【提要】本文從數(shù)字有線電視機頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成、應(yīng)用、市場潛力等方面分別進行了闡述，結(jié)合我國的國情，提出了一些觀點和看法，并且以ST公司的系統(tǒng)方案為例，對其做了更加深入的探討。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字有線電視機頂盒 QAM調(diào)制 DVB－C MPEG－2 SmartCard

1 引言

在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的推動下，電視數(shù)字化步伐加快了。從模擬電視到數(shù)字電視，大大提高了電視節(jié)目的質(zhì)量。原來傳輸一套模擬電視節(jié)目的頻帶，可以傳輸4～10套數(shù)字節(jié)目，增加了節(jié)目數(shù)量，降低了傳送成本。就容量來說，如果采用64QAM，8MHz帶寬的信道可容納 38.5Mbit／s的凈荷容量，不會外溢到鄰頻道。這也為廣電網(wǎng)發(fā)展成為寬帶多媒體綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)打下了堅實的基礎(chǔ)，促進了信息技術(shù)的更大發(fā)展。所以說，數(shù)字電視取代模擬電視是大勢所趨。早在1998年3月美國政府聯(lián)邦通信委員會FCC就通過了采用數(shù)字化電視的決議，它要求美國四大電視網(wǎng)必須在1999年5月1目前，在全美最大的10個有線電視收視地區(qū)播送數(shù)字電視節(jié)目；2000年5月1日，所有商用電視臺都應(yīng)數(shù)字化；2003年 5月1日所有非商用電視臺也要實現(xiàn)數(shù)字化。歐洲、日本、東南亞、中東等地區(qū)都先后開展了相關(guān)業(yè)務(wù)。 在中國，有線電視已進入千家萬戶，從模擬電視到高清晰度數(shù)字電視，估計過渡期為15年左右。在此期間，模擬電視與數(shù)字電視將共存。目前，全國模擬彩電的社會擁有量2億臺以上，對用戶來說，用機頂盒收看數(shù)字電視是最經(jīng)濟、最有效的過渡方案。機頂盒將數(shù)字信號處理并轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，用現(xiàn)有模擬彩電收看，使用戶同樣能看到圖像較清晰、音質(zhì)較優(yōu)美的數(shù)字節(jié)目。我國各地有線電視臺都在規(guī)劃，積極準(zhǔn)備開播數(shù)字電視節(jié)目。我國有8000萬有線電視用戶，而且每年以近10％的速度增長。如果有2％的用戶希望接收數(shù)字電視節(jié)目，則需要150萬臺數(shù)字機頂盒（set toPbox）。如果每年以 5％的速度增長，對機頂盒的需求量為 400萬臺?？梢娡茝V數(shù)字電視后，將會形成家用數(shù)字有線機頂盒的廣闊市場。本文正是立足于此，探討一下數(shù)字有線機頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成及在我國的發(fā)展概況、展望。

2 數(shù)字有線電視機頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)前，國外數(shù)字有線電視的機頂盒類型十分廣泛，各自都有自己的特點和優(yōu)點。但是，其系統(tǒng)構(gòu)成大同小異。 我們大體上可把機頂盒分為四個主要單元。

2.1 網(wǎng)絡(luò)接口單元

該單元主要完成信號接收、變頻和信號的解調(diào)。它主要包括CATV TUNER（調(diào)諧器）、 QAM解調(diào)芯片、一級A／D轉(zhuǎn)換及聲表面波濾波等相關(guān)組件。 調(diào)諧器可選的種類很多，如ALPS公司的TDBE1、TDBE 2；MITSUMI公司的CATV19； THOMSON公司的 CIP55015；PHILIPS公司的CD1516等等。此器件的作用是將從信道來的射頻信號下變頻到一個固定的中頻上去，使配套器件能夠準(zhǔn)確采樣。 A／D轉(zhuǎn)換器件是通用的，在市場上很多，但是其采樣率必須要滿足具體的要求，例如ST公司的STV0197就推薦采用10bit，40M采樣率的HI5746或ADC9050；也有些器件將 A／D部分集成人QAM器件中，例如LSILOGIC的L94768、L9A5004QAM解調(diào)芯片，這種方式是比較好的方式，因為A／D轉(zhuǎn)換部分往往是指標(biāo)很難調(diào)的部分，放在電路板上遠不如集成在芯片中穩(wěn)定，成本也降低很多。 QAM解調(diào)芯片許多大公司都有各自成型的產(chǎn)品，到國內(nèi)推廣比較多的主要就是上述兩家公司的芯片，這兩家公司都有一整套的DVB－C機頂盒的參考設(shè)計，QAM解調(diào)的芯片也包括其中。

2.2 MPEG－2傳輸流解復(fù)用、音視頻解碼及系統(tǒng)控制單元

它包括中心處理器芯片（CPU），外圍存儲器及相關(guān)電路。 它主要完成： （1）中心處理器：用于系統(tǒng)控制和機頂盒與外界的通信控制； （2）解復(fù)用部分：這個模塊的功能實現(xiàn)，有些系統(tǒng)是用軟件來完成的，這種方式對CPU的資源占用較大，系統(tǒng)靈活性不好；有些使用固定的硬件解復(fù)用，占用CPU的資源較少，僅僅是用來識別MPEG的各種表并設(shè)置寄存器而已，這種方式系統(tǒng)靈活性較大，解復(fù)用后，生成 MPEG的PES流，傳給專用的解碼芯片。 （3）解擾部分：這個模塊運算量較大，幾乎所有的 DVB專用的解復(fù)用芯片都將解擾的硬件模塊集成進去，此模塊控制相應(yīng)的一塊內(nèi)存，一旦解復(fù)用時發(fā)現(xiàn)了加擾的MPEG 數(shù)據(jù)包，則使用DMA方式將數(shù)據(jù)包傳入解憂模塊對應(yīng)的內(nèi)存中去，解憂后再傳回來，繼續(xù)以后的解碼過程。這個過程，所要占用的系統(tǒng)資源較多，而且時間上也很緊張，所以，針對有加密系統(tǒng)的機頂盒，其軟件往往要經(jīng)過優(yōu)化。不同的CA系統(tǒng)有不同加抗方式，一般的DVB專用的解復(fù)用芯片中的解憂模塊都是針對DVB的通用解憂算法的，也有的將一些專用CA系統(tǒng)的解擾算法集成過去。 （4）MPEG解碼：此部分對MPEG－2碼流進行音視頻解碼，它需要有自己的相應(yīng)外部存儲器（如SDRAM）來完成運算。它的重要性不言而喻，其算法是否優(yōu)秀決定了整個系統(tǒng)的運行速度。 代表芯片有ST公司的STI3520， LSI公司的 L64005，IBM公司的 MPEGCD1， NEC的 HPD61020等。

2.3 模擬視音頻電視信號編碼單元

包括一級D／A轉(zhuǎn)換器、音視頻放大器等相關(guān)電路用于音視頻的輸出，具體的就是將解碼芯片輸出的數(shù)字音頻信號進行D／A轉(zhuǎn)換，輸出模擬聲，同時將解碼芯片輸出的視頻信號進行PAL或NTSC編碼，輸出基頻或射頻的PAL／ NTSC信號，也可同時輸出 Y／C、 YUV、RGB格式的視頻信號。

2.4 外圍數(shù)據(jù)接口單元

包括SmartCard讀寫器、高速數(shù)據(jù)傳輸口和低速數(shù)據(jù)傳輸口等外圍接口。Smartcard 讀寫器主要是協(xié)助完成解密的工作，它是為各種加密數(shù)據(jù)廣播等業(yè)務(wù)服務(wù)的，其CA軟件必須和發(fā)端設(shè)備相匹配。解密系統(tǒng)解開接收機收到的已加密的密鑰，它是解擾模塊工作所必須的；解擾器則是讓收到的圖像和聲音恢復(fù)正常。 高速數(shù)據(jù)接口指IEEE1284或IEEE1394等數(shù)據(jù)接口，主要完成MPEG碼流的輸入或輸出。 低速數(shù)據(jù)接口是指RS232，USB的接口，主要是完成機頂盒與外界的低速數(shù)據(jù)通訊。 為了更加直觀地說明，下面我們就以目前在國內(nèi)比較流行的ST公司的一套解決方案為例，進行詳細闡述。 該方案的系統(tǒng)和解復(fù)用芯片為 ST20－TPx，其常用的為ST20－TP2。它的性能為： （1）集成了32位可變長精簡指令集的CPU，主頻速度為0～50Hz，有8K的在片SRAM，支持最大200MB／s的數(shù)據(jù)寬度； （2）具有可編程的存儲器接口，支持SRAM和DRAM混用的形式，數(shù)據(jù)寬度可為8， 16，32bit，支持PCMCIA模式； （3）支持異步和同步兩種串行通訊方式； （4）有內(nèi)部集成的解憂模塊，支持DVB的通用加擾方式的解擾。本模塊具有多種接口：包括兩個MPEG解碼的DMA接口、兩個SmartCard的接口、碼流輸入的DMA接口、塊移動的DMA接口、圖文接口和IEEE1284接口等； （5）其開發(fā)工具中包括標(biāo)準(zhǔn)C的編譯器和庫，可利用軟件實現(xiàn)以下功能：①MPEG系統(tǒng)層的解復(fù)用；②對其它設(shè)備（模塊）的驅(qū)動和同步；③電子節(jié)目表的過濾和顯示；④ 條件接收的實現(xiàn)。 解復(fù)用過程是一個軟件和硬件混合的方式，ST20－TP2用DMA方式將接口芯片輸入的碼流直接放人存儲器中，用軟件來判斷碼流的類型并解復(fù)用。若判斷出碼流是用DVB標(biāo)準(zhǔn)加擾的碼流，則通過存儲器到存儲器的DMA傳輸方式傳到解擾模塊中去，進行解擾后再利用軟件解復(fù)用。 解復(fù)用后的碼流經(jīng)DMA方式傳到外存儲器的緩沖段中或作為消息傳給另一個進程，當(dāng)解碼模塊發(fā)出DMA申請時，ST20從內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入解碼模塊，輸入碼流中提取的視頻和音頻壓縮數(shù)據(jù)通過兩個獨立的DMA控制器來傳給解碼模塊。 ST20－TP2 系列有獨特的結(jié)構(gòu)，因在典型應(yīng)用中，解復(fù)用操作占不到一半的CPU運行周期。 ST20系列CPU有兩個異步串行接口（ASC2），用于與調(diào)制解調(diào)器或其它外圍設(shè)備相連，使機頂盒可以和收費電視系統(tǒng)相連。這兩個異步串行接口可支持多種波特率和數(shù)據(jù)格式的傳輸，也可將碼流中的圖文或私有數(shù)據(jù)通過串行口傳給計算機等設(shè)備。

ST20系列同時提供兩個同步串行接口，一般使用I2C總線協(xié)議進行通信，可用于外圍芯片的控制，例如前端的調(diào)諧器、STV0197（QAM解調(diào)）、STV0199（QPSK解調(diào)）、后瑞的PAL／NTSC編碼芯片STV0118等。 ST20系列也提供高速的數(shù)據(jù)接口，TP2提供一個IEEE1284接口，這是一個7bit寬度的并行接口，支持高速數(shù)據(jù)的輸入輸出操作，數(shù)據(jù)的輸入輸出通過一個專用的DMA控制器在接口和存儲器中進行。 ST20系列提供智能卡接口，使機頂盒適應(yīng)CA系統(tǒng)的需要，智能卡接口符合ISO7816 － 3的規(guī)范，使用異步協(xié)議。 在新一代的ST20－TP3中，傳送流解復(fù)用改為硬件實現(xiàn)，通過可編程控制的解復(fù)用接口進行控制， CPU被占用的資源更少，同時其解憂模塊也進行了改進，可很方便地應(yīng)用于很多的CA系統(tǒng)中。 ST方案的解碼芯片使用STI 3520，它包括視頻解碼部分、音頻解碼部分和一個鎖柏環(huán)。視頻解碼部分可實時解碼符合MPEG－1和MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)的，視頻分辨率為720× 480×60Hz或720×576×50Hz的碼流，通過垂直和水平方向的過濾器來實現(xiàn)顯示圖像格式的轉(zhuǎn)換。音頻解碼部分可解符合MPEG標(biāo)準(zhǔn)的音頻碼流，采樣率可為32、44.1、48kHz。音視頻數(shù)據(jù)通過8bit的數(shù)據(jù)接口輸入，3520能自動抽出時碼進行音視頻同步。有在屏顯示的功能，用戶定義的位圖可以疊加在顯示圖像上，要顯示的位圖由ST20百接寫入內(nèi)存中。