数字机顶盒漫谈 - 文章

数字机顶盒漫谈

作者：武警工程学院通信工程系王文君刘斐

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摘要：为保证消费者从传统的模拟电视时代平滑过度到数字电视时代，新式的数字机顶盒得到了发展，而且还在不断的发展中。机顶盒起初的功能只是用于兼容传统的模拟电视设备，但是在消费需求的推动下，机顶盒最终将实现广播技术与交互技术的统一。
关键词：机顶盒，广播，交互

一、概述

从1980年CCIR(现ITU-R)的601号建议草案(演播室电视信号数字化参数)和1982年德国ITT的VLSI标准(对模拟电视接收机中的电视基带信号进行数字处理)到1988年CCITT(现ITU-R)制订的H.261建议草案(电视电话/会议电视系统)，以及随后在H.261中的视频压缩编码算法的基础上，分别于1991年和1993年相继制订的与数字电视发展密切关联的MPEG-1建议草案和MPEG-2建议草案引发了一场消费电子产品从模拟技术转向数字技术的革命。

正是在此基础上，欧洲、美国、日本先后制订出各自的数字电视标准系列。美国于1995年通过了ATSC(Advanced Television System Committee，高级电视制式委员会)数字电视标准。欧洲制定了数字视频广播(DVB，Digital Video Broadcast)一体化数字电视广播标准。日本从模拟高清晰度电视研究转向数字电视之后，确立了ISDB-T的地面广播标准。

1996年，因特网传送运动视频成为现实，使电视机又添新功能，籍由千家万户共有的电视接入因特网的WebTV应运而生，成为生产厂家和网络服务商们竞争的热点。

但无论是数字电视还是WebTV，由于用户端使用的基本都是模拟彩电，无法接收数字信号，因此需要一种接收装置来担当二者之间的桥梁，这就是机顶盒(STB，Set Top Box)，意即“置于电视机顶部的盒子”。

二、机顶盒的分类、功能和结构

1．分类

目前，已出现在市场上的机顶盒基本上可划分为数字电视机顶盒、网络电视(WebTV)机顶盒和多媒体(Multimedia)机顶盒三类。

数字电视机顶盒使用户不用更换模拟电视机就能收看数字电视节目，图像质量接近500线水平，但无上网功能。根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒又分为卫星数字电视机顶盒、地面数字电视机顶盒和有线电视数字机顶盒三种。

网络电视机顶盒是在微软公司“维纳斯计划”和凯思公司的“女娲计划”的催化下产生的，主要功能是使我国现有3.2亿台模拟电视机用户通过PSTN(公众电话交换网)和双向CATV网实现上因特网，收发电子邮件、游戏娱乐、网上学习等。

多媒体机顶盒是对前两种机顶盒功能的综合下产生的，有也称综合业务机顶盒或全功能数字机顶盒。它可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，包括收看普通电视节目、数字加密电视节目、点播多媒体节目和信息、电子节目指南(EPG)、收发电子邮件、因特网浏览、网上购物、远程教育等，需要的条件是双向CATV网。

2．功能

数字音视频、数字信息与交互式应用是数字机顶盒的三大核心功能，在此基础上又开发了多种增值业务。具体如下：

3．构成

①硬件构成

从现有的机顶盒方案来看，其核心的硬件构造可以分为前端信道解调解码和后端信源解码两个部分。如图1所示，前端部分以调谐器和信道解码器为核心，主要用于接收来自网络的特定信号以从射频信号中解调出MPEG传输流；后端部分包括微处理器和MPEG解码芯片，完成压缩的音视频数字信号解码、解压缩、模拟电视音视频信号形成和机顶盒各部分的控制功能。

机顶盒的工作过程：数字电视机顶盒通过前端选择频道，并进行解调和和信道解码处理，输出MPEG-2多节目传输流数据，送给解复用器，解复用器从MPEG-2传输流数据中抽出一个节目的已打包的视音频基本流(PES)数据，包括视频PES，音频PES和辅助数据PES，解复用器中包含一个解扰引擎，可在传输流层和PES层对加扰的数据进行解扰，解复用器输出的是已解扰的视音频PES。视频PES送入视频解码器，取出MPEG-2视频数据并对其解码后，输出到模拟编码器，编码成模拟视频信号，再经视频输出电路输出。音频PES送入音频解码器，取出MPEG-2音频数据并对其解码，输出PCM音频数据到音频D/A变换器，音频D/A变换器输出模拟立体声音频信号，经音频输出电路输出。

如果再考虑机顶盒能够直接输出原始射频信号(RFbypass)、直接接收模拟电视信号(调谐器—PAL/NTSC解调)、条件接收(解扰引擎)、接收数字数据信息(双向调谐—QAM解调—Cable Modem—CPU)以及交互式操作(CPU—Cable Modem—QPSK QAM调制—双向调谐)、各种多媒体接口等功能，则可以考虑再增加相应功能模块，如图1所示。当然在有线电视网的运营商将目前单向传输的CATV网络改造成双向网络之前，采用基于电话线①、以太网②的信号回传方式是机顶盒实现交互式应用的现实手段。

图1 机顶盒硬件构成

②软件构成

一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为4层，如图2所示，从底向上分别为: 硬件平台、底层软件、中间件、应用软件。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来，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，这些应用程序实现了机顶盒的各种功能。

图2 机顶盒软硬件环境

值得一提的是中间件(Middleware)，它指居于数字电视机顶盒内部实时操作系统与应用程序中间的软件部分，它以应用程序接口API的形式存在，整个API集合被存储在机顶盒的闪存FLASH中。节目服务商将各种服务项目以应用程序的形式通过传输信道(例如宽带多媒体数据网，有线电视网络)发布(例如电子节目指南EPG)，用户打开电视机通过机顶盒浏览。用户的需求信息(例如视频点播VOD)通过上传信道(例如电话线MODEM，或有线电视电缆)传输到视频服务器，并根据请求选择相应的服务项目以应用程序的形式通过传输信道下载到用户终端－机顶盒的闪存FLASH中。应用程序调用机顶盒FLESH内的中间件所包含的API，执行应用程序，完成用户请求的功能。中间件的目的是使机顶盒基本的和通用的功能以应用程序接口API的形式提供给机顶盒生产厂家，以实现数字电视交互式功能的标准化，同时使服务项目(以应用程序的形式通过传输信道)下载到用户终端而机顶盒的数据量减小到最低限度。

三、机顶盒前端

在数字电视，特别是高清晰度数字电视(HDTV)的视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲和日本没有分歧，都采用MPEG-2标准。MPEG压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来的电视广播频道中进行分配。在音频编码方面，欧洲、日本采用了MPEG-2标准；美国则采纳了杜比(Dolby)公司的AC-3方案，MPEG-2为备用方案。另外在将视频、音频、辅助数据等由编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道编码及调制的复用传输方面，美国、欧洲、日本也全都采用了MPEG-2标准。因此机顶盒的后端解复用及信源解码部分大体相同，所不同的主要是由于高性能微处理器的引入而带来的功能增加和性能的提升，如双模接收、机卡分离的条件接收以及功能全面的各种接口等等。

相对而言，机顶盒前端的信道解调和解码必须适应针对不同的传输媒介而采用相应的策略，因而表现出较为多样性的特点，同时这也是各种机顶盒标准的最大的不同之处。

1．卫星数字电视机顶盒

作为最早提出数字电视技术标准的国家和地区之一，欧洲首先考虑的是卫星信道，并提出了相应的标准DVB-S。由于美国的ATSC标准不涉及卫星广播，所以DVB-S标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了DVB-S标准。

DVB-S的信道编码是采用RS(Reed Solomon)前向纠错编码(冗余度为16B)，卷积交织方式，调制则采用QPSK方式，因此相应的机顶盒必须要完成QPSK解调、RS解码和解交织(纠错处理)的过程。

2．有线电视数字机顶盒

欧洲的数字有线电视广播系统标准DVB-C具有16、32、64QAM(正交调幅)三种调制方式，工作频率在10GHz以下。采用64QAM时，一个PAL通道的传送码率为41.34Mb/s，可用于多套节目的复用。系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要相应的DVB-C机顶盒进行QAM解调及相应的解码和解交织。

美国的ATSC标准也包含适合有线电视系统的RS编码(冗余度为20B)、高数据率16-VSB调制传输模式，可在6MHz有线电视信道中实现38.6Mb/s的传输速率。但因为在ATSC DTV标准被FCC通过之前已在有线电视数字化方面投入了大量的资金。所以美国有线电视业实际上是采用相近但不相同的标准，作为ATSC的重要成员，有线电视通信工程协会已采纳数字有线电视系统标准。

对于有线电视机顶盒我国还没有正式确定国家标准，但事实上已有相当部分的有线电视台在试播期内采用的是欧洲DVB-C标准，所以不少机顶盒以DVB-C标准为主。且现有阶段的有线机顶盒多数并不零售，而是针对当地的有线数字电视网的运营商，以捆绑的形式提供给消费者。

3．地面数字电视机顶盒

地面数字电视的传播条件复杂，容易受到地形、高楼遮挡及海面反向波的影响，同时还有模拟和数字同频信号、邻频信号及地面脉冲等的干扰，传送质量、可靠性及覆盖范围受到限制，特别是车载移动接收的高质量难度更加增大。由于数字电视地面广播的传输环境恶劣，频谱资源有限，应用需求分散，其制式目前在各国仍有议。目前，国际上地面数字电视广播传输系统有单载波和多载波COFDM两种传输方式，美国的ATSC方案采用的是8VSB单载波调制方式；欧洲的DVB方案采用的是COFDM多载波调制方式；而日本的ISDB方案采用的是修改后的OFDM调制方式。

从2001年4月起，中国国家广电总局便开放数字电视广播系统的规格建议书的提交，在已提出的五种方案中呈现出清华大学的DMB-T方案与上海交大的ADTB-T方案的对垒之势。如果再从样机推出速度及现场测试的效果来看，清华方案更具优势。在2005年初即将露面的地面数字电视标准中，清华的DMB-T方案已成为呼声最高者。

清华DMB-T地面数字电视传输方案

DMB-T采用了PN序列填充的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)多载波调制技术，这种独特的先进技术有机地将信号在时域和频域的传输结合起来，在频域传送有效载荷，在时域通过扩频技术传送控制信号以便进行同步、信道估计，实现快速码字捕获和稳健的同步跟踪性能。

在技术上，针对插入强功率同步导频的传统OFDM调制方式，在传输系统的有效性、可靠性都受损失的缺陷，发明了基于PN序列扩频技术的高保护同步传输技术和巧妙利用OFDM保护间隔的填充技术，同时提高了传输系统的频谱利用效率和抗噪声干扰性能。针对地面数字电视广播现有传输标准的信道估计迭代过程较长的不足，发明了新的TDS-OFDM信道估计技术，提高了系统移动接收性能。针对采用多载波COFDM技术的欧标DVB-T比采用单载波8VSB的美标ATSC系统误码门限差的现实，发明了一种新的纠错编解码(FEC)技术，成功地避开了国外专利保护，获得了比ATSC更好的系统误码性能。针对其他标准无法支持双向互动、互联网扩展等问题，进行了支持互连网的扩展设计，以便适应未来信息的数字化、多样化和多媒体化拓展，在现有数字电视无线广播基础上可进一步扩展互连网业务、组播、点播、导呼等增值业务，甚至进而拓展视频、数据和语音等综合、交互、移动、便携。针对数字视音频产业已有的成果，DMB-T设计了灵活的接口方案，支持国际上通用的MPEG2-TS流数据格式，可以支持任何类型的视频压缩和数据格式，如MPEG-2、MPEG-4等。

DMB-T还采用了不同于已有数字电视技术标准的与自然时间同步的分层复帧结构，来支持单频网。单频网不但能够更好的支持移动数字电视服务，而且能够解决由单个发射机无法覆盖的盲区问题。

目前符合DMB-T方案的机顶盒产品尚没有出现，但是不可否认的是，随着国家标准的推出，符合自主知识产权的地面数字电视标准的机顶盒的上市只不过是时间问题。

四、结论

数字机顶盒不仅是宽带综合信息网的重要组成之一，更是与之相关的多媒体技术、数据压缩技术、宽带网络技术和未来构建信息高速公路的关键组件。随着高性能芯片的不断推出以及整个市场的启动，未来机顶盒的定位将会发生明显转变，机顶盒的交互式功能会不断增强，可能会成为家庭娱乐中心甚至信息高速公路的网关。虽然目前它的种种缺点和不足会制约数字电视的快速普及，但相信随着制造成本的大幅下降以及网络信号回传问题的解决，数字机顶盒一定会有美好的未来。

参考文献
［1］European Telecommunications Standards Institute, “Framing Structure, channel coding and modulation for satellite systems”, ETS 300 421, European Telecommunications Standards Institute, 1994.
［2］Ingrid J. Wickelgren, “The facts about FireWire”, IEEE Spectrum, pp19-25, April 1997.
［3］Strategis Group, Interactive TV: Platforms, Content and Services, 2000.
［4］United States Census Bureau, Statistical Abstracts of the US '99, 1999.

作者简介：
姓名：王文君
单位：武警工程学院通信网络工程教研室
职称：讲师
地址：西安三桥武警工程学院通信工程系(邮编710086)
E-mail：wwjmcx@hotmail.com(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/13/2005)


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