數(shù)字機(jī)頂盒設(shè)計(jì)與研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

數(shù)字機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)與研究摘 要數(shù) 字 電 視 如 今 成 為 全 世 界 廣 播 電 視 行 業(yè) 的 熱 點(diǎn) ，而 高 清 數(shù)字 電 視 是 目 前 世 界 上 數(shù) 字 電 視 的 最 高 分 辨 模 式 ，通 過 高 清 數(shù) 字 電視 機(jī) 頂 盒 便 能 夠 接 收 到 高 清 的 數(shù) 字 電 視 信 號 ，享 受 到 高 清 晰 度 的畫 面 效 果 。本論文針對高清數(shù)字電視機(jī)頂盒的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了有線數(shù)字電視機(jī)頂盒的工作原理和軟硬件結(jié)構(gòu)，數(shù)字電視機(jī)頂盒 NIM（調(diào)制器+Tuner）的測試指標(biāo)、原理和方法和機(jī)頂盒的關(guān)鍵技術(shù)，以及設(shè)計(jì)一個(gè)能提供模擬和數(shù)字電視信號輸入端口，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字高清信號輸出的數(shù)字機(jī)頂盒。通過這個(gè)機(jī)頂盒,模擬電視信號和數(shù)字電視信號以及其它一些消費(fèi)電子產(chǎn)品如 DVD 機(jī)，游戲機(jī)的輸出信號，都可以真正數(shù)字化的輸出到用戶的數(shù)字電視機(jī)上，完全滿足用戶對高清畫面的需求。這在當(dāng)前數(shù)字電視快速普及的市場中，無疑將獲得巨大的商機(jī)。系統(tǒng)采用 ST(意法半導(dǎo)體）公司的 STi5514+STi7020高清數(shù)字電視信源解碼器解決方案，STi5514是一個(gè)高集成度的單片標(biāo)清機(jī)頂盒信源解碼器芯片，同時(shí)具有強(qiáng)大的控制功能，可以配合 STi7020實(shí)現(xiàn) 高清晰度音視頻解碼。它集成了一個(gè)高性能的32位 CPU、三個(gè)專用的 DVB 傳輸流解復(fù)用和解擾模塊、一個(gè) MPEG MPML 視頻解碼 模塊，一個(gè)多標(biāo)準(zhǔn)音頻解碼模塊、一個(gè)數(shù)字視頻編碼器。另外，它內(nèi)置了 ATAPI 接口，可以和硬盤驅(qū)動器無縫連接，實(shí)現(xiàn)錄放像和時(shí)移播放等功能。它還集成了多種外設(shè)，如 SSC，ASC,紅外等，可以實(shí)現(xiàn)條件接收，軟件升級，遙控接收等功能。本論文完成的任務(wù)是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中信源解碼器和高頻頭模塊功能，并詳細(xì)介紹了各部分的硬件構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：高清數(shù)字電視機(jī)頂盒；STi5514+STi7020方案；信源解碼器；機(jī)頂盒關(guān)鍵技術(shù)ABSTRACTDigital TV now became the hotspot,radio and television industry and high definition digital TV is digital TV in the worlds highest resolution model,through high-definition digital TV set-top box can receive high-definition digital TV signal,enjoy the high definition picture.This paper in view of the development status quo of high-definition digital TV set-top boxes,digital cable TV set-top box is introduced the working principle and structure of software and hardware,and digital TV set-top box NIM(modulator+Tuner)test indicators,principle and methods and the key technology of set-top box,and design a can provide analog and digital TV signal input port,and realize the digital high definition signal output of the digital set-top boxes.Through the set-top boxes,digital TV and analog TV signals and other consumer electronic products such as DVD player,game console output signal,can be truly digital output to the users digital TV,fully meet user demand for high-resolution images.It spread rapidly in the current digital TV market,undoubtedly will be huge business opportunities.System adopts ST(stmicroelectronics)company STi5514+STi7020 high definition digital television source decoder,STi5514 is a high level of integration of monolithic sd set-top box source decoder chip,and has strong control function,can cooperate STi7020 realize high-definition audio and video decoding.It integrates a high performance 32 bit CPU,three of the DVB transport stream multiplexing settlement one module,a MPEG MPML video decoding module,more than a standard audio decoding module,a digital video encoder.In addition,it has built-in ATAPI interface,can the seamless connection and hard disk drives,realize the playback as and when the broadcast,etc.It also integrates a variety of peripherals,such as SSC,ASC,infrared,etc.,can implement conditional access,software upgrade,remote control receiver,and other functions.Task this paper is to design and implementation of system has the function of citic source decoder and a high frequency head module,and introduces in detail the hardware and realization method of each part.Key words:high definition digital TV set-top boxes;STi5514+STi7020 scheme;The source decoder;Set-top box key technology第一章緒論數(shù)字電視系統(tǒng)一般可分為普通清晰度（PDTV)、標(biāo)準(zhǔn)淸晰度電視(SDTV)和高清晰度電視(HDTV)。高淸晰度數(shù)字電視由于能提供更淸晰的圖像、更逼真的聲音、更大的屏幕，以及數(shù)字化傳輸方式所特有的高效數(shù)據(jù)傳輸率，可以在有限的傳輸頻帶內(nèi)傳送較多的電視節(jié)目，正成為數(shù)字化視聽技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。然而，由于模擬電視在我國家庭中的普遍存在，數(shù)字電視不可能很快完全取代傳統(tǒng)的模擬電視，機(jī)頂盒(Set-Top Box,STB)正是傳統(tǒng)模擬電視 向數(shù)字電視過渡的最好解決方案。1.1課題背景及意義隨著全球廣播電視數(shù)字化的快速發(fā)展，我國在數(shù)字廣播電視的發(fā)展上也作出了相應(yīng)的規(guī)劃，其中提出我國將在 2015年停止模擬電視播出。到目前為止，我國已有部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)了廣播電視的數(shù)字化。那么，數(shù)字電視如何接收呢?其實(shí)，數(shù)字電視的接收并不一定要數(shù)字電視接收機(jī)，由于數(shù)字電視的傳輸仍保留了現(xiàn)有模擬電視的是視頻格式，因此在用戶端，用戶只需要加裝一臺數(shù)字電視機(jī)頂盒，并不需要對家里電視線路和電視機(jī)做任何的改動，用戶便可以使現(xiàn)有電視機(jī)接收數(shù)字電視節(jié)目了。我國數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，我國的國情決定了我國的電視系統(tǒng)的數(shù)字化不可能一步到位，只能是有選擇，分段進(jìn)行的，從數(shù)字電視的發(fā)展趨勢來看，我國數(shù)字電視發(fā)展將經(jīng)歷三個(gè)階段; 機(jī)頂盒，標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視 SDTV 和高清清晰度數(shù)字電視 HDTV，這三者將在一個(gè)很長的時(shí)期內(nèi)并存。隨著高清數(shù)字電視機(jī)的普及和數(shù)字電視信號的開播，越來越多的家庭購買了高清數(shù)字電視機(jī)。從目前我國的實(shí)際情況來看，市場上還沒有出現(xiàn)真正的商用化數(shù)字電視一體式接收機(jī)。也就是內(nèi)置了機(jī)頂盒的電視機(jī)。目前我們要收看到數(shù)字節(jié)目，就必須利用機(jī)頂盒把數(shù)字廣播信號轉(zhuǎn)化為電視機(jī)能夠識別的模擬信號(如 AV 端子輸入)。但是對于目前大多數(shù)的機(jī)頂盒而言，只能輸出模擬信號，無法實(shí)現(xiàn)高清化，同時(shí)電視機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也被削弱。因此，發(fā)展和研究高清數(shù)字機(jī)頂盒成為了高清技術(shù)和高清市場的發(fā)展帶來的必然結(jié)果。1.2 機(jī)頂盒國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字電視機(jī)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，它對經(jīng)過數(shù)字化壓縮的圖像和聲音信號進(jìn)行解碼還原，產(chǎn)生模擬的視頻和聲音信號，通過電視顯示器和音響設(shè)備給觀眾提供高質(zhì)量的電視節(jié)目。自從 1994 年開播衛(wèi)星數(shù)字電視，到 1998 年底開播地面數(shù)字電視廣播，數(shù)字電視實(shí)現(xiàn)了全面啟動。到 1999 年底，全球約有 2500 萬臺衛(wèi)星數(shù)字電視機(jī)頂盒，700 萬臺有線網(wǎng)數(shù)字機(jī)頂盒和 40 萬臺地面數(shù)字電視機(jī)頂盒和接收機(jī)，主要分布于歐洲、美國和日本。由于客觀情況、標(biāo)準(zhǔn)、制式等不同，各國的數(shù)字電視發(fā)展?fàn)顩r也不盡相同，其中美國、歐洲、日本的數(shù)字電視發(fā)展比較迅速，已經(jīng)逐步實(shí)施數(shù)字電視的普及，對我國的數(shù)字電視發(fā)展模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。美國是世界上最早發(fā)展數(shù)字電視的國家，不僅在技術(shù)領(lǐng)域完成了數(shù)字電視三大標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，而且率先實(shí)現(xiàn)了商用播出。到 2003 年其地面數(shù)字電視的覆蓋率己達(dá) 94%。歐洲數(shù)字電視的衛(wèi)星廣播于 1996 年開播，目前用戶已超過 500萬，并己擴(kuò)展至東歐。整個(gè)歐洲采用以 DVB 為框架的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)放在標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視(SDTV)。日本也于 2006 年實(shí)現(xiàn)地面數(shù)字電視全國覆蓋，主要是高清晰度數(shù)字電視(HDTV) 節(jié)目。荷蘭己于 2006 年 12 月 11 日正式停播模擬電視信號的播出,這是全世界首個(gè)完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號播出的國家，此后，還將有一些北歐國家和比利時(shí)在近兩年陸續(xù)停播模擬電視信號。美國和日本將分別在 2009 年和 2011 年停播模擬電視信號，我國計(jì)劃將在 2015 年全面停播模擬電視。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國一直非常關(guān)注數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展，從上個(gè)世紀(jì)的80 年代開始跟蹤國技術(shù)發(fā)展動態(tài)，90 年代完成數(shù)字電視關(guān)鍵技術(shù)的理論儲備。我國對數(shù)字電視的研究從 20 世紀(jì) 80 年代末就已經(jīng)開始了，在“八五” 期間，國 務(wù)院組織成立國家高清晰度電視研究開發(fā)協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，國家科委組織成立了HDTV 發(fā) 展戰(zhàn)專家組，組織實(shí)施了“ 八五 ”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“ 高清晰度 電視 技術(shù)研究和計(jì)算機(jī)模 擬” 。1995 年，經(jīng)國家高清晰度電視研究開發(fā)協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)，成立了國家高清晰度電視（HDTV) 研究小組。1996 年 7 月，由總體組負(fù)責(zé)，組織實(shí)施了“ 九五” 國家重大科技 產(chǎn)業(yè)工程 項(xiàng)目“高清晰度電視功能樣機(jī)系統(tǒng)研究與開發(fā)工程”。經(jīng)總 體組和全國多所大學(xué)、研究所及企業(yè)的共同努力，于 1998 年 6 月，成功地研制出了我國第一臺數(shù)字高清晰度電視功能樣機(jī)系統(tǒng)。1998 年 9月，利用該功能樣機(jī)系統(tǒng)在北京中央電視臺進(jìn)行了演示，取得了很好的效果。在 1999 年 10 月 1 日，中華人民共和國建國 50 周年之際，對天安門廣場的國慶大典進(jìn)行了現(xiàn)場直播，獲得了成功。目前我國中央電視臺和眾多省市、地方電視臺都己實(shí)現(xiàn)了電視節(jié)目的數(shù)字衛(wèi)星傳輸，電視臺的傳送和接收設(shè)備正在逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。國家廣電總局在十五規(guī)劃和 2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃中提出2:我國將在衛(wèi)星和有線電視中采用國際通用的 DVB 標(biāo)準(zhǔn)，在 2003 年完成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)制定工作，并在 2005 年全面推廣地面數(shù)字電視廣播。清華大學(xué)地面數(shù)字廣播系統(tǒng)方案（DVB-T)和上海交通大研制的（ADVB-T) 標(biāo)準(zhǔn)都己確立通過。與美國、歐洲等西方發(fā)達(dá)國家不同的是，我國城市人口居住相對集中，90%以上的人是通過有線電視收看電視節(jié)目的，城市居民物質(zhì)生活水平較高，這為發(fā)展數(shù)字電視創(chuàng)造了條件。同時(shí)，有線數(shù)字電視傳輸、條件接收系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒實(shí)施，為有線數(shù)字電視試驗(yàn)提供了良好的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持。另外，全長 37000 多公里的國家廣播電視光纜干線網(wǎng)的開通，為全國有線數(shù)字電視開展創(chuàng)造了網(wǎng)絡(luò)條件。政府規(guī)定，2015年將全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，完成模擬向數(shù)字的過渡，逐步停止模擬電視的播出。1.3 課題的研究內(nèi)容本課題基于現(xiàn)在機(jī)頂盒市場的現(xiàn)狀，采取 ST 公司的STi5514+STi7020 高清數(shù)字電視信源解碼器方案，開發(fā)一種高清晰的交互式機(jī)頂盒,實(shí)現(xiàn)接收高清晰的數(shù)字電視信號,然后經(jīng)過解調(diào)、解復(fù)用、解碼后輸出模擬信號給模擬電視機(jī)，并且達(dá)到分辨率 1000 線以上的高清晰顯示效果。論文共分為五章：章 1 章為緒論，主要介紹了課題研究的背景、意義、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和課題的研究內(nèi)容等。章 2 章闡述了整個(gè)數(shù)字電視機(jī)頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成,包括硬件架構(gòu)和軟件體系層次，并介紹了機(jī)頂盒能夠?qū)崿F(xiàn)的各項(xiàng)功能。章 3 章主要闡述機(jī)頂盒的關(guān)鍵技術(shù)。章 4 章主要研究數(shù)字電視機(jī)頂盒 NIM（網(wǎng)絡(luò)接口）的測試指標(biāo)、原理和方法。章 5 章主要介紹了目前流行的幾款高淸數(shù)字電視機(jī)頂盒的解決方案，并比較它們的優(yōu)勢和劣勢，綜合考慮所需功能、可擴(kuò)展性、性價(jià)比等因素，選擇了基于 ST 公司的STi5514+STi7020 的解決方案。章 6 章主要進(jìn)行信源解碼模塊的設(shè)計(jì)。章 7 章主要進(jìn)行高頻頭模塊的設(shè)計(jì)，介紹了數(shù)字電視調(diào)諧器的原理和芯片構(gòu)成。章 2 章 數(shù)字電視機(jī)頂盒的原理及構(gòu)成2.1 機(jī)頂盒的工作原理圖 2-1-1 有線數(shù)字電視原理框圖圖 2-2-1 是有線數(shù)字電視機(jī)頂盒原理框圖，機(jī)頂盒由高頻頭、信道解調(diào)器、信源解復(fù)用器、MPEG-2 解碼器、視頻編碼器、音頻 D/A、嵌入式 CPU 系統(tǒng)和外圍接口、條件接收模塊等組成。具有交互功能的機(jī)頂盒則需回傳通道。高頻頭接收來自有線網(wǎng)的高頻信號，通過 QAM 解調(diào)器完成信道解碼，從載波中分離出包含音、視頻和其它數(shù)據(jù)信高頻頭QAM解調(diào)TS 流解復(fù)用MPEG_2 解碼器SDRAM音頻輸出PAL/NTS 編碼FlashDRAM前面板I2C 智能卡 RS232E2PROM 條件接受智能卡接口 RS232 接口CPU 主處理器視頻輸出息的傳送流(TS)。傳送流中一般包含多個(gè)音、視頻流及一些數(shù)據(jù)信息。解復(fù)用器則用來區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應(yīng)的音、視頻流和數(shù)據(jù)流，送入 MPEG-2 解碼器和相應(yīng)的解析軟件，完成數(shù)字信息的還原。對于付費(fèi)電視，條件接收模塊對音、視頻流實(shí)施解擾，并采用含有識別用戶和進(jìn)行記賬功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。MPEG-2 解碼器完成音、視頻信號的解壓縮，經(jīng)視頻編碼器和音頻 D/A 變換，還原出模擬音、視頻信號，在常規(guī)彩色電視機(jī)上顯示高質(zhì)量圖像，并提供多聲道立體聲節(jié)目。2.2 機(jī)頂盒的硬件系統(tǒng)構(gòu)成機(jī)頂盒的基本功能是接收數(shù)字電視節(jié)目、處理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和完成各種應(yīng)用的解析，主要由調(diào)諧器(高頻頭）、信道解調(diào)器、信源解復(fù)用器、MPEG-2 解碼器、音頻 D/A、嵌入式 CPU和外圍接口、條件接收模塊等組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖 2-2-1 所示。圖 2-2-1 機(jī)頂盒硬件系統(tǒng)構(gòu)成信道解碼：數(shù)字電視機(jī)頂盒中的信道解碼電路相當(dāng)于模擬電視機(jī)中的高頻頭和中頻放大器。在數(shù)字電視機(jī)頂盒中，高頻頭是必須的，不過調(diào)諧范圍包含衛(wèi)星頻道、地面電視接收頻道、有線電視增補(bǔ)頻道。根據(jù) DTV 目前已有的調(diào)制方式，信道解碼應(yīng)包括 QPSK、QAM、OFDM、VSB 解調(diào)功能。信源解碼：模擬信號數(shù)字化后，信息量激增，必須采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字電視廣播采用 MPEG2 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，適用多種清晰度圖像質(zhì)量。音頻目前則有 AC3 和MPEG2 兩種標(biāo)準(zhǔn)。信源解碼器必須適應(yīng)不同編碼策略，正確還原原始音、視頻數(shù)據(jù)。嵌入式 CPU：嵌入式 CPU 是數(shù)字電視機(jī)頂盒的心臟，當(dāng)數(shù)據(jù)完成信道解碼以后，首先要解復(fù)用，把傳輸流分成視頻、音頻，使視頻、音頻和數(shù)據(jù)分離開，在數(shù)字電視機(jī)頂盒專用的 CPU 中集成了 32 個(gè)以上可編程 PID 濾波器，其中兩個(gè)用于視頻和音頻濾波，其余的用于 PSI、SI 和 Private 數(shù)據(jù)濾波。CPU 是嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行平臺，它要和操作系統(tǒng)一起完成網(wǎng)絡(luò)管理，顯示管理、有條件接收管理（IC 卡和 Smart 卡）、圖文電視解碼、數(shù)據(jù)解碼、OSD、視頻信號的上下變換等功能。為了達(dá)到這些功能，必