数 字


数 字 机 顶 盒 系 统 结 构 介 绍
前 言 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,此 后,数 字 机 顶 盒 做 为 新 一 代 数 字 视 频 终 端 得 到 多 方 认 可,无 论 对 计 算 机、数 字 电 视 和 网 络 终 端 设 备 的 发 展 都 产 生 巨 大 的 影 响。 数 字 机 顶 盒 支 持 现 有 模 拟 电 视 业 务 和 未 来 数 字 视 频 业 务, 下 面 列 出 主 要 支 持 的 业 务 : 模 拟 电 视 广 播( 现 有 PAL,NTSC 电 视 节 目)。 模 拟 加 扰 电 视 广 播( 现 有 模 拟 和 数 字 加 扰 方 式)。 模 拟 付 费 电 视 服 务(Pay-Per-View) 模 拟 Impulse Pay-Per-View 数 字 电 视 广 播(DVB MPEG II) 数 字 加 扰 电 视 广 播(MPEG II 数 字 加 密) 数 字 付 费 电 视(MPEG II) 数 字 Impulse Pay-Per-View(MPEG II) 数 字 准 视 频 点 播(Near Video-On-Demand MPEG II) 数 字 视 频 点 播(Video-On-Demand MPEG II) 单 向 数 据 服 务( 下 行 使 用 同 轴 电 缆, 上 行 采 用 电 话 线) 双 向 数 据 服 务 家 用 计 算 机、 电 子 游 戏 机 和 数 字 机 顶 盒 将 家 用 计 算 机、 电 子 游 戏 机 和 数 字 机 顶 盒 进 行 比 较 是 因 为 数 字 机 顶 盒 的 产 生 一 方 面 是 网 络( 有 线 电 视 网 络) 发 展 的 产 物,另 一 方 面 是 计 算 机 同 电 子 游 戏 机 的 混 合 体,而 且 此 三 类 产 品 都 在 快 速 发 展 变 化 中, 我 们 可 以 认 为 此 三 类 产 品 都 是 结 合 计 算 机 技 术、 网 络 技 术、 视 频 以 及 图 形 技 术 的 新 一 代 产 品( 这 里 所 说 的 电 子 游 戏 机 是 现 在 新 型 的 三 维 电 子 游 戏 机, 如 任 天 堂 的 64 位 机, 索 尼 的 游 戏 站 和 世 嘉 的 土 星), 这 里 将 三 者 进 行 比 较 是 因 为 三 者 随 源 于 不 同 的 领 域 但 随 者 信 息 高 速 公 路 的 发 展, 三 者 在 功 能 和 采 用 技 术 上 将 互 相 借 鉴、互 相 渗 透,向 信 息 高 速 公 路 信 息 处 理 终 端 发 展, 这 使 我 们 对 数 字 机 顶 盒 的 发 展 会 有 更 清 晰 的 认 识。 1. 家 用 计 算 机 关 于 计 算 机 这 里 不 在 过 多 描 述, 计 算 机 游 戏( 微 机) 由 来 久 但 在 80 年 代 微 机(286~486) 无 论 画 面 和 水 平 远 低 于 当 时 低 档 电 游 戏 机(8 位 或 16 位 机), 随 者 90 年 代 多 媒 体 技 术 的 兴 起, 在 图 形、 音 和 视 频 图 像 上 有 了 长 足 的 进 展, 现 在 计 算 机 游 戏 已 经 同 新 代 32 位 电 子 游 戏 机 处 于 同 等 水 平。GateWay 2000 推 出 的 家 用 计 算 采 用 33 英 寸 的 16:9 宽 屏 幕 显 示 器 更 证 明 计 算 机 在 视 频 和 三 维 形 上 也 开 始 处 于 优 势 地 位,满 足 了 Intel 公 司 倡 导 的 可 视 感 微 机 念, 计 算 机 厂 商 在 HDTV 和 数 字 电 视 标 准 上 的 积 极 表 现 也 证 明 计 算 机 有 能 力 播 放 高 清 晰 视 频 节 目, 在 网 络 功 能 上 更 非 电 子

已 子 声 一 机 图 观 了

游 戏 机 能 比 拟, 计 算 机 在 今 后 的 发 展 中 将 扮 演 信 息 高 速 公 路 上 强 大 的 信 息 处 理 终 端 和 电 子 娱 乐 设 备, 唯 一 的 麻 烦 是 家 庭 需 放 弃 现 有 电 视 机。 2. 电 子 游 戏 机 电 子 游 戏 机 采 用 计 算 机 技 术, 在 家 电 消 费 市 场 已 经 有 几 十 年 的 发 展 史 了, 在 90 年 代 后 随 者 计 算 机 的 多 媒 体 技 术 的 发 展, 微 机 上 的 游 戏 软 件 远 超 过 传 统 8 位 和 16 位 游 戏 机 的 水 平, 电 子 游 戏 机 发 展 处 于 低 谷 状 态,32 位 游 戏 机 的 开 发 研 制 成 了 当 务 之 急, 不 同 的 厂 商 采 取 了 不 同 的 技 术 和 市 场 定 位, 硅 谷 的 3DO 公 司( 受 松 下 委 托) 开 发 的 32 位 游 戏 机 技 术 上 采 用 了 多 媒 体 为 核 心 的 观 念, 采 用 CD-ROM 取 代 传 统 的 储 存 器 插 卡, 具 有 MPEG I 解 码 功 能, 具 有 流 畅 的 视 频 显 示 效 果,定 位 在 多 媒 体 网 络 和 交 互 式 电 影 上;而 以 电 子 游 戏 机 的 巨 头 世 嘉 为 代 表 的 游 戏 机 厂 商 采 用 三 维 图 形 的 观 念,强 调 三 维 图 形 技 术 在 下 一 代 游 戏 中 的 主 导 地 位,技 术 采 用 三 维 图 形 加 速 芯 片 完 成 实 时 三 维 处 理, 世 嘉 的 土 星 和 索 尼 的 游 戏 站( 采 用 SGI 的 MIPS 芯 片) 是 成 功 的 代 表, 战 士 和 斗 神 传 推 出 VR 后 成 为 新 一 代 三 维 游 戏 的 代 表 作, 近 期 任 天 堂 的 64 位 游 戏 机 的 推 出 后 销 售 良 好 使 电 子 游 戏 机 市 场 显 示 了 复 苏 的 迹 象, 采 用 SGI 技 术 的 任 天 堂 游 戏 机 继 承 了 SGI 卓 越 的 三 维 图 形 技 术, 具 有 三 维 图 形 能 力 的 电 子 游 戏 机 成 为 现 在 的 主 流 机 型, 随 着 Internet 的 发 展 游 戏 机 厂 商 开 始 提 供 浏 览 Internet 的 插 件, 直 接 同 WebTV 产 品 竞 争, 下 一 步 的 发 展 将 引 入 DVD 和 虚 拟 现 实 技 术, 电 子 游 戏 厂 商 也 希 望 通 过 研 制 游 戏 机 操 作 系 统 来 加 强 功 能, 如 94 年 世 嘉 和 微 软 计 划 联 合 为 土 星 开 发 操 作 系 统( 同 SA&SGI 的 数 字 机 顶 盒 竞 争), 使 土 星 安 装 附 件 后 可 以 提 供 家 庭 购 物、 家 庭 办 公 和 点 播 节 目 等 功 能, 使 游 戏 机 具 有 通 用 性 强 的 信 息 处 理 功 能 和 通 信 功 能, 不 过 此 次 合 作 没 有 太 大 的 效 果, 微 软 对 WebTV 的 收 购 使 微 软 直 接 进 入 数 字 机 顶 盒 市 场。 3. 数 字 机 顶 盒 数 字 机 顶 盒 更 象 前 两 者 的 混 合 体, 从 上 文 可 以 看 到 电 子 游 戏 机 更 象 数 字 机 顶 盒 的 前 身, 通 电 子 游 戏 机 一 样 数 字 机 顶 盒 以 电 视 机 做 为 显 示 主 体,无 论 外 形 和 功 能 采 用 家 电 化 设 计, 数 字 机 顶 盒 本 身 也 是 一 部 功 能 良 好 的 电 子 游 戏 机( 不 同 点 是 数 字 机 顶 盒 的 游 戏 基 于 网 络); 另 一 方 面 数 字 机 顶 盒 由 于 采 用 标 准 的 软 件 操 作 系 统 和 计 算 机 网 络 协 议 进 行 信 息 通 讯, 内 部 设 计 上 越 来 越 多 采 用 计 算 机 技 术, 尤 其 是 数 字 机 顶 盒 的 分 支 产 品 WebTV 同 NC 更 是 神 形 相 似, 数 字 机 顶 盒 是 计 算 机 和 电 子 游 戏 机( 在 新 型 网 络 环 境 下) 发 展 中 的 混 合 产 品, 目 前 数 字 机 顶 盒 的 种 类 繁 杂 功 能 各 异,比 较 统 一 的 方 面 在:支 持 基 于 MPEGII 的 DVB 和 相 关 的 视 频 服 务 (PPV,NVOD,VOD), 具 有 强 大 的 信 息 处 理 功 能( 计 算 机 网 络 功 能,Internet

等), 多 媒 体 功 能 上。 不 一 致 的 方 面 有: 三 维 图 形 的 支 持,DVD 和 CD-ROM 的 支 持, 对 Java 的 支 持, 对 ATM 的 支 持, 统 一 的 体 系 结 构 等 方 面。 数 字 机 顶 盒 的 结 构 这 里 对 数 字 机 顶 盒 的 软 硬 件 结 构 进 行 介 绍, 使 大 家 对 数 字 机 顶 盒 有 初 步 的 了 解 和 认 识。 1. 硬 件 结 构 这 里 选 用 了 Motorola 公 司 提 出 的 数 字 机 顶 盒 的 硬 件 结 图( 在 原 图 上 增 加 了 模 拟 视 频 信 号 模 块 和 增 加 音 频 数 字 处 模 块), 可 以 让 大 家 对 数 字 机 顶 盒 硬 件 结 构 有 总 体 的 了 解, 具 体 介 绍 数 字 机 顶 盒 的 几 个 重 要 模 块( 计 算 机 部 分 如 CPU,I/O 里 不 在 介 绍): 构 理 下 等 框 器 面 这

a. 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, 上 面 这 张 框 图 包 括 这 两 种 方 式, 采 用 HFC 网 时 采 用 QPSK 做 为 调 制 方 案。 b. 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, 码 是 RS 一 类 纠 错 能 力 很 强 的 多 进 制 BCH 码,DVB 定 义 的 生 成 多 项 式 为: 如 MC92305 的 RS 解 码 器 可 在 每 个 接 收 数 据 包 纠 8 byte 错。 c.MPEG II 的 解 码 模 块 数 字 机 顶 盒 的 核 心 是 数 字 视 频 技 术,MPEG II 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 MPEG II 码 流 成 为 视 频 (CCIR656 格 式) 和 音 频 数 字 信 号。 d. 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 在 介 绍, 想 多 说 一 句 的 是 数 字 音 频 信 号 处 理 芯 片, 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 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。 e. 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。 f. 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 CableModem, 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 和 ATM 标 准。 h. 可 擦 写 DVD 现 有 数 字 机 顶 盒 完 全 工 作 在 网 络 环 境, 仅 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, 微 软 在 Internet 上 提 供 其 CD-ROM 产 品 Cinemania 的 最 新 更 新 数 据 是 一 种 好 方 法,但 数 据 存 贮 在 硬 盘 上, 这 样 数 据 分 离 有 许 多 不 便, 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, 在 90 年 代 初 Next 计 算 机 就 因 采 用 可 擦 写 光 盘 而 名 噪 一 时,DVD 应 成 为 数 字 机 顶 盒 的 重 要 模 块。 i. 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。 2. 软 件 结 构 数 字 机 顶 盒 具 有 复 杂 的 软 件 系 统, 从 下 面 的 介 绍 中 我 们 可 以 看 到 数 字 机 顶 盒 的 操 作 系 统 同 现 在 计 算 机 上 的 操 作 系 统 大 同 小 异, 为 了 有 个 直 观 的 认 识, 这 里 提 供 S-A 的 DBDS(Digital Broadband Delivery System) 系 统 结 构 图 , 这 样 可 了 解 从 前 端 系 统(Headend)

到 数 字 机 顶 盒( 虚 线 部 分) 的 整 体 结 构: 这 里 以 PowerTV 操 作 系 统 为 例, PowerTV 操 作 系 统 是 PowerTV 软 件 公 司 为 数 字 机 顶 盒 开 发 的 操 作 系 统,同 现 代 操 作 系 统 一 样 PowerTV 系 统 具 有 可 扩 充 性、可 移 植 性、 可 靠 性、 跨 平 台 等 特 点。 PowerTV 设 计 目 标 是: 实 时 多 媒 体 传 送 满 足 用 户 使 用 的 简 单 性、 可 靠 性、 便 利 性 和 娱 乐 性 低 成 本 支 持 混 合 业 务 和 传 输 操 作 多 开 发 平 台 适 合 不 同 运 行 时 间 要 求 的 应 用 下 面 列 出 系 统 的 主 要 子 系 统:图 形 控 制 子 系 统、二 维 图 像 子 系 统、 屏 幕 管 理 子 系 统、 音 频 子 系 统、 TV 管 理 子 系 统、 MPEG 处 理 子 系 统、 会 话 管 理 子 系 统、TCP/IP Socker。 系 统 提 供 大 量 运 行 函 数 和 工 具, 下 面 仅 介 绍 PowerTV 操 作 系 统 结 构 图 中 的 模 块。 1.Third-party Authoring Environment Runtimes 在 高 层 上 PowerTV 系 统 为 流 行 的 开 放 环 境 提 供 本 机 运 行 引 擎, 包 括 Oracle Media Objects 和 Media Net,Sybase Gain Momentum 和 InterPlay, 和 Scale BackBone 等。 用 户 的 应 用 程 序 也 能 透 过 这 个 支 持 层 直 接 同 操 作 系 统 对 话。 2.PowerModules PowerTV Modules 可 以 是 代 码 或 者 是 数 据, 通 过 PowerTV Packager 打 包 后 可 以 通 过 网 络 下 载 到 数 字 机 顶 盒,PowerTV Modules 可 以 是 以 下 格 式 的 组 合: 应 用 程 序 函 数 共 享 库, 类 似 动 态 连 接 库 DLL 修 补 或 扩 充 函 数 系 统 资 源( 块 数 据, 包 括 名 称、 类 型 和 大 小), 如 字 体 或 声 音 数 据 PowerModules 具 有 处 理 的 灵 活 性, 可 以 根 据 不 同 的 需 求 改 变 操 作 系 统 的 配 置,每 个 模 块 都 为 独 立 软 件 块, 并 支 持 即 插 即 用

操 作(plug-and-play)。 当 本 地 系 统 没 有 应 用 程 序 所 需 的 模 块 时, 系 统 可 以 通 过 网 络 下 载 相 关 模 块(upgrade)。 3.PowerCore PowerCore 是 为 内 存 量 小 的 数 字 机 顶 盒 设 计 的 具 有 高 速 处 理 速 度 的 系 统,PowerCore 是 一 个 抢 占 式、 多 线 程 内 核。 内 置 的 事 件 处 理 系 统 为 时 间 敏 感 和 实 时 应 用 提 供 了 高 效 处 理,PowerCore 还 支 持 复 杂 媒 体 数 据 的 传 输、 处 理 和 显 示。 PowerCore 的 事 件 系 统 具 有 简 单 处 理 方 式 和 低 内 存 需 求 等 优 点, PowerCore 定 义 的 标 准 事 件 包 括: 信 号 量、 时 钟、 媒 体 事 件、 异 常 处 理、 消 息 和 大 量 的 协 调 机 制。 当 内 核 确 定 应 用 的 状 态 和 数 据 被 保 护, 正 常 事 件 在 任 意 时 间 被 一 个 线 程 中 断( 中 断 是 使 能 的), 在 交 互 用 中 对 于 时 间 敏 感 应 用 完 全 的 抢 占 式 处 理 是 必 须 的, 影(movies-on-demand) 还 有 如 本 地 视 频 游 戏 和 网 络 多 人 游 戏 程 序, 系 统 需 提 供 良 好 的 游 戏 场 景 模 拟 能 力。 PowerKernel 包 括 四 类 对 象: 事 件 感 兴 趣 事 件(Event interests) 查 询 线 程 开 发 者 可 以 通 过 应 用 程 序 界 面(API) 直 接 定 义 和 处 理 PowerKernel 事 件, 但 应 用 只 能 访 问 自 身 创 建 的 对 象, 系 统 保 护 其 他 应 用 的 对 象 不 被 非 法 访 问。 4.Hardware-independent porting layer 此 层 包 括 硬 件 驱 动 程 序, 通 过 对 硬 件 的 软 件 抽 象 使 得 操 作 系 统 内 核 和 应 用 程 序 界 面 与 底 层 硬 件 无 关, 保 证 了 系 统 的 跨 平 台 性。 结 束 语 电 视 机 和 数 字 机 顶 盒 构 成 了 一 台 多 媒 体 电 脑、 电 子 机、 录 像 机 或 者 电 话, 数 字 机 顶 盒 将 电 视 机 变 为 计 算 机, 在 机 和 计 算 机 的 争 斗 中 电 视 机 现 在 没 有 消 亡, 不 过 将 来 的 电 可 能 就 是 一 个 16:9 的 宽 屏 幕 显 示 器 了。 变 化 不 仅 在 模 拟 电 视 机 和 计 算 机 之 间, 数 字 机 顶 Cable Modem 为 有 线 电 视 网 注 入 强 心 剂, 有 线 电 视 网 做 为 模 拟 游 戏 电 视 视 机 盒 和 网 络 处 式 如 此 理 电 点 类 可 视 播 应

以 应 电 用

现 在 也 没 有 消 亡 反 而 突 飞 猛 进, 但 将 来 接 到 家 庭 的 是 一 根 数 字 光 纤, 有 线 电 视 网 这 个 词 汇 将 被 BISDN 网 取 代。

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