数字电视机顶盒

鲲 2011-03-16

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　　数字电视机顶盒是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，目前的数字电视机顶盒已成为一种嵌入式计算设备，具有完善的实时操作系统，提供强大的CPU计算能力，用来协调控制机顶盒各部分硬件设施，并提供易操作的图形用户界面，如增强型电视的电子节目指南，给用户提供图文并茂的节目介绍和背景资料。同时，机顶盒具有“傻瓜计算机”能力，这样通过内部软件功能和对网络稍加进行双向改造，很容易实现如因特网浏览、视频点播、家庭电子商务、电话通信等多种服务，可谓一网打天下。

　　电视从黑白电视向彩色电视过渡时，采用了兼容的办法，PAL-D制在中国一直延续到现在。

　　从模拟电视向高清晰度数字电视过渡，是一个跨越式的过渡，可以说无法直接兼容，也就是说目前的所有的模拟电视是不能使用的，所以一步到位是不现实的，目前各国采用了一个过渡式的办法--既数字机顶盒，使用了数字机顶盒后将数字信号转变成模拟信号输入给现在的模拟电视机显示信息，这样有效地避免了电视信号在传输过程中导致的干扰和损耗，电视接收的信号质量得到了很大程度的改善。这只是一种过渡，由于模拟电视机的扫描线已定，所以它与高清晰度数字电视相比，还有相当大的距离。

　　高清晰度数字电视(HDTV)是未来的发展方向，到那时现在的模拟电视被全部淘汰，电视台的射、录、编设备也相应更换，人们在电视屏幕上看到的将是高清晰度的电视画面和更多的功能,HDTV会把电视带入一个崭新的时代。

　　有人问目前数字机顶盒接收的信号是高清晰度数字电视吗？不是，使用了数字机顶盒后将数字信号转变成模拟信号输入给现在的模拟电视机显示信息，这样电视接收的信号质量虽然有了很大程度的改善，由于模拟电视机的扫描线已定，所以它与高清晰度数字电视相比，还有相当大的距离。这只是一种过渡。

输入输出接口主要有

数字电视机顶盒输入输出接口

1、信号输入

　　2、信号环路输出

　　3、RCA (影视频接口)

　　4、YPbPr（分量输出）

　　5、S-VIDEO（S端子接口）

　　6、SPDIF （数字音频）

　　7、USB2.0（可以接外接设备，如：移动硬盘，u盘）

　　8、网络接口（实现交互，你点我播放）

　　9、HDMI (高清接口)

　　

数字电视机顶盒的硬件结构

1、主板 mainboard

　　2、开关电源 Power board

　　3、遥控器和按键控制面板 Front PCB

　　4、高频头 Tuner

　　5、射频调制器 RF

　　6、升级串口RS-232

　　7、闪存Flash

　　8、音视频输出接口RCA、SPDIF、HDMI

　　9、条件接收系统CA 模块

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、MPEG－2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

　　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MPEG－2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC－3和MPEG－2两种标准。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Private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32～64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)MPEG－2解码

　　MPEG－2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MPEG－2技术基础上，MPEG－2是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。MP@LL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。MP@ML用于DVD、SDTV，MP@HL用于HDTV。

　　MPEG－2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。

　　MPEG－2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MPEG－2伴音，美国的ATSC采用杜比AC－3，因而音频解码要具有以上两种功能。

(6)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，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。

　　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24×24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720×576或640×480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

　　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CA－descriptor，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，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。这些信息主要是完成对用户的授权，因此EMM是面向用户的管理信息，EMM对用户在什么时间看、看什么频道进行授权，它也通过复用器与加扰码流一起传送，以上这些组成了CA最基本的加密系统。

发展现状

　　数字电视机顶盒将改变我们现有的电视的概念，也将为互联网提供一个崭新的消费终端，而且这个消费终端将比其他任何终端如PC、手机、PDA都普及、方便、吸引人。随着各地有线数字电视的试播，数字电视机顶盒的推广与几年前相比已有长足的进步，但是数字机顶盒在国内还没有得到广泛的应用，这主要有几个原因：

（1）数字机顶盒的技术含量较高

　　真正的产品并不是很多，许多厂商的VOD（视频点播）事实上大多处于概念阶段。

（2）网络双向改造与质量问题。

　　由于数字电视机顶盒受网络带宽制约较大，尤其是目前国内网络发展基础薄弱，而且各种网络资源各自为阵，因此它的大范围普及推广还需时日。

（3）服务不力、缺乏专业的ICP

　　即信息和节目资源贫乏。如VOD业务推广应用的一大难点就是节目源的开放以及片源、版权。国家有线电视主干网的建立、专业供片商的出现可在一定程度上缓解这一难题。许多厂家纷纷开发基于宾馆、酒店、小区的VOD系统，也是为了避开这一难题。

（4）资费偏高

　　对多数用户而言也是不小的开支。中国人的消费心理是可以承受一次性较大的购置成本，却不大愿意接受长期持续不断的、没有明显回报的消费支付。

　　尽管当前数字机顶盒的推广受到了很大的限制，但是数字电视机顶盒不仅是用户终端，也是网络终端，它能使模拟电视机从被动接收模拟电视转向交互式数字电视(如视频点播等)，并能接入因特网，使用户享受电视、数据、语言等全方位的信息服务。随着数字技术、多媒体技术和网络技术的发展，数字电视机顶盒功能将逐步完善，尤其是单片PC技术的发展，将促使数字电视机顶盒内置和整个成本下降，让大多数用户在普通模拟电视机上实现既能娱乐，又能上网等多种服务。

产业发展现状

　　近年来，中国机顶盒发展迅速。由于机顶盒产业的资源供给或产品需求正在发生一系列的变化，导致这一产业正逐渐从其他国家或地区梯度转移到中国生产和制造。中国已经成为全球最大的机顶盒生产制造中心。2007年，中国机顶盒市场中以有线机顶盒为主。机顶盒市场出货量达到了6500万台以上，相比2006年增长41.3%。其中国内机顶盒出货量超过3000万台，相比2006年增长49.32%，国内市场机顶盒出货量首次超出国外市场；有线机顶盒市场保有量在2007年底突破了2500万台，相比2006年增长了近60%。2008年中国数字电视进入了蓬勃发展期，除有线数字电视仍旧表现出强劲增长势头外，地面数字电视随着2008年奥运会的契机也有了突破性的发展。2008年，虽然受到雪灾、地震以及全球金融危机等客观因素的影响，但中国机顶盒市场依然处于景气周期。

　　根据《广播影视科技“十五”计划和2010年远景规划》，2010年中国将全面实现数字广播电视，2015年将停止模拟广播电视的播出。毋庸置疑，数字电视节目的普及已成为必然趋势，而中国现行的“模拟电视+机顶盒”的转换形式使机顶盒市场蕴藏了巨大商机。^[1]

发展动向

　　据悉，联邦规章管理者于美国东部已经采纳了新的设备标准以加快向更高音视频质量的数码电视的转变。

　　联邦通信委员会（FCC）以5比0的投票结果通过了可将数字电视信号直接接入电视机而不需要机顶盒和额外电缆的设备标准。为了观看收费电视，用户要向电视机中插入一个由他们的有线电视服务商提供的安全卡。

　　制造商希望能于明年底发售具有这种即插即用技术的高清晰度电视机。他们称，联邦通信委员会的决定将提高消费者的需求和刺激公司提高产量，进一步普及这种新型电视机。

　　与传统的模拟电视不同，数字电视信号使用的是计算机语言，其图象更加清晰，同时还具有其它潜在性能，如互联网接入、视频游戏以及同一频道中的多套节目等。数字信号可通过卫星、有线或无线广播传送。

　　数字电视系统基本上可以分为前端硬件系统（包括图中的复用器、加扰器、调制器、数字电视机顶盒）、软件系统（CAS、SMS、EPG、数据广播和一系列的服务器）和数字电视机顶盒3个部分。

　　数字电视整体转换的成本中，机顶盒的投资占据了绝对的份额，达到整个投资的90%以上。由于牵涉庞大的资金，所以数字电视机顶盒市场的每一点动静，都能对全国的数字电视整体转换造成剧烈的振动。

　　机顶盒的原理与结构如下图，

机顶盒的原理结构图

可以看到机顶盒的结构还是比较简单的。从结构上看，机顶盒一般由主芯片、内存、调谐解调器、回传通道、CA（ConditionalAccess）接口、外部存储控制器以及视音频输出等几大部分构成。其中最主要的部分是主芯片和调谐解调器，这两个部分的差异，很大程度上决定了机顶盒的性能与价格。

　　目前我国市场上存在着多种CA、下载器、EPG、数据广播和中间件系统，各种增值应用更是多种多样。大大提高了机顶盒厂商的研发、生产、市场推广和技术支持的门槛，机顶盒难以量产和降低成本、提高可靠性。今年4月3日，信产部公布了数字电视机卡分离标准(技术规范SJ/T 11336-2006和测试规范SJ/T 11337-2006)。这个标准的实施，一是可以减少机顶盒功能，降低机顶盒的成本；二是靠这个扩展接口增加功能，开展增值业务增加收入；三是在不太需要再投入的情况下，靠百姓自愿购买的扩展业务，靠百姓自己已有的或购买的扩展产品，减少重复投资；四是有力地支持了数字电视一体机(将机顶盒内置于电视机)的生产和研发；五是为数字电视机顶盒的“家电化”，销售网点从网络公司走向家电商场，让用户自主选择机顶盒品牌提供了可能，这样能够有效地减小网络公司的销售资金和售后服务方面的压力。

　　另外，基于数字电视机顶盒多种CA、下载器、EPG、数据广播和中间件系统的优势，外来插件与之融合，集家电、电子、增值服务于一体的增值运用使得数字电视机顶盒趋于产业化、市场化。以目前颇受关注的电视体感游戏为例来说，国际巨头任天堂、索尼和微软等均对国内的高清数字电视和数字机顶盒蠢蠢欲动，欲与之合作插入高清体感游戏增值服务，这也是当前高清数字机顶盒的发展主流之一。目前，国内首次实现数字机顶盒开放式应用平台的康佳与广州代代星电子科技有限公司合作，使代代星自主研发的体感游戏成为康佳硬件标配，基于康佳独有的十核“锐芯”技术，通过开放式的SDK软件开发工具，丰富多彩的体感游戏的任何应用程序可以顺畅运行，详细的技术解读可以参考参考资料^[2]。即消费者在自家的客厅就可以玩3D游戏，并且代代星研发的体感游戏是由身体动作控制游戏角色的动作，达到娱乐与运动一体的效果，是客厅娱乐的新玩法。

数字电视机顶盒的好处

　　数字机顶盒不仅是用户终端，还是网络终端，它能使模拟电视机从被动接收模拟电视转向交互式数字电视（如视频点播等），并能接入因特网，使用户享受电视、数据、语言等全方位的信息服务。目前，有些人认为机顶盒就是用来使电视机上网，这是一种认识上的误区。实际上，数字机顶盒是在走普及数字电视机之前宽带综合信息网的组成成员之一。随着数字技术、多媒体技术和网络技术的发展，将促使数字机顶盒内置和整个成本下降，让大多数用户在普通模拟电视机上实现既能娱乐，又能上网等多种服务。

　　总之，机顶盒作为数字电视标志性的产品，有着广阔的发展空间。随着数字电视应用、芯片技术和软件技术的发展，STB的功能也必将越来越强大，可以为运营商和用户开展更多的服务，满足不同层次的需求。