
  (5)MPEG-2解碼
  MPEG-2是數字電視中的關鍵技術之一,目前實用的視頻數字處理技術基本上是建立在 MPEG-2技術基礎上,MPEG-2是包括從網絡傳輸到高清晰度電視的全部規範。MP@LL用於VCD,可視電話會議和可視電話用的H.263和 H.261是它的子集。MP@ML用於DVD、SDTV,MP@MH用於HDTV。
  MPEG-2圖像信號處理方法分運動預測、DCT、量化、可變長編碼4步完成,電路是由RISC處理器爲核心的ASIC電路組成。
  MPEG-2解壓縮電路包含視頻、音頻解壓縮和其它功能。在視頻處理上要完成主畫面、子畫面解 碼,最好具有分層解碼功能。圖文電視可用APHA迭顯功能選加在主畫面上,這就要求解碼器能同時解調主畫面圖像和圖文電視數據,要有很高的速度和處理能 力。OSD是一層單色或僞彩色字幕,主要用於用戶操作提示。
  在音頻方面,由於歐洲DVB採用MPEG-2伴音,美國的ATSC採用杜比AC-3,因而音頻解碼要具有以上兩種功能。
  (6)數字電視機頂盒軟件
  電視數字化後,數字電視技術中軟件技術佔有更爲重要的位置。除了音視頻的解碼由硬件實現外,包括電視內容的重現、操作界面的實現、數據廣播業務的實現,直至機頂盒和個人計算機的互聯以及和Internet的互聯都需要由軟件來實現,具體如下:
  A 硬件驅動層軟件: 驅動程序驅動硬件功能,如射頻解調器、傳輸解複用器、A/V解碼器、OSD、視頻編碼器等。
  B 嵌入式實時多任務操作系統:嵌入式實時操作系統是相對於桌面計算機操作系統而言的,它不裝在硬盤中,系統結構緊湊,功能相對簡單,資源開資較小,便於固化 在存儲器中。嵌入式操作系統的作用與PC機上的DOS和Windows相似,用戶通過它進行人機對話,完成用戶下達的指定。指定接收採用多種方式如:鍵 盤、鼠標、語音、觸摸屏、紅外遙控器等。
  C 中間件: 
中間件是一種將應用程序與底層的操作系統、硬件細節隔離開來的軟件環境,它通常由各種虛擬機來構成,如HTML虛擬機、JavaScript虛擬機、Java虛擬機、MHEG-5虛擬機等等。數字電視機頂盒軟件中間件的核心層模塊包括GDI模塊、SI模塊、文件系統模塊、AV模塊、瀏覽器模塊、系統模塊等。它不僅能夠爲應用層提供與業務無關的應用軟件接口,而且能夠屏蔽掉上層軟件模塊對硬件的依賴性,構建一個軟件平臺適配層。
成熟的商用中間件產品有Opentv的EN2、Liberate的TV Navigator for DTV、Enreach的EnreachTV for DTV、Canel+ 的Mediahighway和Intellibyte的IB EPG、IB SI Manager、IB Browser等。這些產品在市場上都佔有一席之地,但彼此兼容性並不好。標準組織已經着手建立公開的中間件標準。
  D 上層應用軟件: 執行服務商提供的各種服務功能,如:電子節目指南、準視頻點播、視頻點播、數據廣播、IP電話和可視電話等。上層應用軟件獨立於STB的硬件,它可以用於各種STB硬件平臺,消除應用軟件對硬件的依賴。
  (7)顯示技術
  就電視和計算機顯示器而言,CRT顯示是一種成熟的技術,但是用低分辨率的電視機顯示文字,尤 其是小於24×24的小字,問題就變得複雜了。電視機的顯像管是大節距的低分辨率管,只適合顯示720×576或640×480的圖像,它的偏轉系統是固 定不變的,是爲525行60Hz或625行50Hz設計的,而數字電視的顯示格式有18種以上。上網則要符合VESA格式,顯然,電視機的顯示系統無法適 應這麼多格式。另外,電視採用低幀頻的隔行掃描方式,當顯示圖形和文字時,亮度信號存在背景閃爍,水平直線存在行間閃爍。如果把逐行掃描的計算機圖文轉換 到電視機上,水平邊沿就會僅出現在奇場或偶場,屏顯時間接近人眼的視覺暫留,會產生厲害的邊緣閃爍現象,因而要用電視機上網,必須要補救電視機顯示的缺 陷。
  根據技術難度和成本,目前用兩種方法進行改進,一種是抗閃爍濾波器,把相鄰三行的圖像按比例相 加成一行,使僅出現在單場的圖像重現在每場中,這種方式叫三行濾波法。三行濾波法簡單易實現。但降低了圖像的清晰度,適用於隔行掃描方式的電視機。另一種 方法是把隔行掃描變成逐行掃描,並適當提高幀頻,這種方式要成倍地增加掃描的行數和場數,爲了使增加的像數不是無中生有,保證活動畫面的連續性,必須要作 行、場內插運算和運動補償,必須用專用的芯片和複雜的技術才能實現,這種方式在電視機上顯示計算機圖文的質量非常好,但必須在有逐行和倍掃描功能的電視機 上才能實現。另外把分辨率高於模擬電視機的HDTV和VESA信號在電視機上播放,只能顯示部分畫面,必須進行縮小這就像PIP方式,要丟行和丟場。同樣 爲保證圖像的連續性,也要進行內插運算。
  (8)加解擾技術
  加解擾技術用於對數字節目進行加密和解密。其基本原理是採用加擾控制字加密傳輸的方法,用戶端 利用IC卡解密。目前,國際上有兩種標準:OpenCable定義的POD和DVB定義的SimulCrypt和MultiCrypt標準。OpenCable定義的POD是一個通過PCMCIA接口與機頂盒相連的模塊,該模塊除了解擾功能外,還要完成與前端的交互功能。DVB的MultiCrypt也是採用PCMCIA接口與機頂盒連接,但它只有解擾功能。DVB的SimulCrypt則只需要機頂盒具有ISO7816的SmartCard接口既可,但需要機頂盒具有硬件解擾引擎。
加解擾技術分爲同密和多密技術。同密技術是將兩家或兩家以上的條件接收(CA)系統應用於同一網絡平臺之中,從有線電視臺角度是實現技術的選擇和競爭的環境。多密技術要求機頂盒採用CI技術,實現同一機頂盒可接收不同CA系統加密節目。
其工作原理爲節目在播出前,要經過加擾處理,加擾過程是將複用後的傳送流(Transport Stream)與一個僞隨機加擾序列做模2加,而這個僞隨機序列的生成由控制字發生器提供的控制字(Control Word ,簡稱CW)確定。有條件接入的核心實際上是控制字傳輸的控制。在MPEG傳輸流中,與控制字傳輸相關的有兩個數據流:授權控制信息(ECMs)和授權管理信息(EMMs)。由業務密鑰(SK)加密處理後的控制字在ECMs中傳送,其中還包括節目來源、時間、內容分類和節目價格等節目信息。對控制字加密的業務密鑰在授權管理信息中傳送,並且業務密鑰在傳送前要經過用戶個人分配密鑰(PDK)的加密處理,EMMs中還包括地址、用戶授權信息、如用戶可以看的節目或時間段、用戶付的收視費等。用戶個人分配密鑰(PDK)存放在用戶的智能卡(SmartCard)中。 
  在用戶端,機頂盒爲了再生出解擾隨機序列,必須獲取相關的條件接收控制信息。首先,機頂盒根據PMT和CAT表中CA_descriptor,獲得EMM和ECM的PID值。然後,從TS流中過濾出ECMs和EMMs,並送通過SmardCard接口送給SmartCard。SmardCard首先讀取用戶個人分配密鑰(PDK),用PDK對EMM解密,取出SK,然後利用SK對ECM進行解密,取出CW,並將CW通過SmartCard接口送給解擾引擎,解擾引擎利用CW就可以將將已加擾的傳輸流進行解擾。
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