1、数字机顶盒的设计与研究摘 要数 字 电 视 如 今 成 为 全 世 界 广 播 电 视 行 业 的 热 点 ， 而 高 清 数 字 电 视 是 目 前 世 界 上数 字 电 视 的 最 高 分 辨 模 式 ， 通 过 高 清 数 字 电 视 机 顶 盒 便 能 够 接 收 到 高 清 的 数 字 电 视信 号 ， 享 受 到 高 清 晰 度 的 画 面 效 果 。本论文针对高清数字电视机顶盒的发展现状，介绍了有线数字电视机顶盒的工作原理和软硬件结构，数字电视机顶盒 NIM（调制器+Tuner）的测试指标、原理和方法和机顶盒的关键技术，以及设计一个能提供模拟和数字电视信号输入端口，并实现数字高清
2、信号输出的数字机顶盒。通过这个机顶盒,模拟电视信号和数字电视信号以及其它一些消费电子产品如 DVD 机，游戏机的输出信号，都可以真正数字化的输出到用户的数字电视机上，完全满足用户对高清画面的需求。这在当前数字电视快速普及的市场中，无疑将获得巨大的商机。系统采用 ST (意法半导体）公司的 STi5514+STi7020高清数字电视信源解码器解决方案，STi5514是一个高集成度的单片标清机顶盒信源解码器芯片，同时具有强大的控制功能，可以配合 STi7020实现高清晰度音视频解码。它集成了一个高性能的32位 CPU、三个专用的 DVB 传输流解复用和解扰模块、一个MPEG MPML 视频解码模块
3、，一个多标准音频解码模块、一个数字视频编码器。另外，它内置了 ATAPI 接口，可以和硬盘驱动器无缝连接，实现录放像和时移播放等功能。它还集成了多种外设，如 SSC，ASC,红外等，可以实现条件接收，软件升级，遥控接收等功能。本论文完成的任务是设计与实现系统中信源解码器和高频头模块功能，并详细介绍了各部分的硬件构成和实现方法。关键词：高清数字电视机顶盒；STi5514+STi7020方案；信源解码器；机顶盒关键技术ABSTRACTDigital TV now became the hotspot, radio and television industry and high definitio
4、n digital TV is digital TV in the worlds highest resolution model, through high-definition digital TV set-top box can receive high-definition digital TV signal, enjoy the high definition picture.This paper in view of the development status quo of high-definition digital TV set-top boxes, digital cab
5、le TV set-top box is introduced the working principle and structure of software and hardware, and digital TV set-top box NIM (modulator + Tuner) test indicators, principle and methods and the key technology of set-top box, and design a can provide analog and digital TV signal input port, and realize
6、 the digital high definition signal output of the digital set-top boxes. Through the set-top boxes, digital TV and analog TV signals and other consumer electronic products such as DVD player, game console output signal, can be truly digital output to the users digital TV, fully meet user demand for
7、high-resolution images. It spread rapidly in the current digital TV market, undoubtedly will be huge business opportunities.System adopts ST (stmicroelectronics) company STi5514 + STi7020 high definition digital television source decoder, STi5514 is a high level of integration of monolithic sd set-t
8、op box source decoder chip, and has strong control function, can cooperate STi7020 realize high-definition audio and video decoding. It integrates a high performance 32 bit CPU, three of the DVB transport stream multiplexing settlement one module, a MPEG MP ML video decoding module, more than a stan
9、dard audio decoding module, a digital video encoder. In addition, it has built-in ATAPI interface, can the seamless connection and hard disk drives, realize the playback as and when the broadcast, etc. It also integrates a variety of peripherals, such as SSC, ASC, infrared, etc., can implement condi
10、tional access, software upgrade, remote control receiver, and other functions.Task this paper is to design and implementation of system has the function of citic source decoder and a high frequency head module, and introduces in detail the hardware and realization method of each part.Key words: high
11、 definition digital TV set-top boxes; STi5514 + STi7020 scheme; The source decoder; Set-top box key technology第一章 绪论数字电视系统一般可分为普通清晰度（PDTV)、标准淸晰度电视(SDTV)和高清晰度电视(HDTV)。高淸晰度数字电视由于能提供更淸晰的图像、更逼真的声音、更大的屏幕，以及数字化传输方式所特有的高效数据传输率，可以在有限的传输频带内传送较多的电视节目，正成为数字化视听技术发展的一个新方向。然而，由于模拟电视在我国家庭中的普遍存在，数字电视不可能很快完全取代传统的模拟电
12、视，机顶盒(Set-Top Box, STB)正是传统模拟电视向数字电视过渡的最好解决方案。1.1 课题背景及意义随着全球广播电视数字化的快速发展，我国在数字广播电视的发展上也作出了相应的规划，其中提出我国将在 2015 年停止模拟电视播出。到目前为止，我国已有部分地区实现了广播电视的数字化。那么，数字电视如何接收呢?其实，数字电视的接收并不一定要数字电视接收机，由于数字电视的传输仍保留了现有模拟电视的是视频格式，因此在用户端，用户只需要加装一台数字电视机顶盒，并不需要对家里电视线路和电视机做任何的改动，用户便可以使现有电视机接收数字电视节目了。我国数字电视产业仍处于起步阶段，我国的国情决定了
13、我国的电视系统的数字化不可能一步到位，只能是有选择，分段进行的，从数字电视的发展趋势来看，我国数字电视发展将经历三个阶段;机顶盒，标准清晰度数字电视 SDTV和高清清晰度数字电视 HDTV，这三者将在一个很长的时期内并存。随着高清数字电视机的普及和数字电视信号的开播，越来越多的家庭购买了高清数字电视机。从目前我国的实际情况来看，市场上还没有出现真正的商用化数字电视一体式接收机。也就是内置了机顶盒的电视机。目前我们要收看到数字节目，就必须利用机顶盒把数字广播信号转化为电视机能够识别的模拟信号(如 AV 端子输入)。但是对于目前大多数的机顶盒而言，只能输出模拟信号，无法实现高清化，同时电视机的优点
14、也被削弱。因此，发展和研究高清数字机顶盒成为了高清技术和高清市场的发展带来的必然结果。1.2 机顶盒国内外研究的现状1.2.1 国外发展现状数字电视机顶盒，是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟的视频和声音信号， 通过电视显示器和音响设备给观众提供高质量的电视节目。自从 1994 年开播卫星数字电视，到 1998 年底开播地面数字电视广播，数字 电视实现了全面启动。到 1999 年底，全球约有 2500 万台卫星数字电视机顶盒， 700 万台有线网数字机顶盒和 40 万台地面数字电视机顶盒和接收机，主要分布 于欧洲、美国和日本。由
15、于客观情况、标准、制式等不同，各国的数字电视发展 状况也不尽相同，其中美国、欧洲、日本的数字电视发展比较迅速，已经逐步实 施数字电视的普及，对我国的数字电视发展模式、技术标准的选择有一定的指导 和借鉴意义。美国是世界上最早发展数字电视的国家，不仅在技术领域完成了数字电视三 大标准的制订工作，而且率先实现了商用播出。到 2003 年其地面数字电视的覆 盖率己达 94%。欧洲数字电视的卫星广播于 1996 年开播，目前用户已超过 500 万，并己扩展至东欧。整个欧洲采用以 DVB 为框架的数字电视标准，发展的侧重点放在标准清晰度数字电视(SDTV)。日本也于 2006 年实现地面数字电视全国覆盖，
16、主要是高清晰度数字电视(HDTV)节目。荷兰己于 2006 年 12 月 11 日正式停播模拟电视信号的播出,这是全世界首个 完全实现数字电视信号播出的国家，此后，还将有一些北欧国家和比利时在近两 年陆续停播模拟电视信号。美国和日本将分别在 2009 年和 2011 年停播模拟电视 信号，我国计划将在 2015 年全面停播模拟电视。1.2.2 国内发展现状我国一直非常关注数字电视技术的发展，从上个世纪的 80 年代开始跟踪国技术 发展动态，90 年代完成数字电视关键技术的理论储备。我国对数字电视的研究从 20 世纪 80 年代末就已经开始了，在“ 八五”期间，国务院组织成立国家高清晰度电视研究
17、开发协调领导小组，国家科委组织成立了 HDTV 发展战专家组，组织实施了“八五” 国家重点科技攻关项目 “高清晰度电视技术研究和计算机模拟” 。1995 年，经国家高清晰度电视研究开发协调领导小组批准，成立了国家高清晰度电视（HDTV)研究 小组。1996 年 7 月，由总体组负责，组织实施了“九五”国家重大科技产业工程项目“高 清晰度电视功能样机系统研究与开发工程” 。经总体组和全国多所大学、研究所及企业的共同努力，于1998 年 6 月，成功地研制出了我国第一台数字高清晰度电视功能样机系统。1998 年 9 月，利用该功能样机系统在北京中央电视台进行了演示，取得了很好的效果。在 1999
18、年 10 月 1 日，中华人民共和国建国 50 周年之际，对天安门广场的国庆大典进行了现场直播，获得了成功。目前我国中央电视台和众多省市、地方电视台都己实现了电视节目的数字卫星传输，电视台的传送和接收设备正在逐步实现 数字化。国家广电总局在十五规划和 2010 年远景规划中提出2:我国将在卫星和有线 电视中采用国际通用的 DVB 标准，在 2003 年完成具有我国自主知识产权的地面数字电视广播标准制定工作，并在 2005 年全面推广地面数字电视广播。清华大学地面数字广播系统方案（DVB-T)和上海交通大研制的（ADVB-T)标准都己确立通过。与美国、欧洲等西方发达国家不同的是，我国城市人口居住
19、相对集中，90%以上的人是通过有线电视收看电视节目的，城市居民物质生活水平较高，这为发展数字电视创造了条件。同时，有线数字电视传输、条件接收系统等标准已经颁实施，为有线数字电视试验提供了良好的技术标准支持。另外，全长37000 多公里的国家广播电视光缆干线网的开通，为全国有线数字电视开展创造了网络条件。政府规定，2015 年将全面实现数字化，完成模拟向数字的过渡，逐步停止模拟电视的播出。1.3 课题的研究内容本课题基于现在机顶盒市场的现状，采取 ST 公司的 STi5514+STi7020 高清数字电视信源解码器方案，开发一种高清晰的交互式机顶盒,实现接收高清晰的数字电视信号,然后经过解调、
20、解复用、解码后输出模拟信号给模拟电视机，并且达到分辨率 1000 线以上的高 清晰显示效果。论文共分为五章：第 1 章为绪论，主要介绍了课题研究的背景、意义、国内外发展现状和课题 的研究内容等。第 2 章阐述了整个数字电视机顶盒的系统构成,包括硬件架构和软件体系层次，并介绍了机顶盒能够实现的各项功能。第 3 章主要阐述机顶盒的关键技术。第 4 章主要研究数字电视机顶盒 NIM（网络接口）的测试指标、原理和方法。第 5 章主要介绍了目前流行的几款高淸数字电视机顶盒的解决方案，并比较它们的优势和劣势，综合考虑所需功能、可扩展性、性价比等因素，选择了基于 ST 公司的 STi5514+STi7020
21、 的解决方案。第 6 章主要进行信源解码模块的设计。第 7 章主要进行高频头模块的设计，介绍了数字电视调谐器的原理和芯片构成。第 2 章 数字电视机顶盒的原理及构成2.1 机顶盒的工作原理图 2-1-1 有线数字电视原理框图图 2-2-1 是有线数字电视机顶盒原理框图，机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2 解码器、视频编码器、音频 D/A、嵌入式 CPU 系统和外围接口、条件接收模块等组成。具有交互功能的机顶盒则需回传通道。高频头接收来自有线网的高频信号，通过 QAM 解调器完成信道解码，从载高频头QAM解调TS 流解复用MPEG_2 解码器SDRAM音频输出PAL/NTS
22、编码FlashDRAM前面板I2C 智能卡 RS232E2PROM 条件接受智能卡接口 RS232 接口CPU 主处理器视频输出波中分离出包含音、视频和其它数据信息的传送流(TS)。传送流中一般包含多个音、视频流及一些数据信息。解复用器则用来区分不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流，送入 MPEG-2 解码器和相应的解析软件，完成数字信息的还原。对于付费电视，条件接收模块对音、视频流实施解扰，并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合法用户正常收看。MPEG-2 解码器完成音、视频信号的解压缩，经视频编码器和音频 D/A 变换，还原出模拟音、视频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像
23、，并提供多声道立体声节目。2.2 机顶盒的硬件系统构成机顶盒的基本功能是接收数字电视节目、处理数据业务和完成各种应用的解 析，主要由调谐器(高频头） 、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2 解码 器、音频 D/A、嵌入式 CPU 和外围接口、条件接收模块等组成。基本结构如图 2-2-1 所示。图 2-2-1 机顶盒硬件系统构成信道解码：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
24、能。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 MPEG2 视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有 AC3 和 MPEG2 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。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
25、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 3264 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。MPEG2 解码：MPEG2 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 MPEG2 技术基础上，MPEG2 是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。MPLL 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。MPML 用于 DVD、SDTV，MPMH 用于 HDTV。MPEG2 图像
26、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。2.3 机顶盒的软件系统电视数字化后，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。图2-3-1 机顶盒软件系统结构图硬件驱动层软件：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。机顶盒作为一个客户端系统，除了要具有良好的硬件平台外还需要配备不同的软件系统才能使其完成各种任务。驱动层包
27、括机顶盒硬件的驱动程序和API接口，它主要用于完成对硬件设备的操作。中间解释层将STB的应用程序指令翻译成CPU能识别的指令，从而通过驱动层去调动硬件设备完成相应的操作。该层包括嵌入式操作系统、中间件、CA驻留软件等。虽然中间件的使用可以给STB软件的设计和应用带来极大好处，但高昂的使用费用，对硬件需求的增加以及技术上的不成熟使中间件在国内鲜有应用。目前许多软件设计者采用直接调用驱动层的软件来编写应用程序，这虽然可以满足一时的需求，但随着应用需求的增加，在STB中使用中间件才是一个很好的解决方案。应用层可以分成驻留应用程序和可下载应用程序两部分，不同的STB软件设计理念使这两个部分包含的应用程
28、序也不尽相同，合理规划这两部分的组成将有助于提高STB的可靠性和相应时间。目前国内机顶盒中的应用较少，主要以EPG、数据广播、股票、简单的下载游戏等为主，而数字电视的魅力并不在于看电视，而在于这种基于数字电视平台的业务应用，这些应用将会改善人们的一些日常生活习俗。随着双向网络的建设，交互式应用的普及，基于交互式的应用软件也将越来越多，这也会给运营商带来难以预料的增值收入。 有线电视数字机顶盒的技术含量非常高，它集中反映了多媒体、计算机、数字压缩编码、 加解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术发展水平。2.4 机顶盒能实现的功能接收数字电视广播节目，提供高质量的视频和音频信号输出，这是机顶盒的
29、最基本功能。支持交互式应用（如视频点播、互动游戏等） 。作为用户前端设备，机顶盒是用户控制交 互电视的接口，所以具有回传信道，提供系统的交互操作，这也是机顶盒的最基本功能。具有电子节目指南（EPG)功能。它为用户提供一种使用方便、界面友好的操作窗口，用 户通过交互操作，可以方便地看到所有频道上近期将播放的电视节目及选取自己所需的节目。有条件接收功能。有条件接收的核心是加扰和加密，数字机顶盒应具有解扰和解密 功能。支持数据广播应用功能。向用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种 信息。软件在线升级功能。软件在线升级可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器按 DVB 数据广播标准将升级软件广播下来，机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该 软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。Internet 接人和电子邮件。数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现 Internet 接人功能。用户可通过机顶盒内置的浏览器上网、发送电子邮件、网上购物，打 IP 电话等。同时机顶盒也可以提供各种接口与 PC 机相连，使用 PC 机接人 Internet。视频点播功能。该功能可让用户在所希望的时间和地点收看想看的节目，这是服务提供 商的主要目标。有线电视数字机顶盒利用交互式的数据信道和广播信道，为实现该功能提供理 想的技术支持。
