数字电视机顶盒的原理与结构

数字电视机顶盒的原理与结构

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。各类信源在进入有线电视网络之前经过两级编码，第一级是视音频信号的信源编码，并将所有信源封装成传输流，第二级是传输用的信道编码。与前端相应，数字电视机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调，接着还原压缩的信源编码信号，恢复原始视音频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。 数字电视机顶盒的工作过程：数字电视机顶盒通过网络接口模块选择频道，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。其结构示意图如图一。

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图一 数字电视机顶盒结构示意图

数字电视机顶盒包括硬件和软件两部分。硬件提供数字电视机顶盒的硬件平台，实现音视频的解码。在数字电视技术中，软件技术比硬件占有更为重要的位置，因为电视节目内容的重现、操作界面的实现、

数据广播业务的实现，以及机顶盒和Internet的互联都需要软件来实现。 1、数字电视机顶盒硬件组成 （1）网络接口模块（NIM）：网络接口模块完成信道解调和信道解码功能，送出包含视音频和其他数据信息的传输流（TS）。 （2）信源数据传输流解复用器：传送流中一般包含多个音视频流及一些数据信息，传输流解复用器用来区分不同的节目，提取相应的音视频流和数据流，送入视音频解码器和相应的解析软件。 （3）条件接收模块：对于付费电视，条件接收模块还对音视频流实施解扰，并采用含有识别用户和记忆功能的智能卡，保证合法用户正常收看。 （4）视音频解码器和后处理：MPEG-2解码器完成对音视频信号的解压缩，经视频编码器和音频D/A变换，还原出模拟音视频信号，在模拟电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。 （5）嵌入式CPU与存储器模块和接口电路：嵌入式CPU是数字电视机顶盒的心脏，它与存储器模块用来存储和运行软件系统，并对各个硬件模块进行控制。接口电路提供丰富的外部接口，包括通用串行接口USB，以太网接口及RS232，模拟、数字视音频接口，数据接口等。

2、数字电视机顶盒软件系统

在机顶盒中，软件系统是一个重要的组成部分。主控制器的工作通过软件的执行来完成。

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图二 机顶盒软件系统结构

机顶盒的软件基本结构如图二所示。操作系统一般采用实时操作系统。在这个操作系统中主要完成进程调度、中断管理、内存分配、进

程间通信、异常处理、时钟提取等工作。硬件驱动部分提供外围硬件设备的驱动，包括I2C总线、异步串行通信口、并行通信口、非易失内存、键盘、遥控器、调谐器、信道解码模块等。图形接口主要用于完成图形显示功能，以便于为用户提供友好的图形用户界面。音频解码和视频解码驱动用于控制音频解码和视频解码硬件的工作。解复用和数据表提取模块主要是对码流解复用和数据表提取操作的控制。应用程序编程接口将所有与硬件相关的底层函数映射到一个统一的接口上，并且提供一些与硬件无关的公用处理函数，比如网络协议、图形格式分析、业务信息数据表分析等。条件接收驱动用于完成条件接收处理的工作和软件接口。应用程序编程接口为应用程序提供了一个公共的编程接口，把应用程序与硬件屏蔽开，使得应用程序与硬件无关。这样，就便于实现应用程序的可移植性。

（1）中间件

中间件是数字电视接收系统的软件平台，为数字电视应用提供运行环境和软件接口。中间件作为数字机顶盒中的一个独立的软件层，将应用软件与底层硬件和操作系统隔离开，对操作系统和驱动程序定义了统一接口，同时对应用程序也定义了统一接口，另外对常规数字广播电视业务和增值业务也提供统一接口。中间件定义了一组较为完整而标准的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从而将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。它通常由Java虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成，中间件将应用软件与依赖于硬件的驱动层软件分隔开来，使应用软件不依赖于具体的硬件平台。

（2）SI/EPG 业务信息（SI）包括：节目业务群关联表（BAT）、节目业务描述表（SDT）、节目段信息表（EIT）、运行状态表（RST）、时间及日期表（TDT）、时间偏移表（TOT）等。通过这些数据表，机顶盒可以向用户提供节目的内容描述、节目的类型、节目的播放时间、节目的分级等信息。机顶盒在解复用的处理中提取这些数据表，通过分析和处理，然后通过用户界面提供给用户，形成了电子节目指南（EPG）。用户浏览这些信息，并做出选择，通过遥控器、键盘或按键等输入设备告知机顶盒根据用户的选择提取相应的节目码流或数据码流。

（3）节目业务搜索

在模拟电视系统中，电视频道的搜索只需要按照频点逐一进行即可。

而在数字电视系统中，频道与节目业务不再是一一对应的关系，信道传输系统的参数也有多种配置方式。因此，机顶盒对节目业务的搜索要对应前端广播系统进行设计。一般是由运营商指定一个固定频道，作为频道配置信息的发布频道。在机顶盒中预先内置该频道参数。

（4）叠印字幕

由于数字电视系统本身就具有多业务功能，叠印显示也是机顶盒的基本功能，因此在数字电视机顶盒中可以较好的实现叠印字幕功能。叠印字幕可以根据用户的选择开启和关闭。

由于机顶盒中的软件非常复杂，因此难免存在一些错误。另外随着业务的不断变化，软件的功能也需要不断的完善。因此软件更新就成为一项重要的需求。软件更新的实现方法包括在线广播下载更新和单机本地更新。单机本地更新通过机顶盒上专用数据口将程序烧写到FLASH 内存中，或通过更换程序RON实现。在线广播下载更新是在系统前端通过特定的协议将更新软件插入到码流中，传送给机顶盒。

三、数字电视机顶盒的功能

数字电视机顶盒能够接收MPEG-2数字电视传输流和各种数据信息，通过解调、解复用、解码和视音频编码，在模拟彩色电视机上观看数字电视节目和各种数据信息。目前，数字电视机顶盒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：它为用户提供一种容易使用，界面非常友好，可以快速访问想看节目的方式，用户可以通过该功能看到各个频道上近期将播放的电视节目。 （2）支持交互式应用如准视频点播、视频点播、互动游戏等。 （3）高速数据广播：能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网络等各种信息。 （4）因特网接入和电子邮件：数字电视机顶盒通过内置的电缆调制解调器便可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，也可以提供各种接口与PC相连，使用PC接入因特网。 （5）软件在线升级：可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器将升级软件传送给机顶盒，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。 （6）有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密，数字电视机顶盒应具有解扰和解密功能。 随着数字电视和网络技术的发展，数字电视机顶盒的功能将更加完善，尤其是单片PC技术的发展，将促使数字电视机顶盒在物理结

构上将各部分硬件高度集成，形成STB核心芯片，从而减小体积，降低成本，提高性能。外部接口将更加丰富，通过USB接口可以和数码相机连接，通过IDE接口可以挂接硬盘实现节目存储等。交互式机顶盒将成为数字电视机顶盒的主流，用户在模拟彩色电视机上不仅能收看数字电视，还能实现娱乐和上网。

附注：与机顶盒相关的标准和规范

与数字电视机顶盒有关的一些技术标准和规范包括：

● GB/T 17975.1-2000信息技术 运动图像及其伴音信息的通用编码第1部分：系统

● GB/T 17975.2-2000信息技术 运动图像及其伴音信息的通用编码第1部分：视频

● GB/T 17975.3-2000信息技术 运动图像及其伴音信息的通用编码第1部分：音频

● GB/T 17971.3-1997信息技术 具有1.5Mbit/s数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码 第3部分：音频

● GB 2312-80 信息交换用汉字编码字符集基本集

● GB 13000.1-1993 信息技术 通用多八位编码字符集（UCS）第一部分：体系结构与基本多文种平面

● GB/T 170-2001 有线数字电视广播信道编码和调制规范

● GB/Z 174-2001 数字电视广播业务信息规范

● GB/Z 175-2001 数字电视广播条件接收系统规范

● GB/T 155-2000 高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值

● 有线数字电视EPG应用指南

● 有线数字电视广播业务信息应用指南

● 有线数字电视CA系统应用指南

● 运动图像及其伴音信号的通用编码系统、视频和音频部分的实施指南。

一、什么是数字电视机顶盒：机顶盒的全称叫

做“数字电视机顶盒”，英文缩写“STB” (Set-Top Box)。它是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它把经过数字化压缩的

图像和声音信号解码还原成模拟信号送入普通的电视机。

数字电视机顶盒是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟的视频和声音信号，通过电视显示器和音响设备给观众提供高质量的电视节目。目前的数字电视机顶盒已成为一种嵌入式计算设备，具有完善的实时操作系统，提供强大的CPU计算能力，用来协调控制机顶盒各部分硬件设施，并提供易操作的图形用户界面，如增强型电视的电子节目指南，给用户提供图文并茂的节目介绍和背景资料。同时，机顶盒具有“傻瓜计算机”能力，这样通过内部软件功能和对网络稍加进行双向改造，很容易实现如因特网浏览、视频点播、家庭电子商务、电话通信等多种服务，可谓一网打天下。

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电视从黑白电视向彩色电视过渡时，采用了兼容的办法，PAL-D制在中国一直延续到现在。

从模拟电视向高清晰度数字电视过渡，是一个跨越式的过渡，可以说无法直接兼容，也就是说目前的所有的模拟电视是不能使用的，所以一步到位是不现实的，目前各国采用了一个过渡式的办法--既数字机顶盒，使用了数字机顶盒后将数字信号转变成模拟信号输入给现在的模拟电视机显示信息，这样有效地避免了电视信号在传输过程中导致的干扰和损耗，电视接收的信号质量得到了很大程度的改善。这只是一种过渡，由于模拟电视机的扫描线已定，所以它与高清晰度数字

电视相比，还有相当大的距离。

高清晰度数字电视(HDTV)是未来的发展方向，到那时现在的模拟电视被全部淘汰，电视台的射、录、编设备也相应更换，人们在电视屏幕上看到的将是高清晰度的电视画面和更多的功能,HDTV会把电视带入一个崭新的时代。

有人问目前数字机顶盒接收的信号是高清晰度数字电视吗？不是，使用了数字机顶盒后将数字信号转变成模拟信号输入给现在的模拟电视机显示信息，这样电视接收的信号质量虽然有了很大程度的改善，由于模拟电视机的扫描线已定，所以它与高清晰度数字电视相比，还有相当大的距离。这只是一种过渡。

二、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@MH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。

5　数字电视机顶盒在我国的发展现状

数字电视机顶盒将改变我们现有的电视的概念，也将为互联网提供一个崭新的消费终端，而且这个消费终端将比其他任何终端如PC、手机、PDA都普及、方便、吸引人。随着各地有线数字电视的试播，数字电视机顶盒的推广与几年前相比已有长足的进步，但是数字机顶盒在国内还没有得到广泛的应用，这主要有几个原因：

（1）数字机顶盒的技术含量较高，真正的产品并不是很多，许多厂商的VOD（视频点播）事实上大多处于概念阶段。

（2）网络双向改造与质量问题。由于数字电视机顶盒受网络带宽制约较大，尤其是目前国内网络发展基础薄弱，而且各种网络资源各自为阵， 因此它的大范围普及推广还需时日。

（3）服务不力、缺乏专业的ICP，即信息和节目资源贫乏。如VOD 业务推广应用的一大难点就是节目源的开放以及片源、版权。国家有线电视主干网的建立、专业供片商的出现可在一定程度上缓解这一难题。许多厂家纷纷开发基于宾馆、酒店、小区的VOD系统，也是为了避开这一难题。

（4）资费偏高，对多数用户而言也是不小的开支。中国人的消费心理是可以承受一次性较大的购置成本，却不大愿意接受长期持续不断的、没有明显回报的消费支付。

尽管当前数字机顶盒的推广受到了很大的限制，但是数字电视机

顶盒不仅是用户终端，也是网络终端，它能使模拟电视机从被动接收

模拟电视转向交互式数字电视(如视频点播等)，并能接入因特网，使

用户享受电视、数据、语言等全方位的信息服务。随着数字技术、多

媒体技术和网络技术的发展，数字电视机顶盒功能将逐步完善，尤其

是单片PC技术的发展，将促使数字电视机顶盒内置和整个成本下降，

让大多数用户在普通模拟电视机上实现既能娱乐，又能上网等多种服

务。　

三、数字电视机顶盒新动向

数字电视机顶盒面临淘汰 新标准明年上市面临淘汰 新标准明年上市

据悉，联邦规章管理者于美国东部已经采纳了新的设备标准以加快

向更高音视频质量的数码电视的转变。

联邦通信委员会（FCC）以5比0的投票结果通过了可将数字电视信

号直接接入电视机而不需要机顶盒和额外电缆的设备标准。为了观看

收费电视，用户要向电视机中插入一个由他们的有线电视服务商提供

的安全卡。

制造商希望能于明年底发售具有这种即插即用技术的高清晰度电

视机。他们称，联邦通信委员会的决定将提高消费者的需求和刺激公

司提高产量，进一步普及这种新型电视机。

与传统的模拟电视不同，数字电视信号使用的是计算机语言，其

图象更加清晰，同时还具有其它潜在性能，如互联网接入、视频游戏

以及同一频道中的多套节目等。数字信号可通过卫星、有线或无线广

播传送。

机顶盒的工作原理：

机顶盒各个模块在Internet的高速接入中，协同工作。用户首先通过发送

命令请求一个URL。在使用PPP点对点协议的一次交易过程中，该命令最终到达Internet业务提供者的调制解调器共用机架上。然后通过动态分配法，该用户获得本次交易中使用的IP地址，并把请求送往Internet。当Internet的内容被找到之后，接着把它送到Internet业务提供者(ISP)那里，再由ISP的路由器负责把它送到电缆电视网络，最后回到用户的机顶盒。在有线电视的机顶盒，信息内容被截获。机顶盒在电视机与电缆网络之间完成一个网关的任务。它的任务是管理IP的通信流量，具有控制用户进出网络的能力一旦IP包到达机顶盒，把视频信号从该包中分离下来，对其中的数据进行译码，然后把它送到浏览器里准备在电视机上显示。

由于Cable Modem要求用户要配置一部电脑才能上网，影响了用户层的扩展，而使用机顶盒则不需电脑，一部电视机足矣，因而机顶盒的市场前景可能看好。信息使用者从企业向家庭过渡，网络带宽从窄带向宽带过渡，用户入网设备从PC机向带机顶盒(STB)的电视过渡，使用界面从Windows向电视遥控键界面过渡，信息内容从为企业服务向为人民生活服务过渡，是网络服务发展的大方向，机顶盒(STB)显然是这个大方向上的一个阶段。