關于數字電視硬件系統的分析

趙偉

【摘要】本文介紹了數字電視硬件系統的構成及其工作原理，以及數字電視重要構成部分機頂盒硬件體系的工作原理，對其硬件工作原理、編程模型、機頂盒的工作原理進行了詳細的探討。硬件部分從程序方面討論了數字電視的硬件系統的工作原理，對數字電視硬件系統的進一步發展做出了展望。

【關鍵詞】數字電視；硬件系統；機頂盒

引言

數字電視被稱作繼彩色和黑白電視之后的第三代電視， 數字電視的定義為通過數字電子技術處理信號的電視， 通俗地講就是從拍攝，編輯，制作，播出，傳輸，接收等電視信號處理的整個過程全都使用數字技術的電視系統，即傳統模擬電視系統的數字化。而數字電視系統是一個廣義上的概念。在電視信號的獲取，產生，處理，接收和存儲的整個過程中都使用數字電視信號即為數字電視系統。我國按《廣播影視科技“十五”規劃和2010年遠景規劃》要求從我國的國情出發，結合廣電的實際情況，要求廣播影視數字化實施“三步走”戰略。2003年全面推行有線數字電視，并計劃到2005年有線數字電視接收用戶要超過3000萬戶；2005年，我國發射直播衛星，之后便開始開展衛星直播業務，并爭取直播衛星接收用戶高達3000萬戶；2005年全面實現衛星數字電視傳輸，停止模擬傳送。在地面電視方面，2003年要完成我國地面的數字電視傳輸標準，并在一些重點城市實行地面數字電視試驗，從試驗中取得經驗后，2005年我國正式推廣地面數字電視廣播，2008年地面數字電視得到大力發展，分步驟、分區域、分階段，扎實有效推進數字化進程，2010年實現數字廣播電視，2015年即可停止模擬廣播電視的播出。1999年國慶，HDTV數字電視在北京進行了試播，002年上?；陂L期單頻網發射技術、鄰頻雙工天饋技術、數字電視技術的實踐積累，成功開發出國內第一套公交數字的移動電視系統，利用市內2000輛公交車上進行移動電視技術試驗，取得了成功。在廣州，也進行了地面數字電視的移動接收的試驗工作。

目前，我國的數字電視系統平臺的硬件大多數以單機設備為主。從省網到地方再到縣大多數都是如此，而國外的數字電視平臺的搭建大多數以集成式設備為主。數字電視采用場頻加倍技術和逐行掃描，去除行間閃爍，能提高像垂直清晰度，采用了數字降噪技術，減輕了畫面噪點，采用了數字梳狀濾波器，使得亮度與色度信號完全分離，消除了亮色串擾現象。相對于國外目前非常成熟的多種業務經營的數字電視平臺而言，雖然國內的數字電視近幾年發展速度很快，但與國外相比我們的數字電視的發展仍處于初中級階段。因此，研究數字電視的硬件系統對與數字電視的高速發展是十分必要的。

一、硬件系統的組成

在數字電視系統中，經過壓縮編碼器的處理后，各種電視信號（或者音頻廣播信號）成為很多數據碼流。在復用器中，其他數據流和這些數據流按照統一的協議進行時分復用。同時為了便于接收端選擇節目，在碼流中插入業務信息，可以用于提供關于節目業務的輔助信息。催數字電視節目的碼流進行加密處理，以便于實現電視廣播業務的付費收視。由于廣播系統采用了不同的傳輸信道，需對基帶碼流信號進行不同的信道調制或者編碼處理，然后再發射到信號通道中。用戶的終端系統有數字電視接收機、數字衛星接收機、家用計算機、數字機頂盒等設備。數字電視在本質上和數字通信是一樣的，只是一個技術上的變化，她們都是以數據的形式傳遞著信息。所以，通信業務和計算機多媒體業務可以進入電視領域，多種計算機協議和通信方式在數字電視系統中能夠得到應用。

數字電視硬件系統由許多獨立的板塊構成。各板塊具有相對獨立的功能，通常無需軟件來管理其間的通信。這些模塊大致分為信道解調器、主機編程接口（主控制器）、高頻頭、音頻解碼器、解復用器、OSD顯示控制、視頻解碼器、視頻編碼器等。另外還有一些較為簡單的模塊。如，LCD顯示、串行通訊端口、面板按鍵控制、紅外遙控等。之所以稱這些模塊為“簡單模塊”，因為他們不直接參與MPEG-2 碼流的解碼處理和射頻調制信號，所以主控制器可以單獨對它們進行編程，相對來說比較簡單。比如，紅外遙控模塊接收外界傳來的紅外控制信號，并利用硬件系統對信號進行譯碼，得到的按鍵碼會被送到主機的編程接口。主機的編程接口處理這個信息，然后控制系統的其他組成部分（如讓解復用器切換頻道以及控制LCD顯示按鍵符號）。解復用器和音頻解碼器這些功能相對比較復雜的板塊，通常被設計成硬件上的單獨的RISC DSP處理器。這些單獨的RISC DSP處理器，硬件采用了DSP 架構，軟件采用了微碼驅動，軟硬件結合，其中，系統啟動后，微碼由主機編程接口加載。

硬件模塊要抽象出一些寄存器來給軟件使用，除非其不想接受上次軟件的控制。但并不是所有的硬件在設計的時候都要做出來一些寄存器，像FPGA開發工具設計出來的數字系統，就是比較純粹的硬件驅動。需要注意的是，如果想要硬件具有靈活的功能，寄存器的存在是必不可少的。因此，FPGA的設計方法被許多數字電視解碼器芯片內部設計時采用。但當融入到一個較為復雜的系統中的時候，為了各部分模塊被軟件進行比較統一的管理，在外部做一些寄存器給軟件使用還是必要的。硬件至少需要提供給軟件一個狀態寄存器供其讀取，這樣軟件就可以知道它是不是在正常的工作。實際上，軟件可以控制硬件的唯一的借口便是硬件寄存器，硬件提供了大量的寄存器供軟件來使用。

二、硬件編程模型

在系統啟動后，應用程序通過調用設備驅動程序，首先對硬件進行了初始化處理，此時，硬件寄存器被應用程序直接進行了寫操作，這種方式被稱為阻塞式通信方式或者稱之為同步通信方式，它的特點是：軟件在硬件寄存器被正確寫入后返回。但這不是應用程序控制硬件的唯一的方式，另一種方式為異步通信方式，或者稱之為緩沖式通信方式，這種方式是通過寄存器操作后通過回調函數來通知應用程序。系統正常啟動運行后，通過異步通信方式，應用程序對硬件進行操作，比如，通過驅動任務，來完成關于EPROM2的讀寫操作

觸發硬件中斷的原因可能是硬件產生異常，或者是上層軟件需要處理時，此時需要調用中斷處理函數。硬件終端函數需要找出中斷產生的原因，即先判斷中斷源，然后再進行一些較為簡單的處理。隨后，它把信息發送到了驅動程序任務的信息隊列中，或通過調用回調函數交給應用程序處理。幾乎所有的中斷處理函數都需要通過直接或者間接地向應用程序發送信息。

通過采用單獨的嵌入式處理器，主機編程接口對系統作整體控制，在Conexant數字電視解決方案中采用了ARM7架構的CPU核。系統啟動時，系統中的各個模塊被主編程接口進行了初始化，在啟動完成后，系統便進入了工作狀態，主機編程接口收到了來自各個模塊的消息，然后進行處理，對相應的模塊進行處理。

圖片為數字電視的簡單的硬件編程模型。圖中每個版塊都是編程得來的。應用程序對主機編程接口進行了控制，而驅動程序控制其他的硬件模塊。此外，像音頻解碼器、視頻解碼器、解復用器等專門的DSP 固件來控制。

信道解調器是在數字狀態下工作的，但是由高頻頭輸出的查分信號為模擬信號，所以在信道解調器的內部要對差分信號進行變換，根據信號不同的調制方式，衛星信號采用QPSK 方式進行解調，有線信號則采用QAM方式進行解調。這個功能是通過一個數字匹配濾波器實現的，接下來解調器還要進行信號的糾錯解碼。此后，解調器輸出便是基帶的MPEG-2傳輸流，可通過并行或串行的方式輸出到解復用器當中。數字電視解碼器的OSD模塊事實上是一個比較強大的圖形處理器。軟件對它進行編程操作時，可直接控制硬件，比如，控制調色板和顯示控制器內存等。軟件在寫顯示控制器內存時，由于程序指令速度過慢出現圖形顯示不流暢現象，因此，有些圖形處理器常借助圖形加速協處理器，使用硬件直接寫顯存，此操作成為硬件blitter。

目前為止，在大多數場合下，數字電視還是通過使用模擬電視的AV輸入來收看，所以數字電視解碼器必須將音頻、視頻等圖文信息，在模擬電視制式的基礎上進行視頻編碼。視頻編碼器接受現實控制器模塊所輸出的視頻圖像信息，并進行視頻編碼根據具體的電視制式，最終輸出特殊接收終端所需要的分量視頻信號或復合視頻信號。音頻輸出可直接從音頻解碼器中獲得。

三、數字機頂盒硬件系統分析

數字電視機頂盒能夠接收MPEG-2數字電視傳輸流和各種數據信息，通過解調、解復用、解碼和視音頻編碼，在模擬彩色電視機上觀看數字電視節目和各種數據信息。目前，數字電視機頂盒的基本功能是接收數字電視廣播節目，同時具有所有廣播和交互式多媒體應用功能。

數字電視機頂盒硬件組成有很多。一是網絡接口模塊（NIM）：網絡接口模塊完成信道解調和信道解碼功能，送出包含視音頻和其他數據信息的傳輸流（TS）。二是信源數據傳輸流解復用器：傳送流中一般包含多個音視頻流及一些數據信息，傳輸流解復用器用來區分不同的節目，提取相應的音視頻流和數據流，送入視音頻解碼器和相應的解析軟件。三是條件接收模塊：對于付費電視，條件接收模塊還對音視頻流實施解擾，并采用含有識別用戶和記憶功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。四是視音頻解碼器和后處理：MPEG-2解碼器完成對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，在模擬電視機上顯示高質量圖像，并提供多聲道立體聲節目。五是嵌入式CPU與存儲器模塊和接口電路：嵌入式CPU是數字電視機頂盒的心臟，它與存儲器模塊用來存儲和運行軟件系統，并對各個硬件模塊進行控制。接口電路提供豐富的外部接口，包括通用串行接口USB，以太網接口及RS232，模擬、數字視音頻接口，數據接口等。

隨著網絡技術和數字電視的發展，數字電視機頂盒的各項功能將更加完善，尤其是單片PC技術的發展將會在物理結構上促進電視機頂盒各部分硬件的高度集成，形成STB核心芯片，從而降低成本，減小體積，提高性能。外部接口更加豐富，可以通過USB接口與數碼相機連接，也可以通過IDE接口掛接硬盤實現節目存儲。交互式機頂盒將會成為數字電視機機頂盒的主流，用戶在模擬彩色電視機上不僅能夠收看數字電視，還能實現娛樂和上網等功能。

四、結束語

對于數字電視硬件平臺未來的發展，硬件系統的發展應該朝著靈活性、高集成性、更加強大的數據路由和備份功能的方向不斷發展，能夠具有更簡單、方便、高效的功能。數字化的道路上，我們要做的還有很多，在這條道路上，發展硬件系統，相信中國廣電的發展一定會越來越好。

參考文獻

[1]張慧玲，張忙喜.論數字電視及其應用[J].大眾科技，2006年第4期.

[2]李新華，張向東.淺談數字電視系統及其發展[J].2003年第11期.

[3]孫學群.數字電視軟硬件體系分析及系統設計的研究[J].2005，6.

[4]孫學群.數字電視軟硬件體系結構結構分析[J].中國有線電視，2005，1.