数字电视机顶盒的构成与工作原理

数字电视机顶盒内部一般由高频头、信号解调器、信道解码器、传送流解复用器、信源解码器（如MPEG-2解码器）、模拟音视频信号处理器、嵌入式处理器（CPU）系统和外围接口、条件接收模块（在广电行业习惯称为CA模块）等组成。具有交互功能的机顶盒则需要回传通道功能模块，目前带有交互功能的数字电视机顶盒内部大多数都设置有网卡模块，它可以和网线连接，用来回传数字电视机顶盒的上行数据。

数字电视的传输一般分为卫星、有线HFC网络（光纤和电缆混合网）和地面无线3种途径，所以对应不同的数字电视传输信道，就应该用不同接收方式的数字电视机顶盒，例如，用卫星数字电视机顶盒来接收电视节目时就应该配套使用卫星天线等辅助设备；用有线数字电视机顶盒来接收电视节目时就应该开通有线电视网络信号，将同轴电缆线接入机顶盒的后面板插座。用地面（无线）数字电视机顶盒时就应该考虑配置鞭状天线或者车载吸盘天线来接收。

1.卫星数字电视机顶盒

卫星数字电视接收机一般由接收天线（包括馈源）、低噪声下变频器（高频头）和卫星数字电视接收机3部分组成。其中卫星天线、高频头称为室外单元，卫星数字电视接收机称为室内单元，或综合解码接收机（IRD），现在人们已经习惯称IRD为机顶盒了。

一个典型的卫星数字电视机顶盒包括调谐器、信号解调器、信道解码器、MPEG-2传输流解复用器、MPEG-2音视频解码器和模拟音视频信号处理器等部分，如图9-5所示。

图9-5 卫星数字电视机顶盒的组成示意图

在卫星数字电视机顶盒信道接收模块部分，C波段（3.7～4.2GHz）或者Ku波段（11.7～12.75GHz）的卫星下行信号由天线接收，经过高频头放大和下变频，形成950～2150MHz的第一中频信号，经电缆送到机顶盒的调谐器，高频调谐器根据所需接收的频率，通过PLL（锁相环）环路控制本机振荡器频率，把输入信号变频成第二中频（479.5MHz）信号，送到正交检相器分解出I、Q两路模拟信号，经过A/D（模/数）转换器再把这两路模拟信号分别转换成并行数字信号，进入QPSK解调电路和信道前向纠错解码电路。信道前向纠错解码电路部分包括卷积码的维特比（Viterbi）解码器和RS（Reed Solomon）解码器，输出符合MPEG-2标准的传送流（TS）。

在进行MPEG-2音视频解码前，要先对TS流进行解复用。传送流解复用器根据所要收视节目的包标识符（PID）提取出对应的视频、音频和数据包，然后输出符合MPEG-2标准的打包的视音频基本流（PES），送入MPEG-2解码器。解复用芯片内部集成了32个以上用户可编程的PID过滤器，其中1个用于视频数据的过滤，1个用于音频数据的过滤，余下的部分可用于节目特定信息（PSI）、业务信息（SI）和私有数据的过滤。解复用芯片系统时钟频率一般为27MHz，由压控振荡器（VCXO）产生，通过提取码流中的节目时钟基准（PCR）控制PLL环路，使机顶盒的系统时钟和输入节目的时钟同步。解复用芯片内部还嵌有RISC CPU（精简微处理器），能处理数字电视机顶盒复杂的系统任务，如传输字幕、屏幕显示（OSD）、图文电视、电子节目指南（EPG）等。

当MPEG-2解码器完成了音频、视频数据的解压缩后，还需要经模拟视频编码器和音频D/A转换，还原出模拟的视频、音频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。

在解码过程中，如果对于需要付费才能正常收看的电视节目，数字电视机顶盒内部的条件接收模块会对音频、视频流实施解扰，并采用含有识别用户和记账功能的智能卡，以保证合法用户正常收看。

目前在数字电视机顶盒应用中，通常将MPEG-2解码模块与解复用模块集成在一起，一般称为主处理器。数字电视机顶盒的内部核心部分是由主处理器、程序存储器（EPROM或Flash）、数据存储器（DRAM、SDRAM）、总线驱动器和各种接口电路等组成的，它们是数字电视机顶盒的控制中心。它们的主要作用是控制和协调各部分电路的工作，完成整机系统的初始化和测试、安全处理、通信口协议处理及PSI表的管理等任务，并按照设计的程序完成机器的各种功能，以及通过操作面板接口和IR遥控器接口与使用者进行人机对话。(www.xing528.com)

主处理器是嵌入式操作系统的运行平台，它要和操作系统一起完成网络管理、显示管理、条件接收管理、图文电视解码、视音频解码、OSD屏幕显示、视频信号的上下变换等功能。为了实现这些功能，必须在普通32～64位CPU处理器上扩展许多新的功能，并不断提高速度，以适应高速网络和三维游戏的要求。在早期生产的机顶盒中，其主处理器为单独的16位或32位高性能CPU。而现在的数字电视机顶盒几乎无一例外地都采用了嵌入式32位CPU，如STi5500/5518、L64008/64108、MB87L2250及SC2000/2005中都内嵌32位CPU。主处理器通过外部数据总线与程序存储器和数据存储器相连，从程序存储器中读取固化在其中的控制程序，从数据存储器中读取各种数据，然后按程序规定的步骤执行相应的操作，完成机器的各种功能。主处理器还通过I²C总线直接与QPSK解调器、E² PROM和视频编码器相接，控制这几部分电路完成各自的功能。

在数字电视机顶盒的控制电路中还包括各种接口电路，如操作面板接口、IR遥控器接口、IC智能卡接口和RS-232串口升级接口电路等，分别与操作面板、IR遥控器、IC卡座等相连。这些电路一般是一块独立的电路板，安装在机顶盒的前面板。操作显示面板由键盘和LED（发光二极管）4位七段数码显示器组成。键盘作为人机接口，供人们利用按键或遥控器对机器进行人工控制。LED显示器主要用来显示机器正在接收的频道号，有些机顶盒还能显示信号强度及操作信息。

2.有线数字电视机顶盒

有线数字电视机顶盒与卫星数字电视机顶盒相比，所不同的是，有线数字电视机顶盒与有线电视网连接，采用QAM解调器接收信号，而卫星数字电视机顶盒采用QPSK解调器。此外，有线数字电视的传输频率上限一般在860MHz，卫星数字电视机顶盒的接收频率是950～2150MHz。有线数字电视系统前端的QAM数字调制器作为DVB系统的前端设备，接收来自编码器、复用器、DVB网关、视频服务器等设备的TS流，进行RS编码、卷积编码和QAM数字调制，输出的射频信号可以直接在有线电视网上传送，同时也可根据需要选择中频输出。其他部分两者基本相同。

3.地面数字电视机顶盒

对于地面数字电视广播标准，经国际电信联盟（ITU）批准的共有3个，分别为欧盟的DVB-T标准、美国的ATSC标准和日本的ISDB-T标准。这里简要介绍DVB-T地面数字电视机顶盒的组成及工作原理。

DVB-T系统采用编码正交频分复用（COFDM）调制方式，在8MHz带宽内能传送4套数字电视节目；采用MPEG-2视频、音频压缩编码技术。DVB-T标准中主要规范的是发送端的系统结构和信号处理方式，对接收端则是开放的，可以开发各自的DVB-T接收设备，只要该设备能够正确接收和处理发射信号，并满足DVB-T中所规定的性能指标。DVB-T机顶盒的信号流程如图9-6所示。

图9-6 DVB-T机顶盒的信号流程

当无线信号经天线接收后进入混频器，经过中频放大、A/D转换后进行前同步，经过FFT解调之后进行后同步，再进行导频提取及OFDM帧同步，然后进行信道估计与均衡，经COFDM星座解映射、频率解交织、维特比译码、比特解交织以及RS解码后，恢复为TS流输出送到主处理器芯片内部进行视频解码和音频解码，视频信号经过外围电路滤波和放大输出给后面板的AV端，音频信号经过D/A转换后放大输出给扬声器。