CATV機(jī)頂盒設(shè)計(jì)的原理與實(shí)現(xiàn)

介紹了數(shù)字電視機(jī)頂盒的基本原理和以有線電視傳輸網(wǎng)絡(luò)為傳播載體的數(shù)字電視機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)原理，闡述了在實(shí)現(xiàn)過程中所用到的數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)、加解擾技術(shù)和復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種基于ST公司STV0297和STI5518芯片的解決方案。
??? 關(guān)鍵詞：機(jī)頂盒, MPEG-2, QAM調(diào)制, 解擾, 解復(fù)用

1 引言?
??? 電視機(jī)頂盒（Set Top Box,STB）是模擬廣播電視向數(shù)字廣播電視過渡的最好解決方案。將數(shù)字機(jī)頂盒與普通的模擬電視結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視的功能。數(shù)字機(jī)頂盒可以把來自衛(wèi)星、地面或有線的數(shù)字電視信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電視機(jī)能夠接收的PAL/NTSC信號(hào)，亦可支持視頻點(diǎn)播、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等功能。目前具有實(shí)用開發(fā)價(jià)值的機(jī)頂盒可分為數(shù)字衛(wèi)星接收（DVB-S）機(jī)頂盒和數(shù)字有線電視（DVB-C）機(jī)頂盒兩種。
??? 有線電視（CATV）網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣，頻帶資源豐富，建設(shè)成本低的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)支持傳統(tǒng)的模擬業(yè)務(wù)、新型的數(shù)字點(diǎn)播（VOD）和數(shù)據(jù)信息服務(wù)。我國目前還沒有制定CATV數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，而是采用歐洲的DVB-C標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了采用DVB-C標(biāo)準(zhǔn)的有線電視機(jī)頂盒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及其解決方案。
2 設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵技術(shù)?
??? 有線電視機(jī)頂盒應(yīng)該具備的主要功能有：接收數(shù)字廣播信號(hào)（包括CATV上的音頻、視頻和資料信號(hào)）和視頻點(diǎn)播。
??? 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流經(jīng)過機(jī)頂盒各芯片完成解調(diào)、解復(fù)用、譯碼功能。其原理框圖如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)?
??? 目前國際上數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術(shù)主要有：四相移相鍵控（QPSK）、多電平正交幅度調(diào)制（MQAM）、多電平殘留邊帶調(diào)制（MVSB）和正交頻分復(fù)用調(diào)制（OFDM）。在有線電視中主要采用MQAM調(diào)制方式。QAM調(diào)制是一種節(jié)省頻帶的數(shù)字調(diào)幅方法（16QAM的頻譜利用率為4(bit/s)/Hz,64QAM的頻譜利用率為6(bit/s)/Hz），有較高的信噪比。QAM調(diào)制方法在2400bit/s以上的中、高速調(diào)制中常被采用，廣泛應(yīng)用于有線電視的下行傳輸及HDTV的地面廣播傳輸中。
2.2 加解擾技術(shù)?
??? 加解擾技術(shù)用于對(duì)數(shù)字節(jié)目進(jìn)行加密解密，其基本原理是采用加擾控制字加密傳輸?shù)姆椒?，用戶端利?a target="_blank">IC卡解密。在MPEG傳輸流中，與控制字傳輸相關(guān)的有兩個(gè)數(shù)據(jù)流：授權(quán)控制信息（ECMs）和授權(quán)管理信息（EMMs），由業(yè)務(wù)密鑰（SK）加密處理后的控制字在ECMs中傳送，其中還包括節(jié)目來源、時(shí)間、內(nèi)容分類和節(jié)目價(jià)格等節(jié)目信息。對(duì)控制字加密的業(yè)務(wù)密鑰在授權(quán)管理中傳送，且業(yè)務(wù)密鑰在傳送前要經(jīng)過用戶個(gè)人分配密鑰（PDK）的加密處理，EMMs中還包括地址和用戶授權(quán)信息，如用戶可以看的節(jié)目或時(shí)間段，用戶付的收視費(fèi)等。用戶個(gè)人分配密鑰（PDK）存放在用戶的智能卡（Smart Card）中。在用戶端，機(jī)頂盒根據(jù)PMT和CAT表中的CA?descriptor，獲得EMM和ECM的PID值，然后，從TS流中過濾出ECMs和EMMs，并通過Smart Card接口送給Smart Card。Smart Card首先讀取用戶個(gè)人分配密鑰（PDK），用PDK對(duì)EMM解密，取出SK，然后利用SK對(duì)ECM進(jìn)行解密，取出CW，并將CW通過Smart Card接口送給解擾引擎，解擾引擎利用CW就可以將擾的傳輸流進(jìn)行解擾。加解擾技術(shù)分為同密和多密技術(shù)。
??? 同密技術(shù)是將兩家或兩家以上的條件接收（CA）系統(tǒng)應(yīng)用于同一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之中，對(duì)有線電視臺(tái)來說是實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇和一種競爭的環(huán)境。
??? 多密技術(shù)要求機(jī)頂盒采用CI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同一機(jī)頂盒可接收不同CA系統(tǒng)加密節(jié)目。從用戶角度來講，不會(huì)因購買哪一家CA的機(jī)頂盒而受到限制，用戶還有選擇其CA服務(wù)的可能性。
2.3 復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)
??? 整個(gè)復(fù)用過程可以描述為2個(gè)不同層次的復(fù)用。?
??? ·節(jié)目層復(fù)用：視頻流、音頻流和資料流通過復(fù)用器復(fù)用成一個(gè)節(jié)目的傳送比特流。?
??? ·系統(tǒng)層復(fù)用：多個(gè)節(jié)目的傳送位流通過復(fù)用器復(fù)用成系統(tǒng)比特流。?
??? 通過這兩級(jí)復(fù)用所生成的都是標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-2的TS碼流。?
??? 解復(fù)用單元由專用處理器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)MPEG-2的TS流和成包基本碼流（PES）進(jìn)行解析，恢復(fù)音視頻解碼器所需的碼流，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)傳輸錯(cuò)誤進(jìn)行標(biāo)識(shí)。傳送系統(tǒng)使用了MPEG-2定義的固定長度為188個(gè)字節(jié)的傳輸流分組方式，這些分組是通過分組頭中的分組標(biāo)識(shí)（PID）來識(shí)別視頻、音頻或數(shù)據(jù)信息。傳輸流中包含一個(gè)或多個(gè)節(jié)目，每個(gè)節(jié)目是由一個(gè)或多個(gè)復(fù)用在一起的基本碼流構(gòu)成的。在單路節(jié)目傳送復(fù)用時(shí)，組成節(jié)目的傳送碼流的PID信息、碼流中傳輸?shù)膽?yīng)用（如音頻、視頻等）標(biāo)示符以及這些碼流之間的關(guān)系等，由節(jié)目映射表（PMT）來表示。包含PMT的碼流的PID號(hào)由在節(jié)目系統(tǒng)復(fù)用時(shí)定義的PID=0的系統(tǒng)級(jí)控制碼流所攜帶的節(jié)目關(guān)聯(lián)表（PAT）來給出。PMT和PAT都是屬于包含節(jié)目及系統(tǒng)信息的節(jié)目特定信息（PSI）的一部分。解復(fù)用器利用PID=0的節(jié)目關(guān)聯(lián)表（PAT）識(shí)別出攜帶所需節(jié)目映射表（PMT）的比特流的PID，然后從節(jié)目映射表（PMT）中獲得構(gòu)成節(jié)目的基本碼流的PID號(hào)，通過設(shè)置解復(fù)用器中的過濾器，來接收所需節(jié)目的傳送碼流。音視頻基本碼流在傳送層中是以分組的基本流（PES）的形式傳送的，對(duì)所選節(jié)目進(jìn)行PES解包后的壓縮音頻、視頻流數(shù)據(jù)交送音頻和視頻解碼單元處理。
2.4 MPEG-2視頻編碼
??? MPEG-2視頻編碼系統(tǒng)由一個(gè)大家族構(gòu)成，每一個(gè)系統(tǒng)之間都有兼容性和共同性，根據(jù)圖像清晰度的不同，它分成四種信源格式或稱“等級(jí)”(Level)，從錄像帶(VCR)的低圖像清晰度，到高清晰度電視。除了根據(jù)圖像清晰度定義的“等級(jí)”以外，DVB視頻標(biāo)準(zhǔn)還定義了“檔次”(Profile)的概念，每一個(gè)不同的“檔次”能夠提供構(gòu)成編碼系統(tǒng)的壓縮工具和壓縮算法。
2.4.1 “檔次”
??? 目前在 MPEG-2系統(tǒng)中存在 5個(gè)“檔次”，每一個(gè)“檔次”都會(huì)比它的前一個(gè)“檔次”更加復(fù)雜，更加完善，提供更多的工具，同時(shí)其相對(duì)應(yīng)的設(shè)備的價(jià)格也更高。
??? “檔次”的最初級(jí)叫做簡單檔次(Simple Profile)，隨后是主檔次(Main Profile)，它比簡單檔次增加了編碼雙向預(yù)測的功能，即：B-FRAMES。在使用同樣的碼流的情況下，它的質(zhì)量會(huì)更好，但算法更加復(fù)雜，使用的芯片更多。主檔次的解碼芯片,可以兼容解碼簡單檔次的編碼，這種向下兼容性貫穿整個(gè)系列的“檔次”。
??? 在主檔次之后,是信噪比可分級(jí)檔次(SNR Scalable)及空間頻譜可分級(jí)檔次(Space Scalable Profile)，這兩種“檔次”可以調(diào)整信噪比與碼流率關(guān)系，以及圖像清晰度與碼流率之間的關(guān)系，出于其編碼的復(fù)雜性以及接收設(shè)備價(jià)格昂貴等原因，DVB標(biāo)準(zhǔn)目前不支持這兩種“檔次”。最高級(jí)的“檔次”是HIGH PROFILE，它不僅兼容前面的低級(jí)“檔次”，兼?zhèn)渌械墓δ埽铱梢赃M(jìn)行多行同時(shí)編碼。
2.4.2 “等級(jí)”?
??? 根據(jù)圖像節(jié)目源的清晰度由低到高的不同，DVB MPEG?2標(biāo)準(zhǔn)分成許多“等級(jí)”，最低的 LOWLEVEL的清晰度是IU-R-BT、601建議的四分之一，即：352×288×25幀／秒。MAIN LEVEL是完全符合IU-R-BT、601建議的標(biāo)準(zhǔn)，即：720×576×25幀／秒。HIGH-1440 LEVEL采用了每行1440個(gè)采樣的方法。HIGH LEVEL采用了更高的每行1920個(gè)的采樣方法。
??? 目前，世界上最常用的 MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)是MP@ ML，即：MAIN PROFLE@ MAIN LEVEL,它是第一代數(shù)字有線電視和數(shù)字衛(wèi)星電視的基礎(chǔ)，節(jié)目提供者可以提供625線質(zhì)量的節(jié)目，圖像的長寬比可以是4:3或16:9。至于碼流率，它是由節(jié)目提供者根據(jù)節(jié)目質(zhì)量來選定的，圖像質(zhì)量越高，所需碼流率就越高，反之則越低。
3 硬件實(shí)現(xiàn)
??? 目前市面上出售的機(jī)頂盒多數(shù)只具有將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為普通電視機(jī)能接收的模擬信號(hào)的單一功能。在個(gè)別城市的個(gè)別小區(qū)內(nèi)開通了如視頻點(diǎn)播（VOD）等服務(wù)。由于我國的大部分有線電視用戶使用的網(wǎng)絡(luò)仍然是單向網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行雙向改造的投入比較大，近期內(nèi)還無法完成，因此，可以考慮采用Modem通過電話線進(jìn)行上行數(shù)據(jù)的回傳。本文介紹了一個(gè)用ST公司的系列芯片來實(shí)現(xiàn)CATV機(jī)頂盒的方案，見圖2。

3.1 前端部分?
??? 前端部分的主要功能是將有線電視網(wǎng)絡(luò)傳送過來的高頻信號(hào)經(jīng)調(diào)諧器降為中頻信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大后將信號(hào)送給QAM解調(diào)芯片，完成解調(diào)制工作。該方案采用MicroTune公司的MT2040 Silicon Tuner調(diào)諧器和ST公司的STV0297QAM解調(diào)芯片。

??? 前端結(jié)構(gòu)如圖3所示。MT2040 Silicon Tuner可以接收48MHz-860MHz的高頻信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為用戶所需的中頻頻帶上。經(jīng)過一個(gè)表面聲波濾波器（SAW Filter）和MT1230中頻放大器，將降頻后的中頻信號(hào)傳送給STV0297進(jìn)行QAM解調(diào)。
??? STV0297片內(nèi)集成有一個(gè)高性能的A/D轉(zhuǎn)換器，可以直接對(duì)輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣。STV0297還為AGC提供兩路PWM輸出，一路提供給Tuner(AGC1),另一路提供給IF Amplifier(AGC2)用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行AGC調(diào)節(jié)。A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過奈奎斯特濾波器的處理，以達(dá)到0.13-0.15的傳輸滾降系數(shù)。信號(hào)通過奈奎斯特濾波器后的能量損失是由片內(nèi)的數(shù)字AGC模塊來進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹４送?，STV0297還要完成載波恢復(fù)、均衡、解交織和FEC解碼等工作。載波恢復(fù)能消除殘留的載波頻率和相位的偏移。頻道均衡能適當(dāng)?shù)叵鞣N回聲和線性頻道失真。為了減輕脈沖噪聲，增加R-S FEC編碼的糾錯(cuò)能力，在發(fā)送端R-S編碼后數(shù)據(jù)進(jìn)行了交織，因此，在接收端R-S解碼前要進(jìn)行解交織工作。STV0297中使用的是Forney型解交織器，其默認(rèn)的解交織深度為12，單元深度為17。由于MPEG數(shù)據(jù)流頭信息對(duì)于正確接收信號(hào)非常重要，STV0297采用Reed-Solomon 糾錯(cuò)碼來保證接收數(shù)字比特流的正確性。
3.2 后端部分?

??? 后端部分如圖4所示。QAM解調(diào)器完成信道解碼，從載波中分離出包含音、視頻和其它數(shù)據(jù)信息的傳輸流（TS）。傳輸流中一般包含多個(gè)音、視頻流和數(shù)據(jù)信息。解復(fù)用器用來區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應(yīng)的音頻流、視頻流和數(shù)據(jù)流。解復(fù)用模塊中包含一個(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。其輸出是已解擾的PES。視頻PES流送入視頻解碼模塊，取出MPEG視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)MPEG視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，輸出到PAL/NTSC編碼器，編碼成模擬信號(hào)經(jīng)視頻輸出電路輸出。音頻PES流送入音頻解碼模塊，取出MPEG音頻數(shù)據(jù)，并對(duì)MPEG音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，輸出PCM音頻數(shù)據(jù)到PCM解碼器，PCM解碼器輸出立體聲模擬音頻信號(hào)，經(jīng)音頻輸出電路輸出。對(duì)于付費(fèi)電視，條件接收（CA）模塊對(duì)音、視頻流進(jìn)行解擾，并采用含有識(shí)別用戶和進(jìn)行記帳功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。
??? STI5518采用OS20實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）。其特點(diǎn)在于它不是非常的龐大，并可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行裁剪（scalable，通過C語言中的條件編譯來實(shí)現(xiàn)），但卻要求可以在實(shí)時(shí)的環(huán)境中工作，并能在較小的內(nèi)存空間中運(yùn)行。OS20為ST公司開發(fā)的支持實(shí)時(shí)處理的操作系統(tǒng)，其CPU為ST20C2+ 32位處理器，支持多任務(wù)、內(nèi)核管理、進(jìn)程調(diào)度和任務(wù)優(yōu)先級(jí)等實(shí)時(shí)特性。
4 結(jié)束語
??? 電視數(shù)字化是今后發(fā)展的趨勢，雖然在理論上已經(jīng)很成熟了，但在具體的實(shí)現(xiàn)過程中由于受到諸如現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡(luò)為單向網(wǎng)絡(luò)，不能進(jìn)行上行數(shù)據(jù)的回傳等問題的限制，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)方法上的改變。本文中提到的使用Modem進(jìn)行上行數(shù)據(jù)回傳的方法，可以利用現(xiàn)有的有線電視的傳輸網(wǎng)絡(luò)，而不需要進(jìn)行大規(guī)模的線路改造，是目前比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種方案。

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