數字機頂盒關鍵技術及交互應用

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

　　關鍵詞 交互式電視 數字機頂盒 視頻點播 電子節目指南 實時操作系統

1 引言

　　在以數字化、網絡化和信息化為基本特征的21世紀，電信網、計算機網和有線電視網三網融合的進程必將不斷加快，而這種融合的具體體現正是交互式電視（ITV ，Interactive Television）。

　　交互式電視是一種受用戶控制的視頻分配業務，在節目間和節目內觀眾能夠作出選擇。它采用一種不對稱的雙向傳輸網絡，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。正是現代通信技術、多媒體技術和數據壓縮編碼技術的進步，為傳統的模擬、單向有線電視，向數字化、交互式方向發展奠定了堅實的基礎。

　　數字機頂盒（STB，Set-Top-Box）是交互式電視系統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，設計性能卓越、功能完備的數字機頂盒對發展交互式電視具有重大意義。

2 數字機頂盒結構組成及實現功能

　　模擬電視向數字電視轉化的進程不斷加快，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字壓縮技術、多媒體技術和寬帶網絡技術，從而使電視廣播不再限于單向發送音頻視頻信號，而是需要服務提供商能夠根據用戶的選擇來提供相應的服務。模擬機頂盒只具備電視調諧和解碼功能已不能滿足要求，新型的數字機頂盒因此應運而生。

　　數字機頂盒是一種將數字電視信號轉換成模擬信號的變換設備，通過對數字化壓縮的圖像聲音信號進行解碼還原，產生模擬視頻和聲音信號，以提供給觀眾高質量的電視節目。數字化、交互式、多媒體、多功能是數字機頂盒的基本特征，其中交互式是數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，而在未來有線電視和多媒體寬帶網中最有應用前景的也正是交互式電視。

2.1 數字機頂盒結構組成

　　數字機頂盒由四大子系統組成，即控制子系統、信號處理子系統、網絡接口子系統、用戶擴展接口子系統。

　　· 控制子系統：控制系統或系統微處理器是數字機頂盒的核心，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，除負責各子系統的初始化之外，還必須控制各部分的協調工作，共同實現數字機頂盒的整體功能。

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

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

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

　　事實上，一個完整的數字機頂盒由硬件平臺和軟件系統組成。底層軟件提供操作系統內核以及各種硬件驅動程序；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機頂盒的各種功能。

2.2 數字機頂盒實現功能

數字機頂盒的基本功能是接收和解碼數字電視廣播。

　　此外，圍繞數字機頂盒的數字視頻、數字信息與交互式應用三大核心功能開發了多種增值業務，包括：　　· 電子節目指南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目。

　　· 高速數據廣播：它能為用戶提供股市行情、票務信息、電子報紙、熱門網站等各種信息。

　　· 軟件在線升級：是數據廣播的應用之一，數據廣播服務器按DVB（Digital Video Broadcasting）數據廣播標準將升級軟件廣播下來，數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。

　　· 因特網接入和電子郵件：數字機頂盒可通過內置的電纜調制解調器方便地實現因特網接入功能，并通過機頂盒內置的瀏覽器上網，發送電子郵件，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，為交互式電視產業的發展奠定良性循環的經濟基礎。

3 數字機頂盒關鍵技術

　　數字機頂盒集中反映了多媒體、計算機、數據壓縮編碼、加解擾算法、加解密算法、通信技術和網絡技術發展水平，因此技術含量非常高，其關鍵技術主要有：

　　· 復用和解壓縮技術：模擬信號數字化后，信息量劇增，數據壓縮必不可少。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，不僅提高了數據壓縮比,還能實現許多基于內容的交互功能，為多媒體數據壓縮編碼提供了更為廣闊的平臺。

　　隨著大規模集成電路技術及嵌入式系統技術的廣泛應用，數字機頂盒硬件實現多采用專用芯片或數字信號處理（DSP，Digital Signal Processing）芯片，將CPU 內核與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，以實現實時解復用和實時數據信息處理。

　　· 下行數據解調與信道解碼技術：壓縮后的數據不能直接在信道上傳輸，還需進行信道編碼和調制。國際、國內標準均規定，在有線網絡中傳輸數字電視及增值業務采用QAM(Quadrature Amplitude Modulation)調制方式及RS(Reed Solomon)糾錯編碼。

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

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

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

　　· 中間件技術：中間件（Middleware）技術，即開放式業務平臺，已成為交互式電視的核心技術。中間件通常由Java虛擬機、網絡瀏覽器、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和硬件平臺，使應用程序的開發變得更加簡捷，產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在數字機頂盒中的交互應用

4.1 MPEG-4在交互式應用中的優勢

　　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中，它通過定義一種格式、一種框架，而不是具體算法，以實現一種更自由的通信與開發環境。

　　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為主動的動態圖像標準；

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

4.2 MPEG-4在數字STB中的交互應用

　　在交互式電視應用中，數字化數據可以伴隨數字音頻視頻信號同時傳送給用戶，從而能夠在交互式環境里享受視聽。因此開發數字機頂盒時，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，這正是考慮了MPEG-4可在保證系統特定質量的前提下，對音頻、視頻數據進行最大程度的壓縮，以便最有效地利用系統帶寬，并支持Web的多媒體交互應用，故可利用MPEG-4來開發這種新型數字機頂盒。

5 結束語

　　交互式電視是未來有線電視的發展方向，在多媒體寬帶網建設和國家信息基礎設施中占有舉足輕重的地位。當前我國正處在數字電視與高清晰度電視發展的關鍵時期，交互式電視產業蓬勃發展，因此大力發展數字機頂盒尤為重要。

　　數字機頂盒不僅是寬帶綜合信息網的重要組成之一，更重要的是與之相關的多媒體技術、數據壓縮技術、寬帶網絡技術將是未來構建信息高速公路的關鍵技術。交互式電視正是以上述技術為基礎，并相輔相成，為應用上述技術開發新產品提供契機，這必將對推動信息產業的飛速發展，加快我國數字化、網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，研究領域：信息網絡、多媒體通信、PPGA/CPLD/ASIC設計。