如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字式交互電視的機(jī)頂盒設(shè)計(jì)

機(jī)頂盒的功能要求

機(jī)頂盒是一個(gè)十分籠統(tǒng)的名稱。各種機(jī)頂盒的功能和結(jié)構(gòu)相差甚多。早期并且得到較廣應(yīng)用的機(jī)頂盒可能要數(shù)WebTV了。WebTV的最初目的是利用電視機(jī)來訪問Internet的網(wǎng)站。典型的WebTV內(nèi)部包含一個(gè)33.6K或56K bps的Modem，通過電話線路上網(wǎng)，電視機(jī)被用作顯示設(shè)備。

這類WebTV配備有與PC機(jī)上類似的瀏覽器軟件，用戶可操縱遙控鼠標(biāo)、紅外鍵盤等裝置瀏覽網(wǎng)頁，或收發(fā)e-mail。這類WebTV雖然也可收看Web上的影視內(nèi)容，但電視和Internet的通路是分開的。這類WebTV在訪問Internet方面是數(shù)字的，但是數(shù)據(jù)傳輸速率低，而在電視方面，則仍是模擬、單向的（廣播方式）。 隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)和數(shù)字電視的發(fā)展，電視和計(jì)算機(jī)在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)的概念上找到了結(jié)合點(diǎn)。數(shù)字電視和交互電視成了電視發(fā)展的趨勢(shì)，交互電視成了寬帶網(wǎng)絡(luò)或信息高速公路的一個(gè)重要組成部分。

新一代的機(jī)頂盒作為數(shù)字式交互電視的關(guān)鍵設(shè)備之一。成了研究的熱點(diǎn)。 新一代機(jī)頂盒的功用應(yīng)包括：①接收廣播方式的模擬電視和數(shù)字電視節(jié)目，②高速訪問Internet，收發(fā)e-mail，③視頻點(diǎn)播（VOD）和音樂點(diǎn)播功能，④電話、可視電話、會(huì)議電視，⑤連接VCR、VCD等消費(fèi)電子產(chǎn)品的功能，⑥電子購物，⑦電子游戲等。

對(duì)數(shù)字機(jī)頂盒的技術(shù)要求有：①高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的寬帶接入，有效地利用頻帶資源，②數(shù)字電視節(jié)目和多媒體視頻在解碼、視頻音頻處理、以及D/A變換、電視編碼、顯示等方面的統(tǒng)一考慮，③對(duì)運(yùn)河擾、加密、計(jì)費(fèi)等考慮，④友好的用戶界面，盡可能高的性能價(jià)格比，⑤在功能和性能方面的可擴(kuò)充性。

硬件和軟件結(jié)構(gòu)

1.硬件

機(jī)頂盒的硬件結(jié)構(gòu)隨功能和工作方式的不同有著很大的區(qū)別。但其基本的組成一般是高性能的處理器內(nèi)核、存儲(chǔ)器、通信接口、數(shù)據(jù)***、視頻音頻圖形處理器、電視編碼及接口、外圍I/O接口等。圖1為一個(gè)機(jī)頂盒的組成框圖。整個(gè)硬件系統(tǒng)分若干個(gè)子系統(tǒng)：

·網(wǎng)絡(luò)通信接口子系統(tǒng)

本部分可有一個(gè)或多個(gè)寬帶接入的接口（前端）。因?yàn)楦鞣N傳輸介質(zhì)采用不同的調(diào)制方式，所以不同的前端有自己的調(diào)諧器、解調(diào)碼器、通道***、轉(zhuǎn)換器、反向通道發(fā)送器等?？梢圆捎玫那岸擞须娎|前端、衛(wèi)星前端、地面微波前端、ADSL前端等。各種前端可選用相應(yīng)的器件組合，也可選用功能完整的模塊。

·處理及控制子系統(tǒng)

這是機(jī)頂盒的心臟部分，它由處理器、存儲(chǔ)器等組成，提供信號(hào)存取和控制的處理功能，并提供一個(gè)可編程的平臺(tái)。它要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制并具體完成信號(hào)的去擾，進(jìn)行多路分離，獲取MPEG-2數(shù)據(jù)流和其它一些打包的數(shù)據(jù)。

·音頻/視頻/圖形處理子系統(tǒng)

這里完成音頻/視頻/圖型數(shù)據(jù)的解碼、處理，并將之編碼成SVB、S-Video、RGB信號(hào)輸出，它主要由MPEG-2和AC3等***、視頻和音頻信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器，視頻信號(hào)編碼器等組成。 ·外圍接口了系統(tǒng) 這部分包括串行和并行I/O接口、智能卡接口、紅外接口、IEEE1394接口等，用來連接無線的鍵盤、鼠標(biāo)，以及VCR、VCD、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等設(shè)備。

2.軟件

機(jī)頂盒的軟件系統(tǒng)也隨功能和結(jié)構(gòu)的不同有著很大的區(qū)別。高檔的數(shù)字機(jī)頂盒由于功能復(fù)雜，性能要求高，一般以一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，根據(jù)硬件和系統(tǒng)功能加以擴(kuò)充。適合這方面應(yīng)用的，有通用的操作系統(tǒng)，如Windows CE，OS-9，pSOS等，也有專為機(jī)頂盒研制的操作系統(tǒng)，如Power-TV等。 整個(gè)軟件一般可分為幾個(gè)層次，最低的一層為各類硬件部件的驅(qū)動(dòng)程序，這些硬件部件包括MPEG系統(tǒng)及處理部件、音頻視頻圖形處理部件、FLASH Memory（快閃存儲(chǔ)器）、串行口、并行口不、智能卡接口、網(wǎng)絡(luò)通信部件等。

這些部件通常是一些專用的芯片，它們的驅(qū)動(dòng)程序也是直接與硬件有關(guān)的。 為了便于上層軟件對(duì)設(shè)備的使用，在驅(qū)動(dòng)器層之上有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器管理層，它從外圍接口、MPEG系統(tǒng)處理、音頻/視頻/圖像、通信幾個(gè)方面，管理下層的物理驅(qū)動(dòng)器接口，從而方便高層功能的實(shí)現(xiàn)，也減法律了CPU的負(fù)擔(dān)。 再上面一層即是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。這是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)監(jiān)控、資源分配。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層上面是系統(tǒng)控制層和庫程序，系統(tǒng)控制層提供對(duì)視頻音頻數(shù)據(jù)控制、用戶存取接口、通信、通道選擇等高級(jí)功能，也支持多個(gè)應(yīng)用程序?qū)@些功能的共享和重復(fù)使用。系統(tǒng)的交互性也是在這里得到控制和實(shí)現(xiàn)的。庫程序則提供系統(tǒng)視頻、音頻圖形處理等的函數(shù)和程序。最高的一層為應(yīng)用層，這里處理各種應(yīng)用的功能，從系統(tǒng)控制層選擇必要的功能模塊。

一般來余，每個(gè)應(yīng)用模塊都是在用戶的控制下獲取、處理和顯示的。典型的應(yīng)用有電視頻道瀏覽選擇、收費(fèi)電視控制、e-mail、Internet瀏覽、軟件下載。高級(jí)的應(yīng)用包括視頻點(diǎn)播、音樂點(diǎn)播、電話、可視電話、會(huì)議電視等。由于多媒體的應(yīng)用包括技術(shù)和處理方式等都有很大區(qū)別，并在不斷發(fā)展。所以采用面向?qū)ο蠛吞摂M機(jī)的概念是十分有吸引力的。因此Java在高級(jí)機(jī)頂盒中得到了廣泛的應(yīng)用。為了支持Java，在應(yīng)用層的下載應(yīng)用模塊中需包括Java引擎。當(dāng)然對(duì)CPU和系統(tǒng)的性能也有較高的要求。 由于要求操作系統(tǒng)平臺(tái)、Java執(zhí)行、視頻音頻信號(hào)實(shí)時(shí)的處理、交互服務(wù)、機(jī)頂盒需高級(jí)32位單片處理器所具有的處理能力和存儲(chǔ)器地址空間。

CPU的選擇

機(jī)頂盒的實(shí)現(xiàn)可以采用基于PC或嵌入式PC的結(jié)構(gòu)，也要采用基于高性能單片機(jī)的結(jié)構(gòu)。而采用單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是芯片集成度高、體積小、功耗小、價(jià)格低。由于機(jī)頂盒昌一種消費(fèi)電子產(chǎn)品，所以價(jià)格是一個(gè)重要因素。此外低功耗也意味著節(jié)省每月的電費(fèi)開支。而且低功耗也避免了過高的溫升，提高了設(shè)備的可靠性和壽命。目前高端單片機(jī)為32位或64位RISC結(jié)構(gòu)，速度達(dá)到數(shù)十乃至二、三百M(fèi)IPS，而且具有功能很強(qiáng)的外圍模塊，十分適合用來開發(fā)機(jī)頂盒。 為了提高實(shí)時(shí)處理能力，外圍的功能還應(yīng)盡可能采用專用的芯片來實(shí)現(xiàn)。

目前，Philips，SONY，ST微電子，GI，LSI logic等公司都有專用的MPEG-2解碼，視頻/音頻/圖形處理，電視編碼，及用于電纜。衛(wèi)星等方面的專用芯片。如采用電纜前端，還可選用其它專用Cable Modem芯片。選用這些專用芯片時(shí)，除了要考慮性能、價(jià)格、接口等因素外，還須考慮是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 目前交互電視和機(jī)頂盒仍處于研制開發(fā)階段，機(jī)頂盒的功能、結(jié)構(gòu)尚需調(diào)整改動(dòng)，采用高性能的單片機(jī)為基礎(chǔ)來開發(fā)，既可縮短開發(fā)周期，又能符合產(chǎn)品化的要求。成熟的設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)為機(jī)頂盒定制ROM和ASIC，以簡化線路降低成本。必要時(shí)甚至可以購取單片機(jī)的專利，將單片機(jī)內(nèi)核集成到自行設(shè)計(jì)的芯片中。

數(shù)字式機(jī)頂盒的發(fā)展趨勢(shì)

隨著數(shù)字式機(jī)頂盒性能的提高和價(jià)格的降低、寬帶網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、以及網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用的開展，機(jī)頂盒正逐步進(jìn)入實(shí)用階段。由于許多大型電子、計(jì)算機(jī)、通信、家電公司的參與，機(jī)頂盒的發(fā)展除了表現(xiàn)在采用更高性能的CPU和集成更高、功能更完整的專用VLSI模塊外，更表現(xiàn)在它功能的擴(kuò)展延伸。機(jī)頂盒的寬帶通信、視頻音頻處理、Internet訪問等能力可為多種應(yīng)用共享。所以機(jī)頂盒不僅可用于影視點(diǎn)播、一般網(wǎng)上瀏覽，而且可用于電話/可視電話、遠(yuǎn)程教育、娛樂、電子商務(wù)等多種應(yīng)用。這就使機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)有了相應(yīng)的變化。

首先不少機(jī)頂盒等接口，以方便攝像頭、數(shù)字相機(jī)、攝像機(jī)、游戲機(jī)，以及找印機(jī)、磁盤機(jī)、PC機(jī)的接入。有的機(jī)頂盒已集成了DVD的控制和驅(qū)動(dòng)器電路。 其次，既然機(jī)頂盒將適于多種用途，那么同時(shí)實(shí)現(xiàn)一種以上應(yīng)用的要求也就提出來了，比如要求在進(jìn)行VOD（視頻點(diǎn)播）的同時(shí)打IP電話。所以一些機(jī)頂盒考慮了在機(jī)頂盒這一級(jí)的多通道和多路復(fù)服務(wù)部量。例如GI公司的DCT5000+就個(gè)有三個(gè)重通道的結(jié)構(gòu)。 另一個(gè)影響機(jī)頂盒的因素是住宅的智能化。機(jī)頂盒的通信、處理以及可擴(kuò)充的存儲(chǔ)能力，可用于住宅的安保、家電設(shè)備的控制等。

借助機(jī)頂盒，通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程的住宅監(jiān)控和設(shè)備控制也將是高性能和廉價(jià)的。 所以今天的機(jī)頂盒在不遠(yuǎn)的將來可能成為家庭中連接電視、音響設(shè)備、電話、攝錄設(shè)備、其它家用電器和安保設(shè)備并連通外界信息高速公路的一個(gè)通信、處理、存儲(chǔ)中心。到那時(shí)，機(jī)頂盒可能要從電視機(jī)頂上走下來，而且，人們也不得不為機(jī)頂盒起一個(gè)更恰當(dāng)?shù)拿至恕?/p>