高清数字电视机顶盒关键技术研究与系统实现

沈振龙

【摘要】高清数字电视是21世纪最有前途的新兴产业。我国政府也在积极推广模拟到数字高清电视的过渡，社会财产达到4亿单位。具有模拟电视和高清数字机顶盒的高清数字电视是中国从模拟电视到高清数字电视的过渡模式。虽然中国的高清数字电视机顶盒已经发展了10多年，但对高清数字电视机顶盒的研究仍然具有当今高清数字电视集成设备的实际意义。在此同时，4k高清数字电视机顶盒的发展可以加速多媒体处理器的发展。在此背景下，将详细研究数字高清电视机顶盒的技术以及硬件和软件设计。本白皮书介绍了4K芯片组数字高清电视机顶盒的设计和实现。重点是数字高清电视机顶盒的硬件设计和实现。

【关键词】高清4k;机顶盒

一、绪论

（一）超高清数字电视

（1）HDTV就是High Definition Television 的简称，中文意思是"高清晰度电视"，源于DTV（Digital Television）"数字电视"技术，采用数字信号，拥有最佳的视频、音频效果。

（2）HDTV有三种显示格式，分别是：720P（1280×720，非交错式，场频为24、30或60），1080 i（1920×1080，交错式，场频60），1080P（1920×1080，非交错式，场频为24或30）。

（二）国内、外高清数字电视的发展状况

（1）国内高清数字电视的发展状况近些年来，中国高清数字电视市场发展迅速，全国广电有线电视产业正在积极推动广超高清数字电视的普及和应用。与此同时，全球互联网电视市场发展迅速：美国宽带互动视频服务市场几年前进入商业化阶段并不断发展。 并支持宽带业务销售额的20%。香港的电讯盈科宽带用户占香港所有用户的三分之一，其中60%使用宽带，相当于每月30，000名用户。

（2）国外高清数字电视发展状况

根据该计划，到2007年底，高清数字电视和卫星电视的最后一个模拟电视台将覆盖挪威人口100%。西班牙，荷兰和瑞典等西欧国家也在推出高清数字电视服务。在美国，作为一个已经开发出世界上高清数字电视的国家，不仅开发了高清数字艺术电视的三个标准，而且还实现了商业广播。2004年，美国的有线电视家庭数量达到1.2亿，电视接收高分辨率数字电视信号的家庭用户数量达到99.5%。韩国的高清数字电视产品也使用了美国的ATSC标准，这个标准于2005年在全国发布，在此同时，韩国的政府在2009年前终止其模拟信号的传输和推广，截止目前韩国数字电视的高清分布将达到95%。

（三）超高清数字电视机顶盒

（1）高清数字电视机顶盒的作用

高清电视是一种全球趋势。 用于数字高清电视的机顶盒是用于数字高清电视的过渡产品。 这是运用基于计算机网络技术的现有网络资源以及宽带特性的高清数字电视传输系统的终端。由于它一般被用户放置在电视机上，因此通常被大家称为机顶盒（STB）。HD HDTV机顶盒的主要功能是将接收到的数字电视信号转换为高清模拟电视信号，以便用户无需模拟电视即可接收高清数字电视节目改变。 这确保了现有的模拟电视可以接收高清数字电视节目。

（2）高清数字电视机顶盒的发展现状

2003年，中国有大约120万个后投影和大约8万台平板电视。 这些彩色电视的一般定义超过1000行。 大多数高端的电子管数字电视的分辨率也超过了1，000线。 这部分电视机本身是没有数字。 信号的接收及交互式的应用功能。 此外，这部分的用户是精通时尚的高端用户，为开发高分辨率，高清数字电视机顶盒提供商机。 机顶盒巨大的潜在市场引起了芯片制造商，CA制造商，中间件厂商，机顶盒制造商和投资者的热情，而STB的竞争也得到了充分发展。

二、高清4K数字电视机顶盒的基本工作原理和核心技术

（一）超高清数字电视机顶盒的工作基本原理。调谐模块接收rf信号并将其转变为IF信号。

（二）4K超高清机顶盒技术介绍

4K，新一代好莱坞热门歌曲的标准定义。 与您在家中看到的所谓HDTV（1080P，1920 x 1080分辨率）不同，它的分辨率为4096 x 2160，尽管它与传统数字电影的2K分辨率（2048 x 1080分辨率）不同。 傳统的高清电视是一个207万像素的图片，传统的数字电影是一个221万像素的图片，而4K电影是一个880万像素的高清图片。

三、高清数字电视机顶盒的总体方案设计

（一）超高清数字电视机顶盒的方案设计

超高清数字电视机顶盒设计解决方案包括两个基本组成部分：前端信号接收和后端信号处理。前端信号接收包括调谐器和信号解码器。后端信号处理通常是单芯片源解码器，其集成了MPEG-2解码器和CPU。

目前，机顶盒芯片供应商销售低端到高端产品的源解码器，但主要在中国市场销售低成本芯片。典型产品有ST的STi5518B，LSI的AVIA-9700，富士通的SmartMPEG和海尔。爱国者Hi2016芯片。在这种低成本解码器中，集成处理器时钟通常具有小于150MHz的时钟频率并且没有硬盘或USB接口。 LSI AViA-9700支持视频解码区域无限制的图像叠加，允许制造商通过软件控制图像回放。它还提供PIG（画中画）功能。 AVIA-9700的一个特殊功能是2D图形加速器，可以更好地再现动画。 ST的STi5518B具有成本效益，主要用于实现基本功能，如接收高清数字电视信号和接收库存信息。

（二）机顶盒硬件模块芯片的选择

基于前面对超高清机顶盒的基本工作原理和结构的分析以及整个模块系统结构的框架，高清机顶盒设计一般可分为以下几个内容：信号解码器模块主要它包括信号接收，频率转换，解调，调谐和QAM解调。

（1）主控制模块完成整个机顶盒的传输流解复用，MPEG-2解码，视频和音频编码以及它的通讯控制。

（2）一种存储器模块，用于储存机顶盒的系统软件，驱动软件，应用程序，用户信息和数据信息。

（3）解调系统：采用Intel公司的CE6210芯片，配合数字高频头的调谐。CE6210高度集成了实现解调所需要的各种功能，包括信道解码、FEC和R-S解码等功能，与Hi2016的芯片完全的兼容，提供标准的串行或并行数据流输出。

四、超高清数字机顶盒的具体设计

（一）QAM信号解码的具体设计方案

（1）解调数据流和频率的关系。本文设计的高清机顶盒采用的是CE6210QAM解码芯片和DCT7042调谐器。

源编码器以MPEG-2的格式压缩图像和声音，这显著减少了数据量并且减少了所需的带宽。冗余码就是奇偶校验码，允许前向纠错解码器消除由于信号错误而引起的传输错误，由于传输信道中的大多数错误都是由外部环境突然变化引起的，因此很多错会在短时间内发生。由于冗余代码可以纠正的错误位非常的局限，所以必须重新排列原始代码流的顺序。插补器会自动执行此操作以避免传输过程中的突然错误。内插器将突发错误转换为一系列字节。该字节可以通过R-S前向纠错编码来纠正。最后，QAM调制器模块生成控制带宽的波形信号，这可以在及其有限的带宽线上无失真地的来传输，解调器与用于FEC解码的集成信号解码解决方案。通过有线信道发送的信号在编码后被频移。频移期间频率变化之间的关系。

8MHz@50～750MHz 8MHz@5～7.5MHz

QAM解调系统中频率变化关系

数字化视频编码流（比特流）被发送到QAM调制发射机，其发送具有低IF的比特流， RF信号上变频器限制带宽信号调制。 适用在电缆线束传输频谱。 载波频率通常为50 MHz到750MHz。

（2）CE6210解调系统

ADC模块是负责来自调谐器的模拟信号转变成为数字信号，QAM解调器模块是负责从ADC模块将转变来的数字信号的QAM解调并且支持16-256的解调，前向纠错解码器则是负责前向的纠错解码。以下重点介绍QAM解调最重要的模块。

（3）AGC控制模块：AGC控制，高频头输出到ADC。对于ADC，两个参考电位之间的距离是很有限的，所以如果输入信号误差距离过大，则就会产生数字输出结果错误。类似信号的相位抖动是由有线信号的时变特征，调谐器的宽带滤波器，变频电路和接收侧的自适应均衡器的噪声引起的。

（二）主控模块的具体设计

（1）Hi2016芯片介绍

Hi2016芯片集成了标准8051指令集和8位CPU兼容嵌入式解码器，兼容Dells390寻址模式，MPEG-2传输流的解复用，解码和音频/视频输出转换，以及完成并执行其他模块控制，通信任务。

SDRAM接口：将SDRAM拆分为不同的时隙，以生成所需的时序和SDRAM操作，音视频解码，播放等。

系统解码和条件接收：接收串行TS或PS流，解析指定的基本流并将其存储在硬件中的SDRAM中，并分析系统信息，如ECM和TELETEXT。

视频解码：系统解码器分析视频基本流，视频解码器执行视频解码，数据矢量化，数据重构，反余弦变换（ODCT），运动补偿（MC），IDCT和MC数据合并。发送模块以捕获视频数据（YUV格式）并将其存储在SDRAM中。

音频解码：系统解码器分析音频基本流并将其发送到音频解码器。音频数据（PCM格式）由音频流解码，数据被解量化，数据被重建，数据被过滤并且其他模块被捕获并存储在SDRAM芯片中。

高清视频播放：包括液晶电视机接口，播放数据生成和播放策略电路，支持水平扩展，视频和OSD数据混叠，播放调整等，以及PAL或NTSC电视数据的生成。

电视编码器：将视频的数字输出格式转换为模拟格式。

（2）主要控制模块的解码过程及分析

1）系统解码过程

主控制模块读取MPEG-2传输流或者节目流，并将它们储存在片外SDRAM芯片中。 音频和视频解码器在解码后从SDRAM芯片中读取基本流。数据存储在SDRAM中，音频和视频重放模块从SDRAM读取相应的数据。

2）视频解码过程

在系统解码TS数据流之后，捕获视频基本流并将其储存在视频压缩缓冲器中。 视频解码从视频压缩数据缓冲器捕获压缩数据，并执行可变长度码解码，反量化，反余弦变换和运动补偿，并且合并其数据以产生视频图像数据并且储存在视频图像数据缓冲器中。 渲染模块从视频图像数据缓冲器中提取视频图像数据，使OSD数据混叠，然后再根据液晶电视机接口发送视频图像。

五、结论

有线高清数字电视机顶盒需要更多工作。必须使用驱动程序来调试机顶盒硬件。但是，驱动程序包含许多硬件，条件接收系統是高清数字电视系统的重要组成部分。付费电视是高清数字电视广告的常见形式。后续工作将包括基于此主题的软件和条件接收系统。

硬件：CPU功能更强大，MPEG解码器支持多个同步解码程序，有线调制解调器速度更快，支持快速上网和电子邮件，并将网页集成到视频中。在使用方面，机顶盒支持其他应用，如电子节目指南，按次付费，数据传输，电子邮件，互联网接入和视频电话。  高清数字电视正在迅速发展，高清数字电视服务正变得越来越多，对高清电视数字机顶盒的需求正在稳步增长。

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