數(shù)字機(jī)頂盒的結(jié)構(gòu)和原理

數(shù)字電視機(jī)頂盒接收數(shù)字電視節(jié)目，處理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和完成多種應(yīng)用的解析。各類信源在進(jìn)入有線電視網(wǎng)絡(luò)之前經(jīng)過(guò)兩級(jí)編碼，第一級(jí)是視音頻信號(hào)的信源編碼，并將所有信源封裝成傳輸流，第二級(jí)是傳輸用的信道編碼。與前端相應(yīng)，數(shù)字電視機(jī)頂盒首先從傳輸層提取信道編碼信號(hào)，完成信道解調(diào)，接著還原壓縮的信源編碼信號(hào)，恢復(fù)原始視音頻流，同時(shí)完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多種應(yīng)用的接收、解析。

數(shù)字電視機(jī)頂盒的工作過(guò)程：數(shù)字電視機(jī)頂盒通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口模塊選擇頻道，并進(jìn)行解調(diào)和和信道解碼處理，輸出MPEG-2多節(jié)目傳輸流數(shù)據(jù)，送給解復(fù)用器，解復(fù)用器從MPEG-2傳輸流數(shù)據(jù)中抽出一個(gè)節(jié)目的已打包的視音頻基本流(PES)數(shù)據(jù)，包括視頻PES，音頻PES和輔助數(shù)據(jù)PES，解復(fù)用器中包含一個(gè)解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對(duì)加擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾，解復(fù)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(shù)據(jù)并對(duì)其解碼后，輸出到模擬編碼器，編碼成模擬視頻信號(hào)，再經(jīng)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(shù)據(jù)并對(duì)其解碼，輸出PCM音頻數(shù)據(jù)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(hào)，經(jīng)音頻輸出電路輸出。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖一。

數(shù)字電視機(jī)頂盒包括硬件和軟件兩部分。硬件提供數(shù)字電視機(jī)頂盒的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)音視頻的解碼。在數(shù)字電視技術(shù)中，軟件技術(shù)比硬件占有更為重要的位置，因?yàn)殡娨暪?jié)目?jī)?nèi)容的重現(xiàn)、操作界面的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，以及機(jī)頂盒和Internet的互聯(lián)都需要軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1、數(shù)字電視機(jī)頂盒硬件組成

(1)網(wǎng)絡(luò)接口模塊(NIM)：網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成信道解調(diào)和信道解碼功能，送出包含視音頻和其他數(shù)據(jù)信息的傳輸流(TS)。

(2)信源數(shù)據(jù)傳輸流解復(fù)用器：傳送流中一般包含多個(gè)音視頻流及一些數(shù)據(jù)信息，傳輸流解復(fù)用器用來(lái)區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應(yīng)的音視頻流和數(shù)據(jù)流，送入視音頻解碼器和相應(yīng)的解析軟件。

(3)條件接收模塊：對(duì)于付費(fèi)電視，條件接收模塊還對(duì)音視頻流實(shí)施解擾，并采用含有識(shí)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(duì)音視頻信號(hào)的解壓縮，經(jīng)視頻編碼器和音頻D/A變換，還原出模擬音視頻信號(hào)，在模擬電視機(jī)上顯示高質(zhì)量圖像，并提供多聲道立體聲節(jié)目。

(5)嵌入式CPU與存儲(chǔ)器模塊和接口電路：嵌入式CPU是數(shù)字電視機(jī)頂盒的心臟，它與存儲(chǔ)器模塊用來(lái)存儲(chǔ)和運(yùn)行軟件系統(tǒng)，并對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)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(wǎng)接口及RS232，模擬、數(shù)字視音頻接口，數(shù)據(jù)接口等。

2、數(shù)字電視機(jī)頂盒軟件系統(tǒng)

在機(jī)頂盒中，軟件系統(tǒng)是一個(gè)重要的組成部分。主控制器的工作通過(guò)軟件的執(zhí)行來(lái)完成。

機(jī)頂盒的軟件基本結(jié)構(gòu)如圖二所示。操作系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在這個(gè)操作系統(tǒng)中主要完成進(jìn)程調(diào)度、中斷管理、內(nèi)存分配、進(jìn)程間通信、異常處理、時(shí)鐘提取等工作。硬件驅(qū)動(dòng)部分提供外圍硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，包括I2C總線、異步串行通信口、并行通信口、非易失內(nèi)存、鍵盤、遙控器、調(diào)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(qū)動(dòng)用于控制音頻解碼和視頻解碼硬件的工作。解復(fù)用和數(shù)據(jù)表提取模塊主要是對(duì)碼流解復(fù)用和數(shù)據(jù)表提取操作的控制。應(yīng)用程序編程接口將所有與硬件相關(guān)的底層函數(shù)映射到一個(gè)統(tǒng)一的接口上，并且提供一些與硬件無(wú)關(guān)的公用處理函數(shù)，比如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形格式分析、業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)表分析等。條件接收驅(qū)動(dòng)用于完成條件接收處理的工作和軟件接口。應(yīng)用程序編程接口為應(yīng)用程序提供了一個(gè)公共的編程接口，把應(yīng)用程序與硬件屏蔽開(kāi)，使得應(yīng)用程序與硬件無(wú)關(guān)。這樣，就便于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性。

(1)中間件

中間件是數(shù)字電視接收系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，為數(shù)字電視應(yīng)用提供運(yùn)行環(huán)境和軟件接口。中間件作為數(shù)字機(jī)頂盒中的一個(gè)獨(dú)立的軟件層，將應(yīng)用軟件與底層硬件和操作系統(tǒng)隔離開(kāi)，對(duì)操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序定義了統(tǒng)一接口，同時(shí)對(duì)應(yīng)用程序也定義了統(tǒng)一接口，另外對(duì)常規(guī)數(shù)字廣播電視業(yè)務(wù)和增值業(yè)務(wù)也提供統(tǒng)一接口。中間件定義了一組較為完整而標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，使應(yīng)用程序獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)，從而將應(yīng)用的開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)捷，使產(chǎn)品的開(kāi)放性和可移植性更強(qiáng)。它通常由Java虛擬機(jī)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成，中間件將應(yīng)用軟件與依賴于硬件的驅(qū)動(dòng)層軟件分隔開(kāi)來(lái)，使應(yīng)用軟件不依賴于具體的硬件平臺(tái)。

(2)SI/EPG

業(yè)務(wù)信息(SI)包括：節(jié)目業(yè)務(wù)群關(guān)聯(lián)表(BAT)、節(jié)目業(yè)務(wù)描述表(SDT)、節(jié)目段信息表(EIT)、運(yùn)行狀態(tài)表(RST)、時(shí)間及日期表(TDT)、時(shí)間偏移表(TOT)等。通過(guò)這些數(shù)據(jù)表，機(jī)頂盒可以向用戶提供節(jié)目的內(nèi)容描述、節(jié)目的類型、節(jié)目的播放時(shí)間、節(jié)目的分級(jí)等信息。機(jī)頂盒在解復(fù)用的處理中提取這些數(shù)據(jù)表，通過(guò)分析和處理，然后通過(guò)用戶界面提供給用戶，形成了電子節(jié)目指南(EPG)。用戶瀏覽這些信息，并做出選擇，通過(guò)遙控器、鍵盤或按鍵等輸入設(shè)備告知機(jī)頂盒根據(jù)用戶的選擇提取相應(yīng)的節(jié)目碼流或數(shù)據(jù)碼流。

(3)節(jié)目業(yè)務(wù)搜索

在模擬電視系統(tǒng)中，電視頻道的搜索只需要按照頻點(diǎn)逐一進(jìn)行即可。而在數(shù)字電視系統(tǒng)中，頻道與節(jié)目業(yè)務(wù)不再是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，信道傳輸系統(tǒng)的參數(shù)也有多種配置方式。因此，機(jī)頂盒對(duì)節(jié)目業(yè)務(wù)的搜索要對(duì)應(yīng)前端廣播系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般是由運(yùn)營(yíng)商指定一個(gè)固定頻道，作為頻道配置信息的發(fā)布頻道。在機(jī)頂盒中預(yù)先內(nèi)置該頻道參數(shù)。

(4)疊印字幕

由于數(shù)字電視系統(tǒng)本身就具有多業(yè)務(wù)功能，疊印顯示也是機(jī)頂盒的基本功能，因此在數(shù)字電視機(jī)頂盒中可以較好的實(shí)現(xiàn)疊印字幕功能。疊印字幕可以根據(jù)用戶的選擇開(kāi)啟和關(guān)閉。

由于機(jī)頂盒中的軟件非常復(fù)雜，因此難免存在一些錯(cuò)誤。另外隨著業(yè)務(wù)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(xiàng)重要的需求。軟件更新的實(shí)現(xiàn)方法包括在線廣播下載更新和單機(jī)本地更新。單機(jī)本地更新通過(guò)機(jī)頂盒上專用數(shù)據(jù)口將程序燒寫(xiě)到FLASH內(nèi)存中，或通過(guò)更換程序RON實(shí)現(xiàn)。在線廣播下載更新是在系統(tǒng)前端通過(guò)特定的協(xié)議將更新軟件插入到碼流中，傳送給機(jī)頂盒。