CATV機頂盒設計的原理與實現(xiàn)

1 引言?
??? 電視機頂盒（Set Top Box,STB）是模擬廣播電視向數(shù)字廣播電視過渡的最好解決方案。將數(shù)字機頂盒與普通的模擬電視結合起來，就可以實現(xiàn)數(shù)字電視的功能。數(shù)字機頂盒可以把來自衛(wèi)星、地面或有線的數(shù)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(lián)網(wǎng)瀏覽等功能。目前具有實用開發(fā)價值的機頂盒可分為數(shù)字衛(wèi)星接收（DVB-S）機頂盒和數(shù)字有線電視（DVB-C）機頂盒兩種。
??? 有線電視（CATV）網(wǎng)絡具有覆蓋范圍廣，頻帶資源豐富，建設成本低的優(yōu)點，可以同時支持傳統(tǒng)的模擬業(yè)務、新型的數(shù)字點播（VOD）和數(shù)據(jù)信息服務。我國目前還沒有制定CATV數(shù)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(tǒng)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(shù)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(shù)字數(shù)據(jù)流經(jīng)過機頂盒各芯片完成解調(diào)、解復用、譯碼功能。其原理框圖如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)技術?
??? 目前國際上數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術主要有：四相移相鍵控（QPSK）、多電平正交幅度調(diào)制（MQAM）、多電平殘留邊帶調(diào)制（MVSB）和正交頻分復用調(diào)制（OFDM）。在有線電視中主要采用MQAM調(diào)制方式。QAM調(diào)制是一種節(jié)省頻帶的數(shù)字調(diào)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(diào)制方法在2400bit/s以上的中、高速調(diào)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(shù)字節(jié)目進行加密解密，其基本原理是采用加擾控制字加密傳輸?shù)姆椒?，用戶端利?a target="_blank">IC卡解密。在MPEG傳輸流中，與控制字傳輸相關的有兩個數(shù)據(jù)流：授權控制信息（ECMs）和授權管理信息（EMMs），由業(yè)務密鑰（SK）加密處理后的控制字在ECMs中傳送，其中還包括節(jié)目來源、時間、內(nèi)容分類和節(jié)目價格等節(jié)目信息。對控制字加密的業(yè)務密鑰在授權管理中傳送，且業(yè)務密鑰在傳送前要經(jīng)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(jié)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(jù)PMT和CAT表中的CA?descriptor，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(tǒng)應用于同一網(wǎng)絡平臺之中，對有線電視臺來說是實現(xiàn)技術的選擇和一種競爭的環(huán)境。
??? 多密技術要求機頂盒采用CI技術，實現(xiàn)同一機頂盒可接收不同CA系統(tǒng)加密節(jié)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(jié)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(jié)目的傳送比特流。?
??? ·系統(tǒng)層復用：多個節(jié)目的傳送位流通過復用器復用成系統(tǒng)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(tǒng)使用了MPEG-2定義的固定長度為188個字節(jié)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(shù)據(jù)信息。傳輸流中包含一個或多個節(jié)目，每個節(jié)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(jié)目傳送復用時，組成節(jié)目的傳送碼流的PID信息、碼流中傳輸?shù)膽茫ㄈ缫纛l、視頻等）標示符以及這些碼流之間的關系等，由節(jié)目映射表（PMT）來表示。包含PMT的碼流的PID號由在節(jié)目系統(tǒng)復用時定義的PID=0的系統(tǒng)級控制碼流所攜帶的節(jié)目關聯(lián)表（PAT）來給出。PMT和PAT都是屬于包含節(jié)目及系統(tǒng)信息的節(jié)目特定信息（PSI）的一部分。解復用器利用PID=0的節(jié)目關聯(lián)表（PAT）識別出攜帶所需節(jié)目映射表（PMT）的比特流的PID，然后從節(jié)目映射表（PMT）中獲得構成節(jié)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(jié)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(jié)目進行PES解包后的壓縮音頻、視頻流數(shù)據(jù)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(tǒng)由一個大家族構成，每一個系統(tǒng)之間都有兼容性和共同性，根據(jù)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(jù)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(tǒng)的壓縮工具和壓縮算法。
2.4.1 “檔次”
??? 目前在 MPEG-2系統(tǒng)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(zhì)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(diào)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?zhèn)渌械墓δ?，而且可以進行多行同時編碼。
2.4.2 “等級”?
??? 根據(jù)圖像節(jié)目源的清晰度由低到高的不同，DVB MPEG?2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(shù)字有線電視和數(shù)字衛(wèi)星電視的基礎，節(jié)目提供者可以提供625線質(zhì)量的節(jié)目，圖像的長寬比可以是4:3或16:9。至于碼流率，它是由節(jié)目提供者根據(jù)節(jié)目質(zhì)量來選定的，圖像質(zhì)量越高，所需碼流率就越高，反之則越低。
3 硬件實現(xiàn)
??? 目前市面上出售的機頂盒多數(shù)只具有將數(shù)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(qū)內(nèi)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(wǎng)絡仍然是單向網(wǎng)絡，進行雙向改造的投入比較大，近期內(nèi)還無法完成，因此，可以考慮采用Modem通過電話線進行上行數(shù)據(jù)的回傳。本文介紹了一個用ST公司的系列芯片來實現(xiàn)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(wǎng)絡傳送過來的高頻信號經(jīng)調(diào)諧器降為中頻信號，經(jīng)過濾波、放大后將信號送給QAM解調(diào)芯片，完成解調(diào)制工作。該方案采用MicroTune公司的MT2040 Silicon Tuner調(diào)諧器和ST公司的STV0297QAM解調(diào)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(jīng)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(diào)。
??? STV0297片內(nèi)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行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(diào)節(jié)。A/D轉換后得到的數(shù)字信號經(jīng)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(shù)。信號通過奈奎斯特濾波器后的能量損失是由片內(nèi)的數(shù)字AGC模塊來進行補償?shù)摹４送?，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?shù)叵鞣N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(fā)送端R-S編碼后數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(diào)器完成信道解碼，從載波中分離出包含音、視頻和其它數(shù)據(jù)信息的傳輸流（TS）。傳輸流中一般包含多個音、視頻流和數(shù)據(jù)信息。解復用器用來區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應的音頻流、視頻流和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并對MPEG視頻數(shù)據(jù)進行解碼，輸出到PAL/NTSC編碼器，編碼成模擬信號經(jīng)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(shù)據(jù)，并對MPEG音頻數(shù)據(jù)進行解碼，輸出PCM音頻數(shù)據(jù)到PCM解碼器，PCM解碼器輸出立體聲模擬音頻信號，經(jīng)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(tǒng)（RTOS）。其特點在于它不是非常的龐大，并可以根據(jù)用戶需求進行裁剪（scalable，通過C語言中的條件編譯來實現(xiàn)），但卻要求可以在實時的環(huán)境中工作，并能在較小的內(nèi)存空間中運行。OS20為ST公司開發(fā)的支持實時處理的操作系統(tǒng)，其CPU為ST20C2+ 32位處理器，支持多任務、內(nèi)核管理、進程調(diào)度和任務優(yōu)先級等實時特性。
4 結束語
??? 電視數(shù)字化是今后發(fā)展的趨勢，雖然在理論上已經(jīng)很成熟了，但在具體的實現(xiàn)過程中由于受到諸如現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡為單向網(wǎng)絡，不能進行上行數(shù)據(jù)的回傳等問題的限制，需要根據(jù)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(shù)據(jù)回傳的方法，可以利用現(xiàn)有的有線電視的傳輸網(wǎng)絡，而不需要進行大規(guī)模的線路改造，是目前比較經(jīng)濟實用的一種方案。

參考文獻

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