数字机顶盒STB
上一篇 / 下一篇 2007-07-14 11:08:16 / 天气: 晴朗 / 心情: 高兴
机顶盒（STB）简介：
机顶盒是一种能提供模拟音频和视频接口，使现在的模拟电视机能正常接收节目；同时，还能提供数字电视、数字广播接口，提供交互式功能的接口装置。它一头接有线电视网的同轴电缆，一头接用户家里的电视机。专门为不打算买电脑和用电脑的广大用户设计。S-A(Scientific-Atlanta) 在94年为Time Warner Cable 在奥兰多的Full Service Network(FSN)设计了第一个数字机顶盒(Digital Set-Top Box) ，采用SGI的MIPS芯片和软件技术的数字机顶盒将计算机技术带入家电领域。机顶盒除了能提供数字电视、数字广播接口，提供交互式功能，包括电话接口、计算机数据接口，甚至提供摄像机与游戏机接口等。能接收 和存储用户发出的某些指令，并拥有一个中央处理单元，控制机上变换器各部分的工作，能够进行繁重的 数值计算，并对数字视频/音频信号进行解压缩输出和压缩输入。机顶盒实际上就是多功能的计算机。这里对数字机顶盒的硬件结构进行介绍，可以让大家对数字机顶盒硬件结构有总体的了解和认识。
数字机顶盒包含几个重要模块：
调制解调模块
数字机顶盒工作在有线电视网络状态下，有线电视网采用模拟传输，因此必须对数字信号进行调制和解调才能在模拟信道传输，调制解调器是系统关键的组成部分，在技术上类似现在的电话调制解调器的原理，但采用了更高的调制方法，下行多采用64QAM或256QAM，在DVB-C(Digital Video Broadcast by Cable) 和DAVIC中采用64QAM做为标准调制方法，以Motorola 的MC92305QAM 解调芯片为例，在7M模拟带宽上采用64QAM调制的数字信号速率可达42Mbit/S，上行目前采用两种方式，一种是采用电话线做为上行信道，另一种是采用双向HFC网的上行通道，采用HFC网时采用QPSK做为调制方案。QAM或QPSK调制器将MPEG格式的数据流调制在一个标准的PAL信道内，与其他视频调制信号一起合路发送出去。
编解码模块
由于采用模拟通道，为保证数据传输的可靠性和低误码率，前向纠错编码是必不可少的，DVB 采用Reed Solomon编码，RS码是一类纠错能力很强的多进制BCH码。
MPEG II的解码模块
数字机顶盒的核心是数字视频技术，MPEGII的解码模块可以称为CPU以外的核心模块，MPEG II数字传输中采用交织编码，首先需要对码流进行去交织，视频、音频和数据码流的分离工作，以及视频码的解码工作。经以上各步骤MPEGII码流成为视频(CCIR656 格式)和音频数字信号。MPEG多路复用器将各路节目流、数据流复合在一起，以188字节为一帧的MPEG2数据格式发送到射频调制器并提供电子节目单(EPG)。
数字视频编码器和音频DAC
数字机顶盒的“外设”是电视机和音响系统，数字的音视频信号必须转换为模拟音视频信号，以Motorola公司的MC44724为例，MC44724可以将ITU601、656标准4:2:2 并行视频数据转换为PAL或NTSC格式的视频、S-Video、Y/Cb/Cr 或R/G/B，扩展的VBI(Vertical Blanking Interval)信息输入口用于显示图文信息。音频DAC非常普遍这里不再介绍。现代音响系统都支持Dolby Pro Logic和Lucasfilm Home THX家庭影院系统，需在音频DAC之前用数字音频信号处理芯片对数字音频信号进行处理，目前有专用处理芯片和采用数字信号处理芯片DSP进行处理两种方式。
图形控制模块
和视频图形混合器数字机顶盒另一方面需要提供类似计算机的复杂图形甚至是三维图形，需要系统具有强大的二维和三维图形加速芯片，而且需要将图形和视频信号能进行混合叠加显示，此类功能类似现有的字幕机。
媒体访问控制模块MAC
数字机顶盒在网络通信上可以看成是Cable Modem，IP路由器接收用户端通过PSTN( 公用电话网)传来的点播信号并传送到Internet服务器/ 路由器。目前主要参照DAVIC和IEEE 802.14 标准，IEEE802.14倡导采用ATM并在802.14 MAC访问层上定义了ATM层，DAVIC同时定义了以太网和ATM标准。
可擦写DVD
现有数字机顶盒完全工作在网络环境，仅能利用智能卡进行一些类似个人帐号、 解码号等 信息的储存，不具备本地大数据存储功能，所有信息需要从网上获得，无论现在网络状况还是今后，像CD-ROM此类介质仍是大容量信息传递的一种主要方式，CD-ROM的缺点是信息无法更新。采用可擦写DVD不仅可以使用光盘上的巨大信息，更有效的是通过Internet网进行数据更新，使DVD盘上数据保持最新状态，DVD应成为数字机顶盒的重要的备用模块。
加解扰模块和版权保护模块
在有线电视运营中，付费电视是一种主要的业务，要求数字机顶盒必须具备电视信号的加解扰功能，由于采用数字信号，加解扰比模拟信号加解扰容易和保密度高，DVB对加解扰功能有相关定义，另一方面，采用数字信号在版权保护上加大了难点，目前采用Macrovision generator 进行活动图像的保护。
机顶盒的工作原理：机顶盒各个模块在Internet的高速接入中，协同工作。用户首先通过发送命令请求一个URL。在使用PPP点对点协议的一次交易过程中，该命令最终到达Internet业务提供者的调制解调器共用机架上。然后通过动态分配法，该用户获得本次交易中使用的IP地址，并把请求送往Internet。当Internet的内容被找到之后，接着把它送到Internet业务提供者(ISP)那里，再由ISP的路由器负责把它送到电缆电视网络，最后回到用户的机顶 盒。在有线电视的机顶盒，信息内容被截获。机顶盒在电视机与电缆网络之间完成一个网关的任务。它的任务是管理IP的通信流量，具有控制用户进出网络的能力 一旦IP包到达机 顶 盒，把视频信号从该包中分离下来，对其中的数据进行译码，然后把它送到浏览器里准备在电视机上显示。
由于Cable Modem要求用户要配置一部电脑才能上网，影响了用户层的扩展，而使用机顶盒则不需电脑，一部电视机足矣，因而机顶盒的市场前景可能看好。信息使用者从企业向家庭过渡，网络带宽从窄带向宽带过渡，用户入网设备从PC机向带机顶盒(STB)的电视过渡，使用界面从Windows向电视遥控键界面过渡，信息内容从为企业服务向为人民生活服务过渡，是网络服务发展的大方向，机顶盒(STB)显然是这个大方向上的一个阶段。
机顶盒芯片市场
2006年，中国数字电视机顶盒产量已经达到了5408.3万台，与2005年相比增长了40.7%。中国机顶盒产业的发展主要是卫星数字电视机顶盒出口带动，同时，随着数字电视整体平移战略的深入实施，2006年国内有线数字电视机顶盒的需求量也上升较快，2005年产量仅为341.0万台，而2006年则达到了801.6万台。另外，地面数字电视机顶盒产量也由2005年的230万台上升至2006年的494.3万台。
芯片市场增长38.4%
由于一直以来，各国有线数字电视的推广并不尽如人意，同时中国的有线数字电视的推广工作进展也不是很顺利，加上地面传输标准和机卡分离标准迟迟未定，因此有线数字电视机顶盒没有得到较大的发展。相反，在卫星机顶盒领域，除了日本之外，全球大部分地区的卫星广播事实上都是基于欧洲的DVB-S标准，而且在条件接收方面限制较少，这也就为中国的厂商提供了一个良好的市场发展机会。由于中国生产的卫星数字电视机顶盒在性价比方面具有较强的优势，因此顺利占领了欧美、中东、东南亚等市场。
在机顶盒产业的带动下，2006年中国机顶盒芯片市场规模达到83.7亿元，与2005年相比增长了38.4%。从产品结构来看，信源解码芯片(Decoder)、信道解码芯片(Demodulator)、调谐器芯片(Tuner)和Memory占据了较大的比重，这五类芯片占据了整体比重的65%以上，尤其是信源解码芯片、Memory，所占比重都超过了20%。
新兴业务引发芯片高端化
机顶盒正在从仅能收看电视的低端产品向多功能方向快速发展，而推动因素是HDTV和DVR等应用，并且下载的应用将越来越多。
有线机顶盒已从最初单纯的数字电视信号接收向包括HTML浏览器和条件接收等更多的功能特性转变。然而，由于业务发展模式和整个机顶盒产业现状的制约，目前国内机顶盒产品在功能开发、业务提供等方面落后于国外，但总体上具有分别向入门级和高端多功能特性发展的两极化趋势。一方面，政府推动的整体平移将极大地促进入门级机顶盒发展，此类产品具有基本的接收、电子节目指南(EPG)，部分还具有条件接收功能,整机成本在500元以内。另一方面，有线运营商从业务发展和利润上考虑，希望采用更多具有增值业务的机顶盒产品。这些应用包括：电子节目指南、按次付费观看、立即按次付费观看、准视频点播、数据广播、Internet接入、电子邮件、视频点播以及IP电话、可视电话。
从运营商角度来讲，他们希望采用高端方案，低端方案缺乏市场机会。因此运营商将会推出大量新兴业务来吸引用户，从而引发了机顶盒产品及芯片向高端方向发展。
解决方案向高集成度发展
随着市场竞争日趋激烈，机顶盒生产厂商希望能够降低成本。为了降低整机成本，也就要求芯片供应商进一步提高解决方案的集成度。
一体化高频头方案把调谐器和信道解码芯片设计在一起，其优点是性能、使用和设计都很方便，但是成本相对高一些；另外也有采用模拟调谐器加单独的信道解码芯片设计的方案，可以进一步降低成本，目前在卫星机顶盒的设计中使用非常多。当前包括LSI Logic、STM公司都实现了卫星机顶盒的调谐器从传统的机械式结构转变为芯片方案，但在有线应用上都还没有类似的产品。另外在DVB-S解决方案中，Fujitsu已经将调谐器和信道解码功能集成在单个芯片上。此外，部分厂商也推出了将信道解码芯片和信源解码芯片整合设计成单芯片方案，如STM公司用于有线数字电视机顶盒的QAMi5516方案。
机顶盒单芯片QAMi5516及其应用
ＱＡＭｉ５５１６是一款高集成度、高性价比的解调解码单芯片，它内部集成了３２位ＳＴ２０ＣＰＵ、ＱＡＭ解调器、音频／视频ＭＰＥＧ－２译码器、显示及图像处理功能和各种系统外设接口等。除了具有数字有线电视机顶盒的全部基本功能外，它还可以运行中间件以实现数字电视营运商的增值服务，同时具有以太网接口、ＵＳＢ
接口等丰富的外设接口，从而不仅为实现增值服务建立了很好的硬件环境，而且也能够满足用户上网浏览、电子商务以及电子节目指南等方面的需求。图1 ＱＡＭｉ５５１６的基本特点如下：
●符合ＩＴＵ－ＴＪ．８３ＡｎｎｅｘｅｓＡ／Ｂ／Ｃ、ＤＶＢ－Ｃ标准；
●支持ＴＳＭＦ；
●集成有ＱＡＭ解调器，可支持１６、３２、６４、１２８和２５６ＱＡＭ等不同调制方式的解调；
●集成有ＭＰＥＧ－２ＭＰ＠ＭＬ视频译码器、ＰＡＬ／ＮＴＳＣ／ＳＥＣＡＭ视频编码器、匹配滤波器和自适应均衡器；
●支持时钟可编程；
●功耗低；
●支持两层ＰＣＢ布板设计；
●采用ＰＢＧＡ封装形式，４１６引脚。
ＱＡＭｉ５５１６中的ＳＴ２０－Ｃ２０１ＣＰＵ内核由ＳＴ２０Ｃ２＋ＣＰＵ、一个用于实时调试的诊断控制器单元（ＤＣＵ）、内部存储器（８ｋＢＳＲＡＭ、８ｋＢ指令缓存、８ｋＢ数据缓存）和一个１６级中断控制器组成。其中，ＳＴ２０Ｃ２＋ＣＰＵ是高性能的３２位增强型ＲＩＳＣＣＰＵ，主频高达１８０ＭＨｚ。ＤＣＵ用于引导ＣＰＵ，并通过符合ＩＥＥＥ１１９４．１标准的测试访问端口ＴｅｓｔＡｃｃｅｓｓＰｏｒｔＴＡＰ来实现对所有片上系统的监控。ＤＣＵ内部带有在线仿真单元（ＩＣＥ）和逻辑状态分析单元（ＬＳＡ），可支持软件的实时跟踪调试。对于中断，用中断级控制器（ＩＬＣ）可将３８个中断源映射到中断控制器的１６个可编程中断级输入端，并可由软件来控制和改变，在所有１６级中断中，第１５级优先级最高，第０级优先级最低。
ＱＡＭｉ５５１６的外存可通过外部存储器接口（ＥＭＩ）来进行扩展，其工作频率最高达１００ＭＨｚ，并支持１ＧＢ的地址空间，这对于嵌入式系统来说已经足够了。整个存储地址空间分为四个区域，区域０映射到片内ＳＲＡＭ，区域１映射到片外ＳＤＲＡＭ（通过ＳＭＩ接口扩展），区域２映射到片内外围设备寄存器，区域３映射到外部存储器（通过ＥＭＩ接口扩展）。其中区域３又分为６个大小可编程设置的ＢＡＮＫ，最大为２５６ＭＢ，最小为４ＭＢ。表１是该区域的典型配置方式。
ＱＡＭ解调器全面兼容Ｉ-ＴＵ－ＴＪ．８３ＡｎｎｅｘｅｓＡ／Ｂ／Ｃ和ＤＶＢ－Ｃ标准，支持１６、３２、６４、１２８和２５６ＱＡＭ等不同调制方式的解调。对于日本ＤＢＳ系统，它还能够对ＴＳＭＦ进行后处理，以从多路帧中提取单独的传输流（ＴＳ）。
ＱＡＭｉ５５１６解调器内部集成有一个高性能的模－数转换器，可以直接处理从调谐器出来的中频信号（包括７．２ＭＨｚ、３６ＭＨｚ和４４ＭＨｚ，最高达５７ＭＨｚ）。另外，还带有用于调谐器增益控制和中频增益控制的数字ＡＧＣ等，并可降低ＱＡＭ调制比特流恢复的比特误码率（ＢＥＲ）。
为了改善芯片内部数据传输总线瓶颈问题，ＱＡＭｉ５５１６采用基于ＯＭＥＧＡ２（奥米加）技术的高速先进的ＳＴＢｕｓ来实现互联。ＯＭＥＧＡ２能够为各个模块之间的数据传输提供较高的片上带宽和较低的访问延迟，其多路路由器允许多模块之间进行同步读和写，这样使得有效带宽得到最大的使用率。
提高机顶盒测试效率
广播电视由模拟转向数字的过渡期间，机顶盒(STB)在广播电视的各种技术系统中获得了广泛的应用，例如数字有线、直播到户(DTH)卫星业务、数字地面电视广播和基于IP的视频业务等。除了各种不同的广播电视技术之外，它的设计还受到更多的视频格式和新的内容压缩技术的驱动。同时，它还应当不断地改进并整合新的功能。有时我们将它称为综合接收机或者称为媒体中心，是因为这些机顶盒中集成有DVD播放器和带内置硬盘的录放机。
的确，机顶盒的功能一代比一代先进，与此同时，因高清内容的采用也使图像质量进一步提高。最近几年来，基于IP的广播电视应用促使了对新压缩技术(例如H.264和VC-1)的需求。然而，回归到用户的最初期待，观众始终关心的是机顶盒的图像输出质量，无论是来自复合接口还是来自分量接口，因为机顶盒的图像输出质量是高于其它功能的基本需求。
如果不得不用人工方式来测试的话，对于大多数工程师来说，测试信号质量永远是一个复杂且冗长而费时的工作，因为需要测试的参数多达几十个甚至几百个。在通常情况下，花费在测试上的时间长短取决于工程师的经验和所使用的测试工具，有可能是几个小时或几天，甚至也可能是几个星期。使用自动测试系统，不仅可以缩短产品上市时间，而且可以保证测试结果的准确性、可重复性和一致性，即便测试是在不同的地点由不同的工程师进行。
STB测试配置
机顶盒的一般测试配置包括MPEG测试信号发生器、RF发射机及DUT(即STB自身)。采用视频测量设备测试机顶盒的输出。图1是机顶盒测试配置的简化方框图。当然，DUT的输入和输出接口应当与MPEG发生器、RF发射机和视频自动测量设备相匹配。除此以外，测量的一个关键是来自MPEG测试发生器的各种测试信号，因为它对测量自动化至关重要。在我们着手测试之前，测试信号或测试码流必须具备正确的格式。
测试码流
通常情况下，机顶盒的输出接口包括模拟复合视频接口和模拟分量接口，采用RGB格式或YPbPr格式。某些机顶盒还配备有S视频、VGA或SCART接口。如果是支持标清和高清的机顶盒，那么典型的测试信号格式还应当包括480i、480p、576i、576p、720p、1,080i或某些VGA格式。测试模式图的内容应当是测试信号矩阵，而且这是使自动测试有效进行的一个关键。图2给出了矩阵测试模式图的一个例子。最后，应当按照所需标准(例如DVB、ATSC或ARIB)将测试模式图压缩成相应的传送码流。
除了矩阵测试模式图之外，测试工程师可能还需要将其它测试码流与定制码流进行复合，来进行图像质量测试、功能测试、制造测试或者其它质量测试。实现的方法是利用多路复用器软件从现有的码流库或某些预先录制的码流中拖放码流。图3为一复用器软件应用示例，在复用器软件中，用户可以打开两个传送流并用拖放法进行码流编辑。同样，利用TS编辑器来控制码流可以模拟网络抖动。另外，在使用新测试码流之前，应当利用TS分析仪对它们进行分析以确认测试码流没有错误并符合相应标准。然后将新定制的码流传送到MPEG发生器以用于测试。当然，不同的测试工程师会根据测试应用而使用他们自己的定制码流。
在上述测试配置中，根据被测机顶盒的格式标准，将使用不同的调制器。在大多数情况下，这项操作是不能自动完成的，因为机顶盒的连接切换必须人工完成。
模拟复合视频或模拟分量视频的信号质量测试
模拟复合视频和模拟分量视频的测试信号质量参数有所不同。在通常情况下，模拟复合视频有四类测量参数，它们是幅度和定时测量、线性失真、非线性失真和噪声失真。有关详细参数不在此处讨论。除了定时和幅度参数以外，大多数工程师关心的参数是色度／亮度增益和延迟、频率响应、群延迟、K因子、差分增益和差分相位、亮度非线性和噪声等。图4是利用VM700T的自动测量功能提供的部分测试结果报告。
对于模拟分量视频，视频工程师更关心的是每个RGB/YPbPr通道的频率响应、K2T
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