數字機頂盒的設計與研究摘 要數 字 電 視 如 今 成 為 全 世 界 廣 播 電 視 行 業 的 熱 點 ，而 高 清 數字 電 視 是 目 前 世 界 上 數 字 電 視 的 最 高 分 辨 模 式 ，通 過 高 清 數 字 電視 機 頂 盒 便 能 夠 接 收 到 高 清 的 數 字 電 視 信 號 ，享 受 到 高 清 晰 度 的畫 面 效 果 。本論文針對高清數字電視機頂盒的發展現狀，介紹了有線數字電視機頂盒的工作原理和軟硬件結構，數字電視機頂盒 NIM（調制器+Tuner）的測試指標、原理和方法和機頂盒的關鍵技術，以及設計一個能提供模擬和數字電視信號輸入端口，并實現數字高清信號輸出的數字機頂盒。通過這個機頂盒,模擬電視信號和數字電視信號以及其它一些消費電子產品如 DVD 機，游戲機的輸出信號，都可以真正數字化的輸出到用戶的數字電視機上，完全滿足用戶對高清畫面的需求。這在當前數字電視快速普及的市場中，無疑將獲得巨大的商機。系統采用 ST(意法半導體）公司的 STi5514+STi7020高清數字電視信源解碼器解決方案，STi5514是一個高集成度的單片標清機頂盒信源解碼器芯片，同時具有強大的控制功能，可以配合 STi7020實現 高清晰度音視頻解碼。它集成了一個高性能的32位 CPU、三個專用的 DVB 傳輸流解復用和解擾模塊、一個 MPEG MPML 視頻解碼 模塊，一個多標準音頻解碼模塊、一個數字視頻編碼器。另外，它內置了 ATAPI 接口，可以和硬盤驅動器無縫連接，實現錄放像和時移播放等功能。它還集成了多種外設，如 SSC，ASC,紅外等，可以實現條件接收，軟件升級，遙控接收等功能。本論文完成的任務是設計與實現系統中信源解碼器和高頻頭模塊功能，并詳細介紹了各部分的硬件構成和實現方法。關鍵詞：高清數字電視機頂盒；STi5514+STi7020方案；信源解碼器；機頂盒關鍵技術ABSTRACTDigital TV now became the hotspot,radio and television industry and high definition digital TV is digital TV in the worlds highest resolution model,through high-definition digital TV set-top box can receive high-definition digital TV signal,enjoy the high definition picture.This paper in view of the development status quo of high-definition digital TV set-top boxes,digital cable TV set-top box is introduced the working principle and structure of software and hardware,and digital TV set-top box NIM(modulator+Tuner)test indicators,principle and methods and the key technology of set-top box,and design a can provide analog and digital TV signal input port,and realize the digital high definition signal output of the digital set-top boxes.Through the set-top boxes,digital TV and analog TV signals and other consumer electronic products such as DVD player,game console output signal,can be truly digital output to the users digital TV,fully meet user demand for high-resolution images.It spread rapidly in the current digital TV market,undoubtedly will be huge business opportunities.System adopts ST(stmicroelectronics)company STi5514+STi7020 high definition digital television source decoder,STi5514 is a high level of integration of monolithic sd set-top box source decoder chip,and has strong control function,can cooperate STi7020 realize high-definition audio and video decoding.It integrates a high performance 32 bit CPU,three of the DVB transport stream multiplexing settlement one module,a MPEG MPML video decoding module,more than a standard audio decoding module,a digital video encoder.In addition,it has built-in ATAPI interface,can the seamless connection and hard disk drives,realize the playback as and when the broadcast,etc.It also integrates a variety of peripherals,such as SSC,ASC,infrared,etc.,can implement conditional access,software upgrade,remote control receiver,and other functions.Task this paper is to design and implementation of system has the function of citic source decoder and a high frequency head module,and introduces in detail the hardware and realization method of each part.Key words:high definition digital TV set-top boxes;STi5514+STi7020 scheme;The source decoder;Set-top box key technology第一章緒論數字電視系統一般可分為普通清晰度（PDTV)、標準淸晰度電視(SDTV)和高清晰度電視(HDTV)。高淸晰度數字電視由于能提供更淸晰的圖像、更逼真的聲音、更大的屏幕，以及數字化傳輸方式所特有的高效數據傳輸率，可以在有限的傳輸頻帶內傳送較多的電視節目，正成為數字化視聽技術發展的一個新方向。然而，由于模擬電視在我國家庭中的普遍存在，數字電視不可能很快完全取代傳統的模擬電視，機頂盒(Set-Top Box,STB)正是傳統模擬電視 向數字電視過渡的最好解決方案。1.1課題背景及意義隨著全球廣播電視數字化的快速發展，我國在數字廣播電視的發展上也作出了相應的規劃，其中提出我國將在 2015年停止模擬電視播出。到目前為止，我國已有部分地區實現了廣播電視的數字化。那么，數字電視如何接收呢?其實，數字電視的接收并不一定要數字電視接收機，由于數字電視的傳輸仍保留了現有模擬電視的是視頻格式，因此在用戶端，用戶只需要加裝一臺數字電視機頂盒，并不需要對家里電視線路和電視機做任何的改動，用戶便可以使現有電視機接收數字電視節目了。我國數字電視產業仍處于起步階段，我國的國情決定了我國的電視系統的數字化不可能一步到位，只能是有選擇，分段進行的，從數字電視的發展趨勢來看，我國數字電視發展將經歷三個階段; 機頂盒，標準清晰度數字電視 SDTV 和高清清晰度數字電視 HDTV，這三者將在一個很長的時期內并存。隨著高清數字電視機的普及和數字電視信號的開播，越來越多的家庭購買了高清數字電視機。從目前我國的實際情況來看，市場上還沒有出現真正的商用化數字電視一體式接收機。也就是內置了機頂盒的電視機。目前我們要收看到數字節目，就必須利用機頂盒把數字廣播信號轉化為電視機能夠識別的模擬信號(如 AV 端子輸入)。但是對于目前大多數的機頂盒而言，只能輸出模擬信號，無法實現高清化，同時電視機的優點也被削弱。因此，發展和研究高清數字機頂盒成為了高清技術和高清市場的發展帶來的必然結果。1.2 機頂盒國內外研究的現狀1.2.1 國外發展現狀數字電視機頂盒，是一種將數字電視信號轉換成模擬信號的變換設備，它對經過數字化壓縮的圖像和聲音信號進行解碼還原，產生模擬的視頻和聲音信號，通過電視顯示器和音響設備給觀眾提供高質量的電視節目。自從 1994 年開播衛星數字電視，到 1998 年底開播地面數字電視廣播，數字電視實現了全面啟動。到 1999 年底，全球約有 2500 萬臺衛星數字電視機頂盒，700 萬臺有線網數字機頂盒和 40 萬臺地面數字電視機頂盒和接收機，主要分布于歐洲、美國和日本。由于客觀情況、標準、制式等不同，各國的數字電視發展狀況也不盡相同，其中美國、歐洲、日本的數字電視發展比較迅速，已經逐步實施數字電視的普及，對我國的數字電視發展模式、技術標準的選擇有一定的指導和借鑒意義。美國是世界上最早發展數字電視的國家，不僅在技術領域完成了數字電視三大標準的制訂工作，而且率先實現了商用播出。到 2003 年其地面數字電視的覆蓋率己達 94%。歐洲數字電視的衛星廣播于 1996 年開播，目前用戶已超過 500萬，并己擴展至東歐。整個歐洲采用以 DVB 為框架的數字電視標準，發展的側重點放在標準清晰度數字電視(SDTV)。日本也于 2006 年實現地面數字電視全國覆蓋，主要是高清晰度數字電視(HDTV) 節目。荷蘭己于 2006 年 12 月 11 日正式停播模擬電視信號的播出,這是全世界首個完全實現數字電視信號播出的國家，此后，還將有一些北歐國家和比利時在近兩年陸續停播模擬電視信號。美國和日本將分別在 2009 年和 2011 年停播模擬電視信號，我國計劃將在 2015 年全面停播模擬電視。1.2.2 國內發展現狀我國一直非常關注數字電視技術的發展，從上個世紀的80 年代開始跟蹤國技術發展動態，90 年代完成數字電視關鍵技術的理論儲備。我國對數字電視的研究從 20 世紀 80 年代末就已經開始了，在“八五” 期間，國 務院組織成立國家高清晰度電視研究開發協調領導小組，國家科委組織成立了HDTV 發 展戰專家組，組織實施了“ 八五 ”國家重點科技攻關項目“ 高清晰度 電視 技術研究和計算機模 擬” 。1995 年，經國家高清晰度電視研究開發協調領導小組批準，成立了國家高清晰度電視（HDTV) 研究小組。1996 年 7 月，由總體組負責，組織實施了“ 九五” 國家重大科技 產業工程 項目“高清晰度電視功能樣機系統研究與開發工程”。經總 體組和全國多所大學、研究所及企業的共同努力，于 1998 年 6 月，成功地研制出了我國第一臺數字高清晰度電視功能樣機系統。1998 年 9月，利用該功能樣機系統在北京中央電視臺進行了演示，取得了很好的效果。在 1999 年 10 月 1 日，中華人民共和國建國 50 周年之際，對天安門廣場的國慶大典進行了現場直播，獲得了成功。目前我國中央電視臺和眾多省市、地方電視臺都己實現了電視節目的數字衛星傳輸，電視臺的傳送和接收設備正在逐步實現數字化。國家廣電總局在十五規劃和 2010年遠景規劃中提出2:我國將在衛星和有線電視中采用國際通用的 DVB 標準，在 2003 年完成具有我國自主知識產權的地面數字電視廣播標準制定工作，并在 2005 年全面推廣地面數字電視廣播。清華大學地面數字廣播系統方案（DVB-T)和上海交通大研制的（ADVB-T) 標準都己確立通過。與美國、歐洲等西方發達國家不同的是，我國城市人口居住相對集中，90%以上的人是通過有線電視收看電視節目的，城市居民物質生活水平較高，這為發展數字電視創造了條件。同時，有線數字電視傳輸、條件接收系統等標準已經頒實施，為有線數字電視試驗提供了良好的技術標準支持。另外，全長 37000 多公里的國家廣播電視光纜干線網的開通，為全國有線數字電視開展創造了網絡條件。政府規定，2015年將全面實現數字化，完成模擬向數字的過渡，逐步停止模擬電視的播出。1.3 課題的研究內容本課題基于現在機頂盒市場的現狀，采取 ST 公司的STi5514+STi7020 高清數字電視信源解碼器方案，開發一種高清晰的交互式機頂盒,實現接收高清晰的數字電視信號,然后經過解調、解復用、解碼后輸出模擬信號給模擬電視機，并且達到分辨率 1000 線以上的高清晰顯示效果。論文共分為五章：章 1 章為緒論，主要介紹了課題研究的背景、意義、國內外發展現狀和課題的研究內容等。章 2 章闡述了整個數字電視機頂盒的系統構成,包括硬件架構和軟件體系層次，并介紹了機頂盒能夠實現的各項功能。章 3 章主要闡述機頂盒的關鍵技術。章 4 章主要研究數字電視機頂盒 NIM（網絡接口）的測試指標、原理和方法。章 5 章主要介紹了目前流行的幾款高淸數字電視機頂盒的解決方案，并比較它們的優勢和劣勢，綜合考慮所需功能、可擴展性、性價比等因素，選擇了基于 ST 公司的STi5514+STi7020 的解決方案。章 6 章主要進行信源解碼模塊的設計。章 7 章主要進行高頻頭模塊的設計，介紹了數字電視調諧器的原理和芯片構成。章 2 章 數字電視機頂盒的原理及構成2.1 機頂盒的工作原理圖 2-1-1 有線數字電視原理框圖圖 2-2-1 是有線數字電視機頂盒原理框圖，機頂盒由高頻頭、信道解調器、信源解復用器、MPEG-2 解碼器、視頻編碼器、音頻 D/A、嵌入式 CPU 系統和外圍接口、條件接收模塊等組成。具有交互功能的機頂盒則需回傳通道。高頻頭接收來自有線網的高頻信號，通過 QAM 解調器完成信道解碼，從載波中分離出包含音、視頻和其它數據信高頻頭QAM解調TS 流解復用MPEG_2 解碼器SDRAM音頻輸出PAL/NTS 編碼FlashDRAM前面板I2C 智能卡 RS232E2PROM 條件接受智能卡接口 RS232 接口CPU 主處理器視頻輸出息的傳送流(TS)。傳送流中一般包含多個音、視頻流及一些數據信息。解復用器則用來區分不同的節目，提取相應的音、視頻流和數據流，送入 MPEG-2 解碼器和相應的解析軟件，完成數字信息的還原。對于付費電視，條件接收模塊對音、視頻流實施解擾，并采用含有識別用戶和進行記賬功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。MPEG-2 解碼器完成音、視頻信號的解壓縮，經視頻編碼器和音頻 D/A 變換，還原出模擬音、視頻信號，在常規彩色電視機上顯示高質量圖像，并提供多聲道立體聲節目。2.2 機頂盒的硬件系統構成機頂盒的基本功能是接收數字電視節目、處理數據業務和完成各種應用的解析，主要由調諧器(高頻頭）、信道解調器、信源解復用器、MPEG-2 解碼器、音頻 D/A、嵌入式 CPU和外圍接口、條件接收模塊等組成。基本結構如圖 2-2-1 所示。圖 2-2-1 機頂盒硬件系統構成信道解碼：數字電視機頂盒中的信道解碼電路相當于模擬電視機中的高頻頭和中頻放大器。在數字電視機頂盒中，高頻頭是必須的，不過調諧范圍包含衛星頻道、地面電視接收頻道、有線電視增補頻道。根據 DTV 目前已有的調制方式，信道解碼應包括 QPSK、QAM、OFDM、VSB 解調功能。信源解碼：模擬信號數字化后，信息量激增，必須采用相應的數據壓縮標準。數字電視廣播采用 MPEG2 視頻壓縮標準，適用多種清晰度圖像質量。音頻目前則有 AC3 和MPEG2 兩種標準。信源解碼器必須適應不同編碼策略，正確還原原始音、視頻數據。嵌入式 CPU：嵌入式 CPU 是數字電視機頂盒的心臟，當數據完成信道解碼以后，首先要解復用，把傳輸流分成視頻、音頻，使視頻、音頻和數據分離開，在數字電視機頂盒專用的 CPU 中集成了 32 個以上可編程 PID 濾波器，其中兩個用于視頻和音頻濾波，其余的用于 PSI、SI 和 Private 數據濾波。CPU 是嵌入式操作系統的運行平臺，它要和操作系統一起完成網絡管理，顯示管理、有條件接收管理（IC 卡和 Smart 卡）、圖文電視解碼、數據解碼、OSD、視頻信號的上下變換等功能。為了達到這些功能，必