DVB机顶盒工作原理

   一、DVB-STB的概念与分类
  机顶盒(STB,Set Top Box)，是指利用 网络 （电视网络或信息网络）作为传输平台，以电视机作为 用户 终端，用来增强或扩展电视机功能的一种信息设备。由于人们通常将它放置在电视机的上面，所以又被成为机顶盒或顶置盒。目前机顶盒有模拟和数字之分，而相比于电视的模拟制式来说，数字电视拥有更为旺盛的生命力，所以现在常说的机顶盒一般是指数字电视机顶盒。
  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。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。它可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体 应用 ，包括收看普通电视节目、数字加密电视节目、点播多媒体节目和信息、电子节目指南（EPG）、收发电子邮件、因特网浏览、网上购物、远程教育等。
  数字电视机顶盒根据传输媒体的不同，可分为卫星数字机顶盒（DVB－S）、地面数字电视机顶盒（DVB－T）和有线数字电视机顶盒（DVB－C）等，这些机顶盒的硬件结构主要区别在信道的解码和解调部分。
二、DVB机顶盒的工作原理
  数字电视机顶盒的基本功能是可接收数字电视信号和处理MPEG-2标准的数字视/音频信号，并将其转换成为模拟电视信号（或电视机可接收的信号）。

它的工作过程为（如图1所示）：

1．调谐模块(tuner)
  通过天线接收到射频信号并下行变频为中频信号，高频头是通过I2C总线技术来控制进行选台的（调谐）。
2．QAM解调与信道解码
  中频信号通过经滤波、放大、A/D转换为数字信号后送入QAM解调模块进行QAM解调，DVB的信道编码是采用RS+卷积交织方式，调制则采用64QAM方式，因此机顶盒必须要完成QAM解调、RS解码和解交织（纠错处理）的过程，并输出MPEG传输流的串行和并行数据。如芯片(L64768)
3．MPEG2-TS解复用
(为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰，称多路复用。目前采用较多的是频分多路复用和时分多路复用。频分多路复用用于模拟通信，例如载波通信，时分多路复用用于数字通信，例如PCM通信。而这里的MPEG-TS流就是采用了复用技术，MPEG多路复用器将各路节目流、数据流复合在一起，以188字节为一帧的MPEG2数据格式发送到射频调制器并提供电子节目单(EPG))
  解复用模块接收MPEG2-TS流，并从中抽出一个节目PES数据，包括视频PES、音频PES、数据PES，并将音频和视频数据直接送给MPEG-2解码器进行解码。解复用模块中包括一个解扰引擎，可对加扰的数据进行解扰，其输出是已解扰PES。如芯片(SAA7214,L64108)
4．MPEG-2解码
  解复用模块送出的数据是压缩的视频PES数据和音频PES数据，必须由MPEG-2解码器对PES数据进行解压缩。输出两组信号，一组为MPEG2数字视频数据送给视频编码器，另一组对MPEG音频数据进行解码为PCM数字音频信号再送给音频数模变换。如芯片(SAA7215,L64005)
（注:以下两点为目前DVB机顶盒的现状（机顶盒输出以模拟信号为主），如果以后电视都是数字电视了，DVB机顶盒此模块很可能会将数字音视频信号直接丢给电视机处理）
5．视频编码
  视频编码器的功能是将已解码的MPEG2数字视频信号转换为模拟电视信号，这些信号经过一个低通滤波器送到电视机的A/V插口上进行播放。
6．音频DAC
  音频DAC的功能是将已解码的数字PCM数据解码成立体声模拟信号。
三、数字电视机顶盒的结构
数字电视机顶盒硬件部分多采用模块化设计，一般可分为五个模块：分别是接收前端模块、主模块、电缆调制解调器模块、音视频输出模块和外围接口模块。（如图２所示）

  其中，接收前端模块包括调谐器和QAM解调器，该部分可以从射频信号中解调出MPEG-2传输流。主模块是整个数字电视机顶盒的核心部分，解码部分可对传输流进行解码、解复用、解扰等操作，而嵌入式CPU和 存储 器用来运行和存储 软件 系统 ，并对各个模块进行控制。电缆调制解调器模块由一个双向调谐器、下行QAM解调器、上行QPSK/QAM调制器和媒体访问控制（MAC）模块组成，该部分实现电缆调制解调的所有功能。音视频输出模块中对音视频信号进行D/A转换还原出模拟音视频信号，并在常规彩色电视机上输出。外围接口模块则提供了丰富的外部接口，包括高速串行接口1394、通用串行接口USB等等。
  音视频的解码由硬件实现，而机顶盒与个人 计算机 的互联以及和Internet的互联则由软件实现。在广播数字化后，数字电视机顶盒技术中软件技术占有更为重要的位置。数字电视机顶盒软件主要包括以下几个部分：硬件设备驱动程序：提供对硬件设备的驱动功能；实时操作系统RTOS：嵌入式实时操作系统是机顶盒软件运行的平台，主要为上层软件提供多任务的运行环境，完成任务间的调度、实现任务间的通信；系统移植接口：为保证 中间件 和应用软件能够在不同的硬件平台和操作系统上运行，一般机顶盒都会在硬件驱动层和操作系统之上定义一层系统移植或硬件接口函数，以方便中间件和应用软件的移植；中间件：是在应用软件、操作系统和硬件平台之间建立的一个中间层软件，定义一组较为完整的、标准的 应用程序 接口，是应用程序独立于操作系统和硬件平台；应用软件：完成机顶盒功能的上层软件，根据业务功能的不同，可以有不同的应用软件。

（如图3,图4所示）

四、数字电视机顶盒的主要技术
信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式CPU、MPEG－2解压缩、机顶盒软件、显示控制和加解扰技术是数字电视机顶盒的主要技术。
　　(1)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解调功能。
　　(2)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MPEG－2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC－3和MPEG－2两种标准。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。
　　(3)上行数据的调制编码
　　开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有3种方式，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。
　　(4)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32～64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。
　　(5)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，可视电话会议和可视电话用的H.263和 H.261是它的子集。MP@ML用于DVD、SDTV，MP@MH用于HDTV。
　　MPEG－2图像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。
　　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。
　　在音频方面，由于欧洲DVB采用MPEG－2伴音，美国的ATSC采用杜比AC－3，因而音频解码要具有以上两种功能。
　　(6)数字电视机顶盒软件
　　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，具体如下：
　　A 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。
　　B 嵌入式实时多任务操作系统：嵌入式实时操作系统是相对于桌面计算机操作系统而言的，它不装在硬盘中，系统结构紧凑，功能相对简单，资源开资较小，便于固化 在存储器中。嵌入式操作系统的作用与PC机上的DOS和 Windows 相似，用户通过它进行人机对话，完成用户下达的指定。指定接收采用多种方式如：键 盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。
　　C 中间件： 
中间件是一种将应用程序与底层的操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境，它通常由各种 虚拟机 来构成，如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机、MHEG-5虚拟机等等。数字电视机顶盒软件中间件的核心层模块包括GDI模块、SI模块、 文件 系统模块、AV模块、浏览器模块、系统模块等。它不仅能够为应用层提供与业务无关的应用软件接口，而且能够屏蔽掉上层软件模块对硬件的依赖性，构建一个软件平台适配层。
成熟的商用中间件产品有Opentv的EN2、Liberate的TV Navigator for DTV、Enreach的EnreachTV for DTV、Canel+ 的Mediahighway和Intellibyte的IB EPG、IB SI Manager、IB Browser等。这些产品在市场上都占有一席之地，但彼此兼容性并不好。标准组织已经着手建立公开的中间件标准。
　　D 上层应用软件： 执行服务商提供的各种服务功能，如：电子节目指南、准视频点播、视频点播、数据广播、IP电话和可视电话等。上层应用软件独立于STB的硬件，它可以用于各种STB硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。
　　(7)显示技术
　　就电视和计算机显示器而言，CRT显示是一种成熟的技术，但是用低分辨率的电视机显示文字，尤 其是小于24×24的小字，问题就变得复杂了。电视机的显像管是大节距的低分辨率管，只适合显示720×576或640×480的图像，它的偏转系统是固 定不变的，是为525行60Hz或625行50Hz设计的，而数字电视的显示格式有18种以上。上网则要符合VESA格式，显然，电视机的显示系统无法适 应这么多格式。另外，电视采用低帧频的隔行扫描方式，当显示图形和文字时，亮度信号存在背景闪烁，水平直线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换 到电视机上，水平边沿就会仅出现在奇场或偶场，屏显 时间 接近人眼的视觉暂留，会产生厉害的边缘闪烁现象，因而要用电视机上网，必须要补救电视机显示的缺 陷。
　　根据技术难度和成本，目前用两种方法进行改进，一种是抗闪烁滤波器，把相邻三行的图像按比例相 加成一行，使仅出现在单场的图像重现在每场中，这种方式叫三行滤波法。三行滤波法简单易实现。但降低了图像的清晰度，适用于隔行扫描方式的电视机。另一种 方法是把隔行扫描变成逐行扫描，并适当提高帧频，这种方式要成倍地增加扫描的行数和场数，为了使增加的像数不是无中生有，保证活动画面的连续性，必须要作 行、场内插运算和运动补偿，必须用专用的芯片和复杂的技术才能实现，这种方式在电视机上显示计算机图文的质量非常好，但必须在有逐行和倍扫描功能的电视机 上才能实现。另外把分辨率高于模拟电视机的HDTV和VESA信号在电视机上播放，只能显示部分画面，必须进行缩小这就像PIP方式，要丢行和丢场。同样 为保证图像的连续性，也要进行内插运算。
　　(8)加解扰技术
　　加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密。其基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法，用户端 利用IC卡解密。目前，国际上有两种标准：OpenCable定义的POD和DVB定义的SimulCrypt和MultiCrypt标准。OpenCable定义的POD是一个通过PCMCIA接口与机顶盒相连的模块，该模块除了解扰功能外，还要完成与前端的交互功能。DVB的MultiCrypt也是采用PCMCIA接口与机顶盒连接，但它只有解扰功能。DVB的SimulCrypt则只需要机顶盒具有ISO7816的SmartCard接口既可，但需要机顶盒具有硬件解扰引擎。
加解扰技术分为同密和多密技术。同密技术是将两家或两家以上的条件接收（CA）系统应用于同一网络平台之中，从有线电视台角度是实现技术的选择和竞争的环境。多密技术要求机顶盒采用CI技术，实现同一机顶盒可接收不同CA系统加密节目。
其工作原理为节目在播出前，要经过加扰处理，加扰过程是将复用后的传送流（Transport Stream）与一个伪随机加扰序列做模2加，而这个伪随机序列的生成由控制字发生器提供的控制字（Control Word ，简称CW）确定。有条件接入的核心实际上是控制字传输的控制。在MPEG传输流中，与控制字传输相关的有两个数据流：授权控制信息（ECMs）和授权管理信息（EMMs）。由业务密钥（SK）加密处理后的控制字在ECMs中传送，其中还包括节目来源、时间、内容分类和节目价格等节目信息。对控制字加密的业务密钥在授权管理信息中传送，并且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥（PDK）的加密处理，EMMs中还包括地址、用户授权信息、如用户可以看的节目或时间段、用户付的收视费等。用户个人分配密钥（PDK）存放在用户的智能卡（SmartCard）中。 
　　在用户端，机顶盒为了再生出解扰随机序列，必须获取相关的条件接收控制信息。首先，机顶盒根据PMT和CAT表中CA_descriptor，获得EMM和ECM的PID值。然后，从TS流中过滤出ECMs和EMMs，并送通过SmardCard接口送给SmartCard。SmardCard首先读取用户个人分配密钥（PDK），用PDK对EMM解密，取出SK，然后利用SK对ECM进行解密，取出CW，并将CW通过SmartCard接口送给解扰引擎，解扰引擎利用CW就可以将将已加扰的传输流进行解扰。