机顶盒介绍
第3章　数字机顶盒
要求
掌握数字机顶盒的功能、分类、系统结构、工作原理
知识点
瞯数字机顶盒的功能及分类
瞯数字机顶盒的结构及原理
瞯典型数字电视机顶盒剖析
重点和难点
瞯有线数字电视机顶盒系统结构和关键技术
瞯数字交互式电视的核心技术及中间件技术
3畅1　数字机顶盒的功能与分类
机顶盒，英文名称为ＳｅｔＴｏｐＢｏｘ，简称ＳＴＢ，其含义是置于电视机顶上的盒子。
机顶盒与电视机是数字电视产业链中最重要的终端设备，两者分工不同。机顶盒是一种将数字电视信号转换成模拟电视信号的转换设备，用于接收数字电视信号，对数字信号进行解密和解码还原，产生模拟电视信号并输出。电视机用于显示电视节目。开播数字电视节目后，传统的模拟电视机不能直接收看数字电视信号，只有通过数字电视机顶盒，将数字电视信号接收并解码还原成模拟电视信号送给模拟电视机，才能正常接收数字电视节目，因此数字电视机顶盒是接收数字电视必备的设备，每台电视机必须配备一台机顶盒后才能收看数字电视节目。
3畅1畅1　数字机顶盒的基本功能
目前的数字电视机顶盒已成为一种内嵌微型计算机的家电设备，具有和普通ＰＣ机同样完善的实时操作系统，能够提供强大的运算能力，用来协调控制机顶盒的各组成部分的工作，并能提供容易操作的图形菜单界面，如数字电视电子节目指南系统（ＥＰＧ），它能给用户提供图文并茂的节目介绍和背景资料。同时，机顶盒还具有“傻瓜计算机”的能力，通过内部软件功能，来实现如上网、视频点播、家庭电子商务等多种服务。数字电视机顶盒的功能越来越丰富，人们除了用它收看最新的数字电视节目外，还可以获得互动电视、数据浏览等服务。随着数字电视时代的到来，机顶盒的功能得到了迅速的发展，越来越多的运营商和设备厂商着眼于机顶盒上新技术的利用和新业务的开发，以提供给观众一种全新的收看电视节目的方式。概括来说，目前数字机顶盒的功能主要体现在以下方面。
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①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，这是机顶盒的最基本功能。
②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。
③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。
④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。
⑤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。
⑥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。
⑦Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入和。数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入功能。用户可通过机顶盒内置的浏览器上网、发送、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机接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。
⑧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。
3畅1畅2　数字机顶盒的分类
按照不同的分类方法，数字机顶盒的类别也不尽相同。
１畅按照应用范围来划分
按照应用范围来划分，目前市场上的机顶盒基本上可分为：接收数字电视的数字电视机顶盒，接入通信网、计算机网和广播电视网的网络电视（ＷｅｂＴＶ）机顶盒以及多媒体（Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ）机顶盒三类。
（１）数字电视机顶盒
数字电视信号分为有线、卫星、地面（无线）三种传输方式，因此数字电视机顶盒（ＳＴＢ）相应地分为有线、卫星、地面三种类型，这三种机顶盒的主要区别在于解调部分的解调方式不同。①卫星数字电视机顶盒（ＤＶＢ－Ｓ）。卫星数字电视机顶盒又称为综合业务接收机、卫星数字接收机或卫星数字解码器（ＩＲＤ）。卫星数字机顶盒用来接收数字卫星广播节目。该类机顶盒在几年前就已商业化，有专业的ＩＲＤ，也有个人用的ＩＲＤ。我们所看到的许多卫视节目都是有线电视台通过专业的ＩＲＤ从卫
星接收下来，再通过有线电视网送入用户家中的。由于管理上的限制，我国个人卫星电视限制使用，因此目前个人用ＩＲＤ并不普及，但在国外具有较好的市场。该类机顶盒的主要功能是接收卫星数字电视广播，同时也支持数据广播、图文电视等应用。由于它的传输平台是卫星信道，支持交互式应用比较困难。目前，卫星数字机顶盒基本采用ＤＶＢ－Ｓ标准，国内外都有商用产品。
②地面数字电视机顶盒（ＤＶＢ－Ｔ）。地面数字电视机顶盒的功能与卫星数字电视机顶盒类似，所不同的只是传输介质由卫星信道变成了地面广播信道。这类机顶盒所使用的频率与有线·08·
电视频率相同，但由于这种无线信道的传输环境比有线电视网络复杂得多，所以它的信号传输技术与有线电视机顶盒也有较大差别。
目前，世界上有三种地面数字电视广播标准：欧洲的ＤＶＢ，美国的ＡＴＳＣ，日本的ＩＳＤＢ－Ｔ（综合业务数字广播）系统的ＤＴＴＢ（数字电视地面广播）方案。ＤＴＴＢ实际上是ＤＶＢ－Ｔ的变种，ＡＴＳＣ的接收设备称为ＤＴＶ，ＤＶＢ的接收设备称为标准数字电视。在较短的时期内，ＤＴＶ和标准数字电视不可能降到模拟电视的价位，还必须通过地面数字电视机顶盒将地面数字广播的节目显示在模拟电视机上。
地面数字电视机顶盒的关键技术是编码正交频分复用ＣＯＤＦＭ，该技术可有效地解决地面数字广播中所存在的多径接收、邻频干扰等问题。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的相位叠加而导致接收失败。另外，数字广播信号与模拟广播信号之间以及数字广播信号之间会存在邻频干扰，数字广播若要利用邻频技术提高带宽利用率，则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。正交频分复用ＣＯＦＤＭ克服了上述问题，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０，从而提供较好的邻频抑制能力。
③有线数字电视机顶盒（ＤＶＢ－Ｃ）。有线数字电视机顶盒的基本原理与卫星数字电视机顶盒、地面数字电视机顶盒相似，只是信号传输的介质是有线电视广播所采用的全电缆网络或光纤／同轴电缆混合网。由于有线电视网络具有较好的传输质量以及电缆调制解调器技术的成熟，使得这类机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字电视广播接收、电子节目指南（ＥＰＧ）、准视频点播（ＮＶＯＤ）、按次付费观看（ＰＰＶ）、软件在线升级、数据广播、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入、、ＩＰ电话、视频点播（ＶＯＤ）等。
（２）网络视频机顶盒
网络视频机顶盒包括网络电视（ＷｅｂＴＶ）机顶盒与视频点播（ＶＯＤ）数字机顶盒。网络电视机顶
盒的功能是使现有模拟电视机用户通过公众电话交换网（ＰＳＴＮ）或双向ＣＡＴＶ，实现上网、收发、游戏娱乐、网上学习等。视频点播数字机顶盒是一种基于宽带网、可实现上网和双向视频点播功能的机顶盒，也是目前国内需求量最大、被业界认为是发展前景最好的新产品。（３）多媒体机顶盒
多媒体机顶盒是对前两种机顶盒的综合，有时也称为综合业务机顶盒或全功能数字机顶盒，实际上它是计算机、线缆调制解调器（ＣａｂｌｅＭｏｄｅｍ，ＣＭ）和电视机三者的结合。它几乎可以支持所有的广播和交互式多媒体的应用，包括收看普通电视节目及数字加密电视节目、点播多媒体节目和信息、电子节目指南（ＥＰＧ）、收发、因特网浏览、网上购物、远程教育等，其应用条件是双向ＣＡＴＶ网。但这种机顶盒价格不菲、使用受限，目前不是机顶盒的主流产品。
２畅按照技术性能来划分
按照技术性能来划分，数字机顶盒通常分为普及型数字机顶盒、增强型数字机顶盒和交互式数字机顶盒三种。
（１）普及型数字机顶盒
普及型数字机顶盒可以有加密或没有加密，主要以接收基本的付费数字电视节目为主，有非
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常简单的中间件（内置式中间件）。普及型数字机顶盒满足大多数用户需求，并且具有良好的性能／价格比。主要功能有：①支持基本的数字音／视频和数字音频广播接收；②集成有条件接收系统；③具有中文电子节目指南（ＥＰＧ）和二级以上字库；④支持软件在线更新功能；⑤支持复合视频（ＣＶＢＳ）输出，具有音频输出处理功能（单声道、立体声和双声道）。
（２）增强型数字机顶盒
增强型数字机顶盒在普及型机顶盒基础上增加基本中间件软件系统，基本中间件可以实现数据信息浏览、准视频点播、实时股票接收等多种应用。增强型数字机顶盒已经超越了以观看数字电视为主的需求，增加了多种增值业务，且具有可升级性，价格容易被接受，对今后的应用发展、业务开发也没有限制。新增功能有：①集成基本中间件系统；②支持数据广播、实时股票等数据信息接收功能；③支持准视频点播功能；④具有多种游戏；⑤具有音频输出处理功能（单声道和双声道立体声）；⑥具有Ｙ／Ｃ、复合视频（ＣＶＢＳ）、Ｙ／Ｃｂ／Ｃｒ输出（可选功能）；⑦具有逐行扫描输出（可选功能）；⑧可支持Ｍｏｄｅｍ电话拨号回传方式。
（３）交互式数字机顶盒
交互式数字机顶盒是在增强型数字机顶盒的基础上，增加ＣＭ（ＣａｂｌｅＭｏｄｅｍ，线缆调制解调器）和硬盘，支持ＭＰＥＧ－２媒体流处理，通过周围的网关可以和各户连网。交互式数字机顶盒集成了符合多媒体家庭平台（ＭＨＰ）标准的中间件软件系统，除提供增强型机顶盒主要功能外，还可以基于ＭＨＰ提供交互式应用、网页信息浏览等多种增值业务。
交互式数字机顶盒价格比较高，此外，前端需要很多的开发投入，比如若使用ＣＭ，则双向网络的改造投入相当大；如果要网上购物，信用卡在机顶盒上马上结算的话，前端要和银行连结起来；如果在机顶盒上用ＩＰ电话打长途，前端系统就要和电信局的交换机连结起来。需要做很多工作，如建立用户的数据库等，目前这方面的核心技术只掌握在国际上两三家公司的手中。交互式数字机顶盒新增功能有：①集成ＭＨＰ中间件系统；②支持交互式应用，如视频点播、互动游戏、网上冲浪等。
3畅1畅3　数字机顶盒的发展趋势
按照机顶盒的软硬件配置，机顶盒的发展过程可划分为三代。
１畅第一代机顶盒
早期的机顶盒都是基于嵌入式的实时操作系统编制应用程序，称为硬件机顶盒。
硬件机顶盒一般总处理能力只有５％～１０％是可编程的，这种基于硬件机顶盒开发应用软件的工作非
常困难，大大提高了成本，也极大地降低了新应用的产生速度。早期的机顶盒一般无中间件，有（或无）条件接收系统，只有简单的交互功能，无回传信道。
２畅第二代机顶盒
随着机顶盒技术的发展，在硬件机顶盒系统中增加了中间件层，应用程序都是基于中间件编制的，有交互式的应用，有条件接收系统，有（或无）回传信道。
基于硬件的机顶盒系统有很多无法克服的缺点。首先中间件不仅需要隐藏硬件各种技术的详细细节，还需要占用机顶盒硬件资源，大大增加了中间件的难度。另外，在技术飞速发展的时代，硬件升级系统的更新非常困难，需要巨大投入，不能适应未来技术和业务发展的需求变化。
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３畅第三代机顶盒（软件机顶盒）
随着机顶盒技术的发展，代表着当今顶尖数字技术的新一代机顶盒———软件机顶盒应运而生。软件机顶盒采用软件技术，其硬件部分主要是高速数字信号处理器（ＤＳＰ）、射频处理单元和输入／输出接口，其他所有功能均由软件实现。软件机顶盒是一个具备强大运算功能的网络计算机，为各种应用提供了灵活、开放的系统平台。
软件机顶盒系统比现有的硬件系统更具有升级灵活性和开放性。软件机顶盒系统为实现设备的多标准性、多业务适应性、功能升级适应性提供了最佳的解决方案，它有着广泛的应用前景。
第三代机顶盒具有回传信道和高级交互式应用；具有开放的中间件系统，应用程序都是基于标准的中间件及Ｊａｖａ语言编制；具有开放的ＣＡ（ＣｏｎｄｉｔｉｏｎａｌＡｃｃｅｓｓ，条件接收）系统平台，可以实现同密和多密接收。ＳＴＢ与ＣＡ是独立的，一个ＣＡ系统可以选用不同厂商的ＳＴＢ，ＳＴＢ具有兼容性。４畅未来机顶盒的发展方向
未来机顶盒除了给用户提供更好的服务以外，还向更加交互、更加灵活、更加开放和低成本方面发展。
现代数字技术的高速发展，带动了有线宽带网络应用的蓬勃发展，许多现在看来不可能的服务，将来都有可能变成现实。未来有线宽带网络上的应用，最大特点将是个性化服务的需求急剧增加。新标准、新协议、新的服务将层出不穷，要求机顶盒的应用必须更加灵活，以适应未来不断变化的需求，给用户提供更好的服务。软件机顶盒则可以满足这一需求。它可以通过软件下载升级，满足支持多种编解码技术的要求，是今后机顶盒发展的方向。
3畅2　数字电视机顶盒基本结构与关键技术3畅2畅1　数字电视机顶盒的结构组成与工作原理
数字电视机顶盒从功能上看是计算机和电视机相结合的产物。在日常的接触中，人们一提到数字电视机
卫星电视接收机升级顶盒，可能都会问该机顶盒采用哪个公司的芯片、中央处理单元（ＣＰＵ）的速度是多少、闪存（Ｆｌａｓｈ）容量有多大、存储器容量有多大、操作系统是什么、采用谁的ＣＡ系统、是否有中间件、采用谁的中间件等问题。的确，这些都是机顶盒的基本组成部分。一个完整的数字电视机顶盒包括硬件平台和软件系统两大部分。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连以及和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的互连都需要由软件来实现。
１畅一般数字电视机顶盒的结构组成
随着广播电视节目的数字化以及Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的普及，机顶盒的功能越来越强，其作用从单一的解密收费功能发展成集解压缩、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ浏览、解密收费、交互控制为一体的数字化装置。
尽管机顶盒的形式非常多，但有一点是共同的，就是机顶盒的使用受网络带宽制约较大。就目前而言，鉴于宽带局域网技术比较成熟，基于ＩＰ宽带的数字机顶盒可以普及。为适应日新月异的数字技术发展，机顶盒设计的一个重要原则是：开放式结构，不排斥现有技术，做到既能与网络有效连接，又具有灵活的可扩充性。因此，它的基本组成必须有数字调谐器、异步转移模式（ＡＴＭ）单元、非对称数字用户线路（ＡＤＳＬ）接口、图像和声音解码器、ＰＡＬ／ＮＴＳＣ／ＳＥＣＡＭ编码
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器、内存接口及扩展接口。可见，机顶盒是一个模块化的结构，一个典型的机顶盒硬件结构如图３－１所示。
图３－１　一般机顶盒硬件结构组成
在图３－１中，从网络（同轴电缆）传来的射频信号经数字调谐器完成射频转换、ＱＡＭ解调及前向纠错解码（ＦＥＣ）处理后，由ＡＴＭ处理单元进行数据包的解复用，并将数据分为视频流、音频流和数据流。视频流由ＭＰＥＧ－２视频解码器解压缩后，送入ＰＡＬ／ＮＴＳＣ／ＳＥＣＡＭ编码器，以得到相应格式的模拟视频信号。在此过程中，可以叠加图形发生器产生的诸如选单之类的图形信号。音频流由ＭＰＥＧ－２解码后，经音频Ｄ／Ａ转换器转换为模拟音频信号。数据流传递给ＣＰＵ，由ＣＰＵ做相应的处理。例如，ＣＰＵ根据数据流中的选单图形数据来控制图形发生器产生选单图形。ＣＰＵ还可以根据用户选择产生相应的消息数据，经ＱＰＳＫ或ＱＡＭ调制后，由上行通道反馈给视频服务器。
图３－１所示的一般机顶盒拥有模拟视频通道、数字视频通道和双向控制通道，使其能够支持模拟式广播传输、数字式广播传输和交互功能。
按照信号传播介质的不同，机顶盒可分为卫星数字电视机顶盒、有线电视（ＣＡＴＶ）机顶盒和ＩｎｔｅｒｎｅｔＷｅｂＴＶ机顶盒。接收卫星数字电视机顶盒没有上行数据，因此主要功能是对接收数据的解复用、对压缩数据（视频、音频）的解压缩以及解密收费和信道解码。
数字电视机顶盒从信号处理和应用操作上看，包含以下几个层次：
瞯物理层和链路层：包括高频调谐器、ＱＰＳＫ／ＱＡＭ／ＣＯＦＤＭ／ＶＳＢ解调、卷积码解码、去交织、Ｒ－Ｓ码解码、解能量扩散。
瞯传送层：包括解复用，它把ＭＰＥＧ－２传送流分成视频流、音频流和数据包。
瞯节目层：包括ＭＰＥＧ－２视频解码、ＭＰＥＧ－２ＡＡＣ（或ＡＣ－３）音频解码。
瞯应用层：包括业务信息（ＳＩ）、电子节目指南（ＥＰＧ）、图形用户界面（ＧＵＩ）、浏览器、遥控、ＣＡ等。
瞯输出接口：包括模拟视频／音频接口、数字视频／音频接口、智能卡接口、键盘与遥控接口、数据接口等。
实际上，一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为４层，如图３－２所示，从底向上分别为：硬件平台层、底层软件层、中间件（Ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ）层、应用软件层。其中，底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用程序和下载的应用程序，这些应用程序实现了机顶盒的各种功能；中间件将应用程序与依赖于硬件平台的底层·48·

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