數(shù)字機頂盒關(guān)鍵技術(shù)及交互應用

摘 要 本文提出交互式電視是未來有線電視的發(fā)展方向，對其重要組成部分的數(shù)字機頂盒進行了詳細介紹，重點是關(guān)鍵技術(shù)和交互應用，最后指出發(fā)展數(shù)字機頂盒的重要意義。

　　關(guān)鍵詞 交互式電視 數(shù)字機頂盒 視頻點播 電子節(jié)目指南 實時操作系統(tǒng)

1 引言

　　在以數(shù)字化、網(wǎng)絡化和信息化為基本特征的21世紀，電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)和有線電視網(wǎng)三網(wǎng)融合的進程必將不斷加快，而這種融合的具體體現(xiàn)正是交互式電視（ITV ，Interactive Television）。

　　交互式電視是一種受用戶控制的視頻分配業(yè)務，在節(jié)目間和節(jié)目內(nèi)觀眾能夠作出選擇。它采用一種不對稱的雙向傳輸網(wǎng)絡，用戶信息通過窄帶的上行信道傳到信息中心，而由信息中心到用戶的下行信道則是具有視頻傳輸能力的寬帶信道。因而是一種非對稱雙工形式的新型電視廣播技術(shù)。正是現(xiàn)代通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)的進步，為傳統(tǒng)的模擬、單向有線電視，向數(shù)字化、交互式方向發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　數(shù)字機頂盒（STB，Set-Top-Box）是交互式電視系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，它是普通電視與寬帶傳輸之間的橋梁，通過它用戶可在普通電視上收看高清晰度圖像以及進行視頻點播（VOD，Video On Demand）、家庭購物等服務。因此，設(shè)計性能卓越、功能完備的數(shù)字機頂盒對發(fā)展交互式電視具有重大意義。

2 數(shù)字機頂盒結(jié)構(gòu)組成及實現(xiàn)功能

　　模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)化的進程不斷加快，這不僅僅是視頻傳輸和顯示的一場變革，更重要的是由于采用了先進的數(shù)字壓縮技術(shù)、多媒體技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡技術(shù)，從而使電視廣播不再限于單向發(fā)送音頻視頻信號，而是需要服務提供商能夠根據(jù)用戶的選擇來提供相應的服務。模擬機頂盒只具備電視調(diào)諧和解碼功能已不能滿足要求，新型的數(shù)字機頂盒因此應運而生。

　　數(shù)字機頂盒是一種將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的變換設(shè)備，通過對數(shù)字化壓縮的圖像聲音信號進行解碼還原，產(chǎn)生模擬視頻和聲音信號，以提供給觀眾高質(zhì)量的電視節(jié)目。數(shù)字化、交互式、多媒體、多功能是數(shù)字機頂盒的基本特征，其中交互式是數(shù)字機頂盒的生命力所在。因為只有交互才能使用戶的要求得以實現(xiàn)，而在未來有線電視和多媒體寬帶網(wǎng)中最有應用前景的也正是交互式電視。

2.1 數(shù)字機頂盒結(jié)構(gòu)組成

　　數(shù)字機頂盒由四大子系統(tǒng)組成，即控制子系統(tǒng)、信號處理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡接口子系統(tǒng)、用戶擴展接口子系統(tǒng)。

　　· 控制子系統(tǒng)：控制系統(tǒng)或系統(tǒng)微處理器是數(shù)字機頂盒的核心，它由 CPU、 ROM、 RAM組成。微處理器通過總線把各部分和諧地組織起來，除負責各子系統(tǒng)的初始化之外，還必須控制各部分的協(xié)調(diào)工作，共同實現(xiàn)數(shù)字機頂盒的整體功能。

　　· 信號處理子系統(tǒng)：由單片或多片專用芯片組成。其中，數(shù)字調(diào)諧器接收來自天線、地面或有線電視網(wǎng)來的數(shù)字信號，并且從控制系統(tǒng)接收指令，通告有關(guān)傳輸層的類型、帶寬、解調(diào)方式和解碼信息。然后進行信道解調(diào)，解調(diào)后的視頻數(shù)據(jù)流和音頻數(shù)據(jù)流送至 MPEG-2解碼器和MPEG-4解碼器。

　　· 網(wǎng)絡接口子系統(tǒng)：用來實現(xiàn)與視頻服務器的全雙工通信，針對不同的接入網(wǎng)，采用相應的接口。

　　· 用戶接口及擴展接口子系統(tǒng)：與紅外遙控器、面板、游戲控制器等外設(shè)進行通信，另外，隨著付費電視的逐漸實行，解密卡和智能卡將成為數(shù)字機頂盒中必不可少的部分。

　　事實上，一個完整的數(shù)字機頂盒由硬件平臺和軟件系統(tǒng)組成。底層軟件提供操作系統(tǒng)內(nèi)核以及各種硬件驅(qū)動程序；中間件將應用軟件與依賴于硬件平臺的底層軟件分隔開，使應用不依賴于具體的硬件平臺；應用軟件包括本機存儲的應用和可下載的應用程序，通過應用程序來實現(xiàn)機頂盒的各種功能。

2.2 數(shù)字機頂盒實現(xiàn)功能

數(shù)字機頂盒的基本功能是接收和解碼數(shù)字電視廣播。

　　此外，圍繞數(shù)字機頂盒的數(shù)字視頻、數(shù)字信息與交互式應用三大核心功能開發(fā)了多種增值業(yè)務，包括：　　· 電子節(jié)目指南EPG(Electronic Program Guide)：它為用戶提供一種容易使用、界面友好、快速訪問所需節(jié)目的方式，用戶可以通過EPG看到一個或多個頻道甚至所有頻道上近期將播放的電視節(jié)目。

　　· 高速數(shù)據(jù)廣播：它能為用戶提供股市行情、票務信息、電子報紙、熱門網(wǎng)站等各種信息。

　　· 軟件在線升級：是數(shù)據(jù)廣播的應用之一，數(shù)據(jù)廣播服務器按DVB（Digital Video Broadcasting）數(shù)據(jù)廣播標準將升級軟件廣播下來，數(shù)字機頂盒能識別該軟件的版本號，在版本不同時接收該軟件以對保存在存儲器中的軟件進行更新。

　　· 因特網(wǎng)接入和電子郵件：數(shù)字機頂盒可通過內(nèi)置的電纜調(diào)制解調(diào)器方便地實現(xiàn)因特網(wǎng)接入功能，并通過機頂盒內(nèi)置的瀏覽器上網(wǎng)，發(fā)送電子郵件，也可提供各種接口與PC相連。

　　· 有條件接收：其核心是加擾和加密。數(shù)字機頂盒應具有解擾解密功能，這是交互式電視收費運營機制的保證，通過建立一種有償服務體系，為交互式電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定良性循環(huán)的經(jīng)濟基礎(chǔ)。

3 數(shù)字機頂盒關(guān)鍵技術(shù)

　　數(shù)字機頂盒集中反映了多媒體、計算機、數(shù)據(jù)壓縮編碼、加解擾算法、加解密算法、通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展水平，因此技術(shù)含量非常高，其關(guān)鍵技術(shù)主要有：

　　· 復用和解壓縮技術(shù)：模擬信號數(shù)字化后，信息量劇增，數(shù)據(jù)壓縮必不可少。MPEG-2( ISO/IEC 13818)視頻壓縮標準在交互式電視中廣泛采用，適用于多種清晰度圖像質(zhì)量；MPEG-4(ISO/IEC 14496)則采用基于對象的壓縮編碼方法，它把圖像和視頻分割成不同的對象分別處理，不僅提高了數(shù)據(jù)壓縮比,還能實現(xiàn)許多基于內(nèi)容的交互功能，為多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼提供了更為廣闊的平臺。

　　隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的廣泛應用，數(shù)字機頂盒硬件實現(xiàn)多采用專用芯片或數(shù)字信號處理（DSP，Digital Signal Processing）芯片，將CPU 內(nèi)核與MPEG-2 、MPEG-4傳輸流解復用器、DVB通用解擾器、MPEG音頻視頻解碼器和NTSC/PAL編碼器集成，形成STB 的核心芯片，以實現(xiàn)實時解復用和實時數(shù)據(jù)信息處理。

　　· 下行數(shù)據(jù)解調(diào)與信道解碼技術(shù)：壓縮后的數(shù)據(jù)不能直接在信道上傳輸，還需進行信道編碼和調(diào)制。國際、國內(nèi)標準均規(guī)定，在有線網(wǎng)絡中傳輸數(shù)字電視及增值業(yè)務采用QAM(Quadrature Amplitude Modulation)調(diào)制方式及RS(Reed Solomon)糾錯編碼。

　　· 上行數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼：在交互式應用中，需要考慮上行數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼問題，目前普遍采用3種方式，即采用電話線傳送上行數(shù)據(jù)，采用以太網(wǎng)傳送上行數(shù)據(jù)和通過有線網(wǎng)絡傳送上行數(shù)據(jù)。由于上行數(shù)據(jù)相對于下行數(shù)據(jù)要少很多，故多使用 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)或 16QAM方式進行調(diào)制。

　　· 網(wǎng)絡瀏覽技術(shù)：為實現(xiàn)真正意義上的網(wǎng)絡瀏覽，有線電視網(wǎng)與因特網(wǎng)連接除了考慮上行和下行數(shù)據(jù)之外，還必須考慮在其上運行IP（Internet Protocol）。

　　· 實時操作系統(tǒng)：數(shù)字機頂盒中的操作系統(tǒng)采用實時操作系統(tǒng)（RTOS，Real-Time Operating Sys- tem)，如目前流行的VxWorks、Windows CE等。RTOS可在實時環(huán)境中工作，并占用較小的內(nèi)存空間,它負責管理本地資源和網(wǎng)絡資源，提供基本的操作功能以及設(shè)備的訪問控制。

　　· 中間件技術(shù)：中間件（Middleware）技術(shù)，即開放式業(yè)務平臺，已成為交互式電視的核心技術(shù)。中間件通常由Java虛擬機、網(wǎng)絡瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成，通過定義一組完整的標準應用程序接口，使應用程序獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，使應用程序的開發(fā)變得更加簡捷，產(chǎn)品的開放性和可移植性更強，以保證機頂盒的擴展性和投資的有效回收。

4 MPEG-4在數(shù)字機頂盒中的交互應用

4.1 MPEG-4在交互式應用中的優(yōu)勢

　　作為一種新型的視頻壓縮標準，MPEG-4正開始應用在多媒體存取和交互式電視技術(shù)中，它通過定義一種格式、一種框架，而不是具體算法，以實現(xiàn)一種更自由的通信與開發(fā)環(huán)境。

　　MPEG-4具有以下重要特性，非常適于交互式多媒體應用。

　　· MPEG-4支持將不同性質(zhì)的對象和不同來源的素材用于不同應用，既考慮了各類Web性能差異性，又允許多媒體信息以通用的形式接入，是第一個使用戶視聽方式由被動轉(zhuǎn)為主動的動態(tài)圖像標準；

　　· MPEG-4在較低的數(shù)據(jù)碼率下，仍具有很高的視頻圖像質(zhì)量，它提供了比 MPEG-1和MPEG-2更強的編碼算法，能實現(xiàn)極低碼率下的多媒體交互應用中音頻視頻數(shù)據(jù)的綜合。

4.2 MPEG-4在數(shù)字STB中的交互應用

　　在交互式電視應用中，數(shù)字化數(shù)據(jù)可以伴隨數(shù)字音頻視頻信號同時傳送給用戶，從而能夠在交互式環(huán)境里享受視聽。因此開發(fā)數(shù)字機頂盒時，除應具備MPEG-2的音頻視頻功能外，還應具有以下功能：

　　· 多媒體碼流控制；

　　· 輸出控制；

　　· 用戶界面控制；

　　· 繪圖合成與控制；

　　· 限制訪問管理；

　　· 電子節(jié)目指南顯示和控制；

　　· 檔次管理；

　　· 資源管理。

　　這些功能適于用MPEG

-4來實現(xiàn)，這正是考慮了MPEG-4可在保證系統(tǒng)特定質(zhì)量的前提下，對音頻、視頻數(shù)據(jù)進行最大程度的壓縮，以便最有效地利用系統(tǒng)帶寬，并支持Web的多媒體交互應用，故可利用MPEG-4來開發(fā)這種新型數(shù)字機頂盒。

5 結(jié)束語

　　交互式電視是未來有線電視的發(fā)展方向，在多媒體寬帶網(wǎng)建設(shè)和國家信息基礎(chǔ)設(shè)施中占有舉足輕重的地位。當前我國正處在數(shù)字電視與高清晰度電視發(fā)展的關(guān)鍵時期，交互式電視產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，因此大力發(fā)展數(shù)字機頂盒尤為重要。

　　數(shù)字機頂盒不僅是寬帶綜合信息網(wǎng)的重要組成之一，更重要的是與之相關(guān)的多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡技術(shù)將是未來構(gòu)建信息高速公路的關(guān)鍵技術(shù)。交互式電視正是以上述技術(shù)為基礎(chǔ)，并相輔相成，為應用上述技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品提供契機，這必將對推動信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，加快我國數(shù)字化、網(wǎng)絡化和信息化進程具有特別重要的意義。

　　劉 達，南京郵電學院信息工程系碩士研究生，研究方向：信息網(wǎng)絡與多媒體通信。

　　龔建榮，南京郵電學院信息工程系副教授，博士，研究生導師，研究領(lǐng)域：信息網(wǎng)絡、多媒體通信、PPGA/CPLD/ASIC設(shè)計。