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CATV機頂盒設計的原理與實現 |
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[ 通信界 / 郭 皓 王瑞胡 楊 君 / www.doudouqiu.com / 2006/8/9 22:30:20 ] |
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郭 皓 王瑞胡 楊 君
1 引言
電視機頂盒（Set Top Box,STB）是模擬廣播電視向數字廣播電視過渡的最好解決方案。將數字機頂盒與普通的模擬電視結合起來，就可以實現數字電視的功能。數字機頂盒可以把來自衛星、地面或有線的數字電視信號轉換成模擬電視機能夠接收的PAL/NTSC信號，亦可支持視頻點播、互聯網瀏覽等功能。目前具有實用開發價值的機頂盒可分為數字衛星接收（DVB-S）機頂盒和數字有線電視（DVB-C）機頂盒兩種。
有線電視（CATV）網絡具有覆蓋范圍廣，頻帶資源豐富，建設成本低的優點，可以同時支持傳統的模擬業務、新型的數字點播（VOD）和數據信息服務。我國目前還沒有制定CATV數字電視廣播標準，而是采用歐洲的DVB-C標準。本文介紹了采用DVB-C標準的有線電視機頂盒系統的設計原理及其解決方案。
2 設計原理及關鍵技術
有線電視機頂盒應該具備的主要功能有：接收數字廣播信號（包括CATV上的音頻、視頻和資料信號）和視頻點播。
數字數據流經過機頂盒各芯片完成解調、解復用、譯碼功能。其原理框圖如圖1所示。
2.1 數據的調制與解調技術
目前國際上數字高清晰度電視傳輸系統中采用的調制技術主要有：四相移相鍵控（QPSK）、多電平正交幅度調制（MQAM）、多電平殘留邊帶調制（MVSB）和正交頻分復用調制（OFDM）。在有線電視中主要采用MQAM調制方式。QAM調制是一種節省頻帶的數字調幅方法（16QAM的頻譜利用率為4(bit/s)/Hz,64QAM的頻譜利用率為6(bit/s)/Hz），有較高的信噪比。QAM調制方法在2400bit/s以上的中、高速調制中常被采用，廣泛應用于有線電視的下行傳輸及HDTV的地面廣播傳輸中。
2.2 加解擾技術
加解擾技術用于對數字節目進行加密解密，其基本原理是采用加擾控制字加密傳輸的方法，用戶端利用IC卡解密。在MPEG傳輸流中，與控制字傳輸相關的有兩個數據流：授權控制信息（ECMs）和授權管理信息（EMMs），由業務密鑰（SK）加密處理后的控制字在ECMs中傳送，其中還包括節目來源、時間、內容分類和節目價格等節目信息。對控制字加密的業務密鑰在授權管理中傳送，且業務密鑰在傳送前要經過用戶個人分配密鑰（PDK）的加密處理，EMMs中還包括地址和用戶授權信息，如用戶可以看的節目或時間段，用戶付的收視費等。用戶個人分配密鑰（PDK）存放在用戶的智能卡（Smart Card）中。在用戶端，機頂盒根據PMT和CAT表中的CAdescriptor，獲得EMM和ECM的PID值，然后，從TS流中過濾出ECMs和EMMs，并通過Smart Card接口送給Smart Card。Smart Card首先讀取用戶個人分配密鑰（PDK），用PDK對EMM解密，取出SK，然后利用SK對ECM進行解密，取出CW，并將CW通過Smart Card接口送給解擾引擎，解擾引擎利用CW就可以將擾的傳輸流進行解擾。加解擾技術分為同密和多密技術。
同密技術是將兩家或兩家以上的條件接收（CA）系統應用于同一網絡平臺之中，對有線電視臺來說是實現技術的選擇和一種競爭的環境。
多密技術要求機頂盒采用CI技術，實現同一機頂盒可接收不同CA系統加密節目。從用戶角度來講，不會因購買哪一家CA的機頂盒而受到限制，用戶還有選擇其CA服務的可能性。
2.3 復用與解復用技術
整個復用過程可以描述為2個不同層次的復用。
·節目層復用：視頻流、音頻流和資料流通過復用器復用成一個節目的傳送比特流。
·系統層復用：多個節目的傳送位流通過復用器復用成系統比特流。
通過這兩級復用所生成的都是標準的MPEG-2的TS碼流。
解復用單元由專用處理器構成，負責對MPEG-2的TS流和成包基本碼流（PES）進行解析，恢復音視頻解碼器所需的碼流，同時負責對傳輸錯誤進行標識。傳送系統使用了MPEG-2定義的固定長度為188個字節的傳輸流分組方式，這些分組是通過分組頭中的分組標識（PID）來識別視頻、音頻或數據信息。傳輸流中包含一個或多個節目，每個節目是由一個或多個復用在一起的基本碼流構成的。在單路節目傳送復用時，組成節目的傳送碼流的PID信息、碼流中傳輸的應用（如音頻、視頻等）標示符以及這些碼流之間的關系等，由節目映射表（PMT）來表示。包含PMT的碼流的PID號由在節目系統復用時定義的PID=0的系統級控制碼流所攜帶的節目關聯表（PAT）來給出。PMT和PAT都是屬于包含節目及系統信息的節目特定信息（PSI）的一部分。解復用器利用PID=0的節目關聯表（PAT）識別出攜帶所需節目映射表（PMT）的比特流的PID，然后從節目映射表（PMT）中獲得構成節目的基本碼流的PID號，通過設置解復用器中的過濾器，來接收所需節目的傳送碼流。音視頻基本碼流在傳送層中是以分組的基本流（PES）的形式傳送的，對所選節目進行PES解包后的壓縮音頻、視頻流數據交送音頻和視頻解碼單元處理。
2.4 MPEG-2視頻編碼
MPEG-2視頻編碼系統由一個大家族構成，每一個系統之間都有兼容性和共同性，根據圖像清晰度的不同，它分成四種信源格式或稱“等級”(Level)，從錄像帶(VCR)的低圖像清晰度，到高清晰度電視。除了根據圖像清晰度定義的“等級”以外，DVB視頻標準還定義了“檔次”(Profile)的概念，每一個不同的“檔次”能夠提供構成編碼系統的壓縮工具和壓縮算法。
2.4.1 “檔次”
目前在 MPEG-2系統中存在 5個“檔次”，每一個“檔次”都會比它的前一個“檔次”更加復雜，更加完善，提供更多的工具，同時其相對應的設備的價格也更高。
“檔次”的最初級叫做簡單檔次(Simple Profile)，隨后是主檔次(Main Profile)，它比簡單檔次增加了編碼雙向預測的功能，即：B-FRAMES。在使用同樣的碼流的情況下，它的質量會更好，但算法更加復雜，使用的芯片更多。主檔次的解碼芯片,可以兼容解碼簡單檔次的編碼，這種向下兼容性貫穿整個系列的“檔次”。
在主檔次之后,是信噪比可分級檔次(SNR Scalable)及空間頻譜可分級檔次(Space Scalable Profile)，這兩種“檔次”可以調整信噪比與碼流率關系，以及圖像清晰度與碼流率之間的關系，出于其編碼的復雜性以及接收設備價格昂貴等原因，DVB標準目前不支持這兩種“檔次”。最高級的“檔次”是HIGH PROFILE，它不僅兼容前面的低級“檔次”，兼備所有的功能，而且可以進行多行同時編碼。
2.4.2 “等級”
根據圖像節目源的清晰度由低到高的不同，DVB MPEG2標準分成許多“等級”，最低的 LOWLEVEL的清晰度是IU-R-BT、601建議的四分之一，即：352×288×25幀／秒。MAIN LEVEL是完全符合IU-R-BT、601建議的標準，即：720×576×25幀／秒。HIGH-1440 LEVEL采用了每行1440個采樣的方法。HIGH LEVEL采用了更高的每行1920個的采樣方法。
目前，世界上最常用的 MPEG-2標準是MP@ ML，即：MAIN PROFLE@ MAIN LEVEL,它是第一代數字有線電視和數字衛星電視的基礎，節目提供者可以提供625線質量的節目，圖像的長寬比可以是4:3或16:9。至于碼流率，它是由節目提供者根據節目質量來選定的，圖像質量越高，所需碼流率就越高，反之則越低。
3 硬件實現
目前市面上出售的機頂盒多數只具有將數字信號轉換為普通電視機能接收的模擬信號的單一功能。在個別城市的個別小區內開通了如視頻點播（VOD）等服務。由于我國的大部分有線電視用戶使用的網絡仍然是單向網絡，進行雙向改造的投入比較大，近期內還無法完成，因此，可以考慮采用Modem通過電話線進行上行數據的回傳。本文介紹了一個用ST公司的系列芯片來實現CATV機頂盒的方案，見圖2。
3.1 前端部分
前端部分的主要功能是將有線電視網絡傳送過來的高頻信號經調諧器降為中頻信號，經過濾波、放大后將信號送給QAM解調芯片，完成解調制工作。該方案采用MicroTune公司的MT2040 Silicon Tuner調諧器和ST公司的STV0297QAM解調芯片。
前端結構如圖3所示。MT2040 Silicon Tuner可以接收48MHz-860MHz的高頻信號，并將其轉換為用戶所需的中頻頻帶上。經過一個表面聲波濾波器（SAW Filter）和MT1230中頻放大器，將降頻后的中頻信號傳送給STV0297進行QAM解調。
STV0297片內集成有一個高性能的A/D轉換器，可以直接對輸入的中頻信號進A/D采樣。STV0297還為AGC提供兩路PWM輸出，一路提供給Tuner(AGC1),另一路提供給IF Amplifier(AGC2)用于對輸入信號進行AGC調節。A/D轉換后得到的數字信號經過奈奎斯特濾波器的處理，以達到0.13-0.15的傳輸滾降系數。信號通過奈奎斯特濾波器后的能量損失是由片內的數字AGC模塊來進行補償的。此外，STV0297還要完成載波恢復、均衡、解交織和FEC解碼等工作。載波恢復能消除殘留的載波頻率和相位的偏移。頻道均衡能適當地消除各種回聲和線性頻道失真。為了減輕脈沖噪聲，增加R-S FEC編碼的糾錯能力，在發送端R-S編碼后數據進行了交織，因此，在接收端R-S解碼前要進行解交織工作。STV0297中使用的是Forney型解交織器，其默認的解交織深度為12，單元深度為17。由于MPEG數據流頭信息對于正確接收信號非常重要，STV0297采用Reed-Solomon 糾錯碼來保證接收數字比特流的正確性。
3.2 后端部分
后端部分如圖4所示。QAM解調器完成信道解碼，從載波中分離出包含音、視頻和其它數據信息的傳輸流（TS）。傳輸流中一般包含多個音、視頻流和數據信息。解復用器用來區分不同的節目，提取相應的音頻流、視頻流和數據流。解復用模塊中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對加擾的數據進行解擾。其輸出是已解擾的PES。視頻PES流送入視頻解碼模塊，取出MPEG視頻數據，并對MPEG視頻數據進行解碼，輸出到PAL/NTSC編碼器，編碼成模擬信號經視頻輸出電路輸出。音頻PES流送入音頻解碼模塊，取出MPEG音頻數據，并對MPEG音頻數據進行解碼，輸出PCM音頻數據到PCM解碼器，PCM解碼器輸出立體聲模擬音頻信號，經音頻輸出電路輸出。對于付費電視，條件接收（CA）模塊對音、視頻流進行解擾，并采用含有識別用戶和進行記帳功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。
STI5518采用OS20實時嵌入式操作系統（RTOS）。其特點在于它不是非常的龐大，并可以根據用戶需求進行裁剪（scalable，通過C語言中的條件編譯來實現），但卻要求可以在實時的環境中工作，并能在較小的內存空間中運行。OS20為ST公司開發的支持實時處理的操作系統，其CPU為ST20C2+ 32位處理器，支持多任務、內核管理、進程調度和任務優先級等實時特性。
4 結束語
電視數字化是今后發展的趨勢，雖然在理論上已經很成熟了，但在具體的實現過程中由于受到諸如現有的有線電視網絡為單向網絡，不能進行上行數據的回傳等問題的限制，需要根據具體情況進行設計方法上的改變。本文中提到的使用Modem進行上行數據回傳的方法，可以利用現有的有線電視的傳輸網絡，而不需要進行大規模的線路改造，是目前比較經濟實用的一種方案。
參考文獻
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4 蘇志武等.廣播電視傳輸網絡技術與應用.北京:新華出版社,20015 南利平等.通信原理簡明教程.北京:清華大學出版社,2000
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作者：郭 皓 王瑞胡 楊 君 合作媒體：電子產品世界 編輯：顧北 |
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