数字机顶盒的结构和原理

机顶盒（STB）简介：

机顶盒是一种能提供模拟音频和视频接口，使现在的模拟电视机能正常接收节目；同时，还能提供数字电视、数字广播接口，提供交互式功能的接口装置。它一头接有线电视网的同轴电缆，一头接用户家里的电视机。专门为不打算买电脑和用电脑的广大用户设计。S-A(Scientific-Atlanta) 在94年为Time Warner Cable 在奥兰多的Full Service Network(FSN)设计了第一个数字机顶盒(Digital Set-Top Box) ，采用SGI的MIPS芯片和软件技术的数字机顶盒将计算机技术带入家电领域。机顶盒除了能提供数字电视、数字广播接口，提供交互式功能，包括电话接口、计算机数据接口，甚至提供摄像机与游戏机接口等。能接收和存储用户发出的某些指令，并拥有一个中央处理单元，控制机上变换器各部分的工作，能够进行繁重的数值计算，并对数字视频/音频信号进行解压缩输出和压缩输入。机顶盒实际上就是多功能的计算机。这里对数字机顶盒的硬件结构进行介绍，可以让大家对数字机顶盒硬件结构有总体的了解和认识。

一、数字机顶盒包含几个重要模块：

a. 调制解调模块

数字机顶盒工作在有线电视网络状态下，有线电视网采用模拟传输，因此必须对数字信号进行调制和解调才能在模拟信道传输，调制解调器是系统关键的组成部分，在技术上类似现在的电话调制解调器的原理，但采用了更高的调制方法，下行多采用64QAM或256QAM，在DVB-C(Digital Video Broadcast by Cable) 和DAVIC中采用64QAM做为标准调制方法，以Motorola 的MC92305QAM 解调芯片为例，在7M模拟带宽上采用64QAM调制的数字信号速率可达42Mbit/S，上行目前采用两种方式，一种是采用电话线做为上行信道，另一种是采用双向HFC网的上行通道，采用HFC网时采用QPSK做为调制方案。QAM或QPSK调制器将MPEG格式的数据流调制在一个标准的PAL信道内，与其他视频调制信号一起合路发送出去。

b. 编解码模块

由于采用模拟通道，为保证数据传输的可靠性和低误码率，前向纠错编码是必不可少的，DVB 采用Reed Solomon编码，RS码是一类纠错能力很强的多进制BCH码。

c. MPEG II的解码模块

数字机顶盒的核心是数字视频技术，MPEGII的解码模块可以称为CPU以外的核心模块，MPEG II数字传输中采用交织编码，首先需要对码流进行去交织，视频、音频和数据码流的分离工作，以及视频码的解码工作。经以上各步骤MPEGII码流成为视频(CCIR656 格式)和音频数字信号。MPEG多路复用器将各路节目流、数据流复合在一起，以188字节为一帧的MPEG2数据格式发送到射频调制器并提供电子节目单(EPG)。

d. 数字视频编码器和音频DAC

数字机顶盒的“外设”是电视机和音响系统，数字的音视频信号必须转换为模拟音视频信号，以Motorola公司的MC44724为例，MC44724可以将ITU601、656标准4:2:2 并行视频数据转换为PAL或NTSC格式的视频、S-Video、Y/Cb/Cr 或R/G/B，扩展的VBI(Vertical Blanking Interval)信息输入口用于显示图文信息。音频DAC非常普遍这里不再介绍。现代音响系统都支持Dolby Pro Logic和Lucasfilm Home THX家庭影院系统，需在音频DAC之前用数字音频信号处理芯片对数字音频信号进行处理，目前有专用处理芯片和采用数字信号处理芯片DSP进行处理两种方式。

e. 图形控制模块

和视频图形混合器数字机顶盒另一方面需要提供类似计算机的复杂图形甚至是三维图形，需要系统具有强大的二维和三维图形加速芯片，而且需要将图形和视频信号能进行混合叠加显示，此类功能类似现有的字幕机。

f. 媒体访问控制模块MAC

数字机顶盒在网络通信上可以看成是Cable Modem，IP路由器接收用户端通过PSTN( 公用电话网)传来的点播信号并传送到Internet服务器/ 路由器。目前主要参照DAVIC和IEEE 802.14 标准，IEEE802.14倡导采用ATM并在802.14 MAC访问层上定义了ATM层，DAVIC同时定义了以太网和ATM标准。

h. 可擦写DVD

现有数字机顶盒完全工作在网络环境，仅能利用智能卡进行一些类似个人帐号、解码号等信息的储存，不具备本地大数据存储功能，所有信息需要从网上获得，无论现在网络状况还是今后，像CD-ROM此类介质仍是大容量信息传递的一种主要方式，CD-ROM的缺点是信息无法更新。采用可擦写DVD不仅可以使用光盘上的巨大信息，更有效的是通过Internet网进行数据更新，使DVD盘上数据保持最新状态，DVD应成为数字机顶盒的重要的备用模块。

i. 加解扰模块和版权保护模块

在有线电视运营中，付费电视是一种主要的业务，要求数字机顶盒必须具备电视信号的加解扰功能，由于采用数字信号，加解扰比模拟信号加解扰容易和保密度高，DVB对加解扰功能有相关定义，另一方面，采用数字信号在版权保护上加大了难点，目前采用Macrovision generator 进行活动图像的保护。

二、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。

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。

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。

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