基于三網融合的數字機頂盒的設計與應用

馬 勇，陰家龍，楊 永，林詠海

(淮安信息職業技術學院電子信息工程學院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

數字電視機頂盒(Set Top Box STB)是隨著電視系統的更新而推出的一種家庭數字終端產品，其功能是對衛星數字電視信號、地面數字電視信號、有線電視網數字信號和互聯網的數字信號進行解調、解碼，轉換成目前電視機能接收的模擬信號和數字信號，使用戶可以在模擬和數字化電視機上觀看數字電視節目，進行互動娛樂。隨著中國下一代廣播電視網(NGB)的到來，電視機頂盒技術也在不斷地發展。

1 現有的機頂盒類型

1.1 單向型機頂盒

單向型機頂盒的主要功能是實現數字電視信號的轉換，主要是以廣播電視節目為主，信號由頭端設備到用戶進行下行傳輸，有線電視網可以支持模擬電視信號和數字電視信號(其中包括數據廣播業務)。業務對網絡的要求是單向廣播網，單向型機頂盒完成數字射頻信號的解調、解壓縮、制式轉換、數字信號到模擬信號的轉換。其原理框圖如圖1所示。

1.2 互動型機頂盒

互動機頂盒分為三種:①基于正交幅度調制(QAM)方式來推送節目流型;②基于國際互聯網絡通訊協定(IP)方式來推送節目流型;③同時滿足QAM方式與IP方式的雙模型。主要功能包括電視點播(VOD)、互動電視(iTV)、網絡電視(IPTV)、時移電視(TSTV)、Internet訪問、數據下載、在線游戲等信息化應用，提供 TCP/IP協議數據的計算機雙向通信服務。其原理框圖如圖2所示。

圖1 單向機頂盒的原理框圖

2 基于三網融合的數字機頂盒設計與應用

2.1 硬件實現方案

機頂盒基本硬件系統主要包括核心控制單元、媒體處理單元、網絡通信接口、媒體播放接口、控制接口及各類外設和擴展接口。傳統機頂盒主要實現基本功能，如媒體處理單元實現視、音頻解碼和基本圖形顯示，網絡通信接口一般為有線網絡接口，媒體播放接口為視、音頻輸出接口，控制接口為紅外接口。為適應三網融合需求，機頂盒在媒體處理、硬件接口等方面的功能都需要完善。新的實現方案如圖3所示。

目前主流機頂盒的CPU主頻為500MHz、內存及Flash為128～256 MB，在三網融合以后，建議硬件配置 CPU主頻達到 800MHz～1GHz，內存及Flash均達到512 MB以上。

原有的媒體處理主要指視、音頻解碼及普通的圖形處理功能，針對新融合視頻通信、卡拉OK游戲及用戶界面(UI)的需求，需要增加視、音頻編碼模塊，混音模塊和3D圖形加速處理模塊。同時，為了支持高清視頻業務的開展，機頂盒必須支持高清音、視頻解碼技術;為了支持多視頻畫面，機頂盒必須具有外圍交換程序(PIP)功能。

網絡傳輸接口的變化:由于家庭房間大小和布局結構的變化，機頂盒需要進一步支持無線網絡接口，例如，支持美國電氣電子工程師學會(IEEE)802.11n，支持WiFi和藍牙技術，而不僅是支持有線接口。

圖2 互動機頂盒的原理框圖

原有的媒體接口僅包括視音頻輸出接口，為支持卡拉OK業務，增加音頻輸入接口。

紅外接口基本上只適應普通遙控器的使用，對于新型的具有體感等功能的融合遙控設備，增加了藍牙等無線接口方式。

外設接口的變化:為支持支付業務，可以增加用戶識別卡(SIM)卡接口，也是通常所說的機卡分離機頂盒。

為提升用戶的操作體驗，機頂盒的操作設備由傳統的遙控器提升為融合操作設備。

圖3 三網融合機頂盒硬件結構示意圖

2.2 融合遙控器實現方案

融合遙控器與機頂盒間的接口采用標準的人機接口設備(HID)接口格式。

機頂盒與融合遙控器接口如圖4所示。融合遙控器向機頂盒分別注冊鼠標、鍵盤和體感三個HID設備，并通過HID數據接口向機頂盒提供鼠標、鍵盤和體感的事件及數據;機頂盒通過HID設備產品的序列號碼(Product ID)和銷售序列號碼(Vendor ID)識別相應設備，并通過HID設備的控制接口開啟和關閉相應的設備事件及數據輸出。

圖4 機頂盒與融合遙控器接口示意圖

2.3 軟件實現方案

適應三網融合需求的機頂盒軟件整體架構基本不變，如圖5所示，包括操作系統及硬件適配層、服務能力層、應用程序層，與傳統機頂盒類似。

三網融合機頂盒的軟件功能也發生了相應變化。從操作系統到應用軟件，三網融合機頂盒的功能得到了完善，并擴大了選擇范圍。

操作系統:傳統機頂盒普遍采用Linux操作系統，隨著安致(Android)、蘋果公司(iOS)等新型操作系統在手機、平板電腦以及在部分智能電視中的成功應用，未來機頂盒的操作系統將具有更多的選擇。機頂盒與手機、電腦采用相同的操作系統，有利于各種跨終端的應用軟件的開發，更有利于各種終端設備的互通、互動。

服務能力:為有效支持融合業務的開展，機頂盒的服務能力也需要相應提升。傳統機頂盒基本支持媒體播放、瀏覽器、Java虛擬機(JVM)等基本服務能力，而面對三網融合業務，還需支持通信引擎、Flash播放、微件(Widget)引擎、好友引擎、支付引擎、圖形引擎、數字生活網絡聯盟(DLNA)下載、SIM卡讀取等服務功能。特別是對于瀏覽器，要求支持高標清頁面平滑切換，在原有支持Web1.0的基礎上，要求支持 Web2.0，實現對 HTML5.0、層疊樣式表(CSS3)、AJAX的支持;通過圖形引擎提升UI的渲染能力，為用戶提供動態十足、立體變化的UI效果。用戶可以根據需求通過下載服務，從機頂盒的應用程序商店(App Store)下載多種應用程序和業務。

圖5 三網融合機頂盒軟件架構示意圖

不同業務的頁面分辨率不同，為了支持多種業務內容，機頂盒需支持多種分辨率。多種分辨率的切換由應用方向來決定，一旦分辨率需要變更，應用明示當前網頁的高度和寬度，瀏覽器解析到具體的數值后會調用固有的接口(Porting API)通知機頂盒，機頂盒按照收到的高度和寬度值對輸出分辨率進行適當的調整，可以針對不同應用來輸出正確的分辯率。

應用程序:傳統機頂盒支持的基本應用包括直播、點播、時移、信息瀏覽、基本的JAVA游戲，面對三網融合的需求，進一步加強和增加可視通信、體感游戲、卡拉OK、視頻分享、好友電視、電視支付等業務。

2.4 基于三網融合機頂盒的應用

目前應用三網融合機頂盒已經實現的功能有電影劇場、時移電視、音樂、游戲等。電影劇場中，國內、國外許多電影可以實現播放功能。時移電視不僅能夠重新播放剛剛播出的鏡頭，而且更能調出幾天前甚至一周前的節目，還能隨意進行暫停、快進、快退等操作，有了時移電視，人們再也不必為有急事錯過精彩鏡頭而后悔，音樂、游戲、廣播等功能可以滿足不同年齡、不同層次用戶的需求。三網融合機頂盒擴展應用情況如圖6所示。

機頂盒作為住宅網關系統的設備，它既是聯系住宅和外部世界的橋梁，而且可以充當家庭內部各種上網電器之間通道，這些電器包括電話、手機、PC游戲機、存儲設備和安防系列的家用電器。

圖6 三網融合機頂盒應用

3 結束語

三網融合正處于快速發展階段，一些地方已經開始試用，有的地方還處于技術儲備階段。隨著技術的進一步發展，網絡環境的完善使得機頂盒必將在家庭電子產品領域得到進一步發展，成為家庭必備終端電子產品。數字機頂盒也逐漸向多樣化和智能化方向發展，三網融合將帶來不同終端之間融合類應用不斷增加。機頂盒與智能手機、家庭信息機等不同類型的應用終端都承載了一致化的運行環境，從而可以有效降低應用開發周期，為用戶提供多種應用方向，同時具有強大的互動功能。

［1］李健.多方熱議機頂盒未來發展［J］.電子產品世界，2010，17(5):42－44.

［2］陳波，冼進.三網合一主要技術問題及解決方案［EB/OL］.［2010－ 05－ 20］.http//www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL－WJSY200404002.htm

［3］孟建庭，沈昕.IPTV機頂盒中間件的研究和應用［J］.電信科學，2009，25(3):58－60.

［4］姚良，肖晴，陳文.IPTV機頂盒內置質量監測工具的開發與應用［J］.電信科學，2008，24(11):50－53.

［5］楊崑，魏凱.IPTV DRM 技術和標準研究［J］.電信科學，2009，25(3):25－27.

［6］王國豐，鄒建華.多媒體機頂盒結構設計及其關鍵技術［J］.電視技術，2004(4):43－45.

［7］姚鋒.基于三網融合的機頂盒原理及應用［J］.電視技術，2011(5):36－39.