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数字电视接收机顶盒浅析
2003-04-07 西部广播电视
原作者： 徐俭(江苏省扬州市广播电视局，江苏省扬州市225009)
摘要：文章叙述了数字电视接收机顶盒的基本原理、组成及其功能、目前的关键技术。
关键词：数字电视机顶盒接收机
数字电视接收机顶盒(STB)是指以模拟电视机为显 示终端的信息接收和处理设备。它能使用户终端模拟电视机从被动接收模拟电视转为交互式
接收数字电视和数据广播，并能接入Internet，使用户享受数字电视、数据广播和Internet 接入等全方位的信息服务。
1 数字电视接收机顶盒结构
数字电视接收机顶盒包括硬件和软件两部分。它可以分为4层，从底向上分别为：硬件、底 层软件、中间件（Middleware）、应用软件。硬件提供数字电视接收机顶盒的硬件平台。底
层软件提供实时操作系统（RTOS）以及各种硬件驱动程序。RTOS在实时的环境中工作，用于 本地资源和网络资源的管理，提供基本的操作功能和设备的访问控制。在启动机数字电视接
收机顶盒时 ，RTOS由引导程序通过网络从前端的中心控制系统下载。中间件是指数字电视接收机顶 盒内部实时操作系统与应用软件中间的软件部分，它通常由各种虚拟机构成。中间件将应用
软 件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用软件不依赖于具体的硬件平台。中间件定义了 一组标准而完整的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从而将各种应用
开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。应用软件独立于硬件平台，用于执行 服务商提供的各种服务功能，如电子节目指南（EPG）、准视频点播（NVOD)、视频点播(VO
D）、高速数据广播、Internet接入、IP电话、可视电话和条件接收等。
2 数字电视接收机顶盒硬件组成
数字电视接收机顶盒硬件由高频调谐器、QAM信道解调器、信源数据传输流（TS）解复 用器、MPEG-2解码器、视频编码器、音频PCM解码器、嵌入式CPU、存储器模块和接口电路、
电缆调制解调（CM）模块、条件接收模块等组成。高频调谐器用于接收来自有线电视网络的 射频 信号，通过QAM信道解调器完成信道解码，从载波中解调出包含视音频和其他数据信息的MPE
G-2传输流(TS)。传输流中一般包含多个视音频流及一些数据信息。传输流解复用器用于区 分不同的节目，提取相应的视音频流和数据流，其输出为MPEG-2视音频基本流（ES）以及数
据净荷。MPEG-2解码器和相应的解析软件用于数字信息的还原。对于付费电视，条件 接收模块还对视音频流实施解扰，并采用含有识别用户和记账功能的智能卡（Smart
Ca rd），以保证合法用户正常收看。MPEG-2解码器用于视音频信号的解压缩。经视频编码器和音频PCM解码器变换，还原出模拟视音频信号，在模拟电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声音频节目。电缆调制解调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器（MAC）组成，它具有电缆调制解调器的所有功能。嵌入式CPU 与存储器模块用于存储和运行软件系统，并对各个硬件模块进行控制。接口电路提供了丰富
的外部接口，包括通用串行接口USB、高速串行接口1394、以太网接口、RS232、RS485、IDE 硬盘接口、视音频接口等。
3 数字电视接收机顶盒功能
数字电视接收机顶盒用于接收MPEG-2数字电视传输流（TS）和各种数据信息，通过解调、解 复用、解码和视音频编码，使用户在模拟电视机上能观看数字电视节目和各种数据信息。目
前，数字 电视接收机顶盒不仅具有接收MPEG-2数字电视节目的最基本功能，同时具有交互式多媒体 应用功
能，包括：电子节目指南、准视频点播、视频点播、软件在线升级、高速数据广播接收、实 时股市行情接收、Internet网页信息浏览、电子邮件、IP电话、可视电话、交互游戏、远程
购物等。还可实现条件接收功能，如按时间段预订付费收视、按次付费收视（PPV） 、预订按次付费收视（OPPV）、即兴选定节目按次付费收视（IPPV）等。随着数字电视技术
、多媒体技术和网络技术的发展，数字电视接收机顶盒功能将逐步完善：单片PC技 术 的发展，将促使数字电视接收机顶盒在物理上将各部分硬件高度集成，形成STB
核心芯片， 从而减小体积、降低成本、提高性能；外部接口将更加丰富，通过USB接口可以和数码相机 等进行连接，通过IDE接口可以挂接硬盘实现节目存储等；交互式机顶盒将发展成为数
字电视接收机顶盒的主流，用户在普通模拟电视机上不仅能收看数字电视，又能实现 娱乐和上网。
4 数字电视接收机顶盒基本原理
各类信源在进入有线电视网络前在前端经过了两级编码：第一级是信源数字化编码，并将所 有信源封装成多节目传输流（MPTS）；第二级是传输用的信道编码。与前端相对应，数字电
视接 收机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调，接着还原被压缩的数字电视信源 编码信号，恢复原始视音频数据流，同时完成数据业务和交互式多媒体应用的接收和解析。
下面以接收数字电视节目为例，分析数字电视接收机顶盒的基本原理。
数字电视接收机顶盒的高频调谐器接收射频信号并变换为中频信号，然后进行A/D转换，成 为 数字信号，再送入QAM信道解调器进行QAM解调，输出MPEG-2多节目传输流（MPTS）数据，送
到解复用器从MPEG-2 MPTS传输流数据中抽出一个节目的已打包视音频基本流 （P ES）数据，包括视频PES、音频PES和辅助数据PES。解复用器中包含一个解扰引擎，可在传
输流层（TS层）和PES层对加扰的数据进行解扰，输出已解扰的视音频PES。视 频PES送入视频解码器，取出MPEG-2视频数据，解码后输出到模
拟P AL/NTSC编码器，编码成模拟视频信号，经视频输出电路输出。音频PES送入音频解码器， 取出MPEG-2音频数据，解码后输出PCM音频数据，送到PCM解码器，输出模拟立体声音
频信号，经音频输出电路输出。
5数字电视接收机顶盒关键技术
51 信道解调技术
在有线电视网络中传输数字电视及各类增值业务采用的是QAM信道调制技术，如64-QAM。相 应地，数字电视接收机顶盒对信道解调采用的是QAM信道解调技术。
52 信源解码技术
数字电视广播采用MPEG-2视频压缩标准，信源解码器必须适应不同编码，正确还原原 始视音频数据。
53 大规模集成芯片技术
为实现实时的解复用和数据信息处理，数字电视接收机顶盒大多采用专用芯片，将嵌入 式CPU 与MPEG-2传输流解复用器、DVB-C通用解扰器、MPEG-2视音频解码器、NTSC/PAL编码
器等硬件进行集成，形成STB 核心芯片，甚至还可集成电缆调制解调模块，以完成电缆调制 解调器的所有功能。
54 上行数据的调制编码
为开展交互式应用，上行数据的调制编码目前普遍采用三种方式，即电话线、以太网卡和有 线电视网络传送。
55 条件接收（CA）技术
CA用于数字电视广播系统的用户认证、授权和节目加扰，以便从用户处收取 费用和阻止用户收看那些未经授权的付费频道。CA的基本原理是对数字电视
节目进行加解扰和加解密处理，采用加扰控制字加密传输的方法，用户端利用IC卡解密。具 体地讲，就是将复用后的TS传输流与一个加扰伪随机序列进行模2相加，这个伪随机加扰序
列的生成由控制字发生器提供的控制字（CW）确定。CA的核心实际上是CW传输的控制。在MP EG-2传输流中，与CW传输相关的数据流为授权控制信息（ECM）和授权管理信息（EMM）。EM
M中包括地址、用户授权信息等。由业务密钥（SK）加密处理后的CW在ECM数据流中传送，对 CW加密的SK在EMM数据流中传送，并且SK在传送前要经过用户个人分配密钥（PDK）的加密处
理。PDK存放在用户的智能卡（Smart Card）中。用户端数字电视接收机顶盒为了再 生出解扰伪随机序列，必须获取相关的条件接收信息。STB从接收到的TS传输流中过滤出ECM
和EMM数据流后，通过Smart Card接口送到Smart Card。Smart Card首先读取PDK，利用PDK
对EMM解密，取出SK，再利用SK对ECM解密，取出CW，并将CW通过Smart Card接口送到解扰引
擎，解扰引擎利用CW即可将已加扰的TS传输流进行解扰。
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