有线数字电视讲座第四讲-有线数字电视机顶盒-1.pdf

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1、中国有线电视 2004（19/20）CHINA CABLE TELEVISION实用连载有线数字电视讲座第四讲 有线数字电视的机顶盒（1）冯传岗，宋 茜（泰州市广播电视局，江苏 泰州 225321）中图分类号：TN949.197 文献标识码：E 文章编号：1007-7022（2004）19-0142-05（上接第 17 期）一 综述当今，CADTV（Cable Digital Television，有线数字电视）系统中 STB（Set-Top-Box：机顶盒）功能日益强大，专家们认为：CADTV-STB 将会成为各种家用电器的控制中心。就目前而言，全球大多数的 CATV 网络公司正在专注经营相

2、对简单的 STB 的电视购物商务，这给商家带来丰厚的利润。所谓 STB，广义上指凡是与电视机连接的网络终端设备都可称为 STB。从 CATV 早期的模拟增补频道变换器、模拟频道解扰器，到将电话与 CATV 联系在一起的上网连接器、IRD（Integrated Receiver Decoder：综合解码接收机）、地面数字电视 STB、CADTV-STB 以及目前 CATV 系统中常用的 CM（Cable Modem：电缆调制解调器）等等，都可统称为 STB。狭义上指是能上 Internet（因特网）的 STB，目前有两种：一种是利用电话网络作为传输平台，利用电视机作为显示平台，实现 Intern

3、et 接入功能的设备，可以将其看成是一种非计算机类的 Internet 接入设备。另一种是利用 CATV 网络作为传输平台，利用电视机作为显示平台的 CADTV-STB，用于全电缆网络或 HFC（Hybrid Fiber Coaxial：混合光纤同轴电缆）网络。CADTV-STB 是集数字压缩技术、电视技术、网络通信技术、CM 技术、多媒体技术、计算机技术的多学科、多领域交叉融合的产物。它集中反映了多媒体、计算机和通信技术的发展水平。其关键技术是中间件和CM，主要功能有两点：第一，CADTV-STB 是一种将数字电视信号转换成模拟电视信号的变换设备，与常规彩色电视机配合，可接收高质量电视节目；

4、具有 HDTV（High DefinitionTelevision：高清晰度电视）解码能力的 STB 与高清晰度显示器结合，能接收 HDTV 节目。第二，CADTV-STB 使电视观众不借助昂贵而难于使用的计算机就能方便地上网，使普通模拟电视也能像网络电视一样享受交互电视和数据业务的服务。这不但扩展了现有电视机的功能，而且也将在广大有线电视观众中推广和使用 Internet 技术，促进CATV 系统数字化的改造。1 上网 STB微软的“维纳斯”计划在推出 Windows CE 的同时，捆绑了一个 STB 硬件平台。它利用电话网络作为传输介质，利用电视机作为显示平台，实现 Internet 接入

5、功能。因此，可以将其看成是一种非 PC 类的互联网接入设备。随着 Internet 的不断发展，互联网接入设备的前景非常看好，但这种 STB 占用了用户家中几乎所有的网络资源（电话线和电视机），却只能实现上网功能，对用户来说得不偿失。这种 STB 不论是硬件还是软件，均不支持视频应用，因此，其发展潜力不大。2 卫星数字电视 STB241卫星数字电视 STB 又称为 IRD，用来接收数字卫星广播节目。该类 STB 在几年前就已商业化，有专业的 IRD，也有个人用的 IRD。人们收看的许多卫视节目都是 CATV 网络公司通过专业的 IRD 从卫星接收下来，再通过 CATV 网络传送到用户端。个人用

6、的 IRD在我国并不普及，但在国外卫星直播中具有较好的市场。该类 STB 的主要功能是接收数字电视广播，同时也支持数据广播、图文电视等应用。但由于它的传输平台是卫星信道，支持交互式应用相对于 CADTV 来讲比较困难。目前，全球的卫星数字电视 STB 基本采用 DVB-C（Digital Video Broadcasting-Cable：用于电缆的数字视频广播制 欧洲）欧洲标准，国内外都有成熟的商用产品。3 地面数字电视 STB地面数字电视 STB 的功能与卫星数字 STB 类似，所不同的只是传输介质由卫星信道变成了地面广播信道。该类 STB 所使用的频率与 CATV 频率相同，但由于这种无线

7、空中信道比 CATV 的 HFC（Hybrid FiberCoaxial：混合光纤同轴电缆）网复杂得多，所以它的信号传输技术与 CADTV-STB 也有较大差别。目前，世界上数字电视地面广播标准有 3 种：（1）DVB（Digital Video Broadcasting：数字视频广播制 欧洲），DVB 的接收设备称为 SDTV（标准清晰度电视）。（2）ATSC（高级电视制式委员会 美国），ATSC的接收设备称为 DTV（Digital Tele Vision：数字电视）。（3）ISDB-T（Integrated Services Digital Broadcast-ing：综合业务数字广播

8、日本）系统的 DTTB（数字地面电视广播）方案。实际上 DITB 是 DVB-T（DigitalVideo Broadcasting-Terrestrial：地面数字视频广播制欧洲）的变种。图 1 CADTV-STB 框图由于在较短的时期内，DTV 和 SDTV 不可能降到现有模拟电视接收机的价位，因此还必须通过地面数字 STB 将地面数字电视广播的节目显示在模拟电视接收机上。地面数字电视 STB 的关键技术是 COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiple-xing：编码正交频分复用），该技术可有效地解决数字地面广播中所存在的多径接收、邻

9、频干扰等问题。在模拟电视广播系统中，多径接收会造成图像重影，在数字电视广播系统中，某些特定相位的多径信号可能因信号间相位叠加，导致接收失败。另外，数字电视广播信号与模拟电视广播信号之间以及数字电视广播信号之间都会存在邻频干扰，数字电视广播若要利用邻频技术提高带宽利用率，频道内的有效辐射功率必须低于模拟电视广播的有效辐射功率，并且应保持频谱功率密度恒定。COFDM 克服了上述的问题，它将串行数据流划分为多个比特的码元，每个码元可有数千比特，然后用这些比特去调制被置于一个频段内间隔很小的数千个相互正交的载波。通过设置这些载波的保护间隔和边带能量的位置，使某一特定载波在邻近频道上的能量为零，从而提供

10、较好的邻频抑制能力。4 CADTV（有线数字电视）STBCADTV-STB 的基本原理与卫星数字 STB、地面数字 STB 相同，只是信号传输介质是 CATV 广播所采用的全电缆网络或 HFC 网。但由于 CATV 网络良好的传输质量以及成熟的 CM 技术，使得该类 STB 可以实现各种交互式应用，并被业界广泛看好。事实上，CADTV-STB 可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如：CADTV 广播、EPG（Electron-ic Program Guides：电子节目指南）、NVOD（Near VideoOn Demand：准视频点播）、PPV（Pay-Per-View：按次付费）、软

11、件在线升级、数据广播、Internet 接入、E-mail（电子邮件）、IP（Internet Protocol：网际互连协议）电话和 VOD（Video On Demand：视频点播）等。二 数字电视 STB 工作原理1 数字电视 STB 原理概述数字电视 STB 的基本功能是接收数字电视广播节目，如图 1 所示。图 1 中，RF（射频）信号通过调谐，选择多个 8 MHz 输入信道中可利用的一个信道。当341中国有线电视 2004 年第19/20 期 冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（1）输入是数字信道时，一路经 RF 环通直接输出；另一路经调谐模块接收 RF 信号并下变频为中频信号，

12、然后进行 A/D（Analogue to Digital：模拟/数字）转换成为数字信号，再送入信道解调模块进行载波解调和信道解码，输出 MPEG（Motion Pictures Expert Group：运动图像专家组）传输流的串行或并行数据。CA（Conditional Access：条件接收）在 STB 中有两类不同的应用方式：一是通过独立的 CA 通用接口模块，处理安全和加扰信息，送出解扰的 TS 流（MPEG-2 传输码流）信息；另一类是嵌入 STB 内部的软件 CA模块和 CA 智能卡，与 STB 内部软件系统协同工作，完成解扰功能。解复用模块接收 MPEG 传输流，从中抽出一个节目

13、的 PES（Paketized Elementary Stream：打包基本流）数据，包括视频 PES、音频 PES 以及数据 PES。内嵌 CA模块的解复用模块中包含一个解扰器，可在传输流层和 PES 层对加扰的数据进行解扰，输出已解扰的 PES。视频 PES 送入视频解码模块，取出 MPEG 视频数据，并对 MPEG 视频数据进行解码，然后输出到 PAL/NTSC 编码器，编码成模拟电视信号。音频 PES 送入音频解码模块，取出 MPEG 音频数据，并对 MPEG 音频数据进行解码，输出 PCM（脉冲编码调制）音频数据到 PCM 解码器，PCM 解码器输出立体声模拟音频信号。在 STB 主

14、控制单元控制下，将图像、声音、图形转换成模拟音视频信号输出。STB 也接收数字电视的 SI（Service Informatiom：业务信息）和其他数据，经主控制单元处理、控制业务或节目接收，提供数据信息输出和屏幕显示。某些具备接收模拟电视信号的 STB，将来自调谐器的模拟电视中频信号进行模拟解码，产生 CCIR 601格式的数字视频和 PCM 音频信号，送到 STB 数字音视频输入接口，在主控制单元控制下，混合图形界面，经模拟音视频变换，从相应的端口输出。STB 的交互接口模块根据不同的交互信道，可采用电话线、以太网或电缆回传等方式进行交互回传。2 RF 接口及调谐器/解调器RF 接口连接到

15、输入的调制信号。调谐器/解调器模块执行信道（频率）选择、解调制及误码校正。从调谐器/解调器模块的输出是 MPEG-2 传输流（TS），该数据流馈送至解复用模块。在采用独立的通用 CA 模块时，传输流 TS 送到外部插入 CA 模块。调制器/解调器模块中所有的信道选择都由中央控制单元来控制。（1）解调模块的主要功能调制设备模块的功能是操作一个解调器，它有解调和频道搜寻两个模式。解调模式它使解调器定位到某一个特定的频率段上，以便能够获取一个传输流上的数据。频道搜寻模式它能够自动搜寻载波频段，查找频道，SR（SymbolRate：返回符号率），BER（Bit Error Rate：误码率），AGC（

16、Aotomatic Gain Control：自动增益控制或自动功率控制）等数据。调谐器原理如图2 所示，它接收来自 CATV 的一个频道8 MHz 带宽信号。数字调谐器通常采用两级变频工作方式，第一级中频为38 MHz，第二级中频为7 MHz。图 2 调谐器原理由频道调谐参数经调谐器频率合成，控制前级带通滤波和第一本振，使调谐器调谐到所需接收的频率，第一次变频将输入在 110 862 MHz 范围的频率信号向下变频为 38 MHz。第二变频则进一步降低载波频率到 7 MHz，第二本振由数字信道解调器送出的相位控制信号驱动，完成第二次变频。由调谐器载波中频输出送到信道解调器。（2）频道滤波和载

17、波恢复图 3 载波恢复原理对 QAM（Quadrature Amplitude Modulation：正交振幅调制）载波恢复的原理图如图 3 所示，第一本振由频道参数设定和频率合成完成，对设定频率的偏移在第二本振回路进行补偿。对第二本振的控制来自解调器的频率相位检测单元，在电路中包含频率环路和相位锁定环路，频率环路提供大约 100 kHz 的频率引441冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（1）中国有线电视 2004 年第19/20 期入偏差，而相位锁定环路则应具有较窄的带宽。在频率捕获期间，解调器本地振荡后产生正交的I、Q 信号，与输入 IF（中频）合成后，其频率相位检测单元检测其偏差，控

18、制调谐器第二本振，当频率偏差接近零时，APC（Automatic Phase Control：自动相位控制）将输入的中频 IF 信号锁相到本地时钟，这是一个双向的标准锁相环回路。（3）信道解码载波恢复后形成的正交 I、Q 信号送到信道解码器（DVB-C 标准），如图 4 所示，经匹配滤波和自适应量化，产生二进制数字信号，差分解码后，得到按信道编码规范的数据信号。在完成符号到字节映射后，经去交织器和 R-S（理德-所罗门码）解码、同步反转和去随机化，形成原始基带 MPEG-2 信号。图 4 DVD-C 信道接收解码框图3 解复用器解复用器与从调谐器/解调器或 CA 模块来的传输流 TS 同步，并

19、按照用户所选择的业务来选取适当的音频、视频或专用数据流。解复用器通常包含了对加扰业务/节目内容数据进行解扰的电路 解扰器。专用数据流由 STB 控制单元（主处理器）管理。而音频及视频数据流输出到视频/音频解码器。（1）解复用模块的主要功能解复用模块是对传输流 TS 中各项复用内容，如：Audio（音频）/Video（视频）流、MPEG-2 的 Sections（段数据）、Teletex（图文流）及 Subtitle（字幕流）等解析复原的一个功能模块，如图 5 所示。解复用模块通过特定的 Filter（过滤器）过滤出特定的音视频流和数据。解复用设备主要由解复用控制、解复用过滤器、解复用通道等构成

20、。图 5 解复用过程示意图MPEG-2 传输流经过解复用模块的分解过程如图 6 所示。同步字节提取模块提取传输流同步字节，图 6 解复用器功能框图找到传输流 TS 包的起始位置。包解析器从 TS 包头中提取 PID（Packet Identifier：分组识别符，数据包识别符），PID 通过与 PID 过滤器中事先设置的 PID 过滤值比较而得到。若输入包的 PID 与预定的 PID 匹配，则该包数据被提取，并送到解扰器接口。解扰器恢复数据包 TS 中的原始数据。缓冲控制将 TS 流中的有效数据送到包缓冲器，由3 个数据转发单元：音频转发器、视频转发器、队列转发器转发不同类型的数据。队列转发器

21、转发 MPEG-2 段数据和表格到系统存储器，进行表过滤和 CRC（Cyclical Redundancy Check：循环冗余校验码）检查。另外的两个转发器则将 TS 流中对应的音频和视频数据分别送到音频解码器和视频解码器。（2）MPEG-2 传输数据包结构同步字节：指出 TS 包的起始位置，同步字节总是 47 H。TS 错误标志：表示该数据包在传输过程中是否发生错误。TS 优先级：指出解复用器是否需要装载该数据包。PID：PID 包含用来发现、识别和重构节目的所有信息。加扰控制：指示该数据包是否已加扰，以及加扰的种类。适配域控制：指示适配域种类，本包数据是否携带适配域，或者携带有效数据载荷

22、。连续计数器：指出本数据包是属于同一个 PID下携带有效数据的第几个 TS 数据包。适配域的含义如图 7 所示。可选域中包含 PCR（Program Clock Reference：节 目 时 钟 参 考）、OPCR（Original Program Clock Reference：原始节目时钟参考）和私有数据。PCR 用于将本地时钟和发端的系统541中国有线电视 2004 年第19/20 期 冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（1）时钟同步，以及音视频信号的同步。OPCR 通常在接收机解码器中使用。图 7 MPEG-2 传输流数据包结构PCR 的编码字段分为两个部分，第一个部分是以系统时

23、钟的 1/300 频率作为单位，称为 Program-Clock-Reference-Base（节目时钟参考基准）；第二个部分是以系统时钟频率作为单位，称为 Program-Clock-Refer-ence-Extension（节目时钟参考扩展）。其中 PCR 的编码值分别由 PCR-base（i）t 和 PCR-ext（i）计算，见式 2和式 3。PCR 字段中编码值指出了时间 t（i），其中 i 是包含节目时钟基准字段最后一位字节的序号。PCR（i）=PCR-base（i）300+PCR-ext（i）（1）PCR-base（i）=system-clock-frequencyt（i）DIV3

24、00%233（2）PCR-ext（i）=system-clock-frequencyt（i）%300（3）t（i）=PCR（i）/system-clock-frequency+（i-i）/transport-rate（i）（4）式中的%表示取模的运算，i 是满足 i i 的任何字节序号，DIV 表示整数除法运算。显然，PCR（i）是以系统时钟为单位的函数。当系统时钟频率 system-clock-frequency 为 27 MHz，编码器展现时间标记 PTS 采用 90 kHz 为单位时，PCR（i）是以 242 为模循环的系统时间表达（系统时间采用值取27 MHz），而 PCR-base

25、正好等于 PTS（PresentationTime Stamp：播出 演示 时间信息标记），如图 8 所示。图 8 PCI（i）的构成（3）时钟恢复数据包解析器从含有 PCR 的 TS 包中取出 PCR值，送入时钟恢复单元，重构 STC（System Time Clock：恢复系统时钟）。图 6 中，在解复用器内部，从当前 TS流中得到的 PCR 与根据 VCXO（本地压控振荡器）产生的系统时钟 STC 比较，两者的差值经过 PWM（PulseWidth Modulation：脉冲宽度调制），滤波后调整压控振荡器频率，使本地时钟与 27 MHz 发端的系统时钟同步。本讲所描述的是解复用模块的一

26、个特殊功能：MPEG-2 Sections（段数据）的装载。为实现段数据的装载，该模块需要负责对数据过滤及过滤器管理，以及CRC 校验。（4）Filter（过滤器）解复用 Filter 是用来对 MPEG 流的 Sections 进行过滤。一般解复用模块的硬件部分可同时支持 32 个过滤器。在数字电视接收机工作时，一般有 4 个硬件过滤器是预留给音频解码、视频解码和 CA 信息（如：ECMEntitlement Control Message：授权控制信息/EMM Entitlement Management Message：授权管理信息）用的。只有通过过滤器的数据才被提取出来，发送给应用程序

27、。通常情况下，过滤器由一个 8 B 长度的值、8 B 长度的屏蔽掩码和 8 B 长度的过滤模式组成。Mask 为“1”的位所对应的过滤器的值有效，为“0”的位所对应的过滤器的值无效。通过过滤器的数据均应符合掩码为“1”的位所对应的过滤器值。根据分段的语法定义，以 Section（段）标识字节为 0 字节算起（其值一般为 table-id），第 1、2 字节为分段长度和预留位，过滤时不加以考虑，所以过滤器由除开第 1、2 字节以外的分段前 8 个字节组合组成，如图 9 所示。图 9 过滤器和屏蔽字节硬过滤器与软过滤器硬过滤器是指解复用芯片特有的内置过滤器，一般有 32 个。软过滤器则是在硬过滤器基础之上的附加过滤器，一般的作法是先将数据提取出来，再通过一定的算法比较，将符合所有设置的过滤器的数据提取出来。因后者是通过计算得出，故称“软过滤器”。CRC 校检按照 MPEG-2 传输标准的分段语法定义，每个段的最后 4 个字节为 CRC校检数据。解复用模块在提取了相应的数据后都必须进行 CRC 校检。（未完待续）收稿日期：2003-11-19641冯传岗等：第四讲 有线数字电视的机顶盒（1）中国有线电视 2004 年第19/20 期