交互式数字机顶盒的设计

机顶盒的功能要求

机顶盒是一个十分笼统的名称。各种机顶盒的功能和结构相差甚多。早期并且得到较广应用的机顶盒可能要数WebTV了。WebTV的最初目的是利用电视机来访问Internet的网站。典型的WebTV内部包含一个33.6K或56K bps的Modem，通过电话线路上网，电视机被用作显示设备。这类WebTV配备有与PC机上类似的浏览器软件，用户可操纵遥控鼠标、红外键盘等装置浏览网页，或收发e-mail。这类WebTV虽然也可收看Web上的影视内容，但电视和Internet的通路是分开的。这类WebTV在访问Internet方面是数字的，但是数据传输速率低，而在电视方面，则仍是模拟、单向的（广播方式）。

随着宽带网络、多媒体技术和数字电视的发展，电视和计算机在数字化和网络的概念上找到了结合点。数字电视和交互电视成了电视发展的趋势，交互电视成了宽带网络或信息高速公路的一个重要组成部分。新一代的机顶盒作为数字式交互电视的关键设备之一。成了研究的热点。

新一代机顶盒的功用应包括：①接收广播方式的模拟电视和数字电视节目，②高速访问Internet，收发e-mail，③视频点播（VOD）和音乐点播功能，④电话、可视电话、会议电视，⑤连接VCR、VCD等消费电子产品的功能，⑥电子购物，⑦电子游戏等。

对数字机顶盒的技术要求有：①高速双向通信网络的宽带接入，有效地利用频带资源，②数字电视节目和多媒体视频在解码、视频音频处理、以及D/A变换、电视编码、显示等方面的统一考虑，③对运河扰、加密、计费等考虑，④友好的用户界面，尽可能高的性能价格比，⑤在功能和性能方面的可扩充性。

硬件和软件结构

1.硬件

机顶盒的硬件结构随功能和工作方式的不同有着很大的区别。但其基本的组成一般是高性能的处理器内核、存储器、通信接口、数据解码器、视频音频图形处理器、电视编码及接口、外围I/O接口等。图1为一个机顶盒的组成框图。整个硬件系统分若干个子系统：

·网络通信接口子系统

本部分可有一个或多个宽带接入的接口（前端）。因为各种传输介质采用不同的调制方式，所以不同的前端有自己的调谐器、解调码器、通道解码器、转换器、反向通道发送器等。可以采用的前端有电缆前端、卫星前端、地面微波前端、ADSL前端等。各种前端可选用相应的器件组合，也可选用功能完整的模块。

·处理及控制子系统

这是机顶盒的心脏部分，它由处理器、存储器等组成，提供信号存取和控制的处理功能，并提供一个可编程的平台。它要实现对整个系统的控制并具体完成信号的去扰，进行多路分离，获取MPEG-2数据流和其它一些打包的数据。

·音频/视频/图形处理子系统

这里完成音频/视频/图型数据的解码、处理，并将之编码成SVB、S-Video、RGB信号输出，它主要由MPEG-2和AC3等解码器、视频和音频信号的D/A转换器，视频信号编码器等组成。

·外围接口了系统

这部分包括串行和并行I/O接口、智能卡接口、红外接口、IEEE1394接口等，用来连接无线的键盘、鼠标，以及VCR、VCD、数字摄像机等设备。

2.软件

机顶盒的软件系统也随功能和结构的不同有着很大的区别。高档的数字机顶盒由于功能复杂，性能要求高，一般以一个实时操作系统为核心，根据硬件和系统功能加以扩充。适合这方面应用的，有通用的操作系统，如Windows CE，OS-9，pSOS等，也有专为机顶盒研制的操作系统，如Power-TV等。

整个软件一般可分为图2所示的几个层次，最低的一层为各类硬件部件的驱动程序，这些硬件部件包括MPEG系统及处理部件、音频视频图形处理部件、FLASH Memory（快闪存储器）、串行口、并行口不、智能卡接口、网络通信部件等。这些部件通常是一些专用的芯片，它们的驱动程序也是直接与硬件有关的。

为了便于上层软件对设备的使用，在驱动器层之上有一个驱动器管理层，它从外围接口、MPEG系统处理、音频/视频/图像、通信几个方面，管理下层的物理驱动器接口，从而方便高层功能的实现，也减法律了CPU的负担。

再上面一层即是实时操作系统内核。这是整个软件系统的核心，它负责任务调度、实时监控、资源分配。

实时操作系统层上面是系统控制层和库程序，系统控制层提供对视频音频数据控制、用户存取接口、通信、通道选择等高级功能，也支持多个应用程序对这些功能的共享和重复使用。系统的交互性也是在这里得到控制和实现的。库程序则提供系统视频、音频图形处理等的函数和程序。最高的一层为应用层，这里处理各种应用的功能，从系统控制层选择必要的功能模块。

一般来余，每个应用模块都是在用户的控制下获取、处理和显示的。典型的应用有电视频道浏览选择、收费电视控制、e-mail、Internet浏览、软件下载。高级的应用包括视频点播、音乐点播、电话、可视电话、会议电视等。由于多媒体的应用包括技术和处理方式等都有很大区别，并在不断发展。所以采用面向对象和虚拟机的概念是十分有吸引力的。因此Java在高级机顶盒中得到了广泛的应用。为了支持Java，在应用层的下载应用模块中需包括Java引擎。当然对CPU和系统的性能也有较高的要求。

由于要求操作系统平台、Java执行、视频音频信号实时的处理、交互服务、机顶盒需高级32位单片处理器所具有的处理能力和存储器地址空间。

CPU的选择

机顶盒的实现可以采用基于PC或嵌入式PC的结构，也要采用基于高性能单片机的结构。而采用单片机的优点是芯片集成度高、体积小、功耗小、价格低。由于机顶盒昌一种消费电子产品，所以价格是一个重要因素。此外低功耗也意味着节省每月的电费开支。而且低功耗也避免了过高的温升，提高了设备的可靠性和寿命。目前高端单片机为32位或64位RISC结构，速度达到数十乃至二、三百MIPS，而且具有功能很强的外围模块，十分适合用来开发机顶盒。

为了提高实时处理能力，外围的功能还应尽可能采用专用的芯片来实现。目前，Philips,SONY，ST微电子，GI，LSI logic等公司都有专用的MPEG-2解码，视频/音频/图形处理，电视编码，及用于电缆。卫星等方面的专用芯片。如采用电缆前端，还可选用其它专用Cable Modem芯片。选用这些专用芯片时，除了要考虑性能、价格、接口等因素外，还须考虑是否符合有关标准。

目前交互电视和机顶盒仍处于研制开发阶段，机顶盒的功能、结构尚需调整改动，采用高性能的单片机为基础来开发，既可缩短开发周期，又能符合产品化的要求。成熟的设计完成后，应为机顶盒定制ROM和ASIC，以简化线路降低成本。必要时甚至可以购取单片机的专利，将单片机内核集成到自行设计的芯片中。

数字式机顶盒的发展趋势

随着数字式机顶盒性能的提高和价格的降低、宽带网络的建设、以及网络多媒体应用的开展，机顶盒正逐步进入实用阶段。由于许多大型电子、计算机、通信、家电公司的参与，机顶盒的发展除了表现在采用更高性能的CPU和集成更高、功能更完整的专用VLSI模块外，更表现在它功能的扩展延伸。机顶盒的宽带通信、视频音频处理、Internet访问等能力可为多种应用共享。所以机顶盒不仅可用于影视点播、一般网上浏览，而且可用于电话/可视电话、远程教育、娱乐、电子商务等多种应用。这就使机顶盒的设计有了相应的变化。首先不少机顶盒等接口，以方便摄像头、数字相机、摄像机、游戏机，以及找印机、磁盘机、PC机的接入。有的机顶盒已集成了DVD的控制和驱动器电路。

其次，既然机顶盒将适于多种用途，那么同时实现一种以上应用的要求也就提出来了，比如要求在进行VOD（视频点播）的同时打IP电话。所以一些机顶盒考虑了在机顶盒这一级的多通道和多路复服务部量。例如GI公司的DCT5000+就个有三个重通道的结构。

另一个影响机顶盒的因素是住宅的智能化。机顶盒的通信、处理以及可扩充的存储能力，可用于住宅的安保、家电设备的控制等。借助机顶盒，通过Internet进行远程的住宅监控和设备控制也将是高性能和廉价的。

所以今天的机顶盒在不远的将来可能成为家庭中连接电视、音响设备、电话、摄录设备、其它家用电器和安保设备并连通外界信息高速公路的一个通信、处理、存储中心。到那时，机顶盒可能要从电视机顶上走下来，而且，人们也不得不为机顶盒起一个更恰当的名字了。