数字有线电视机顶盒.doc

数字有线电视机顶盒组成和分析摘 要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等本课程设计首先对机顶盒的工作原理做了重要介绍，然后重点分析了机顶盒的调制解调模块、MPEG-2解码模块、数字视频编码器和音频DAC模块、图形控制模块，并且对机顶盒软件系统以及条件接收CA进行了详细分析关键词：机顶盒，MPEG-2，条件接收目 录1 绪论 11.1 课题描述 11.2 基本工作原理及框图 12数字机顶盒主要模块 22.1 调制解调模块 22.2 MPEG-2解码 32.3 数字视频编码器和音频DAC 32.4 图形控制模块 42.5 媒体访问控制模块MAC 43 数字电视机顶盒软件系统 44 CA系统 64.1在发送端的加密过程 74.2接收端的解密过程 7总 结 8致 谢 10参考文献 111 绪论1.1 课题描述 数字电视广播的目的是将高质量、高可靠的图像、声音文字和数据等信息快速、实时、高效地传输，供用户满意的收视、收听。

数字电视接收与模拟电视接收相比有很大的不同数字电视接收中包含了解调、信道解码、解复用和信源解码等数字电视的核心技术，还要具有条件接收控制、交互操作、增值业务服务、多媒体用户数据处理等功能，是一个复杂的系统总体上说，数字电视接收设备可以分为数字电视接收一体机和数字电视机顶盒（STB）数字电视接收一体机是指电视接收机内置了数字电视解调器、解码器和显示器等，而数字电视机顶盒能够接受数字电视信号，并对其进行解调和解码等处理，但不具备显示功能目前，在有线和卫星数字电视接收中普遍采用的是机顶盒加显示器的组合模式因此本课题主要是对有线数字电视机顶盒的构成进行分析，通过本课题，可使我们深刻理解数字电视机顶盒系统结构和基本功能，以及数字电视条件接收CA的工作原理1.2 基本工作原理及框图数字电视机顶盒可接受数字电视节目，处理数据业务和完成多种应用的解析其工作过程：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工作原理框图如图1所示音频信号视频信号数字有线电视信 号网络接口模块解复用器视频解码器条件接收处理音频解码器音频D/A变换器模拟编码器主控制器存储器外围设备和接口图1工作原理框图2数字机顶盒主要模块2.1 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QAM调制器：QAM调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器（也就是串–并转换器）内被分成两路，各为原来两路信号的1/2，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回原来的二进制信号如图2所示的是QAM调制原理图作为调制信号的输入二进制数据流经过串–并变换后变成四路并行数据流这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据LPF多电平判决定时恢复并串变换90度移相载波恢复LPF多电平判决L-2电平转移L-2电平转移图2 QAM调制原理图2.2 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，可视会议和可视用的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  2.3 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2.4 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。

控制字发生器：要是接收端和发送短的两个PRBS同步，必须由发送端发送一个初始控制字(CW)去同步PRBS发生器，控制字是随机数，可有单片机程序产生有了控制字就可以恢复加扰时使用的伪随机序列，对信号进行解扰这一控制字又称为解扰密钥因此控制字的安全传送是CA系统的关键CW的字长一般为60bit,为了保证安全，CW每隔5～20S改变一次2.5 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。

3 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一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为4层，从底向上分别为：硬件、底层软件、中间件、应用软件，其软硬件组合结构图如图3所示硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用；中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用不依赖具体的硬件平台图3 软硬件组合结构图主控制器的工作通过软件的执行来完成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 CA系统在有线数字电视广播中，不仅能实现传统的电视广播业务，还可以衍生出多种增值业务为了确保这些新业务的实现，不仅需要有一个安全可控的综合管理业务平台，更重要的是有一个安全、开放的条件接收系统（CA，Conditional Access），简称为CA系统其条件接收系统方框图如图4所示Ts流Ts流加扰器复用器调制器PRBSGIPPV等授权（支付）智能卡PRBS解扰器解。