| 1 引言 電視機頂盒（Set Top Box,STB）是模擬廣播電視向數字廣播電視過(guò)渡的最好解決方案。 有線(xiàn)電視（CATV）網(wǎng)絡(luò )具有覆蓋范圍廣，頻帶資源豐富，建設成本低的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)支持傳統的模擬業(yè)務(wù)、新型的數字點(diǎn)播（VOD）和數據信息服務(wù)。我國目前還沒(méi)有制定CATV數字電視廣播標準，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(xiàn)電視機頂盒系統的設計原理及其解決方案。 2 設計原理及關(guān)鍵技術(shù) 有線(xiàn)電視機頂盒應該具備的主要功能有：接收數字廣播信號（包括CATV上的音頻、視頻和資料信號）和視頻點(diǎn)播。 數字數據流經(jīng)過(guò)機頂盒各芯片完成解調、解復用、譯碼功能。其原理框圖如圖1所示。 
2.1 數據的調制與解調技術(shù) 目前國際上數字高清晰度電視傳輸系統中采用的調制技術(shù)主要有：四相移相鍵控（QPSK）、多電平正交幅度調制（MQAM）、多電平殘留邊帶調制（MVSB）和正交頻分復用調制（OFDM）。在有線(xiàn)電視中主要采用MQAM調制方式。QAM調制是一種節省頻帶的數字調幅方法（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調制方法在2400bit/s以上的中、高速調制中常被采用，廣泛應用于有線(xiàn)電視的下行傳輸及HDTV的地面廣播傳輸中。 2.2 加解擾技術(shù) 加解擾技術(shù)用于對數字節目進(jìn)行加密解密，其基本原理是采用加擾控制字加密傳輸的方法，用戶(hù)端利用IC卡解密。在MPEG傳輸流中，與控制字傳輸相關(guān)的有兩個(gè)數據流：授權控制信息（ECMs）和授權管理信息（EMMs），由業(yè)務(wù)密鑰（SK）加密處理后的控制字在ECMs中傳送，其中還包括節目來(lái)源、時(shí)間、內容分類(lèi)和節目?jì)r(jià)格等節目信息。對控制字加密的業(yè)務(wù)密鑰在授權管理中傳送，且業(yè)務(wù)密鑰在傳送前要經(jīng)過(guò)用戶(hù)個(gè)人分配密鑰（PDK）的加密處理，EMMs中還包括地址和用戶(hù)授權信息，如用戶(hù)可以看的節目或時(shí)間段，用戶(hù)付的收視費等。用戶(hù)個(gè)人分配密鑰（PDK）存放在用戶(hù)的智能卡（Smart Card）中。在用戶(hù)端，機頂盒根據PMT和CAT表中的CAdescriptor，獲得EMM和ECM的PID值，然后，從TS流中過(guò)濾出ECMs和EMMs，并通過(guò)Smart Card接口送給Smart Card。Smart Card首先讀取用戶(hù)個(gè)人分配密鑰（PDK），用PDK對EMM解密，取出SK，然后利用SK對ECM進(jìn)行解密，取出CW，并將CW通過(guò)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(jìn)行解擾。加解擾技術(shù)分為同密和多密技術(shù)。 同密技術(shù)是將兩家或兩家以上的條件接收（CA）系統應用于同一網(wǎng)絡(luò )平臺之中，對有線(xiàn)電視臺來(lái)說(shuō)是實(shí)現技術(shù)的選擇和一種競爭的環(huán)境。 多密技術(shù)要求機頂盒采用CI技術(shù)，實(shí)現同一機頂盒可接收不同CA系統加密節目。從用戶(hù)角度來(lái)講，不會(huì )因購買(mǎi)哪一家CA的機頂盒而受到限制，用戶(hù)還有選擇其CA服務(wù)的可能性。 2.3 復用與解復用技術(shù) 整個(gè)復用過(guò)程可以描述為2個(gè)不同層次的復用。 ·節目層復用：視頻流、音頻流和資料流通過(guò)復用器復用成一個(gè)節目的傳送比特流。 ·系統層復用：多個(gè)節目的傳送位流通過(guò)復用器復用成系統比特流。 通過(guò)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(zhuān)用處理器構成，負責對MPEG-2的TS流和成包基本碼流（PES）進(jìn)行解析，恢復音視頻解碼器所需的碼流，同時(shí)負責對傳輸錯誤進(jìn)行標識。傳送系統使用了MPEG-2定義的固定長(cháng)度為188個(gè)字節的傳輸流分組方式，這些分組是通過(guò)分組頭中的分組標識（PID）來(lái)識別視頻、音頻或數據信息。傳輸流中包含一個(gè)或多個(gè)節目，每個(gè)節目是由一個(gè)或多個(gè)復用在一起的基本碼流構成的。在單路節目傳送復用時(shí)，組成節目的傳送碼流的PID信息、碼流中傳輸的應用（如音頻、視頻等）標示符以及這些碼流之間的關(guān)系等，由節目映射表（PMT）來(lái)表示。包含PMT的碼流的PID號由在節目系統復用時(shí)定義的PID=0的系統級控制碼流所攜帶的節目關(guān)聯(lián)表（PAT）來(lái)給出。PMT和PAT都是屬于包含節目及系統信息的節目特定信息（PSI）的一部分。解復用器利用PID=0的節目關(guān)聯(lián)表（PAT）識別出攜帶所需節目映射表（PMT）的比特流的PID，然后從節目映射表（PMT）中獲得構成節目的基本碼流的PID號，通過(guò)設置解復用器中的過(guò)濾器，來(lái)接收所需節目的傳送碼流。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，對所選節目進(jìn)行PES解包后的壓縮音頻、視頻流數據交送音頻和視頻解碼單元處理。 2.4 MPEG-2視頻編碼 MPEG-2視頻編碼系統由一個(gè)大家族構成，每一個(gè)系統之間都有兼容性和共同性，根據圖像清晰度的不同，它分成四種信源格式或稱(chēng)“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(gè)不同的“檔次”能夠提供構成編碼系統的壓縮工具和壓縮算法。 2.4.1 “檔次” 目前在 MPEG-2系統中存在 5個(gè)“檔次”，每一個(gè)“檔次”都會(huì )比它的前一個(gè)“檔次”更加復雜，更加完善，提供更多的工具，同時(shí)其相對應的設備的價(jià)格也更高。 “檔次”的最初級叫做簡(jiǎn)單檔次(Simple Profile)，隨后是主檔次(Main Profile)，它比簡(jiǎn)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(huì )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(jiǎn)單檔次的編碼，這種向下兼容性貫穿整個(gè)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”可以調整信噪比與碼流率關(guān)系，以及圖像清晰度與碼流率之間的關(guān)系，出于其編碼的復雜性以及接收設備價(jià)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”，兼備所有的功能，而且可以進(jìn)行多行同時(shí)編碼。 2.4.2 “等級” 根據圖像節目源的清晰度由低到高的不同，DVB MPEG2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(gè)采樣的方法。HIGH LEVEL采用了更高的每行1920個(gè)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,它是第一代數字有線(xiàn)電視和數字衛星電視的基礎，節目提供者可以提供625線(xiàn)質(zhì)量的節目，圖像的長(cháng)寬比可以是4:3或16:9。至于碼流率，它是由節目提供者根據節目質(zhì)量來(lái)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(shí)現 目前市面上出售的機頂盒多數只具有將數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(gè)別城市的個(gè)別小區內開(kāi)通了如視頻點(diǎn)播（VOD）等服務(wù)。由于我國的大部分有線(xiàn)電視用戶(hù)使用的網(wǎng)絡(luò )仍然是單向網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行雙向改造的投入比較大，近期內還無(wú)法完成，因此，可以考慮采用Modem通過(guò)電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行上行數據的回傳。本文介紹了一個(gè)用ST公司的系列芯片來(lái)實(shí)現CATV機頂盒的方案，見(jiàn)圖2。 
 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(hù)所需的中頻頻帶上。經(jīng)過(guò)一個(gè)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(jìn)行QAM解調。 STV0297片內集成有一個(gè)高性能的A/D轉換器，可以直接對輸入的中頻信號進(jìn)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(jìn)行AGC調節。A/D轉換后得到的數字信號經(jīng)過(guò)奈奎斯特濾波器的處理，以達到0.13-0.15的傳輸滾降系數。信號通過(guò)奈奎斯特濾波器后的能量損失是由片內的數字AGC模塊來(lái)進(jìn)行補償的。此外，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。頻道均衡能適當地消除各種回聲和線(xiàn)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編碼后數據進(jìn)行了交織，因此，在接收端R-S解碼前要進(jìn)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數據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(lái)保證接收數字比特流的正確性。 3.2 后端部分 后端部分如圖4所示。QAM解調器完成信道解碼，從載波中分離出包含音、視頻和其它數據信息的傳輸流（TS）。傳輸流中一般包含多個(gè)音、視頻流和數據信息。解復用器用來(lái)區分不同的節目，提取相應的音頻流、視頻流和數據流。解復用模塊中包含一個(gè)解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對加擾的數據進(jìn)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視頻數據，并對MPEG視頻數據進(jìn)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音頻數據，并對MPEG音頻數據進(jìn)行解碼，輸出PCM音頻數據到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(jìn)行解擾，并采用含有識別用戶(hù)和進(jìn)行記帳功能的智能卡，保證合法用戶(hù)正常收看。
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