数字有线电视机顶盒组成与分析

2021年3月1日发(作者：血脂)
课程设计说明书

第
I
页

数字有线电视机顶盒组成和分析

摘


要

近年来，电视数字化的进程明显加快，模拟信号 向数字信号过渡全面展开。
根据我国国情，数字电视机顶盒将成为模拟电视向数字电视过渡的桥梁，而有 线
数字电视机机顶盒中的主导产品。借助机顶盒，人们不仅可以用原有的模拟电视
收看数字电视 节目，还可以利用数字机顶盒交互功能获得电子节目指南、视频点
播、收发电子邮件、数据广播、远程教 育等增值服务。本次课程设计就是描叙数
字机顶盒的工作原理，以及数字机顶盒重要模块

，调制解调模块、解码模块、控
制模块和数字机顶盒硬件和软件模块。


关键词
：机顶盒，
CPU
，
CA
课程设计说明书

第
II
页

目


录

1
绪论
.................................. .................................................. .................................................. ...
1

1.1
课题描述

.
....... .................................................. .................................................. ...............
1

1.2
基本工作原理及框图

.
......................................... .................................................. ...........
1

2
数字机顶盒硬件设计
..... .................................................. .................................................. ....
2

2.1
调制解调模块

.
.... .................................................. .................................................. ..........
2

2.2
解码模块

.
.................................................. .................................................. ......................
4

2.3
控制模块

.
..................... .................................................. .................................................. .
5

3
数字机顶盒软件系统设计
............. .................................................. ......................................
8

3.1

系统组成
......................... .................................................. ...............................................
8

3.2

系统分析
............... .................................................. .................................................. .......
9

总



结
.. .................................................. .................................................. .............................. 11
致



谢
................................... .................................................. ...............................................
1
2
参考文献
.......................... .................................................. .................................................. ....
1
3
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第
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页

1
绪论

1.1
课题描述

机顶盒是一种数字信号接收装置，它能够接收模拟信号，也 能够接收数字式电视信
号，然后把数字信号还原成模拟信号输入给电视机，通过这种方式接收的电视节目 没有
雪花点，图像稳定、清晰。机顶盒中有
CPU
、内存、调制解调器、解码器、高频 头等硬
件及操作系统和应用程序等软件。机顶盒是一台具有计算和电视双重功能的信息家电，
通 过遥控器完成操作，
十分灵活、
方便，
任何人都可以轻松使用它，
机顶盒是终 端产品，
它需要与之相对应的前端播出系统提供节目信号。

1.2
基本工作原理及框图

有线电视数字机顶盒基本原理如图
1< br>所示，
调谐模块接收射频信号并下变频为中频
信号，
然后进行
A/D< br>转换变为数字信号，
入
QAM
解调模块进行
QAM
解调，输出
MPEG
传输流串行或并行数据。解复用模块接收
MPEG
传输流， 从中抽出一个节目的
PES
数
据，包括视频
PES
、音频
P ES
和
PES
。解复用模块中包含一个解扰引擎，可在传输流层
和
P ES
层对加扰的数据进行解扰，其输出是已解扰的
PES
。视频
PES
送入视频解码模
块，取出
MPEG
视频数据，并对
MEPG
视频数 据进行解码，然后输出到
PAL/NTSC
编
码器，编码成模拟电视信号，再经视频输 出电路输出。音频
PES
送入音频解码模块，取
出
MPEG
音频数据 ，并对
MPEG
音频数据进行解码，输出
PCM
音频数据到
PCM< br>解码
器，
PCM
解码器输出立体声模拟音频信号，经音频输出电路输出
[1]
。


图
1
有线电视数字机顶盒框图

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第
2
页

2
数字机顶盒硬件设计

2.1
调制解调模块

数字机顶盒工作在有线电视网络状态下，有线电视网采 用模拟传输，因此必须对数
字信号进行调制和解调才能在模拟信道传输，调制解调器是系统关键的组成部 分，在技
术上类似现在的电话调制解调器的原理，
但采用了更高的调制方法，
下行多采 用
64QAM
或
256QAM
，在
DVB-C(Digital Video Broadcast by Cable)
和
DA
VIC
中采 用
64QAM
做
为标准调制方法，以
Motorola
的
MC92305QAM
解调芯片为例，在
7M
模拟带宽上采用
64QAM
调制的数字信号速率可达
42Mbit/S
，上行目前采用 两种方式，一种是采用电
话线做为上行信道，另一种是采用双向
HFC
网的上行通道， 采用
HFC
网时采用
QPSK
做为调制方案。
QAM
或QPSK
调制器将
MPEG
格式的数据流调制在一个标准的
PAL
信
道内，与其他视频调制信号一起合路发送出去
[1]
。

（
1
）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。

（
2
）数字视频编码器和音频
DAC
数字机顶盒的
“外设
”
是电视机和音响系统，数字的音视频信号必须转换为模拟音视
频信号，以
Motorola
公司的
MC44724
为例，
MC4472 4
可以将
ITU601
、
656
标准
4:2:2
并
行视频数据转换为
PAL
或
NTSC
格式的视频、
S-V ideo
、
Y/Cb/Cr
或
R/G/B
，扩展的
VBI(Vertical
Blanking
Interval)
信息输入口用于显示图文信息。音频
DAC
非常普遍这里
不再介绍。
现代音响系统都支持
Dolby Pro Logic
和
Lucasfilm Home THX
家庭影院系统，
需在音 频
DAC
之前用数字音频信号处理芯片对数字音频信号进行处理，目前有专用处
理芯片 和采用数字信号处理芯片
DSP
进行处理两种方式
[2]
。

（
3
）电缆调制解调器

2 T/ u+
到目前为止，各种 研究机构对电缆调制解调器进行了广泛的研究，这些研究成果最
终形成了几个国际性组织定义的标准：< br>IEEE
定义的
IEEE802.14
协议、
DA
VIC定义的
DA
VIC
协议和
MCNS
定义的
DOCSIS
协议。在这些协议中，
MCNS
标准的目的最为简
单和明确，就是在有线网络 上透明地传输
IP
数据包，因此该协议对
IP
的支持最好；
DAVIC
的目的主要是给用户提供交互式的数字视音频服务，同时也兼顾提供数据传输，
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第
3
页

该协议对数字视频的支持是最好的；
IEEE80 2.14
的目的是建立一个基于
HFC
的城域网，
并使该网络能支持各种业务 ，包括固定比特率
CBR
、可变比特率
VBR
以及有效比特率
ABR
服务，该目的使得它对
ATM
有很好的支持。不同的目的使得各个标准间存在很大的差异，这些差异主要体现在各个标准定义的物理层、
MAC
层的帧格式和
MAC
协议。

IEEE802.14
对
ATM
信元有很好地支持 ，并能通过
ATM
信元很好地支持
OoS
。在传输
ATM
信 元方面，该协议与
MCNS
相比有较小的延迟和延迟抖动。但在支持
IP
方面 ，由
于必须通过
AAL5
来支持，因而在传输
IP
分组的吞吐量方面 比
MCNS
标准低，这一点
对
DA
VIC
标准同样适用。< br>
在对数字视频业务的支持上，
DA
VIC
由于对数字电视广播的兼容 和具有带外信道的
优势，
在数字机顶盒的标准中有重要影响。
事实上，
北美的
OpenCable
标准就是将
MCNS
与
DA
VIC有机地结合的产物，
而欧洲的
EuroBox
和
EuroModem实际上就是采用
DA
VIC
标准。而最早开始制定的
IEEE802.1 4
协议，已渐渐地被市场抛弃。

在
MAC
层，
MCNS< br>标准的上行信道访问方式和碰撞解析算法比
IEEE802.14
和
DA
VIC
都简单，使得用户端设备比较简单，再加上对
IP
有最好的支持，使
MCNS
标准
在目前的市场上最为看好。
但也正是因为其简单，
在采用
MCNS
的
CableModem
进行话
音和视频业务时还有一些缺陷，具 体地说，在使用
MCNS
标准的
CableModem
支持
IP电话和可视电话方面，还需要增加支持
Qos
的机制。但随着
DOCSIS1.1
的发布，该标
准已逐步完善起来。

（
4
）
QAM
调制器

QAM
调制器的原 理是发送数据在比特
/
符号编码器（也就是串
–
并转换器）内
被分成 两路，各为原来两路信号的
1/2
，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和
后输出。 接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引
起的失真，判决器识别复数信号并 映射回原来的二进制信号。作为调制信号的输
入二进制数据流经过串
–
并变换后变成四 路并行数据流。这四路数据两两结合，分
别进入两个电平转换器，转换成两路
4
电平数 据
[2]
。如图
2
所示
QAM
调制器结构
图。
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页


图
2 QAM
调制器结构图


2.2
解码模块

（
1
）编解码模块

由于采用模拟通道，为保证数据传输的可靠性和 低误码率，前向纠错编码是必不可
少的，
DVB
采用
Reed Solom on
编码，
RS
码是一类纠错能力很强的多进制
BCH
码
[ 3]

（
2
）
MPEG II
的解码模块

数字机顶盒的核心是数字视频技术，
MPEGII
的解码模块可以称为
CPU
以外的核心
模块，
MPEG II
数字传输中采用交织编码，首先需要对码流进行去 交织，视频、音频和
数据码流的分离工作，以及视频码的解码工作。经以上各步骤
MPEGII
码流成为视频
(CCIR656
格式
)
和音频数字信号。
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)
[3]
。

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
V CD
，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@HL
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
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5
页

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。

（
3
）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< br>、
VSB
解调功能
[4]
。

（
4
）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
M PEG
－
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
[4]
。


2.3
控制模块

（
1
）图形控制模块

和视频图形混合器数字机顶盒另一方面需要提 供类似计算机的复杂图形甚至是三
维图形，需要系统具有强大的二维和三维图形加速芯片，而且需要将图 形和视频信号能
进行混合叠加显示，此类功能类似现有的字幕机
[4]
。

（
2
）媒体访问控制模块
MAC
数字机顶盒在网络通信上可以看成是
Cable
Modem
，
IP
路由器接收用户端通过
PSTN(
公用 电话网
)
传来的点播信号并传送到
Internet
服务器
/
路由器。目前主要参照
DA
VIC
和
IEEE 802.14 标准，
IEEE802.14
倡导采用
ATM
并在
802.14 MAC
访问层上定
义了
ATM
层，
DA
VIC
同时 定义了以太网和
ATM
标准。

现有数字机顶盒完全工作在网络环境，
仅能利用智能卡进行一些类似个人帐号、

解
码号等

信息的储存，不具备本地大数据存储功能，所有信息需要从网上获 得，无论现
在网络状况还是今后，像
CD- ROM
此类介质仍是大容量信息传递的一种主要方式，
CD-ROM
的缺点是信息无法 更新。采用可擦写
DVD
不仅可以使用光盘上的巨大信息，
更有效的是通过
I nternet
网进行数据更新，使
DVD
盘上数据保持最新状态，
DVD< br>应成