文 章 编 号 ：1002—8692( 2006 )09—0037—03 硬盘式高清数字电视机顶盒的研究 ·论文· 吴丽彬 ，王 劲林 ，胡建 良，孙 鹏 ( 中国科学院 声学所 ，北京 1oo08O) 【摘 要】针对硬盘式高清数字电视机顶盒，从 目前 流行 的机顶盒主芯片、硬件结构 以及软件架构的特点进 行 了分析比较。提 出了 目前硬盘式高清数字电视机 顶盒存在 的问题 ，并筒述 了 自行开发设计的硬 盘式高清数 字电视机顶盒 与问题的解决。 【关键词】高清数字电视；机 顶盒；嵌入式操作系统；主芯片；软件架构 【中图分 类号 】TN949．197 【文献标识码】A R esearc h of th e Ⅱ IE T y p e of D i ta l H D T V S T B W U L - bin W A NG J in- lin ，H U J ian- lian g，SUN P eng (Institute of A COIl~tic$，Chinese Academy of Science，Belj ing 100080, China ) 【Abstract 】 1’his paper introduces the chips， hardware and softwar e of HDTV STBs available in the mar ket， and analyzes and compares th eir features． It al so poi nts o ut so me probl ems in cu rr en t H DT V S TB s， a nd b ri efl y in tro d uces the ori gi nal desi gn of H DT V r B ． 【Key words】HDTV (high definition television) ；STB( set- top box) ；embedded system；chips；softwar e Name 1 引言 目前高清数字 电视机顶盒 (HDTV STB) 大都采用高 集 成 度 的 单 芯 片解 决 方 案 ，其 可 支 持 1 920x l 080i／l 920x l 08op 数 字 图像 的解 码 。相对 于标清 电视机 顶盒 (SDrⅣ S11B)所支持的 640x 480 图像解码 ，高清数字电视 机顶盒不但可向下兼容标 清信号 的播放 ，还可 向上支持 高清信号的播放 。由于对 高清晰度文件的 良好支持 ，加之 其原有 的各种功 能 ，HDTV STB 逐渐走 向了支持高 质量 的音视频输 出 ，通 过嵌入硬盘实现节 目录制 、多媒体文件 的储存 和播放 ；通过对 网络的支持实现视频点播 、信 息发 布 、互 动交互 的家庭媒体 中心模 式 。 2 硬盘式 HDTV STB 解码器 主芯片的 功能分析 与比较 根据机顶 盒功能 的分类 ，市场上针对机顶 盒不 同功 能的主芯片也可主要 分为两大类 ：第一类是专门为卫星 数字电视 、有线 电视机顶盒设计 的 MPEG一2 解码 芯片 ， 其 支持有线 电视 网络 的传输 ，拥有 MPEG—I／MPEG一2 的 数字解码技术田，支持 IP 业务并能让多业务运 营商(MSO) 转 移到全 IP 网络 平 台上 ，而且可满足语 音 、视频和数 据 通信 的要求 ，使全 IP 网络让 多业务运营商能够增加 有线 电视和本地广播频道的数量 、内容 的灵活性和改善 网络 效率 ；第二类是针 对集家庭娱乐 、宽带信息 中心 ，IP 业务 等为一体 的 STB 主芯片 ，其 与第一 类芯片 的主要不 同点 在于 ，可拥有多种外部设备接 口，如支持硬盘 ，USB2．0， DVD 等 ，还 支 持 多 种 文 件 格 式 的解 码 如 MPEG 一1， MPEG一2，MPEG- 4 ，A V I，WMV 等 ，以及 多种视频格式的 输出等 ，正是由于这些不 同点 ，使得这类芯片作为面向家 庭娱乐与家庭信息控制 的平 台更加具有优势 。 2．1 S igma Desgin 主芯片 EM 8622 与 SM P86M Sigma design 公 司在 多媒体技术领域 中主要 以支持 多种音 视频解 码格式 而处 于领 先地位 ，其 开发研 制 的 EM8622／EM8624 具有低成 本 、低 功耗 、高性 能的 SoC ，并 拥有较 多的外部设备接 口 ，主要应用在 IIy】 ，DV B 和消 费电子等产品 中。EM8622 是一款功能 强大的多媒 体单 芯片 多媒体处 理器 ，其先进 的解码 器 ：MPEG一1，MPEG一2 可达 到 1 920x 1 080i 和 1 920x l 08op；MPEG-4 ．2 可达到 1 280x720p ，支持 B 帧 ；WMV9／VC一1 可达到 1 920x l 080P ； MPE G．4．10 (H．264) 可达 到 720x480p 30 帧或 720x576p 25 帧 。另 外支 持 高质 量 多种 媒 体格 式 的解 码 ，H ． 264 ， WMV9 ，MPEG-4 ，MPEG一2 ，MPEG—l ，A V I 等 。EM 8622 具有 166 MHz 的 C PU ，10／100 以太 网，内置 IDE／USB 控 制 器 ，数字 、模拟视频输 出 ，家庭 网关等丰富的外 围接 口。 I~S／SPD F 音频 YCbCr 输入 ————{ I视频 回 一 印一 DDR II 外部输入输出设备 DRAM r厂1控制lI 外部捅八捅出 亩 音频 视频 输出 图 1 E M8622 芯片 的简要 电路 图 该类 芯片相 对于同类机顶盒主芯片产 品优势在于 ： 维普资讯 http://www.cqvip.com www.520101.com 信I 终罄 1) 支持多种音视频解码格式 ，尤其支持微软的 WMV 9 格式 ，对于音视频的解码技术远远超 过同类产品。 2) 支持 HDMI，YPbPr，R GB，DV I 等丰 富的外部 视频 接 口，使 得高清晰度 的图像输 出制式更 加丰富。尤其是 HDMI 接 口 ，其可提 供高达 5 Gbit／s 的数 据传输带宽 ，并 传送无压缩的音频信号及高分辨率视频 信号。由于其音 频／视频 采用 同一 电缆 ，可通 过 HDMI 转 DV I 连接 投影 仪 ，也 可用来连接 带 HDMI 或 DVI 接 1： 3 的高清 电视机 ， 大大满足 了各类设备 的接 口需求 。 3) 支持 IDE ，USB2．0，DV D 等接 口，可满足高清影片 源 大容量 的存储要求 。 另外该 公 司还 推 出了新型媒体处 理器 SMP8634 ，包 含 H．264 ，VC —l 和 MPEG一2 高清晰译码 ，可应用 于 IIy】 机顶盒和高清 DVD 播 放器 。这种芯片的音视频解码 功能 依然强大 ，不仅 支持杜 比数字式音频 ，还 支持 WMA Pro， A AC 和 MPEG 音频 。与 E M8622 相 同 ，同样 支持多个外 部设备接 口，有 丰富的扩展功 能 ，另外支持任何格式的多 个流译码 ，等效于两个 同时出现的全屏图像的高清流这 种技术 。 2．2 Br oadcom 主 芯 片 BC M 3255 和 B C M 7400 目前 Broadcom 公 司的机顶 盒芯片 BCM3255 主要 目 标定位于通道绑定技术。这种 技术可让 多业务 的运 营商 转移到全 IP 网络上 ，从 而大 大降低 网络运 营成本 、提高 工作效率 。其不仅 能支持 高达 120 Mbit／s 的下行数 据传 输率 ，满足 了语 音 、视频 和数据通信 的要求 ，同时还 能让 网络能支持 高速 的高清晰度 视频下载 、高比特率服 务和 其 他 IP 语 音和视频服务 。BCM3255 的简要 电路 图如图 2 所 示 。 图 2 BCM3255 的 简 要 电路 图 BC M74o0 芯片是 Broadcom 公司设计 的能支持 双高 清 的视 频解 码 芯 片 ，其 可对 (A VC )／V C／MPEG一2 进行 解 码 【 21。对 于 Broadcom 公 司设计 的这 两种 芯 片还 必须 与 BCM3420 相组 合后才 能构成 一套先进 的机 顶盒 媒体 中 心设计方案 。 这种设计方案的优点在于通过对通 道的绑定 大大提 高 了有线 电视的传输速率 ，为一切 IP 业务提供 了先决条 件 。但通道绑定技术在传送数据时 ，设 备会 通过独 占所有 几个互不干扰通道 、有效排 除范围内所有其他 的网络来 提高吞吐量。这样的结果可能会使得 附近的网速减慢 ，因 此 还 是 有 牺 牲 的 。 2．3 硬盘式高清机顶盒的硬件系统 由于本硬 盘式 高清机顶盒面对 的是家庭影院或高清 展示片的播放 ，因此需要能支持多种解码格式 的解码芯 片 ，并且支持 家庭 网关 ，能够有实力发展成为一带家庭网 络控制 中心 。因此采 用的硬 件系统 是 Sigma design 公 司 E M8622 的参 考设 计 方 案 ，并 进 行 了修 改 ，从 原 有 的 Y PbPr 输 出接 口被引出后 ，内部添加对 Y PbPr 分 配器 的 支持 ，同时在前 面板 中加入 AT ME L 的 AT 88SC0104 软件 舞投■ 厂 加密芯 片 ，更好 的对软件版本做 了保护 ，防止了抄板。本 设计使用 的是 Ij nux 操作 系统 ，拥有 多种 外部设备接 口 和复用接 口[31，除原有的 Y PbPr，A V ，RGB 接 口外 ，还支持 目前市场上流行的 HDMI ，DV I 接 口。 3 硬 盘 式 HDTV STB 软 件结构 分析 与 比较 目前 市场上 硬盘 式 H DTV STB 主要 针对 的是 高清 演示 ，高清介绍 片源 。其消 费者主要包括各高清 电视厂 商 ，各大博物馆及需要 高清演示 的企业等 。这类机顶盒的 软件功 能关键 在于高清 片源 的播放质量 ，以及片源的安 全性和发行方式上 ，另外对于 ST B 的中控功 能也需要 。 表 l 列出 了目前市场上 同类产 品的一部分技 术性 能 指标 。其 中 IXxxx 为该机顶盒的技术性能指标 ，该 ST B 不 但 支持 两种 高清 视频 MPEG一2 和 WMV —HD 的 解码 ．多 种高清信号输 出，而且对于片源的安全性 和机顶盒 的中 央控制能力也提 出了完整的设计方案。 根据片源安全性 及实现中央控制 的需要 ，该软件结 构采用 了前端和终端相结合的配套控制模式 。前端为服 维普资讯 http://www.cqvip.com www.520101.com 表 1 同 类 产 品 的 一 部分 技 术 性 能指 标 对 比 务器 ，而终端则是该机顶盒 ，图 3 为终端与前端 的软件 匹 配关系示意 图。通过在前端应用 自行编写的网络控 制客 户端 软件 、版权文 件加密软件 、文 件控制发行 软件 ，终端 应用与之配套 的网络控制服务器 、终端文件解 密 、用 户列 表解析来实现服务器对终端的 中央控制。 网络控制服L _J 版权文件 务器端软件 l l 加密软件 兀 服务器l ；＼ — J＼十、 ： — — 一 -(＼＼J--~网络； 控 ／ ／ ； I 文件控制 ： 苎 i ’ ： ： ＼ ： I 列表解析 — 上——— ——7_—一 终端文件 L／／ 解密 I 图 3 终 端 与前 端 的 软 件 匹配 关 系 示 意 图 建立 在前端 服务器上 的网络控制客户端软件对机顶 盒实现 了局域 网内的远程控 制。每一个 STB 都作为一个 相对独立 的服务器存 在 ，通过客户端发送 连接请求 ，STB 服务器端响应该请 求后返回确认完成握手 。该软件采用 面 向连接 的 TCP 传输控制协议 ，可提供给程序可靠 的传 送 、流控制 和拥 塞控制 。通过运行 在 STB 中的服务 器线 程来等待客户端的连接 ，并使用 流套接 口在 网络上发送 报文[41。报文 的数据格式分为 3 大类 ：一类用于传输文件 下载命令 ，启 动设 置在 STB 上 的 兀TP Client，并发送 兀TP 连接所需 的用户 、密码 、IP 地 址及所需要下 载的文件 ；一 类是 指令类 ，用于 控制 STB 的一 切遥控 器可执 行 的操 作 ；一类 是文件类 ，其报 文 中包含硬 盘中的所有文 件名 ， 文件数量 ，文件大小等内容。对于最后一类报文 ，软件可 用来形成可供用户选择播放文件或制定播放顺序和列表 的功能 。图 4 为前端与终端 的控制示意 图。 一 一 ⋯ 图 4 前端 与终端 的控制示意 图 在 网络 中拥 塞控 制对 网络 运行 的好坏 起着 决定作 用 ，没有拥塞控制 ，网络很容 易出现死锁 ，使得端到端 之 间很少或没有数据能正常传输 。因此 网络 中的拥塞控制 及 差 错 重传 是 非 常重 要 的 ，兀’P 文 件 传输 协 议 建 立 在 TCPfIP 的基础上 ，因此对于 网络 的拥塞控 制采用 TCP 实 现 的端到端拥塞控制机制 。而差错重传则是在发行 分组 丢失 的情况下根据 RTP／RTCP 协议 重传该分组 。 另外这套前端与终端 的系统控制模式 中还包含 了文 件 的加密及打包发行 。出于对文件安全性 的考虑 ，该软件 允许拥有 服务器 的最高权 限用户对其制作 的片约进行加 密和发行 。为保证终端解 密具有 良好 的解密效率 ，保证播 放 器在初始化 时可 自适应检索 出文件 的音 视频格式 ，前 端 加密采用分段式加密模式 。对文件头预 留足够字节后 再进行加密 ，而终端则跳过预 留字节进行解 密后获得密 钥 。这样可提高文件在播放时 因需检测播放格式而不得 不作 两次解密工作所需 的时间。 4 硬 盘 式高 清 电视机 顶 盒 系统 性 能与 测 试 整个 STB 通过 网络实现 了局域 网络 的控制 ，基 本没 有网络延迟 ，对于拥塞控制和差错控制也进行 了处理 。采 用 发行 IP 分组 丢失或 数据损坏时重传 该 IP 分组 ，有效 地对网络进行 了控制 ，取得 了明显 的效果 。 整个 系统在经过系统集成后 ，经测试分析 网络控制 时延均在 500 ms 以 内，终端解 密采 用边播放边解密 的形 式 ，对播放 没有任何影 响 ，而且播放 音视频 时声像 同步 ， 均无失 真抖动 ，图像质量 达到高清晰画面效果 ，系统运行 非常稳定。该 STB 的系统性能如表 2 所示 。 5 小结 该硬 盘式高清 电视机顶盒 已经完成 ，并进入 了市场 。 在嵌入式操作 系统 中实现的高清影 片的影 片存储 、转移 和播放 ，主要是通过在硬件平 台支持 的基础上实现各个 功能模块 的构建 ，并通 过嵌入式操作 系统 、硬 件接 口 ，向 上构建和完善应用程序 ，从而实现了具有高性能 、高安全 性等特点的高清影片硬盘播放 设备。整个硬 盘式 高清机 顶盒使用的前端与终端相结合的模 式有效实现了一台服 务 器控 制多 台机顶盒 上 传和 下载 片源 ，以及通 过server (下转第 42 页 ) 维普资讯 http://www.cqvip.com www.520101.com 信I 终磷 速度最高可达 480 Mbit／s ，均可传送 HDTV 信号 。 经测试 ，无论是 MPEG一2 格式还是 MPEG- 4(H ．264 ) H D _Ⅳ 内置 硬 盘 S P I ，| D R A M f f F 【JA SH S I G M A D E S I G N E M 8622L T PCI 菡 图 1 EM8622L 系 统 方 案 框 图 H D M I Y P bP r S ，PD IF S —V i de o 格式的高清节 目，本系统均可 实时录制 到内置硬盘或通 过 USB2．0 接 E1连接的外置硬盘中 ；通 过以太网 E1可 实时 播放 2～3 MB 的高清节 目。通 过 USB2．0 接 口，系统可连 接 CD ．DV 、移 动硬 盘 、U 盘等数码设备并播 放其 中的媒 体文件 ，在软件 的支持下可播放 MPG ，A V I ，DIVX ，WMV ， VOB 等格式 的视频 文件 ，另外 还支持播 放 MP3 ，WMA ， J PG ，BMP ，PNG 等音 频和 图片文件 。软件采用 模块化设 计 ，可 以通 过软件升级方式实现功能的增加和删除 ，升级 可通过 电视信号或 网络实现。 (上接第 39 页 ) 4 小 结 带 PV R 功能 的高清机顶盒 是机顶盒发展 的方 向，它 带来 了电视生 活的新观念 ，极大地促进 了高清数字 电视 业务 的开展 。随着 3C 融合 的加快 。数字 电视也在不断 的 进 步 ，它将具有 越来越多 的功能 。PV R 高清 电视机顶盒 作为一种极具特色 的电视终端产 品，具有广阔 的市场前 景并将带给我们更多 的生活享受 。 参考 文献 ⋯1 Sigma Designs Inc．EM8622L Datasheet[R]，2005． 【2] 2 Royal Phil ips E lectronics． The Status of HDT V in E urope Com- pared with other Regions[R ]．2006． 【3】陈珊，俞斯乐 ，李华，等．数 字电视接 收机 的软件系 统 ．电视技术 ， 2000(9)：5- 6． 【4】彭红卿，陈晓，曾学文．PVR 机顶盒文 件存储 系统 的设 计与实现【 ． 电视技术，2003(9)：44- 46． 【5】徐 慧岗，张原 ．基 于 SDP2000 的机 顶盒 的 A1 硬 盘存储 方案设计 【J]．北京广播学院学报：自然科学版，2005，12(2)： 43- 51． ◇ 作者简介 ： 蒲海铭( 1979- ) ．硕士生 。主研 多媒体 通信与无线通信 ； 荆 涛( 1969- ) 。副教授 ．主研 多媒体 通信与无线通信 ： 彭贵定( 1982- ) ．女 ．硕士研究生．主研多媒 体通信 。 责任编辑 ：蔡国良 收稿 日期：2． 006- 05- 21 表 2 硬 盘 式 高 清 电视 机 顶 盒 系 统 性 能 表 高清晰视频色差分量接 口(Y PbPr ) 6 组 输 出接 口 高清晰多媒体接 口(HDMI) 1个 复合视频接 口(CV BS ) 1 个 片源加密 采用 AE S 128 位加密算法 与打包 视 频 解 码 格 式 MP EG 2一TS ：l 5—25 Mbi t／s 与 对 应 的 WMV 9 -6～8 Mbit／s 编码速率 抽样格式 不低于 4： 2： 2 分辨率 1 920 x l 08Op，1 9 20x l 080 i ，1 280 x720p 输出接 口 双声道立体声音频接 口 2 个 MPE G Layer I 和 II，MP3，A C 3，U )C M ， 声音格式 ADPCM 、WMA l &2，H DCD Audio，MPEG2 和 W MA 9@ L3 2 ． O．W MA 9 ~ossless 2 ． 0 抽 样频率 4 8 kHz 声音量化比 不低于 16 bit 特数 片源 单个节 目的随机选择播放 ；节 目播放列表 的选择循环 馏服力 播放 ；视频加密文件的解密播 放 片 源 更新方 式 D V D 光盘拷 贝；移动硬盘拷 贝；网络 兀． P 下载 控制方 式 遥控器或远程控 制 囊曩投● ，2o 9期(总! ) 同时操作 多台机 顶盒 的播放 、停止等操作 。但 目前 出于对 局域 网中带宽的考虑并没有实现通过 网络来播放服务器 中的节 目，因此下一步需要完善 的地方还有很多 。 参考文献 ⋯1 钟 玉琢，王 琪，赵 黎，等．MPE G一2 运 动 图像压 缩 编码 国际 标准 及 MPE G 的新进展【M】．北京：清华大学 出版社，2002． 【2】祝敏，刘 济林，陈国彬，等．H．264／A VC 解码芯 片应用简介【J]．电视技 术，2006(2)： 30—33． 【3】坦尼鲍姆．现代操 作系统【M】．陈 向群，马洪兵，译．北 京：机械工业出 版 社 ，2004． 【4】KUROSE J F，R OSS K W．计算机 网络—— 用 自顶向下方法 描述 因特 网特色【M】．陈鸣，李兵，贾永兴，译．北京：人 民邮电出版社，2004． ◇ 作者简介 ： 吴丽彬 。女 ．硕士生 ．从事宽带多媒体 信息终端、高清平板数字码流 发 生 仪 的研 究 开 发 ： 王劲林 ．博士生导师 ．从事宽带多媒 体信息终端的研究开发； 胡建 良。硕 士生 ．从事宽带 多媒体信 息终端 、高清平板数字 码流发 生 仪 的研 究 开 发 ； 孙 鹛 ，博 士生 ，从事宽带 多媒体信 息终端的研 究开发。 责任编辑 ：张家豪 收稿 日期 ：2伽l6_们 一l 2 维普资讯 http://www.cqvip.com www.520101.com