數字機頂盒關(guān)鍵技術(shù)及交互應用在以數字化、網(wǎng)絡(luò )化和信息化為基本特征的21世紀，電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)和有線(xiàn)電視網(wǎng)三網(wǎng)融合的進(jìn)程必將不斷加快，而這種融合的具體體現正是交互式電視（ITV ，Interactive Television）。
交互式電視是一種受用戶(hù)控制的視頻分配業(yè)務(wù)，在節目間和節目?jì)扔^(guān)眾能夠作出選擇。它采用一種不對稱(chēng)的雙向傳輸網(wǎng)絡(luò )，用戶(hù)信息通過(guò)窄帶的上行信道傳到信息中心，而由信息中心到用戶(hù)的下行信道則是具有視頻傳輸能力的寬帶信道。因而是一種非對稱(chēng)雙工形式的新型電視廣播技術(shù)。正是現代通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和數據壓縮編碼技術(shù)的進(jìn)步，為傳統的模擬、單向有線(xiàn)電視，向數字化、交互式方向發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎。
數字機頂盒（STB，Set-Top-Box）是交互式電視系統中不可缺少的重要組成部分，它是普通電視與寬帶傳輸之間的橋梁，通過(guò)它用戶(hù)可在普通電視上收看高清晰度圖像以及進(jìn)行視頻點(diǎn)播（VOD，Video On Demand）、家庭購物等服務(wù)。因此，設計性能卓越、功能完備的數字機頂盒對發(fā)展交互式電視具有重大意義。
2 數字機頂盒結構組成及實(shí)現功能
模擬電視向數字電視轉化的進(jìn)程不斷加快，這不僅僅是視頻傳輸和顯示的一場(chǎng)變革，更重要的是由于采用了先進(jìn)的數字壓縮技術(shù)、多媒體技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，從而使電視廣播不再限于單向發(fā)送音頻視頻信號，而是需要服務(wù)提供商能夠根據用戶(hù)的選擇來(lái)提供相應的服務(wù)。模擬機頂盒只具備電視調諧和解碼功能已不能滿(mǎn)足要求，新型的數字機頂盒因此應運而生。
數字機頂盒是一種將數字電視信號轉換成模擬信號的變換設備，通過(guò)對數字化壓縮的圖像聲音信號進(jìn)行解碼還原，產(chǎn)生模擬視頻和聲音信號，以提供給觀(guān)眾高質(zhì)量的電視節目。數字化、交互式、多媒體、多功能是數字機頂盒的基本特征，其中交互式是數字機頂盒的生命力所在。因為只有交互才能使用戶(hù)的要求得以實(shí)現，而在未來(lái)有線(xiàn)電視和多媒體寬帶網(wǎng)中最有應用前景的也正是交互式電視。
2.1 數字機頂盒結構組成
數字機頂盒由四大子系統組成，即控制子系統、信號處理子系統、網(wǎng)絡(luò )接口子系統、用戶(hù)擴展接口子系統。
· 控制子系統：控制系統或系統微處理器是數字機頂盒的核心，它由 CPU、 ROM、 RAM組成。微處理器通過(guò)總線(xiàn)把各部分和諧地組織起來(lái)，除負責各子系統的初始化之外，還必須控制各部分的協(xié)調工作，共同實(shí)現數字機頂盒的整體功能。
· 信號處理子系統：由單片或多片專(zhuān)用芯片組成。其中，數字調諧器接收來(lái)自天線(xiàn)、地面或有線(xiàn)電視網(wǎng)來(lái)的數字信號，并且從控制系統接收指令，通告有關(guān)傳輸層的類(lèi)型、帶寬、解調方式和解碼信息。然后進(jìn)行信道解調，解調后的視頻數據流和音頻數據流送至 MPEG-2解碼器和MPEG-4解碼器。
· 網(wǎng)絡(luò )接口子系統：用來(lái)實(shí)現與視頻服務(wù)器的全雙工通信，針對不同的接入網(wǎng)，采用相應的接口。
· 用戶(hù)接口及擴展接口子系統：與紅外遙控器、面板、游戲控制器等外設進(jìn)行通信，另外，隨著(zhù)付費電視的逐漸實(shí)行，解密卡和智能卡將成為數字機頂盒中必不可少的部分。
事實(shí)上，一個(gè)完整的數字機頂盒由硬件平臺和軟件系統組成。底層軟件提供操作系統內核以及各種硬件驅動(dòng)程序；中間件將應用軟件與依賴(lài)于硬件平臺的底層軟件分隔開(kāi)，使應用不依賴(lài)于具體的硬件平臺；應用軟件包括本機存儲的應用和可下載的應用程序，通過(guò)應用程序來(lái)實(shí)現機頂盒的各種功能。
2.2 數字機頂盒實(shí)現功能
數字機頂盒的基本功能是接收和解碼數字電視廣播。
此外，圍繞數字機頂盒的數字視頻、數字信息與交互式應用三大核心功能開(kāi)發(fā)了多種增值業(yè)務(wù)，包括： · 電子節目指南EPG(Electronic Program Guide)：它為用戶(hù)提供一種容易使用、界面友好、快速訪(fǎng)問(wèn)所需節目的方式，用戶(hù)可以通過(guò)EPG看到一個(gè)或多個(gè)頻道甚至所有頻道上近期將播放的電視節目。
· 高速數據廣播：它能為用戶(hù)提供股市行情、票務(wù)信息、電子報紙、熱門(mén)網(wǎng)站等各種信息。
· 軟件在線(xiàn)升級：是數據廣播的應用之一，數據廣播服務(wù)器按DVB（Digital Video Broadcasting）數據廣播標準將升級軟件廣播下來(lái)，數字機頂盒能識別該軟件的版本號，在版本不同時(shí)接收該軟件以對保存在存儲器中的軟件進(jìn)行更新。
· 因特網(wǎng)接入和電子郵件：數字機頂盒可通過(guò)內置的電纜調制解調器方便地實(shí)現因特網(wǎng)接入功能，并通過(guò)機頂盒內置的瀏覽器上網(wǎng)，發(fā)送電子郵件，也可提供各種接口與PC相連。
· 有條件接收：其核心是加擾和加密。數字機頂盒應具有解擾解密功能，這是交互式電視收費運營(yíng)機制的保證，通過(guò)建立一種有償服務(wù)體系，為交互式電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定良性循環(huán)的經(jīng)濟基礎。
3 數字機頂盒關(guān)鍵技術(shù)
數字機頂盒集中反映了多媒體、計算機、數據壓縮編碼、加解擾算法、加解密算法、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展水平，因此技術(shù)含量非常高，其關(guān)鍵技術(shù)主要有：
· 復用和解壓縮技術(shù)：模擬信號數字化后，信息量劇增，數據壓縮必不可少。MPEG-2( ISO/IEC 13818)視頻壓縮標準在交互式電視中廣泛采用，適用于多種清晰度圖像質(zhì)量；MPEG-4(ISO/IEC 14496)則采用基于對象的壓縮編碼方法，它把圖像和視頻分割成不同的對象分別處理，不僅提高了數據壓縮比,還能實(shí)現許多基于內容的交互功能，為多媒體數據壓縮編碼提供了更為廣闊的平臺。
隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)及嵌入式系統技術(shù)的廣泛應用，數字機頂盒硬件實(shí)現多采用專(zhuān)用芯片或數字信號處理（DSP，Digital Signal Processing）芯片，將CPU 內核與MPEG-2 、MPEG-4傳輸流解復用器、DVB通用解擾器、MPEG音頻視頻解碼器和NTSC/PAL編碼器集成，形成STB 的核心芯片，以實(shí)現實(shí)時(shí)解復用和實(shí)時(shí)數據信息處理。
· 下行數據解調與信道解碼技術(shù)：壓縮后的數據不能直接在信道上傳輸，還需進(jìn)行信道編碼和調制。國際、國內標準均規定，在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中傳輸數字電視及增值業(yè)務(wù)采用QAM(Quadrature Amplitude Modulation)調制方式及RS(Reed Solomon)糾錯編碼。
· 上行數據的調制編碼：在交互式應用中，需要考慮上行數據的調制編碼問(wèn)題，目前普遍采用3種方式，即采用電話(huà)線(xiàn)傳送上行數據，采用以太網(wǎng)傳送上行數據和通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送上行數據。由于上行數據相對于下行數據要少很多，故多使用 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)或 16QAM方式進(jìn)行調制。
· 網(wǎng)絡(luò )瀏覽技術(shù)：為實(shí)現真正意義上的網(wǎng)絡(luò )瀏覽，有線(xiàn)電視網(wǎng)與因特網(wǎng)連接除了考慮上行和下行數據之外，還必須考慮在其上運行IP（Internet Protocol）。
· 實(shí)時(shí)操作系統：數字機頂盒中的操作系統采用實(shí)時(shí)操作系統（RTOS，Real-Time Operating Sys- tem)，如目前流行的VxWorks、Windows CE等。RTOS可在實(shí)時(shí)環(huán)境中工作，并占用較小的內存空間,它負責管理本地資源和網(wǎng)絡(luò )資源，提供基本的操作功能以及設備的訪(fǎng)問(wèn)控制。
· 中間件技術(shù)：中間件（Middleware）技術(shù)，即開(kāi)放式業(yè)務(wù)平臺，已成為交互式電視的核心技術(shù)。中間件通常由Java虛擬機、網(wǎng)絡(luò )瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成，通過(guò)定義一組完整的標準應用程序接口，使應用程序獨立于操作系統和硬件平臺，使應用程序的開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)捷，產(chǎn)品的開(kāi)放性和可移植性更強，以保證機頂盒的擴展性和投資的有效回收。
4 MPEG-4在數字機頂盒中的交互應用
4.1 MPEG-4在交互式應用中的優(yōu)勢
作為一種新型的視頻壓縮標準，MPEG-4正開(kāi)始應用在多媒體存取和交互式電視技術(shù)中，它通過(guò)定義一種格式、一種框架，而不是具體算法，以實(shí)現一種更自由的通信與開(kāi)發(fā)環(huán)境。
MPEG-4具有以下重要特性，非常適于交互式多媒體應用。
· MPEG-4支持將不同性質(zhì)的對象和不同來(lái)源的素材用于不同應用，既考慮了各類(lèi)Web性能差異性，又允許多媒體信息以通用的形式接入，是第一個(gè)使用戶(hù)視聽(tīng)方式由被動(dòng)轉為主動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖像標準；
· MPEG-4在較低的數據碼率下，仍具有很高的視頻圖像質(zhì)量，它提供了比 MPEG-1和MPEG-2更強的編碼算法，能實(shí)現極低碼率下的多媒體交互應用中音頻視頻數據的綜合。
4.2 MPEG-4在數字STB中的交互應用
在交互式電視應用中，數字化數據可以伴隨數字音頻視頻信號同時(shí)傳送給用戶(hù)，從而能夠在交互式環(huán)境里享受視聽(tīng)。因此開(kāi)發(fā)數字機頂盒時(shí)，除應具備MPEG-2的音頻視頻功能外，還應具有以下功能：
· 多媒體碼流控制；
· 輸出控制；
· 用戶(hù)界面控制；
· 繪圖合成與控制；
· 限制訪(fǎng)問(wèn)管理；
· 電子節目指南顯示和控制；
· 檔次管理；
· 資源管理。
這些功能適于用MPEG
-4來(lái)實(shí)現，這正是考慮了MPEG-4可在保證系統特定質(zhì)量的前提下，對音頻、視頻數據進(jìn)行最大程度的壓縮，以便最有效地利用系統帶寬，并支持Web的多媒體交互應用，故可利用MPEG-4來(lái)開(kāi)發(fā)這種新型數字機頂盒。
5 結束語(yǔ)
交互式電視是未來(lái)有線(xiàn)電視的發(fā)展方向，在多媒體寬帶網(wǎng)建設和國家信息基礎設施中占有舉足輕重的地位。當前我國正處在數字電視與高清晰度電視發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，交互式電視產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，因此大力發(fā)展數字機頂盒尤為重要。
數字機頂盒不僅是寬帶綜合信息網(wǎng)的重要組成之一，更重要的是與之相關(guān)的多媒體技術(shù)、數據壓縮技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將是未來(lái)構建信息高速公路的關(guān)鍵技術(shù)。交互式電視正是以上述技術(shù)為基礎，并相輔相成，為應用上述技術(shù)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品提供契機，這必將對推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，加快我國數字化、網(wǎng)絡(luò )化和信息化進(jìn)程具有特別重要的意義。
