雙向數(shù)字電視機頂盒的設計與實現(xiàn)

雙向數(shù)字電視機頂盒的設計與實現(xiàn)

摘要: 文章討論了基于DVB 標準的嵌入式雙向數(shù)字機頂盒的有關問題，在此基礎上描述了一個交互式機頂盒軟、硬件的詳細設計方案。

關鍵詞: 嵌入式、交互式、STB
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　　隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，尤其是光網(wǎng)絡技術的發(fā)展使得主干網(wǎng)上的帶寬達到了數(shù)十Gbps。同時，光傳輸網(wǎng)的價格不斷下降使得光纖傳輸系統(tǒng)在有線電視網(wǎng)絡中得到了大量應用，從傳統(tǒng)的同軸電纜發(fā)展成為混合光纖同軸電纜(HFC)。HFC就是在骨干網(wǎng)采用光傳輸系統(tǒng)，而在接入部分仍然使用同軸電纜的混合網(wǎng)絡。

HFC網(wǎng)豐富的帶寬和客戶資源使有線電話、高速Internet接入、利用機頂盒的視頻點播(VOD) 以及交互式數(shù)字電視等業(yè)務成為可能，具有巨大的產(chǎn)業(yè)開發(fā)價值。但是，傳統(tǒng)有線電視網(wǎng)傳輸?shù)碾娨?a target="_blank">信號是廣播式的，而新業(yè)務傳輸強調(diào)的是雙向交互，用戶在接收信息時還需要回傳個人信息。根據(jù)用戶回傳信息方法的不同，可將這種交互式業(yè)務分為基于雙向HFC 網(wǎng)絡回傳的交互和基于PSTN 回傳的交互兩種。

文章主要討論基于DVB 標準的在雙向HFC 網(wǎng)絡上的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)的一些關鍵技術問題，并在此基礎上提出了一種交互式數(shù)字電視機頂盒的實現(xiàn)方案。
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　　1. 基于DVB 的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)

1.1　雙向HFC 網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

為了在有線電視網(wǎng)絡上開展交互數(shù)字電視業(yè)務，必須提供能夠使用戶發(fā)送交互信息的回傳信道。因為骨干光網(wǎng)絡是環(huán)形的，所以交互方法將現(xiàn)有的單向HFC 網(wǎng)絡進行雙向改造主要是將接入網(wǎng)的單向放大器改為雙向放大器。這里，我們主要討論在雙向HFC 上實現(xiàn)交互數(shù)字電視的方法，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計如圖1 所示。

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圖1 　雙向HFC 網(wǎng)絡

從圖1 可以看到,整個網(wǎng)絡可以劃分為前端(如廣播電視中心局) 、干線傳輸網(wǎng)(光纖傳輸) 、分配網(wǎng)絡(同軸傳輸) 三個部分，電視臺的節(jié)目在前端由光調(diào)制后先通過HFC 網(wǎng)絡的骨干光纖環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)诫p向同軸電纜網(wǎng)絡，然后傳輸?shù)接脩魴C頂盒，而用戶的上行信息也通過HFC 網(wǎng)絡的規(guī)定頻段上傳到前端進行解調(diào)。
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　　1.2　于DVB 的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)

關于交互式數(shù)字電視的標準主要有歐洲的DVB、美國的DOCSIS以及DAVIC等。其中，DVB 標準制訂時間最長，在世界范圍內(nèi)最普及，我國當前的大多數(shù)數(shù)字電視相關的產(chǎn)品也都是基于DVB 標準的，所以，我們主要討論基于DVB 的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)。

根據(jù)DVB-C標準,我們設計的交互數(shù)字電視系統(tǒng)的下行頻率分配為550MHz 到750MHz 的200M 帶寬用于增殖業(yè)務下行信道，120MHZ到550MHZ用于傳輸原有的63個模擬頻道節(jié)目，750MHZ以上用于未來的應用，下行調(diào)制以正交幅度調(diào)制 (64QAM)為基礎；其上行信道安排在5～42MHz內(nèi)，有接近40MHz的頻帶，還可以擴展到48MHz。其中5～8MHz傳輸狀態(tài)監(jiān)視信息， 8～12MHz傳VOD信令，15～46MHz傳輸電話或數(shù)據(jù)。上行信道的調(diào)制方式為QPSK。

基于DVB-C標準以雙向HFC網(wǎng)絡上開展交互式數(shù)字電視業(yè)務的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 　基于雙向HFC 網(wǎng)的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)框圖

從圖2 可以看到，基于雙向HFC傳輸網(wǎng)絡的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)的實現(xiàn)是在原有服務(模擬電視傳輸) 方式上的擴展和疊加，電視臺前端需要設置雙向數(shù)據(jù)交換中心，主要由以太交換機、網(wǎng)管站、各種功能的服務器、前端處理器(實現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)等功能) 等設施組成。

以太交換機位于網(wǎng)絡系統(tǒng)管理中心，能實現(xiàn)與服務器、網(wǎng)管站、前端處理器、路由器等每個交換端口的交換功能，完成多路100M以太數(shù)據(jù)流的快速交換和多路100M視頻流、數(shù)據(jù)流的輸出任務；視頻服務器在本系統(tǒng)中承擔視頻節(jié)目的存儲與實時播放任務，其所播放的節(jié)目已經(jīng)通過編輯服務器進行了格式編輯并以文件的方式存儲在海量視頻數(shù)據(jù)存儲器中，不要求視頻服務器對節(jié)目進行實時壓縮和格式轉(zhuǎn)換；管理服務器在本網(wǎng)絡系統(tǒng)中承擔用戶請求的響應以及中心資源的實時控制與分配，是系統(tǒng)管理中心的主控服務器，除要求系統(tǒng)運行速度外，還對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性有更高的要求；數(shù)據(jù)庫服務器在本網(wǎng)絡系統(tǒng)中承擔系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的管理工作，由系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)庫、資源數(shù)據(jù)庫、流水數(shù)據(jù)庫、財務數(shù)據(jù)庫等相關數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，是系統(tǒng)統(tǒng)計、分析與優(yōu)化的參考源；編輯服務器在本網(wǎng)絡系統(tǒng)中承擔系統(tǒng)資源的制作與準備工作，同時兼作中心數(shù)據(jù)資源服務器，要求具有較大的存儲容量；QAM 調(diào)制器位于系統(tǒng)中心，主要負責32Mbps下行數(shù)據(jù)流的QAM調(diào)制。系統(tǒng)采用64QAM調(diào)制方式支持ETS300 429 標準；解調(diào)器主要任務是接收5～42MHz 的上行射頻信號，并把RF 信號解調(diào)后成為以太交換機能理解的信號格式,送往相關服務器。
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　?。病〗换ナ綌?shù)字機頂盒的硬件設計

目前，從功能上來看，機頂盒可以分成三類：一是衛(wèi)星數(shù)字機頂盒(亦稱衛(wèi)星綜合接收解碼器)；二是有線電視機頂盒，三是上網(wǎng)機頂盒。機頂盒的硬件結(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、存儲器、通訊接口、數(shù)據(jù)解碼器、視頻音頻圖像處理器、電視編碼及接口、外圍IPO 接口等。圖1 為一個機頂盒的組成框圖，整個硬件系統(tǒng)分為若干個子系統(tǒng)：MPEG解碼、音頻視頻和圖形處理、電纜調(diào)制解調(diào)器、高性能嵌入式微處理器、存儲器以及外圍接口電路。
下面分別介紹系統(tǒng)中個部分的組成、功能。

(1) 數(shù)字電視廣播接收前端

包括調(diào)諧器和QAM解調(diào)器，該部分可以實現(xiàn)從射頻信號中解調(diào)出MPEG傳輸流。調(diào)諧模塊接收射頻信號并下行變頻為中頻信號，然后進行APD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送入QAM 解調(diào)模塊進行QAM 解調(diào)，輸出MPGE傳輸流的串行或并行數(shù)據(jù)。

(2)MPEG解碼

MPEG解碼部分包括解復用、解擾處理和音頻視頻信號解壓縮，輸出為音頻視頻基本流以及數(shù)據(jù)凈荷。解復用模塊接收MPEG傳輸流，從中抽出一個節(jié)目的PES數(shù)據(jù)，包括視頻PES、音頻PES 以及數(shù)據(jù)PES。解復用模塊中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES 層加擾的數(shù)據(jù)進行解擾，其輸出是已解擾的PES。

(3)Video/Audio 信號處理

完成音頻視頻模擬編碼以及圖形處理功能，可以直接輸出Video 和Audio 信號。視頻PES 送入視頻解碼模塊，取出MPEG視頻數(shù)據(jù)，并對MPEG視頻數(shù)據(jù)進行解碼，然后輸出到PALPNTSC 編碼器,編碼成模擬電視信號，再經(jīng)視頻輸出電路輸出。音頻PES 送入音頻解碼模塊，取出MPEG音頻數(shù)據(jù)，并對MPEG音頻數(shù)據(jù)進行解碼，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，經(jīng)音頻輸出電路輸出。

(4) 電纜調(diào)制解調(diào)器(Cable Modem)

電纜調(diào)制解調(diào)器模塊由一個雙向調(diào)諧器、下行QAM解調(diào)器、上行QPSKPQAM 調(diào)制器和媒體訪問控制(MAC) 模塊組成，該部分按照DAVIC 協(xié)議在外部輸入數(shù)據(jù)與微處理器見實現(xiàn)數(shù)據(jù)變換，用通過該模塊可以實現(xiàn)高速Internet 接入以及交互式的數(shù)字視頻音頻服務。

(5) 嵌入式微處理品(Embedded Processor)

微處理器和存儲模塊提供信號的存儲和控制的處理功能，提供一個可編程的硬件平臺，并對系統(tǒng)中各個功能模塊間進行協(xié)調(diào)和控制。嵌入式微處理器是整個系統(tǒng)的核心，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)的性能。微處理器選擇時應當從其處理能力、功耗、可擴展能力、集成度以及供貨情況和技術支持能力等方面綜合考慮。目前，比較流行的有:Motorola 和PowerPC 系列、Intel 的Strong Arm 系列、NSC 的Geode Gxm 系列以及MIPS32 和MIPS64 系列等RISC 結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器。

(6) 外圍接口電路

外圍接口電路提供各種外部接口(如通用串行接口USB，告訴串行接口1394、以太網(wǎng)口、RS232 以及音頻視頻接口等) ,用來連接無線的鍵盤、鼠標以及VCR、VCD、數(shù)字攝像機等設備,以實現(xiàn)微處理器與外部設備的通訊。
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　　3. 交互式數(shù)字機頂盒的軟件設計

交互式數(shù)字機頂盒的軟件是以一個實時操作系統(tǒng)(RTOS) 為核心，根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能設計加以擴充。目前通用的操作系統(tǒng)，如Wind River System 公司的VxWorks、Integrated Systems Incorporated 公司的pSOS、Microware 公司的DAVIDOS - 9、ST 公司的OS20 、Windows CE 以及專為機頂盒開發(fā)的Power TV 等。另外，還有一種開放源碼的實時的操作系統(tǒng)Linux，并通過一組嵌入式可配置實時操作系統(tǒng),在該操作系統(tǒng)內(nèi)核的最底層有一個硬件抽象層(HAL)，通過HAL 直接控制和訪問硬件，并通過一組宏向其它與機器無關的代碼提供服務，這樣大大簡化了RTOS kernel 的移植工作，如果硬件平臺變化了,除了設備驅(qū)動程序外，只需要修改硬件抽象層的代碼就可以了。

圖3 所示是一個以Linux為操作系統(tǒng)內(nèi)核的機頂盒

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圖3一個交互式數(shù)字機頂盒軟件設計模塊圖
圖3中，最低的一層為各類硬件部件的驅(qū)動程序，這些硬件部件包括音頻視頻圖形處理部件，網(wǎng)絡通訊部件，系統(tǒng)IPO 部件(串行口、并行口、智能卡接口等) 以及系統(tǒng)存儲器。目前這些部件都是專用的芯片,它們的驅(qū)動程序也是直接與硬件有關的。
在硬件驅(qū)動程序上一層就是實時操作系統(tǒng)Linux內(nèi)核,這是整個軟件系統(tǒng)的核心，它負責任務調(diào)度、實時監(jiān)控、資源分配. 在操作系統(tǒng)內(nèi)核的最底層是硬件抽象層HAL，操作系統(tǒng)通過HAL 管理下層的硬件驅(qū)動程序。
實時操作系統(tǒng)層上面是系統(tǒng)控制層和庫程序，系統(tǒng)的交互性也是在這里得到控制和實現(xiàn)。 系統(tǒng)控制層提供對視頻音頻數(shù)據(jù)控制、用戶存取接口、通訊、通道選擇等高級功能,也支持多個應用程序?qū)@些功能的共享和重復使用。庫程序則提供系統(tǒng)視頻、音頻圖像處理等的函數(shù)的程序。
最上而為應用程序?qū)?，這里處理各種應用功能，從系統(tǒng)控制層選擇相應的功能模塊，實現(xiàn)預定義的功能,如上網(wǎng)瀏覽、軟件下載、收發(fā)EMAIL視頻點播、交互式游戲、網(wǎng)上購物等等。
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　　3. 結(jié)　論
利用雙向HFC 結(jié)構(gòu)開展交互式數(shù)字電視業(yè)務進行了詳細介紹，并對實現(xiàn)過程中所要考慮的雙向HFC網(wǎng)絡改造、交互式數(shù)字電視系統(tǒng)的系統(tǒng)設計以及前端設計都提出了相應的解決 策略。同時，還提出了一個實際的機頂盒設計方案，詳細討論了其軟硬件設計與實現(xiàn)過程，并這對于構(gòu)建完整的數(shù)字電視系統(tǒng)是非常有意義的。