浅谈数字电视机顶盒原理及应用技术
摘要本文对数字电视机顶盒的功能、原理、发展前瞻进行了简要的论述。

关键字数字技术；电视机顶盒；加解扰
数字电视机顶盒是信息家电之一，它是一种能够让用户在现有模拟电视机上观看数字电视节目，并进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费类电子产品。

1 数字电视机顶盒的功能
数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具有所有广播和交互式多媒体应用功能，包括：
①电子节目指南（EPG）：它为用户提供一种容易使用、界面友好、可以快速访问想看节目的方式，用户可以通过该功能看到一个或多个频道甚至所有频道上近期将播放的电视节目。

②高速数据广播：它能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种信息。

③软件在线升级：它可看成是数据广播的应用之一。

数据广播服务器按DVB 数据广播标准将升级软件广播下来，机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。

2 数字电视机顶盒的原理与结构
数字电视机顶盒接收各种传输介质来的数字电视和各种数据信息，通过解调、解复用、解码和音视频编码（或者通过相应的数据解析模块），在模拟电视机上观看数字电视节目和各种数据信息。

以有线数字电视机顶盒为例，其工作原理如下：有线数字电视机顶盒接收数字电视节目、处理数据业务和完成多种应用的解析。

信源在进入有线电视网络前完成两级编码，一是传输用的信道编码，另一级是音、视频信号的信源编码和所有信源封装成传输流。

与前端相应，接收端机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调；其次是还原压缩的信源编码信号，恢复原始音、视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。

机顶盒从功能上看是计算机和电视机的融合产物，但结构却与两者不同，从信号处理和应用操作上看，机顶盒包含以下层次：①物理层和连接层：包括高频调谐器，QPSK、QAM、OFDM、VSB解调，卷积解码，去交织，里德—所罗门解码，解能量扩散。

②传输层：包括解复用，它把传输流分成视频、音频和数据包。

③节目层：包括MPEG—2视频解码，MPEG/AC—3音频解码。

④用户层：包括服务信息，电子节目表，图形用户界面（GUI），浏览器，遥控，有条件接
收，数据解码。

⑤输出接口：包括分模拟视音频接口，数字视音频接口，数据接口，键盘，鼠标等。

机顶盒的结构图如图1所示。

3 数字电视顶盒的主要技术
信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式CPU、MPEG—2解压缩、机顶盒软件、显示控制和加解扰技术是数字电视机顶盒的主要技术。

3.1 信道解码
数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。

在数字电视机顶盒中，高频头是必需的，不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。

根据DTV目前已有的调制方式，信道解码应包括QPSK、QAM、OFDM、VSB解调功能。

3.2 信源解码
模拟信号数字化后，信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。

数字电视广播采用MPEG-2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。

音频目前则有AC-3和MPEG-2两种标准。

信源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原始音、视频数据。

3.3 上行数据的调制编码
开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。

目前普遍采用的有3种方式，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。

3.4 嵌入式CPU
嵌入式CPU是数字电视机顶盒的心脏，当数据完成信道解码以后，首先要解复用，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在数字电视机顶盒专用的CPU中集成了32个以上可编程PID滤波器，其中两个用于视频和音频滤波，其余的用于PSI、SI和Private数据滤波。

CPU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、有条件接收管理（IC 卡和Smart卡）、图文电视解码、数据解码、OSD、视频信号的上下变换等功能。

为了达到这些功能，必须在普通32～64位CPU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。

3.5 MPEG—2解码
MPEG—2是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在MPEG—2技术基础上，MPEG—2是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。

MP@LL用于VCD，可视电话会议和可视电话用的H.263和H.261是它的子集。

MP@ML用于DVD、SDTV，MP@MH用于HDTV。

MPEG—2图像信号处理方法分运动预测、DCT、量化、可变长编码4步完成，电路是由RISC处理器为核心的ASIC电路组成。

MPEG—2解压缩电路包含视频、音频解压缩和其地功能。

在视频处理上要完成主画面、子画面解码，最好具有分层解码功能。

图文电视可用APHA叠显功能选加在主画面上，这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据，要有很高的速度和处理能力。

OSD是一层单色或伪彩色字幕，主要用于用户操作提示。

在音频方面，由于欧洲DVB采用MPEG—2伴音，美国的ATSC采用杜比AC—3，因而音频解码要具有以上两种功能。

3.6 加解扰技术
加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密。

其基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法，用户端利用IC卡解密。

在MPEG传输流中，与控制字传输相关的有2个数据流：授权控制信息（ECMS）和授权管理信息（EMMS）。

由业务密钥（SK）加密处理后的控制字在ECMS中传送，其中包括节目来源、时间、内容分类和节目价格等节目信息。

对控制字加密的业务密钥在授权管理信息中传送，并且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥（PDE）的加密处理。

EMMS 中还包括地址、用户授权信息，如用户可以看的节目或时间段，用户付的收视费等。

用户个人分配密钥（PDK）存放在用户的智能卡（Smart Card）中，在用户端，机顶盒根据PMT和CAT表中的CA-descriptor，获得EMM和ECM的PID 值，然后从TS流中过滤出ECMS和EMMS，并通过Smart Card接口送给Smart Card。

Smart Card首先读取用户个人分配密钥（PDK），用PDK对EMM解密，取出SK，然后利用SK对ECM进行解密，取出CW，并将CW通过Smart Card 接口送给解扰引擎，解扰引擎利用CW就可以将已加扰的传输流进行解扰。