雙向數(shù)字電視機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、    雙向數(shù)字電視機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    雙向數(shù)字電視機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    類別：通信網(wǎng)絡(luò)      摘要: 文章討論了基于DVB 標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式雙向數(shù)字機(jī)頂盒的有關(guān)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上描述了一個(gè)交互式機(jī)頂盒軟、硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，尤其是光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得主干網(wǎng)上的帶寬達(dá)到了數(shù)十Gbps。同時(shí)，光傳輸網(wǎng)的價(jià)格不斷下降使得光纖傳輸系統(tǒng)在有線電視網(wǎng)絡(luò)中得到了大量應(yīng)用，從傳統(tǒng)的同軸電纜發(fā)展成為混合

2、光纖同軸電纜(HFC)。HFC就是在骨干網(wǎng)采用光傳輸系統(tǒng)，而在接入部分仍然使用同軸電纜的混合網(wǎng)絡(luò)。 HFC網(wǎng)豐富的帶寬和客戶資源使有線電話、高速Internet接入、利用機(jī)頂盒的視頻點(diǎn)播(VOD) 以及交互式數(shù)字電視等業(yè)務(wù)成為可能，具有巨大的產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值。但是，傳統(tǒng)有線電視網(wǎng)傳輸?shù)碾娨曅盘?hào)是廣播式的，而新業(yè)務(wù)傳輸強(qiáng)調(diào)的是雙向交互，用戶在接收信息時(shí)還需要回傳個(gè)人信息。根據(jù)用戶回傳信息方法的不同，可將這種交互式業(yè)務(wù)分為基于雙向HFC 網(wǎng)絡(luò)回傳的交互和基于PSTN 回傳的交互兩種。 文章主要討論基于DVB 標(biāo)準(zhǔn)的在雙向HFC 網(wǎng)絡(luò)上的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出了一種交互式

3、數(shù)字電視機(jī)頂盒的實(shí)現(xiàn)方案。 1.基于DVB 的交互式數(shù)字電視系統(tǒng) 1.1雙向HFC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了在有線電視網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)展交互數(shù)字電視業(yè)務(wù)，必須提供能夠使用戶發(fā)送交互信息的回傳信道。因?yàn)楣歉晒饩W(wǎng)絡(luò)是環(huán)形的，所以交互方法將現(xiàn)有的單向HFC 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向改造主要是將接入網(wǎng)的單向放大器改為雙向放大器。這里，我們主要討論在雙向HFC 上實(shí)現(xiàn)交互數(shù)字電視的方法，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。 圖1 雙向HFC 網(wǎng)絡(luò) 從圖1 可以看到,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以劃分為前端(如廣播電視中心局) 、干線傳輸網(wǎng)(光纖傳輸) 、分配網(wǎng)絡(luò)(同軸傳輸) 三個(gè)部分，電視臺(tái)的節(jié)目在前端由光調(diào)制后先通過(guò)HFC 網(wǎng)絡(luò)的骨干光纖環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)诫p向

4、同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，然后傳輸?shù)接脩魴C(jī)頂盒，而用戶的上行信息也通過(guò)HFC 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)定頻段上傳到前端進(jìn)行解調(diào)。 1.2于DVB 的交互式數(shù)字電視系統(tǒng) 關(guān)于交互式數(shù)字電視的標(biāo)準(zhǔn)主要有歐洲的DVB、美國(guó)的DOCSIS以及DAVIC等。其中，DVB 標(biāo)準(zhǔn)制訂時(shí)間最長(zhǎng)，在世界范圍內(nèi)最普及，我國(guó)當(dāng)前的大多數(shù)數(shù)字電視相關(guān)的產(chǎn)品也都是基于DVB 標(biāo)準(zhǔn)的，所以，我們主要討論基于DVB 的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)。 根據(jù)DVB-C標(biāo)準(zhǔn),我們?cè)O(shè)計(jì)的交互數(shù)字電視系統(tǒng)的下行頻率分配為550MHz 到750MHz 的200M 帶寬用于增殖業(yè)務(wù)下行信道，120MHZ到550MHZ用于傳輸原有的63個(gè)模擬頻道節(jié)目，750MHZ以上用于未來(lái)

5、的應(yīng)用，下行調(diào)制以正交幅度調(diào)制 (64QAM)為基礎(chǔ)；其上行信道安排在542MHz內(nèi)，有接近40MHz的頻帶，還可以擴(kuò)展到48MHz。其中58MHz傳輸狀態(tài)監(jiān)視信息， 812MHz傳VOD信令，1546MHz傳輸電話或數(shù)據(jù)。上行信道的調(diào)制方式為QPSK。 基于DVB-C標(biāo)準(zhǔn)以雙向HFC網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)展交互式數(shù)字電視業(yè)務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 圖2 基于雙向HFC 網(wǎng)的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)框圖 從圖2 可以看到，基于雙向HFC傳輸網(wǎng)絡(luò)的交互式數(shù)字電視系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是在原有服務(wù)(模擬電視傳輸) 方式上的擴(kuò)展和疊加，電視臺(tái)前端需要設(shè)置雙向數(shù)據(jù)交換中心，主要由以太交換機(jī)、網(wǎng)管站、各種功能的服務(wù)器、前端處理器(實(shí)

6、現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)等功能) 等設(shè)施組成。 以太交換機(jī)位于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理中心，能實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器、網(wǎng)管站、前端處理器、路由器等每個(gè)交換端口的交換功能，完成多路100M以太數(shù)據(jù)流的快速交換和多路100M視頻流、數(shù)據(jù)流的輸出任務(wù)；視頻服務(wù)器在本系統(tǒng)中承擔(dān)視頻節(jié)目的存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)播放任務(wù)，其所播放的節(jié)目已經(jīng)通過(guò)編輯服務(wù)器進(jìn)行了格式編輯并以文件的方式存儲(chǔ)在海量視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，不要求視頻服務(wù)器對(duì)節(jié)目進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮和格式轉(zhuǎn)換；管理服務(wù)器在本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中承擔(dān)用戶請(qǐng)求的響應(yīng)以及中心資源的實(shí)時(shí)控制與分配，是系統(tǒng)管理中心的主控服務(wù)器，除要求系統(tǒng)運(yùn)行速度外，還對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性有更高的要求；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器在本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中承擔(dān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

7、的管理工作，由系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、資源數(shù)據(jù)庫(kù)、流水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，是系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)、分析與優(yōu)化的參考源；編輯服務(wù)器在本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中承擔(dān)系統(tǒng)資源的制作與準(zhǔn)備工作，同時(shí)兼作中心數(shù)據(jù)資源服務(wù)器，要求具有較大的存儲(chǔ)容量；QAM 調(diào)制器位于系統(tǒng)中心，主要負(fù)責(zé)32Mbps下行數(shù)據(jù)流的QAM調(diào)制。系統(tǒng)采用64QAM調(diào)制方式支持ETS300 429 標(biāo)準(zhǔn)；解調(diào)器主要任務(wù)是接收542MHz 的上行射頻信號(hào)，并把RF 信號(hào)解調(diào)后成為以太交換機(jī)能理解的信號(hào)格式,送往相關(guān)服務(wù)器。 交互式數(shù)字機(jī)頂盒的硬件設(shè)計(jì) 目前，從功能上來(lái)看，機(jī)頂盒可以分成三類：一是衛(wèi)星數(shù)字機(jī)頂盒(亦稱衛(wèi)星綜合接收解碼器)；二是有線電視機(jī)頂

8、盒，三是上網(wǎng)機(jī)頂盒。機(jī)頂盒的硬件結(jié)構(gòu)隨功能和工作方式的不同有著很大的區(qū)別，但其基本的組成一般是高性能的處理器內(nèi)核、存儲(chǔ)器、通訊接口、數(shù)據(jù)解碼器、視頻音頻圖像處理器、電視編碼及接口、外圍IPO 接口等。圖1 為一個(gè)機(jī)頂盒的組成框圖，整個(gè)硬件系統(tǒng)分為若干個(gè)子系統(tǒng)：MPEG解碼、音頻視頻和圖形處理、電纜調(diào)制解調(diào)器、高性能嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器以及外圍接口電路。 下面分別介紹系統(tǒng)中個(gè)部分的組成、功能。 (1) 數(shù)字電視廣播接收前端 包括調(diào)諧器和QAM解調(diào)器，該部分可以實(shí)現(xiàn)從射頻信號(hào)中解調(diào)出MPEG傳輸流。調(diào)諧模塊接收射頻信號(hào)并下行變頻為中頻信號(hào)，然后進(jìn)行APD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再送入QAM 解調(diào)模塊進(jìn)行

9、QAM 解調(diào)，輸出MPGE傳輸流的串行或并行數(shù)據(jù)。 (2)MPEG解碼 MPEG解碼部分包括解復(fù)用、解擾處理和音頻視頻信號(hào)解壓縮，輸出為音頻視頻基本流以及數(shù)據(jù)凈荷。解復(fù)用模塊接收MPEG傳輸流，從中抽出一個(gè)節(jié)目的PES數(shù)據(jù)，包括視頻PES、音頻PES 以及數(shù)據(jù)PES。解復(fù)用模塊中包含一個(gè)解擾引擎，可在傳輸流層和PES 層加擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾，其輸出是已解擾的PES。 (3)Video/Audio 信號(hào)處理 完成音頻視頻模擬編碼以及圖形處理功能，可以直接輸出Video 和Audio 信號(hào)。視頻PES 送入視頻解碼模塊，取出MPEG視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)MPEG視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后輸出到PALPNTSC

10、編碼器,編碼成模擬電視信號(hào)，再經(jīng)視頻輸出電路輸出。音頻PES 送入音頻解碼模塊，取出MPEG音頻數(shù)據(jù)，并對(duì)MPEG音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，輸出PCM 音頻數(shù)據(jù)到PCM 解碼器，PCM 解碼器輸出立體聲模擬音頻信號(hào)，經(jīng)音頻輸出電路輸出。 (4) 電纜調(diào)制解調(diào)器(Cable Modem) 電纜調(diào)制解調(diào)器模塊由一個(gè)雙向調(diào)諧器、下行QAM解調(diào)器、上行QPSKPQAM 調(diào)制器和媒體訪問(wèn)控制(MAC) 模塊組成，該部分按照DAVIC 協(xié)議在外部輸入數(shù)據(jù)與微處理器見(jiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變換，用通過(guò)該模塊可以實(shí)現(xiàn)高速Internet 接入以及交互式的數(shù)字視頻音頻服務(wù)。 (5) 嵌入式微處理品(Embedded Processo

11、r) 微處理器和存儲(chǔ)模塊提供信號(hào)的存儲(chǔ)和控制的處理功能，提供一個(gè)可編程的硬件平臺(tái)，并對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊間進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。嵌入式微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。微處理器選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)從其處理能力、功耗、可擴(kuò)展能力、集成度以及供貨情況和技術(shù)支持能力等方面綜合考慮。目前，比較流行的有:Motorola 和PowerPC 系列、Intel 的Strong Arm 系列、NSC 的Geode Gxm 系列以及MIPS32 和MIPS64 系列等RISC 結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器。 (6) 外圍接口電路 外圍接口電路提供各種外部接口(如通用串行接口USB，告訴串行接口1394、以

12、太網(wǎng)口、RS232 以及音頻視頻接口等) ,用來(lái)連接無(wú)線的鍵盤、鼠標(biāo)以及VCR、VCD、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)微處理器與外部設(shè)備的通訊。 3.交互式數(shù)字機(jī)頂盒的軟件設(shè)計(jì) 交互式數(shù)字機(jī)頂盒的軟件是以一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS) 為核心，根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)加以擴(kuò)充。目前通用的操作系統(tǒng)，如Wind River System 公司的VxWorks、Integrated Systems Incorporated 公司的pSOS、Microware 公司的DAVIDOS - 9、ST 公司的OS20 、Windows CE 以及專為機(jī)頂盒開(kāi)發(fā)的Power TV 等。另外，還有一種開(kāi)放源碼的實(shí)

13、時(shí)的操作系統(tǒng)Linux，并通過(guò)一組嵌入式可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),在該操作系統(tǒng)內(nèi)核的最底層有一個(gè)硬件抽象層(HAL)，通過(guò)HAL 直接控制和訪問(wèn)硬件，并通過(guò)一組宏向其它與機(jī)器無(wú)關(guān)的代碼提供服務(wù)，這樣大大簡(jiǎn)化了RTOS kernel 的移植工作，如果硬件平臺(tái)變化了,除了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序外，只需要修改硬件抽象層的代碼就可以了。 圖3 所示是一個(gè)以Linux為操作系統(tǒng)內(nèi)核的機(jī)頂盒 圖3中，最低的一層為各類硬件部件的驅(qū)動(dòng)程序，這些硬件部件包括音頻視頻圖形處理部件，網(wǎng)絡(luò)通訊部件，系統(tǒng)IPO 部件(串行口、并行口、智能卡接口等) 以及系統(tǒng)存儲(chǔ)器。目前這些部件都是專用的芯片,它們的驅(qū)動(dòng)程序也是直接與硬件有關(guān)的。 在硬件驅(qū)動(dòng)程序上一層就是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux內(nèi)核,這是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)監(jiān)控、資源分配.在操作系統(tǒng)內(nèi)核的最底層是硬件抽象層HAL，操作系統(tǒng)通過(guò)HAL 管理下層的硬件驅(qū)動(dòng)程序。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層上面是系統(tǒng)控制層和庫(kù)程序，系統(tǒng)的交互性也是在這里得到控制和實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)控制層提供對(duì)視頻音頻數(shù)據(jù)控制、用戶存取接口、通訊、通道選擇等高級(jí)功能,也支持多個(gè)應(yīng)用程序?qū)@些功能的共享和重復(fù)使用。庫(kù)程序則提供系統(tǒng)視頻、音頻圖像處理等的函數(shù)的程序。 最上而為應(yīng)用程序?qū)?，這里處理各