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1、1数字电视机顶盒的原理与发展现状摘 要数字电视机顶盒是信息家电之一，本文对数字电视机顶盒的工作原理进行了概述,对电视机顶盒的结构层次、主要技术及发展状况做了详细的阐述，对机电盒的分类及市场情况进行了分析,给出了对未来数字电视机顶盒的发展趋势。关键字：机顶盒原理，结构层次，主要技术，发展现状，发展趋势一数字电视机顶盒的原理一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、
2、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。二数字电视机顶盒的功能二数字电视机顶盒的功能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（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
3、将播放的电视节目。22 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
4、扰和加密，数字机顶盒应具有解扰和解密功能。三数字电视机顶盒的结构层次三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 MPEG2 视频解码，MPEG/AC3 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
5、， 数据接口，键盘，鼠标等。四数字电视机顶盒的主要技术四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、MPEG2 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3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 MPEG2 视频压缩
6、标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有 AC3 和MPEG2 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 Privat
7、e 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 3264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 MPEG2 解码MPEG2 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 MPEG2 技术基础上，MPEG2 是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。MPLL 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。MPML 用于
8、 DVD、SDTV，MPHL 用于 HDTV。4MPEG2 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。MPEG2 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 MPEG2 伴音，美国的 ATSC 采用杜比 AC3，因而音频解码要具有以上两种功能。6
9、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，
10、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。5(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
11、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 2424 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 720576 或 640480 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
12、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
13、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6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
14、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 CAdescriptor，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
15、 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:Conditional 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
16、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，7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
