超毅電子今天跟你討論電視機頂盒的結構和原理，數(shù)字機頂盒是一種能提供模擬音頻和視頻接口，使現(xiàn)在的模擬電視機能正常接收節(jié)目;同時，還能提供數(shù)字電視、數(shù)字廣播接口，提供交互式功能的接口裝置。它一頭接有線電視網(wǎng)的同軸電纜，一頭接用戶家里的電視機。專門為不打算買電腦和用電腦的廣大用戶設計。S-A（Scientific-Atlanta） 在94年為Time Warner Cable 在奧蘭多的Full Service Network（FSN）設計了第一個數(shù)字機頂盒（Digital Set-Top Box），采用SGI的MIPS芯片和軟件技術的數(shù)字機頂盒將計算機技術帶入家電領域。機頂盒除了能提供數(shù)字電視、數(shù)字廣播接口，提供交互式功能，包括電話接口、計算機數(shù)據(jù)接口，甚至提供攝像機與游戲機接口等。能接收和存儲用戶發(fā)出的某些指令，并擁有一個中央處理單元，控制機上變換器各部分的工作，能夠進行繁重的數(shù)值計算，并對數(shù)字視頻/音頻信號進行解壓縮輸出和壓縮輸入。機頂盒實際上就是多功能的計算機。這里對數(shù)字機頂盒的硬件結構進行介紹，可以讓大家對數(shù)字機頂盒硬件結構有總體的了解和認識。

二、機頂盒的工作原理：

　　機頂盒各個模塊在Internet的高速接入中，協(xié)同工作。用戶首先通過發(fā)送命令請求一個URL。在使用PPP點對點協(xié)議的一次交易過程中，該命令最終到達Internet業(yè)務提供者的調(diào)制解調(diào)器共用機架上。然后通過動態(tài)分配法，該用戶獲得本次交易中使用的IP地址，并把請求送往Internet。當Internet的內(nèi)容被找到之后，接著把它送到Internet業(yè)務提供者（ISP）那里，再由ISP的路由器負責把它送到電纜電視網(wǎng)絡，最后回到用戶的機頂盒。在有線電視的機頂盒，信息內(nèi)容被截獲。機頂盒在電視機與電纜網(wǎng)絡之間完成一個網(wǎng)關的任務。它的任務是管理IP的通信流量，具有控制用戶進出網(wǎng)絡的能力一旦IP包到達機 頂盒，把視頻信號從該包中分離下來，對其中的數(shù)據(jù)進行譯碼，然后把它送到瀏覽器里準備在電視機上顯示。

　　由于Cable Modem要求用戶要配置一部電腦才能上網(wǎng)，影響了用戶層的擴展，而使用機頂盒則不需電腦，一部電視機足矣，因而機頂盒的市場前景可能看好。信息使用者從企業(yè)向家庭過渡，網(wǎng)絡帶寬從窄帶向寬帶過渡，用戶入網(wǎng)設備從PC機向帶機頂盒（STB）的電視過渡，使用界面從Windows向電視遙控鍵界面過渡，信息內(nèi)容從為企業(yè)服務向為人民生活服務過渡，是網(wǎng)絡服務發(fā)展的大方向，機頂盒（STB）顯然是這個大方向上的一個階段。

　　數(shù)字電視機頂盒接收數(shù)字電視節(jié)目，處理數(shù)據(jù)業(yè)務和完成多種應用的解析。各類信源在進入有線電視網(wǎng)絡之前經(jīng)過兩級編碼，第一級是視音頻信號的信源編碼，并將所有信源封裝成傳輸流，第二級是傳輸用的信道編碼。與前端相應，數(shù)字電視機頂盒首先從傳輸層提取信道編碼信號，完成信道解調(diào)，接著還原壓縮的信源編碼信號，恢復原始視音頻流，同時完成數(shù)據(jù)業(yè)務和多種應用的接收、解析。

　　數(shù)字電視機頂盒的工作過程：數(shù)字電視機頂盒通過網(wǎng)絡接口模塊選擇頻道，并進行解調(diào)和和信道解碼處理，輸出MPEG-2多節(jié)目傳輸流數(shù)據(jù)，送給解復用器，解復用器從MPEG-2傳輸流數(shù)據(jù)中抽出一個節(jié)目的已打包的視音頻基本流（PES）數(shù)據(jù)，包括視頻PES，音頻PES和輔助數(shù)據(jù)PES，解復用器中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對加擾的數(shù)據(jù)進行解擾，解復用器輸出的是已解擾的視音頻PES。視頻PES送入視頻解碼器，取出MPEG-2視頻數(shù)據(jù)并對其解碼后，輸出到模擬編碼器，編碼成模擬視頻信號，再經(jīng)視頻輸出電路輸出。音頻PES送入音頻解碼器，取出MPEG-2音頻數(shù)據(jù)并對其解碼，輸出PCM音頻數(shù)據(jù)到音頻D/A變換器，音頻D/A變換器輸出模擬立體聲音頻信號，經(jīng)音頻輸出電路輸出。其結構示意圖如圖一。

　　數(shù)字電視機頂盒包括硬件和軟件兩部分。硬件提供數(shù)字電視機頂盒的硬件平臺，實現(xiàn)音視頻的解碼。在數(shù)字電視技術中，軟件技術比硬件占有更為重要的位置，因為電視節(jié)目內(nèi)容的重現(xiàn)、操作界面的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)廣播業(yè)務的實現(xiàn)，以及機頂盒和Internet的互聯(lián)都需要軟件來實現(xiàn)。

　　1、數(shù)字電視機頂盒硬件組成

　　（1）網(wǎng)絡接口模塊（NIM）：網(wǎng)絡接口模塊完成信道解調(diào)和信道解碼功能，送出包含視音頻和其他數(shù)據(jù)信息的傳輸流（TS）。

　?。?span lang="EN-US">2）信源數(shù)據(jù)傳輸流解復用器：傳送流中一般包含多個音視頻流及一些數(shù)據(jù)信息，傳輸流解復用器用來區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應的音視頻流和數(shù)據(jù)流，送入視音頻解碼器和相應的解析軟件。

　?。?span lang="EN-US">3）條件接收模塊：對于付費電視，條件接收模塊還對音視頻流實施解擾，并采用含有識別用戶和記憶功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。

　　（4）視音頻解碼器和后處理：MPEG-2解碼器完成對音視頻信號的解壓縮，經(jīng)視頻編碼器和音頻D/A變換，還原出模擬音視頻信號，在模擬電視機上顯示高質量圖像，并提供多聲道立體聲節(jié)目。

　　（5）嵌入式CPU與存儲器模塊和接口電路：嵌入式CPU是數(shù)字電視機頂盒的心臟，它與存儲器模塊用來存儲和運行軟件系統(tǒng)，并對各個硬件模塊進行控制。接口電路提供豐富的外部接口，包括通用串行接口USB，以太網(wǎng)接口及RS232，模擬、數(shù)字視音頻接口，數(shù)據(jù)接口等。

　　2、數(shù)字電視機頂盒軟件系統(tǒng)

　　在機頂盒中，軟件系統(tǒng)是一個重要的組成部分。主控制器的工作通過軟件的執(zhí)行來完成。

　　機頂盒的軟件基本結構如圖二所示。操作系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)。在這個操作系統(tǒng)中主要完成進程調(diào)度、中斷管理、內(nèi)存分配、進程間通信、異常處理、時鐘提取等工作。硬件驅動部分提供外圍硬件設備的驅動，包括I2C總線、異步串行通信口、并行通信口、非易失內(nèi)存、鍵盤、遙控器、調(diào)諧器、信道解碼模塊等。圖形接口主要用于完成圖形顯示功能，以便于為用戶提供友好的圖形用戶界面。音頻解碼和視頻解碼驅動用于控制音頻解碼和視頻解碼硬件的工作。解復用和數(shù)據(jù)表提取模塊主要是對碼流解復用和數(shù)據(jù)表提取操作的控制。應用程序編程接口將所有與硬件相關的底層函數(shù)映射到一個統(tǒng)一的接口上，并且提供一些與硬件無關的公用處理函數(shù)，比如網(wǎng)絡協(xié)議、圖形格式分析、業(yè)務信息數(shù)據(jù)表分析等。條件接收驅動用于完成條件接收處理的工作和軟件接口。應用程序編程接口為應用程序提供了一個公共的編程接口，把應用程序與硬件屏蔽開，使得應用程序與硬件無關。這樣，就便于實現(xiàn)應用程序的可移植性。

　　（1）中間件

　　中間件是數(shù)字電視接收系統(tǒng)的軟件平臺，為數(shù)字電視應用提供運行環(huán)境和軟件接口。中間件作為數(shù)字機頂盒中的一個獨立的軟件層，將應用軟件與底層硬件和操作系統(tǒng)隔離開，對操作系統(tǒng)和驅動程序定義了統(tǒng)一接口，同時對應用程序也定義了統(tǒng)一接口，另外對常規(guī)數(shù)字廣播電視業(yè)務和增值業(yè)務也提供統(tǒng)一接口。中間件定義了一組較為完整而標準的應用程序接口，使應用程序獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，從而將應用的開發(fā)變得更加簡捷，使產(chǎn)品的開放性和可移植性更強。它通常由Java虛擬機、網(wǎng)絡瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成，中間件將應用軟件與依賴于硬件的驅動層軟件分隔開來，使應用軟件不依賴于具體的硬件平臺。

　　（2）SI/EPG

　　業(yè)務信息（SI）包括：節(jié)目業(yè)務群關聯(lián)表（BAT）、節(jié)目業(yè)務描述表（SDT）、節(jié)目段信息表（EIT）、運行狀態(tài)表（RST）、時間及日期表（TDT）、時間偏移表（TOT）等。通過這些數(shù)據(jù)表，機頂盒可以向用戶提供節(jié)目的內(nèi)容描述、節(jié)目的類型、節(jié)目的播放時間、節(jié)目的分級等信息。機頂盒在解復用的處理中提取這些數(shù)據(jù)表，通過分析和處理，然后通過用戶界面提供給用戶，形成了電子節(jié)目指南（EPG）。用戶瀏覽這些信息，并做出選擇，通過遙控器、鍵盤或按鍵等輸入設備告知機頂盒根據(jù)用戶的選擇提取相應的節(jié)目碼流或數(shù)據(jù)碼流。

　　（3）節(jié)目業(yè)務搜索

　　在模擬電視系統(tǒng)中，電視頻道的搜索只需要按照頻點逐一進行即可。而在數(shù)字電視系統(tǒng)中，頻道與節(jié)目業(yè)務不再是一一對應的關系，信道傳輸系統(tǒng)的參數(shù)也有多種配置方式。因此，機頂盒對節(jié)目業(yè)務的搜索要對應前端廣播系統(tǒng)進行設計。一般是由運營商指定一個固定頻道，作為頻道配置信息的發(fā)布頻道。在機頂盒中預先內(nèi)置該頻道參數(shù)。

　?。?span lang="EN-US">4）疊印字幕

　　由于數(shù)字電視系統(tǒng)本身就具有多業(yè)務功能，疊印顯示也是機頂盒的基本功能，因此在數(shù)字電視機頂盒中可以較好的實現(xiàn)疊印字幕功能。疊印字幕可以根據(jù)用戶的選擇開啟和關閉。

　　由于機頂盒中的軟件非常復雜，因此難免存在一些錯誤。另外隨著業(yè)務的不斷變化，軟件的功能也需要不斷的完善。因此軟件更新就成為一項重要的需求。軟件更新的實現(xiàn)方法包括在線廣播下載更新和單機本地更新。單機本地更新通過機頂盒上專用數(shù)據(jù)口將程序燒寫到FLASH內(nèi)存中，或通過更換程序RON實現(xiàn)。在線廣播下載更新是在系統(tǒng)前端通過特定的協(xié)議將更新軟件插入到碼流中，傳送給機頂盒。

三、數(shù)字電視機頂盒的功能

　　數(shù)字電視機頂盒能夠接收MPEG-2數(shù)字電視傳輸流和各種數(shù)據(jù)信息，通過解調(diào)、解復用、解碼和視音頻編碼，在模擬彩色電視機上觀看數(shù)字電視節(jié)目和各種數(shù)據(jù)信息。目前，數(shù)字電視機頂盒的基本功能是接收數(shù)字電視廣播節(jié)目，同時具有所有廣播和交互式多媒體應用功能，包括：

　　（1）電子節(jié)目指南：它為用戶提供一種容易使用，界面非常友好，可以快速訪問想看節(jié)目的方式，用戶可以通過該功能看到各個頻道上近期將播放的電視節(jié)目。

　?。?span lang="EN-US">2）支持交互式應用如準視頻點播、視頻點播、互動游戲等。

　?。?span lang="EN-US">3）高速數(shù)據(jù)廣播：能為用戶提供股市行情、票務信息、電子報紙、熱門網(wǎng)絡等各種信息。

　　（4）因特網(wǎng)接入和電子郵件：數(shù)字電視機頂盒通過內(nèi)置的電纜調(diào)制解調(diào)器便可實現(xiàn)因特網(wǎng)接入功能。用戶可以通過機頂盒內(nèi)置的瀏覽器上網(wǎng)，發(fā)送電子郵件，也可以提供各種接口與PC相連，使用PC接入因特網(wǎng)。

　　（5）軟件在線升級：可看成是數(shù)據(jù)廣播的應用之一。數(shù)據(jù)廣播服務器將升級軟件傳送給機頂盒，機頂盒能識別該軟件的版本號，在版本不同時接收該軟件，并對保存在存儲器中的軟件進行更新。

　　（6）有條件接收：有條件接收的核心是加擾和加密，數(shù)字電視機頂盒應具有解擾和解密功能。

　　隨著數(shù)字電視和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，數(shù)字電視機頂盒的功能將更加完善，尤其是單片PC技術的發(fā)展，將促使數(shù)字電視機頂盒在物理結構上將各部分硬件高度集成，形成STB核心芯片，從而減小體積，降低成本，提高性能。外部接口將更加豐富，通過USB接口可以和數(shù)碼相機連接，通過IDE接口可以掛接硬盤實現(xiàn)節(jié)目存儲等。交互式機頂盒將成為數(shù)字電視機頂盒的主流，用戶在模擬彩色電視機上不僅能收看數(shù)字電視，還能實現(xiàn)娛樂和上網(wǎng)。