交互式數(shù)字機頂盒的硬件設(shè)計探析

摘 要:交互式數(shù)字機頂盒的硬件設(shè)計，是硬件技術(shù)設(shè)計中的重要內(nèi)容。詳細介紹利用雙向HFC結(jié)構(gòu)開展交互式數(shù)字電視業(yè)務(wù)，并對實現(xiàn)過程中所要考慮的雙向HFC網(wǎng)絡(luò)改造、交互式數(shù)字電視系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計以及前端設(shè)計都提出了相應(yīng)的解決策略;并提出一個實際的機頂盒設(shè)計方案，詳細討論了其軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)過程，并這對于構(gòu)建完整的數(shù)字電視系統(tǒng)是非常有意義的。

關(guān)鍵詞:交互式;硬件設(shè)計;組成;功能

目前，從功能上來看，機頂盒可以分成三類:一是衛(wèi)星數(shù)字機頂盒(亦稱衛(wèi)星綜合接收解碼器);二是有線電視機頂盒，三是上網(wǎng)機頂盒。機頂盒的硬件結(jié)構(gòu)隨功能和工作方式的不同有著很大的區(qū)別，但其基本的組成一般是高性能的處理器內(nèi)核、存儲器、通訊接口、數(shù)據(jù)解碼器、視頻音頻圖像處理器、電視編碼及接口、外圍IPO 接口等。

一、系統(tǒng)中各部分的組成、功能

1.數(shù)字電視廣播接收前端

包括調(diào)諧器和QAM解調(diào)器，該部分可以實現(xiàn)從射頻信號中解調(diào)出MPEG傳輸流。調(diào)諧模塊接收射頻信號并下行變頻為中頻信號，然后進行APD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送入QAM解調(diào)模塊進行QAM解調(diào)，輸出MPGE傳輸流的串行或并行數(shù)據(jù)。

2.MPEG解碼

MPEG解碼部分包括解復(fù)用、解擾處理和音頻視頻信號解壓縮，輸出為音頻視頻基本流以及數(shù)據(jù)凈荷。解復(fù)用模塊接收MPEG傳輸流，從中抽出一個節(jié)目的PES數(shù)據(jù)，包括視頻PES、音頻PES以及數(shù)據(jù)PES。解復(fù)用模塊中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES層加擾的數(shù)據(jù)進行解擾，其輸出是已解擾的PES。

3.Video/Audio信號處理

完成音頻視頻模擬編碼以及圖形處理功能，可以直接輸出Video和Audio信號。視頻PES送入視頻解碼模塊，取出MPEG視頻數(shù)據(jù)，并對MPEG視頻數(shù)據(jù)進行解碼，然后輸出到PALPNTSC編碼器，編碼成模擬電視信號，再經(jīng)視頻輸出電路輸出。音頻PES送入音頻解碼模塊，取出MPEG音頻數(shù)據(jù)，并對MPEG音頻數(shù)據(jù)進行解碼，輸出PCM音頻數(shù)據(jù)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。

4.電纜調(diào)制解調(diào)器(Cable Modem)

電纜調(diào)制解調(diào)器模塊由一個雙向調(diào)諧器、下行QAM解調(diào)器、上行QPSKPQAM調(diào)制器和媒體訪問控制(MAC)模塊組成，該部分按照DAVIC協(xié)議在外部輸入數(shù)據(jù)與微處理器見實現(xiàn)數(shù)據(jù)變換，用通過該模塊可以實現(xiàn)高速Internet接入以及交互式的數(shù)字視頻音頻服務(wù)。

5.嵌入式微處理品(Embedded Processor)

微處理器和存儲模塊提供信號的存儲和控制的處理功能，提供一個可編程的硬件平臺，并對系統(tǒng)中各個功能模塊間進行協(xié)調(diào)和控制。嵌入式微處理器是整個系統(tǒng)的核心，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。微處理器選擇時應(yīng)當從其處理能力、功耗、可擴展能力、集成度以及供貨情況和技術(shù)支持能力等方面綜合考慮。目前，比較流行的有:Motorola和PowerPC系列、Intel的Strong Arm系列、NSC的Geode Gxm系列以及MIPS32和MIPS64系列等RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器

6.外圍接口電路

外圍接口電路提供各種外部接口(如通用串行接口USB，告訴串行接口1394、以太網(wǎng)口、RS232 以及音頻視頻接口等) ，用來連接無線的鍵盤、鼠標以及VCR、VCD、數(shù)字攝像機等設(shè)備，以實現(xiàn)微處理器與外部設(shè)備的通訊。

二、交互式數(shù)字機頂盒的軟件設(shè)計

交互式數(shù)字機頂盒的軟件是以一個實時操作系統(tǒng)(RTOS) 為核心，根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能設(shè)計加以擴充。目前通用的操作系統(tǒng)，如Wind River System 公司的VxWorks、Integrated Systems Incorporated 公司的pSOS、Microware 公司的DAVIDOS - 9、ST 公司的OS20 、Windows CE 以及專為機頂盒開發(fā)的Power TV 等。另外，還有一種開放源碼的實時的操作系統(tǒng)Linux，并通過一組嵌入式可配置實時操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)內(nèi)核的最底層有一個硬件抽象層(HAL)，通過HAL直接控制和訪問硬件，并通過一組宏向其它與機器無關(guān)的代碼提供服務(wù)，這樣大大簡化了RTOS kernel的移植工作，如果硬件平臺變化了，除了設(shè)備驅(qū)動程序外，只需要修改硬件抽象層的代碼就可以了。

最低的一層為各類硬件部件的驅(qū)動程序，這些硬件部件包括音頻視頻圖形處理部件，網(wǎng)絡(luò)通訊部件，系統(tǒng)IPO部件(串行口、并行口、智能卡接口等) 以及系統(tǒng)存儲器。目前這些部件都是專用的芯片，它們的驅(qū)動程序也是直接與硬件有關(guān)的。

在硬件驅(qū)動程序上一層就是實時操作系統(tǒng)Linux內(nèi)核，這是整個軟件系統(tǒng)的核心，它負責任務(wù)調(diào)度、實時監(jiān)控、資源分配. 在操作系統(tǒng)內(nèi)核的最底層是硬件抽象層HAL，操作系統(tǒng)通過HAL 管理下層的硬件驅(qū)動程序。

實時操作系統(tǒng)層上面是系統(tǒng)控制層和庫程序，系統(tǒng)的交互性也是在這里得到控制和實現(xiàn)。系統(tǒng)控制層提供對視頻音頻數(shù)據(jù)控制、用戶存取接口、通訊、通道選擇等高級功能，也支持多個應(yīng)用程序?qū)@些功能的共享和重復(fù)使用。庫程序則提供系統(tǒng)視頻、音頻圖像處理等的函數(shù)的程序。

最上面為應(yīng)用程序?qū)樱@里處理各種應(yīng)用功能，從系統(tǒng)控制層選擇相應(yīng)的功能模塊，實現(xiàn)預(yù)定義的功能，如上網(wǎng)瀏覽、軟件下載、收發(fā)EMAIL視頻點播、交互式游戲、網(wǎng)上購物等。