CATV机顶盒设计的原理与实现()

CATV机顶盒设计的原理与实现
［ 来源：电子工程师    作者：郭 皓 王瑞胡 杨 君    点击数：61    更新时间：2006-9-27 ］
1 引言
电视机顶盒（Set Top Box,STB）是模拟广播电视向数字广播电视过渡的最好解决方案。将数字机顶盒与普通的模拟电视结合起来，就可以实现数字电视的功能。数字机顶盒可以把来自卫星、地面或有线的数字电视信号转换成模拟电视机能够接收的PAL/NTSC信号，亦可支持视频点播、互联网浏览等功能。目前具有实用开发价值的机顶盒可分为数字卫星接收（DVB-S）机顶盒和数字有线电视（DVB-C）机顶盒两种。
有线电视（CATV）网络具有覆盖范围广，频带资源丰富，建设成本低的优点，可以同时支持传统的模拟业务、新型的数字点播（VOD）和数据信息服务。我国目前还没有制定CATV数字电视广播标准，而是采用欧洲的DVB-C标准。本文介绍了采用DVB-C标准的有线电视机顶盒系统的设计原理及其解决方案。
2 设计原理及关键技术
有线电视机顶盒应该具备的主要功能有：接收数字广播信号（包括CATV上的音频、视频和资料信号）和视频点播。
数字数据流经过机顶盒各芯片完成解调、解复用、译码功能。其原理框图如图1所示。
2.1 数据的调制与解调技术
    目前国际上数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术主要有：四相移相键控（QPSK）、多电平正交幅度调制（MQAM）、多电平残留边带调制（MVSB）和正交频分复用调制（OFDM）。在有线电视中主要采用MQAM调制方式。QAM调制是一种节省频带的数字调幅方法（16QAM的频谱利用率为4(bit/s)/Hz,64QAM的频谱利用率为6(bit/s)/Hz），有较高的信噪比。QAM调制方法在2400bit/s以上的中、高速调制中常被采用，广泛应用于有线电视的下行传输及HDTV的地面广播传输中。
2.2 加解扰技术
    加解扰技术用于对数字节目进行加密解密，其基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法，用户端利用IC卡解密。在MPEG传输流中，与控制字传输相关的有两个数据流：授权控制信息（ECMs）和授权管理信息（EMMs），由业务密钥（SK）加密处理后的控制字在ECMs中传送，其中还包括节目来源、时间、内容分类和节目价格等节目信息。对控制字加密的业务密钥在授权管理中传送，且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥（PDK）的加密处理，EMMs中还包括地址和用户授权信息，如用户可以看的节目或时间段，用户付的收视费等。用户个人分配密钥（PDK）存放在用户的智能卡（Smart Card）中。在用户端，机顶盒根据PMT和CAT表中的CAdescriptor，获得EMM和ECM的PID值，然后，从TS流中过滤出ECMs和EMMs，并通过Smart Card接口送给Smart Card。Smart Card首先读取用户个人分配密钥（PDK），用PDK对EMM解密，取出SK，然后利用SK对ECM进行解密，取出CW，并将CW通过Smart Card接口送给解扰引擎，解扰引擎利用CW就可以将扰的传输流进行解扰。加解扰技术分为同密和多密技术。
同密技术是将两家或两家以上的条件接收（CA）系统应用于同一网络平台之中，对有线电视台来说是实现技术的选择和一种竞争的环境。
多密技术要求机顶盒采用CI技术，实现同一机顶盒可接收不同CA系统加密节目。从用户角度来讲，不会因购买哪一家CA的机顶盒而受到限制，用户还有选择其CA服务的可能性。
2.3 复用与解复用技术
整个复用过程可以描述为2个不同层次的复用。
·节目层复用：视频流、音频流和资料流通过复用器复用成一个节目的传送比特流。
·系统层复用：多个节目的传送位流通过复用器复用成系统比特流。
通过这两级复用所生成的都是标准的MPEG-2的TS码流。
    解复用单元由专用处理器构成，负责对MPEG-2的TS流和成包基本码流（PES）进行解析，恢复音视频解码器所需的码流，同时负责对传输错误进行标识。传送系统使用了MPEG-2定义的固定长度为188个字节的传输流分组方式，这些分组是通过分组头中的分组标识（PID）来识别视频、音频或数据信息。传输流中包含一个或多个节目，每个节目是由一个或多个复用在一起的基本码流构成的。在单路节目传送复用时，组成节目的传送码流的PID信息、码流中传输的应用（如音频、视频等）标示符以及这些码流之间的关系等，由节目映射表（PMT）来表示。包含PMT的码流的PID号由在节目系统复用时定义的PID=0的系统级控制码流所携带的节目关联表（PAT）来给出。PMT和PAT都是属于包含节目及系统信息的节目特定信息（PSI）的一部分。解复用器利用PID=0的节目关联表（PAT）识别出携带所需节目映射表（PMT）的比特流的PID，然后从节目映射表（PMT）中获得构成节目的基本码流的PID号，通过设置解复用器中的过滤器，来接收所需节目的传送码流。音视频基本码流在传送层中是以分组的基本流（PES）的形式传送的，对所选节目进行PES解包后的压缩音频、视频流数据交送音频和视频解码单元处理。
2.4 MPEG-2视频编码
MPEG-2视频编码系统由一个大家族构成，每一个系统之间都有兼容性和共同性，根据图像清晰度的不同，它分成四种信源格式或称“等级”(Level)，从录像带(VCR)的低图像清晰度，到高清晰度电视。除了根据图像清晰度定义的“等级”以外，DVB视频标准还定义了“档次”(Profile)的概念，每一个不同的“档次”能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。
2.4.1 “档次”
目前在 MPEG-2系统中存在 5个“档次”，每一个“档次”都会比它的前一个“档次”更加复杂，更加完善，提供更多的工具，同时其相对应的设备的价格也更高。
“档次”的最初级叫做简单档次(Simple Profile)，随后是主档次(Main Profile)，它比简单档次增加了编码双向预测的功能，即：B-FRAMES。在使用同样的码流的情况下，它的质量会更好，但算法更加复杂，使用的芯片更多。主档次的解码芯片,可以兼容解码简单档次的编码，这种向下兼容性贯穿整个系列的“档次”。
在主档次之后,是信噪比可分级档次(SNR Scalable)及空间频谱可分级档次(Space Scalable Profile)，这两种“档次”可以调整信噪比与码流率关系，以及图像清晰度与码流率之间的关系，出于其编码的复杂性以及接收设备价格昂贵等原因，DVB标准目前不支持这两种“档次”。最高级的“档次”是HIGH PROFILE，它不仅兼容前面的低级“档次”，兼备所有的功能，而且可以进行多行同时编码。
2.4.2 “等级”
    根据图像节目源的清晰度由低到高的不同，DVB MPEG2标准分成许多“等级”，最低的 LOWLEVEL的清晰度是IU-R-BT、601建议的四分之一，即：352×288×25帧／秒。MAIN LEVEL是完全符合IU-R-BT、601建议的标准，即：720×576×25帧／秒。HIGH-1440 LEVEL采用了每行1440个采样的方法。HIGH LEVEL采用了更高的每行1920个的采样方法。
    目前，世界上最常用的 MPEG-2标准是MP@ ML，即：MAIN PROFLE@ MAIN LEVEL,它是第一代数字有线电视和数字卫星电视的基础，节目提供者可以提供625线质量的节目，图像的长宽比可以是4:3或16:9。至于码流率，它是由节目提供者根据节目质量来选定的，图像质量越高，所需码流率就越高，反之则越低。
3 硬件实现
    目前市面上出售的机顶盒多数只具有将数字信号转换为普通电视机能接收的模拟信号的单一功能。在个别城市的个别小区内开通了如视频点播（VOD）等服务。由于我国的大部分有线电视用户使用的网络仍然是单向网络，进行双向改造的投入比较大，近期内还无法完成，因此，可以考虑采用Modem通过电话线进行上行数据的回传。本文介绍了一个用ST公司的系列芯片来实现CATV机顶盒的方案，见图2。
3.1 前端部分
    前端部分的主要功能是将有线电视网络传送过来的高频信号经调谐器降为中频信号，经过滤波、放大后将信号送给QAM解调芯片，完成解调制工作。该方案采用MicroTune公司的MT2040 Silicon Tuner调谐器和ST公司的STV0297QAM解调芯片。
    前端结构如图3所示。MT2040 Silicon Tuner可以接收48MHz-860MHz的高频信号，并将其转换为用户所需的中频频带上。经过一个表面声波滤波器（SAW Filter）和MT1230中频放大器，将降频后的中频信号传送给STV0297进行QAM解调。

STV0297片内集成有一个高性能的A/D转换器，可以直接对输入的中频信号进A/D采样。STV0297还为AGC提供两路PWM输出，一路提供给Tuner(AGC1),另一路提供给IF Amplifier(AGC2)用于对输入信号进行AGC调节。A/D转换后得到的数字信号经过奈奎斯特滤波器的处理，以达到0.13-0.15的传输滚降系数。信号通过奈奎斯特滤波器后的能量损失是由片内的数字AGC模块来进行补偿的。此外，STV0297还要完成载波恢复、均衡、解交织和FEC解码等工作。载波恢复能消除残留的载波频率和相位的偏移。频道均衡能适当地消除各种回声和线性频道失真。为了减轻脉冲噪声，增加R-S FEC编码的纠错能力，在发送端R-S编码后数据进行了交织，因此，在接收端R-S解码前要进行解交织工作。STV0297中使用的是Forney型解交织器，其默认的解交织深度为12，单元深度为17。由于MPEG数据流头信息对于正确接收信号非常重要，STV0297采用Reed-Solomon 纠错码来保证接收数字比特流的正确性。
3.2 后端部分
    后端部分如图4所示。QAM解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音、视频和其它数据信息的传输流（TS）。传输流中一般包含多个音、视频流和数据信息。解复用器用来区分不同的节目，提取相应的音频流、视频流和数据流。解复用模块中包含一个解扰引擎，可在传输流层和PES层对加扰的数据进行解扰。其输出是已解扰的PES。视频PES流送入视频解码模块，取出MPEG视频数据，并对MPEG视频数据进行解码，输出到PAL/NTSC编码器，编码成模拟信号经视频输出电路输出。音频PES流送入音频解码模块，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。对于付费电视，条件接收（CA）模块对音、视频流进行解扰，并采用含有识别用户和进行记帐功能的智能卡，保证合法用户正常收看。   
    STI5518采用OS20实时嵌入式操作系统（RTOS）。其特点在于它不是非常的庞大，并可以根据用户需求进行裁剪（scalable，通过C语言中的条件编译来实现），但却要求可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。OS20为ST公司开发的支持实时处理的操作系统，其CPU为ST20C2+ 32位处理器，支持多任务、内核管理、进程调度和任务优先级等实时特性。
4 结束语
    电视数字化是今后发展的趋势，虽然在理论上已经很成熟了，但在具体的实现过程中由于受到诸如现有的有线电视网络为单向网络，不能进行上行数据的回传等问题的限制，需要根据具体情况进行设计方法上的改变。本文中提到的使用Modem进行上行数据回传的方法，可以利用现有的有线电视的传输网络，而不需要进行大规模的线路改造，是目前比较经济实用的一种方案。
参考文献
1 Jeery W.数字电视原理与应用. 邱绪环，等译.北京:电子工业出版社,2000
2 王田苗.基于ARM微处理器与μC/OSⅡ实时操作系统.北京:清华大学出版社,2002
3 余兆明等.数字电视设备及测量.北京:人民邮电出版社,2000
4 苏志武等.广播电视传输网络技术与应用.北京:新华出版社,20015 南利平等.通信原理简明教程.北京:清华大学出版社,2000