042 基于IP的机顶盒硬件设计样本
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本系统开发工具：单片机/汇编
本设计包含内容：源代码+毕业论文+开题报告+答辩稿
论文大概：
 

摘  要

IP机顶盒即IPTV（Internet Protocol TV or Interactive Personal TV）也叫交互式网络电视,是利用宽带网的基础设施。从数字电视机顶盒（DVB-C）、卫星机顶盒（DVB-S）、网络电视机顶盒,机顶盒到现在最红火的IP机顶盒,机顶盒的队伍不断壮大,更不断发展。IP机顶盒是视频解码终端,相当于一台自带嵌入式操作系统的计算机。IP机顶盒实现了视频、语音、数据三者的融合,即所谓的三网合一业务（Triple Play Service）。
在本论文中,主要讲述的是如何实现基于IP机顶盒的硬件的实现。本次设计硬件的实现是基于ARM9 S3C2410开发板的开发环境,利用Protel 绘图软件进行的开发和调试。在适当的时候采用了部分的汇编语言或者c语言,进行软硬件的协同开发。
本次基于IP机顶盒的硬件设计主要包括网卡部分的设计,红外遥控器的设计,USB接口的设计以及最终显示电视机屏幕的终端设计。
未来的机顶盒可能会演变成为家庭中客厅技术的核心控制单元,也就是业界称的“Home Gateway”或“Residential Gateway”。除了可以包今现有的视频传输功能之外,更多的是向家庭中所有的智能设备提供一条集成的,综合的交通本世纪,实现设备之间的互联互通,并且可以给不同终端提供不同个性业务,实现“Multi-Play”。由此可见,机顶盒技术的重要性。
关键字：基于IP机顶盒,ARM9 S3C2410,
网卡,红外遥控,USB接口

目  录
摘要------------------------------------------------------1
第一章前言------------------------------------------------7
1.1机顶盒的概念-------------------------------------------7
1.2 IP机顶盒的发展方向------------------------------------8
第二章 机顶盒的相关概念-----------------------------------10
2.1机顶盒-------------------------------------------------10
2.1.1 机顶盒的基本概念------------------------------------10
2.1.2 数字机顶盒的组成框图--------------------------------12
2.1.3 数字机顶盒的组成模块--------------------------------12
2.1.4 机顶盒的工作原理------------------------------------15
2.1.5 数字机顶盒的功能------------------------------------16
2.1.6 机顶盒软件系统--------------------------------------17
2.1.7机顶盒硬件组成---------------------------------------19
2.1.8 机顶盒的主要用途------------------------------------19
2.1.9 机顶盒分类------------------------------------------20
2.1.10  机顶盒关键技术：中间件、嵌入式系统----------------20
2.1.11 机顶盒发展历程-------------------------------------22
2.2 基于IP的概念-----------------------------------------23
2.2.1 引 言-----------------------------------------------23
2.2.2 对“IP”的理解--------------------------------------24
2.2.3“IP”与“TV”的关系---------------------------------24
2.3 关于IP机顶盒的概念-----------------------------------25
2.3.1 IP机顶盒概述----------------------------------------25
2.3.2 IP机顶盒的构成与功能--------------------------------26
2.3.3 IP机顶盒的分类方式----------------------------------27
2.4 机顶盒与IPTV平台的接口-------------------------------31
2.5 IP机顶盒的发展方向------------------------------------35
2.6 红外遥控技术相关概念----------------------------------36
2.7 USB接口-----------------------------------------------39
第三章软、硬件开发环境------------------------------------42
3.1 关于ARM开发板----------------------------------------42
3.2 S3c2410开发板正在进行linux2.6.14内核的移植------------46
3.3 关于Protel开发环境-----------------------------------47
3.3.1 Protel发展历史--------------------------------------47
3.3.2 Protel99组成----------------------------------------48
3.3.3 Protel99主要特色------------------------------------50
3.3.4 Protel存在的问题------------------------------------53
3.3.5 protel元件封装总结---------------------------------53
3.4 关于开发语言------------------------------------------59
第四章系统结构设计----------------------------------------61
4.1总体流程框图-------------------------------------------61
4.2 关于红外遥控收发控制实现------------------------------61
4.2.1红外遥控原理-----------------------------------------61
4.2.2发射控制器电路设计-----------------------------------63
4.2.3 红外遥控的整体设计调试------------------------------65
4.3关于USB的部分阐述-------------------------------------66
4.4 ARM9开发调试------------------------------------------75
第五章具体硬件原理实现------------------------------------78
5.1各个功能模块的硬件原理图-------------------------------78
5.1.1 USB Blaster----------------------------------------- 78
5.1.2 USB Device-------------------------------------------78
5.1.3红外遥控部分-----------------------------------------79
5.1.4 总体的原理图----------------------------------------81
5.1.5ARM开发板核心芯片原理图-----------------------------82
5.2软硬件协同--------------------------------------------82
5.2.1arm开发的简单步骤------------------------------------82
5.2.2部分程序示例-----------------------------------------83
第六章展望与总结------------------------------------------91
6.1对于基于IP机顶盒的展望--------------------------------91
6.2毕业设计的总结-----------------------------------------95
6.3 致 谢-------------------------------------------------95
附录------------------------------------------------------97
1、参考文献-----------------------------------------------97
2、与数字电视机顶盒有关的一些技术标准和规范---------------97
3、红外线遥控接收部分程序（汇编语言）---------------------98
4、USB接口完全手册---------------------------------------109
第一章 前 言
1.1机顶盒的概念
机顶盒由软件和硬件两大部分组成,机顶盒的硬件包含了主芯片、内存、调谐解调器、回传通道、CA（Conditional Access）接口、外部存储控制器以及视音频输出等几大部分。软件则分成应用层、中间解释层和驱动层三层,每一层都包含了诸多的程序或接口等。
与传统的数字机顶盒相比,IP机顶盒实现了视频、语音、数据三者的融合,即所谓的三网合一业务（Triple Play Service）。IP机顶盒的系统架构包含三个独立的子系统：TV单元、PC单元和条件存取（即加密系统、CA）单位。TV子系统由调频器和视频解码器组成,它们用来处理数字串流信息；CA子系统让服务商具有控制能力,可以对用户实现临近,能够知道用户在何时收看什么节目；PC子系统大多是模块式的设计,STB的设计者可以依其需求而增加或减少这个系统中的组件,由于IPSTB的目标是要提供互联网的服务功能,故它的PC系统方面就得提供TCP/IP的堆栈协议,并具有更佳的储存方案。
由此可以看出,IP机顶盒的功能主要包括以下三方面：
•支持目前的LAN或DSL网络传输,接收及处理IP数据和视频流；
•支持MPEG、WMV和Real等视频解码；
支持用户认证功能、通过与IPTV系统的交互实现用户的访问控制、计费等管理功能。
随着数字电视和网络技术的发展,数字电视机顶盒的功能将更加完善,尤其是单片PC技术的发展,将促使数字电视机顶盒在物理结构上将各部分硬件高度集成,形成STB核心芯片,从而减小体积,降低成本,提高性能。外部接口将更加丰富,通过USB接口可以和数码相机连接,通过IDE接口可以挂接硬盘实现节目存储等。交互式机顶盒将成为数字电视机顶盒的主流,用户在模拟彩色电视机上不仅能收看数字电视,还能实现娱乐和上网。
1.2 IP机顶盒的发展方向
从数字电视机顶盒（DVB-C）、卫星机顶盒（DVB-S）、网络电视机顶盒,机顶盒到现在最红火的IP机顶盒,机顶盒的队伍不断壮大,更不断发展。为了机顶盒的大规模发展,机卡分离的机顶的大规模发展,机卡分离的机顶盒渐成趋势。另外,双模机顶盒、软件机顶盒也在不断成熟。随着数字家庭概念的发展和推广,未来的机顶盒可能会演变成为家庭中客厅技术的核心控制单元,也就是业界称的“Home Gateway”或“Residential Gateway”。除了可以包今现有的视频传输功能之外,更多的是向家庭中所有的智能设备提供一条集成的,综合的交通本世纪,实现设备之间的互联互通,并且可以给不同终端提供不同个性业务,实现“Multi-Play”。
另外,关于IP机顶盒的硬件设计部分,我主要是结合对各个部分的认识,比如：红外遥控部分,还有就是USB接口的学习,以及网卡的设计,最终将他们作为一个整体联系来。所以我的论文自始至终都是围绕着这几部分的内容进行的。
第二章 机顶盒的相关概念
在我开展自己的论文的主体之前,我花了很大的精力在基本概念的学习和理解上,因为只有掌握了这些最基本的东西我才能把握住我的论文的主体部分。所以下面的篇幅主要讲的是我的设计中涉及到的主要的基本概念。
2.1机顶盒
2.1.1 机顶盒的基本概念
机顶盒（STB,Set Top Box）的概念是比较广泛的,从广义上说,凡是与电视机连接的网络终端设备都可称为机顶盒。从基于有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器,到将电话线与电视机联系在一起的"上网机顶盒"、数字卫星的综合接收解码器（IRD,Integrated Receive Decoder）、数字地面机顶盒、以及有线电视数字机顶盒都可称为机顶盒。从狭义上说,我们可以将模拟设备排除在外,按主要功能将机顶盒分为上网机顶盒、 数字卫星综合接收解码器、数字地面机顶盒、以及有线电视数字机顶盒。这些设备由于具有很好的网络功能,因此也成为信息家电的代表。
机顶盒源于数字电视。它是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备。在数字电视应用中主要根据传输网络不同有3类数字电视机顶盒：用于有线电视网的数字电视机顶盒STB-C、用于卫星电视网的数字电视机顶盒STB-S和用于地面广播网的数字电视机顶盒STB-T,它们分别满足数字电视的相应标准DVB-C、DVB-S和DVB-T。基于Internet协议(IP) 的机顶盒的出现,是最近的事情。随着IPTV的发展,使这种产品获得了极大的发展动力。因为 IP 机顶盒不仅可以提供与大多数有线或卫星电视机顶盒相同的功能,而且还可以使用当前低成本的互联网和基于 IP 的网络设施。 另外,立足于双向的 IP 网络还可以本能地支持一系列的应用和交互式服务。
同时,机顶盒是一种能提供模拟音频和视频接口, 使现在的模拟电视机能正常接收节目；同时,还能提供数字电 视、 数字广播接口, 提供交互式功能的接口装置。它一头接有线电视网的同轴电缆, 一头接用户家里的 电视机。专门为不打算买电脑和用电脑的广大用户设计。 S-A(Scientific-Atlanta) 在94年为Time Warner Cable 在奥兰多的Full Service Network(FSN)设计了第一个数字机顶盒(Digital Set-Top Box) , 采用SGI的MIPS 芯片和软件技术的数字机顶盒将计算机技术带入家电领域。 机顶盒除了能提供数字电视、数字 广播接口,提供交互式功能,包括电话接口、计算机数据接口, 甚至提供摄像机与游戏机接口等。能接收 和存储用户发出的某些指令, 并拥有一个中央处理单元,控制机上变换器各部分的工作,能够进行繁重的 数值计算,并对数字视频 / 音频信号进行解压缩输出和压缩输入。 机顶盒实际上就是多功能的计算机。
2.1.2 数字机顶盒的组成框图
 
2.1.3 数字机顶盒的组成模块
a. 调制解调模块
数字机顶盒工作在有线电视网络状态下, 有线电视网采用模拟传输, 因此必须对数字信 号进行调制和解调才能在模拟信道传输, 调制解调器是系统关键的组成部分, 在技术上类似现在的电话 调制解调器的原理, 但采用了更高的调制方法, 下行多采用64QAM 或256QAM, 在DVB-C(Digital Video Broadcast by Cable) 和DAVIC中采用64QAM 做为标准调制方法, 以Motorola 的MC92305QAM 解 调 芯 片 为例, 在7M模拟带宽上采用64QAM调制的数字信号速率可达42Mbit/S, 上行目前采用两种方式, 一种是 采用电话线做为上行信道, 另一种是采用双向HFC 网的上行通道, 采用HFC 网时采用QPSK做为调制方案。QAM 或QPSK调制器将MPEG 格式的数据流调制在一个标准的PAL 信道内, 与其他视频调制信号一起合路发 送出去。
b. 编解码模块
由于采用模拟通道,为保证数据传输的可靠性和低误码率,前向纠错编码是必不可少的,DVB 采用Reed Solomon编码,RS码是一类纠错能力很强的多进制BCH码。
c. MPEG II的解码模块
数字机顶盒的核心是数字视频技术,MPEG II的解码模块可以称为CPU以外的核心模块,MPEG II数字传输中采用交织编码,首先需要对码流进行去交织,视频、音频和数据码流的分离工作,以 及视频码的解码工作。经以上各步骤MPEG II码流成为视频(CCIR656 格 式)和音频数字信号。MPEG多路复 用器将各路节目流、数据流复合在一起,以188字节为一帧的MPEG2数据格式发送到射频调制器并提供电子 节目单(EPG)。
d. 数字视频编码器和音频DAC
数字机顶盒的“外设”是电视机和音响系统,数字的音视频信号必须转换为 模拟音视频信号, 以Motorola公司的MC44724为例,MC44724可以将ITU601、656标准4:2:2 并行视频数据转 换为PAL 或NTSC格式的视频、S-Video、Y/Cb/Cr 或R/G/B, 扩展的VBI(Vertical Blanking Interval)信 息输入口用于显示图文信息。音频DAC非常普遍这里不再介绍。 现代音响系统都支持Dolby Pro Logic和Lucasfilm Home THX家庭影院系统, 需在音频DAC之前用数字音频信号处理芯片对数字音频信号进行处理, 目前有专用处理芯片和采用数字信号处理芯片DSP 进行处理两种方式。
e. 图形控制模块
和视频图形混合器数字机顶盒另一方面需要提供类似计算机的复杂图形甚至是三维图形, 需要系统具有强大的二维和三维图形加速芯片, 而且需要将图形和视频信号能进行混合叠加显示, 此类 功能类似现有的字幕机。
f. 媒体访问控制模块MAC
数字机顶盒在网络通信上可以看成是Cable Modem,IP路由器接收用户端通过PSTN( 公 用 电 话 网) 传来的点播信号并传送到Internet服务器/ 路由器。目前主要参照DAVIC 和IEEE 802.14 标准,IEEE802.14 倡导采用ATM 并在802.14 MAC 访问层上定义了ATM 层,DAVIC 同时定义了以太网 和ATM标准。
h. 可擦写DVD
现有数字机顶盒完全工作在网络环境, 仅能利用智能卡进行一些类似个人帐号、 解码号等 信息的储存, 不具备本地大数据存储功能, 所有信息需要从网上获得, 无论现在网络状况还是今后, 像CD-ROM此类介质仍是大容量信息传递的一种主要方式,CD-ROM的缺点是信息无法更新。 采用可擦写DVD不 仅可以使用光盘上的巨大信息,更有效的是通过Internet 网进行数据更新, 使DVD盘上数据保持最新状 态,DVD应成为数字机顶盒的重要的备用模块。
i. 加解扰模块和版权保护模块
在有线电视运营中, 付费电视是一种主要的业务, 要求数字机顶盒必须具 备电视信号的加解扰功能,由于采用数字信号,加解扰比模拟信号加解扰容易和保密度高,DVB对加解扰功 能有相关定义,另一方面, 采用数字信号在版权保护上加大了难点,目前采用Macrovision generator 进 行活动图像的保护。
2.1.4 机顶盒的工作原理：
机顶盒各个模块在Internet的高速接入中,协同工作。用户首先通过发送命令请求一个URL。在使用PPP点对点协议的一次交易过程中,该命令最终到达Internet业务提供者的调制解调器共用机架上。然后通过动态分配法,该用户获得本次交易中使用的IP地址,并把请求送往Internet。当Internet的内容被找到之后,接着把它送到Internet业务提供者(ISP)那里,再由ISP的路由器负责把它送到电缆电视网络,最后回到用户的机 顶 盒。 在有线电视的机 顶 盒,信息内容被截获。机 顶 盒在电视机与电缆网络之间完成一个网关的任务。它的任务是管理IP的通信流量,具有控制用户进出网络的能力 一旦IP包到达机 顶 盒,把视频信号从该包中分离下来,对其中的数据进行译码,然后把它送到浏览器里准备在电视机上显示。
    由于Cable Modem要求用户要配置一部电脑才能上网,影响了用户层的扩展,而使用机顶盒则不需电脑,一部电视机足矣,因而机顶盒的市场前景可能看好。 信息使用者从企业向家庭过渡,网络带宽从窄带向宽带过渡,用户入网设备从PC机向带机顶盒(STB)的电视过渡,使用界面从Windows向电视遥控键界面过渡,信息内容从为企业服务向为人民生活服务过渡,是网络服务发展的大方向,机顶盒(STB)显然是这个大方向上 的一个阶段。
2.1.5 数字机顶盒的功能
数字机顶盒能够接收MPEG-2数字电视传输流和各种数据信息,通过解调、解复用、解码和视音频编码,在模拟彩色电视机上观看数字电视节目和各种数据信息。目前,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：它为用户提供一种容易使用,界面非常友好,可以快速访问想看节目的方式,用户可以通过该功能看到各个频道上近期将播放的电视节目。
（2）支持交互式应用如准视频点播、视频点播、互动游戏等。
（3）高速数据广播：能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网络等各种信息。
（4）因特网接入和电子邮件：数字电视机顶盒通过内置的电缆调制解调器便可实现因特网接入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网,发送电子邮件,也可以提供各种接口与PC相连,使用PC接入因特网。
（5）软件在线升级：可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器将升级软件传送给机顶盒,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。
（6）有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密,数字电视机顶盒应具有解扰和解密功能。
2.1.6 机顶盒软件系统
    在机顶盒中,软件系统是一个重要的组成部分。主控制器的工作通过软件的执行来完成。
 
图二  机顶盒软件系统结构
    机顶盒的软件基本结构如图二所示。操作系统一般采用实时操作系统。在这个操作系统中主要完成进程调度、中断管理、内存分配、进程间通信、异常处理、时钟提取等工作。硬件驱动部分提供外围硬件设备的驱动,包括I2C总线、异步串行通信口、并行通信口、非易失内存、键盘、遥控器、调谐器、信道解码模块等。图形接口主要用于完成图形显示功能,以便于为用户提供友好的图形用户界面。音频解码和视频解码驱动用于控制音频解码和视频解码硬件的工作。解复用和数据表提取模块主要是对码流解复用和数据表提取操作的控制。应用程序编程接口将所有与硬件相关的底层函数映射到一个统一的接口上,并且提供一些与硬件无关的公用处理函数,比如网络协议、图形格式分析、业务信息数据表分析等。条件接收驱动用于完成条件接收处理的工作和软件接口。应用程序编程接口为应用程序提供了一个公共的编程接口,把应用程序与硬件屏蔽开,使得应用程序与硬件无关。这样,就便于实现应用程序的可移植性。
2.1.7机顶盒硬件组成
（1）网络接口模块（NIM）：网络接口模块完成信道解调和信道解码功能,送出包含视音频和其他数据信息的传输流（TS）。
（2）信源数据传输流解复用器：传送流中一般包含多个音视频流及一些数据信息,传输流解复用器用来区分不同的节目,提取相应的音视频流和数据流,送入视音频解码器和相应的解析软件。
（3）条件接收模块：对于付费电视,条件接收模块还对音视频流实施解扰,并采用含有识别用户和记忆功能的智能卡,保证合法用户正常收看。
（4）视音频解码器和后处理：MPEG-2解码器完成对音视频信号的解压缩,经视频编码器和音频D/A变换,还原出模拟音视频信号,在模拟电视机上显示高质量图像,并提供多声道立体声节目。
（5）嵌入式CPU与存储器模块和接口电路：嵌入式CPU是数字电视机顶盒的心脏,它与存储器模块用来存储和运行软件系统,并对各个硬件模块进行控制。接口电路提供丰富的外部接口,包括通用串行接口USB,以太网接口及RS232,模拟、数字视音频接口,数据接口等。
2.1.8 机顶盒的主要用途
简单地说,机顶盒的主要用途有两个：点播电视＆上网。
一是支持接收电视节目,使普通（模拟）电视机能接收有线电视和数字电视信号。当视频提供者如电视台提供“点播电视”功能时,这些计次计时的各种节目必须是数 字化的,可交互操作的,但传统电视机无法实现这种附加功能,只有通过机顶盒才能实现。机顶盒的另一个功能是支持与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ连接。此时机顶盒可被视为内置ＭＯＤＥＭ的一台电脑,借助其中能够浏览互联网；
2.1.9 机顶盒分类：
数字电视机顶盒（ＤＶＢ—Ｃ）————主要功能是使模拟彩电能够接收数字电视信号；
卫星数字机顶盒（ＤＶＢ—Ｓ）———用来接收数字卫星广播节目；
网络电视机顶盒————主要功能是使模拟彩电
2.1.10  机顶盒关键技术：中间件、嵌入式系统
中间件技术
中间件技术在计算机系统中早已经得到广泛的应用,现在也开始应用于机顶盒设计软件。中间件是指位于机顶盒的实时操作系统和应用程序之间,连接两部分的软件。
在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题：实时多任务操作系统,硬件平台原理细节,复杂的行业标准,繁杂的用户界面以及实用功能等各项跨行业的难题。
为了解决上述问题,中间件技术应运而生,并成为数字电视核心技术,也就是我们前面提到的开放式业务平台。中间件是在数字电视接收机的应用程序和操作系统、硬件平台之间嵌入的一个中间层,定义一组较为完整的、标准的应用程序接口,使应用程序独立于操作系统和硬件平台,从而将应用的开发变得更加简捷,使产品的开放性和可移植性更强。
嵌入式系统应用
嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输处理技术,甚至传感器技术与具体应用对象相结合的产物,是技术密集、投资强度大、高度分散不断创新的知识密集型系统,反映当代最新科技的先进水平。一般来说,嵌入式系统由嵌入式芯片、嵌入式软件、嵌入式操作系统及嵌入式系统开发工具4部分组成。嵌入式芯片包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器以及嵌入式片上系统,随着RISC计算机技术和微电子技术的迅速发展,嵌入式芯片功能越来越强,体积越来越小。
嵌入式CPU是IP机顶盒的核心,它要管理机顶盒的所有接口,包括网络侧接口、红外接口以及各类扩展接口,要处理IP协议栈,控制和调度所有底层设备驱动程序。它与媒体处理器或控制编解码芯片对接收到的音视频媒体流解码转换,使视频、音频和数据分离开,通过控制数字/模拟转换器还原成电视信号输出给TV显示出来。一般IP机顶盒专用的嵌入式CPU大多集成媒体处理能力,增强型机顶盒也可采用双CPU方式。
2.1.11 机顶盒发展历程
机顶盒STB（Set－Top－Box）起源于20世纪90年代初,当时在欧美作为收取有线电视费用的重要手段。有线电视经营者在每台用户的电视机之前安装一个密钥盒,只有交了费的用户才能对电视信号解密,正常收看电视。这就是最初的机顶盒。
20世纪90年代中期,Internet在全世界迅速发展和不断普及,人们萌发了利用电视机上网的想法,于是开始研究可以上网的机顶盒。当时,计算机和网络设备厂商都期望可以上网的机顶盒能构成为新的家用电器。然而由于各方面技术不成熟,最终未成气候。
20世纪末,在欧美开始试播数字电视（DTV）和高清晰度数字电视（HDTV）后,又一次掀起了机顶盒的高潮。这时机顶盒的主要作用是数字电视信号进行模拟转换,以保证用普通模拟电视机可以收看数字电视或数字高清晰度电视。
IPTV的出现使机顶盒又有了进一步发展,机顶盒不仅用于数字电视,还作为IP网络与电视的桥梁,使宽带网络上丰富多彩的节目内容通过机顶盒展现在电视机上,为广大普通电视观众带来全新的数字生活新感受。
2.2 基于IP的概念
2.2.1 引 言
随着信息通信技术,尤其是IP技术的不断发展以及国家大力推进信息化的战略,互联网得到了极大发展。
截至2005年底我国互联网的用户数已经超过了1亿,宽带用户已经超过了4000万。互联网上的业务和应用,如IP电话、视频会议、可视电话、音视频下载、电子商务、电子政务、互动游戏,视频点播,网络电视、旅游咨询、数字图书馆、数字博物馆、搜索引擎等都得到了蓬勃发展。
这些IP多媒体业务的发展和繁荣,促进了国民经济和社会的发展,正在改变着经济增长方式,进一步满足了人民群众对信息技术、网络和服务的需要,成为电信网向下一代网络(NGN)发展的战略目标的重要组成部分。同时,IP多媒体业务的发展也繁荣了电信增值业务,促进了电信业的发展,保证了电信业的可持续发展,是我国电信业由大变强的一个重要发展机遇。
在互联网及其业务和应用的发展过程中,出现了网络电视(或称IPTV)这种融合了传统电信和传统广电业务的新型业务,已经成为2005年最热门的话题之一。但目前在IPTV的发展过程中,出现的一个非常重要的问题是对IPTV概念理解的不统一。来自不同行业、组织或企业的同样被冠以“IPTV”概念的业务和技术。在实际中却可能表现出极大的差异性。对IPTV概念和内涵理解的巨大差异性,已经成为目前与IPTV相关诸多问题产生的根源。
2.2.2 对“IP”的理解
对“IP”化程度的理解,至少也存在两个方面的差异：
(1)水平方向。是端到端的(即从对节目源的信道编码开始,到用户显示终端之前的处理)全IP化,还是只要部分IP化(比如只是承载网络IP化)就可以称为IPTV?简单地讲,这与目前存在四种不同接入形式的VoIP是类似原因。
(2)垂直方向。将IPTV业务中的“控制平面”、“管理平面”和“用户平面”都IP化(比如都承载在一张IP网络中),才算是IPTV,还是有一个或两个以上平面的IP化(比如“数据平面”仍然走CABLE,而控制平面走IP网络)就可以算是IPTV?
2.2.3“IP”与“TV”的关系
根据上面的介绍,对于“IP”与“TV”关系的理解,出现了至少两种观点：
(1)“IPTV=IP+TV”模式：在这种实现方式中,IPTV的上行控制和IPTV的媒体流分别工作在IP网络和CABLE网络中,从网络的角度看二者是完全并行的。从技术的角度看,可以理解为这时IPTV的“数据平面”工作在广播方式的CABLE上,IPTV的“控制平面”和“管理平面”工作在IP网络上。
(2)“IPTV=TV over IP”模式：即包括TV在内的所有业务都承载在IP之上,当然也包括了IPTV的“数据平面”、“控制平面”和“管理平面”全部三个平面。
2.3 关于IP机顶盒的概念
2.3.1 IP机顶盒概述
IPTV（Internet Protocol TV or Interactive Personal TV）也叫交互式网络电视,是利用宽带网的基础设施,以家用电视机或计算机作为主要终端设备,集互联网、多媒体、通信等多种技术于一体,通过IP协议向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的崭新技术。IPTV业务核心框架主要由内容运营平台、业务运营平台、业务承载传输网络、用户终端网络等四大部分组成。IPTV技术涉及了视频编解码、网络分发、数字版权保护、终端接入等各面的技术。
IP机顶盒是视频解码终端,相当于一台自带嵌入式操作系统的计算机。从图1可以看出,IP机顶盒一端通过DSL或以太网方式接入IPVT网络,一端将通过网络传输过来的媒体流等信息转换成模拟视音频输出至电视,由此在电视上 祥视频点播、网页浏览、游戏等功能,它具备计算机的数据交换等基本功能,可以采用遥控器或PC直接操作。
2.3.2 IP机顶盒的构成与功能
机顶盒由软件和硬件两大部分组成,机顶盒的硬件包含了主芯片、内存、调谐解调器、回传通道、CA（Conditional Access）接口、外部存储控制器以及视音频输出等几大部分。软件则分成应用层、中间解释层和驱动层三层,每一层都包含了诸多的程序或接口等。
与传统的数字机顶盒相比,IP机顶盒实现了视频、语音、数据三者的融合,即所谓的三网合一业务（Triple Play Service）。IP机顶盒的系统架构包含三个独立的子系统：TV单元、PC单元和条件存取（即加密系统、CA）单位。TV子系统由调频器和视频解码器组成,它们用来处理数字串流信息；CA子系统让服务商具有控制能力,可以对用户实现临近,能够知道用户在何时收看什么节目；PC子系统大多是模块式的设计,STB的设计者可以依其需求而增加或减少这个系统中的组件,由于IPSTB的目标是要提供互联网的服务功能,故它的PC系统方面就得提供TCP/IP的堆栈协议,并具有更佳的储存方案。
由此可以看出,IP机顶盒的功能主要包括以下四方面：
(1)电子节目指南（EPG）：EPG可为用户提供一种界面友好、易于操作、可以快速访问节目的方式。用户可以通过EPG功能看到所有频道上近期将播放的电视节目以及可供用户点播选择的节目内容索引,主动检索点播。
(2)交互式应用：为用户提供视频点播、组播和互动游戏。通过交互功能的应用,人们在点播时可以像操作家用DVD一样进行快进、快退、暂停；在组播时可以快速切换电视频道。通过交互功能的应用,人们还可以进行互动游戏。
(3)软件在线升级：利用机顶盒中间件插件可以提供机顶盒能力探测,在线安装和更新机顶盒应用软件。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。
(4)互联网浏览和电子邮件：用户可以通过机顶盒内置的Internet浏览器上网,发送电子邮件。
2.3.3 IP机顶盒的分类方式
根据硬件、软件的不同,IP机顶盒有不同的分类方式
1. 基于硬件的分类方式
IP机顶盒按照基中使用的CPU芯片的不同,可以分为以下三种： （1）基于专用芯片组（ASIC/SOC编解码芯片）的机顶盒
专用芯片组除了处理器以外,在芯片内还集成了一些其他的IP（Lntelligent Property）模块,如Video in,Video out,Audio in及Audio out等,有的还有图像压缩硬件加速模块等。由于专用视频压缩芯片携带固定压缩模块、固定的处理方式和固定的微码,所以传统的基于ASCI/SOC的机顶盒产品价格比较低廉,但由于全硬件芯片的实现方案使得运营商无法通过软件升级来提升产品性能,另外这种机顶网络适应性也有较大问题。
（2）基于X86平台
基于X86架构CPU的嵌入式系统有如下优势：一是它可以对不同格式的文件进行编解码；二是X86架构的CPU有较齐全的应用软件,维护成本低；三是基于X86架构的嵌入式系统可以轻松与PC资源共享。 
（3）基于多媒体处理器技术
基于X86平台的方式在使用时要占据CPU的绝大部分处理能力。因此,在有些不适合采用这种方式。于是出现了基于多媒体处理器技术的独立机型的机顶盒。这种芯片高速的运算能力完全可以实现适合不同协议的通信终端。采用这些芯片可以很方便地实现MPEG视频和音频处理、H.263视频处理,以及DVD、机顶盒、数字电视等。
由于使用了实时视频解码功能芯片,视频处理速度明显提高,配合实时编码,全程视频处理时延小,特别适合视频直播系统应用；系统配有USB,IDE,PCMCIA和以太等接口,使IPTV终端功能可扩充性增强、内存占用少、硬件结构紧凑,成本不高。
2. 基于软件的分类方式
操作系统是机顶盒中的核心软件,机顶盒中的操作系统不大,但却要求可以在实时的环境中工作,并能在较小的内在内存空间中运行,这种操作系统称为实时操作系统（RTOS）,目前主要有VxWorks、Windows CE、嵌入式Linux等三类。
（1） 嵌入式WinCE终端
WinCE最大特点是其API与Win32兼容,这有利于使用Windows环境开发WinCE应用,此外,WMV播放器还可直接运行于WinCE OS,许多现成的Windows组件稍加改造就能应用于终端上的网络管理以及视频流控制等功能,能够充分分享MMS等的Windows Media优秀成果。微软目前推出WinCE5.0,并扩大开放部分程序源代码。在这个开放了源代码计划授权下,微软开放250万行源代码程序作为评估套件,凡是个人、厂商都可以下载这些源代码加以修改使用。未来厂商OEM时,则需依执行时期授权,支付WinCE5.0核心每台机器数美元的授权费用。,作为市场新进入者,微软强调较低的开发成本。微软在WinCE加入了档案系统、IPv4/IPv6、WLAN、蓝牙等联网功能以及Windows Media Coder等功能。
不过此类终端的弊端在于：应用源代码不公开,终端采用WinCE须向微软交纳版税；另外,WinCE代码庞大,占用很多的ROM和RAM,要求有高性能的X86微处理器支持,所有这些都造成了终端成本的居高不下。
（2） 嵌入式LINUX终端
这种终端往往以专用的多媒体微处理器为核心,辅以以太接口和视频接口构成系统。多媒体微处理器本身不但具有嵌入式RISC（精简指令集CPU）去运行系统软件和应用软件,而且带MPEG2或MPEG4实时解码功能芯片,在引Linux OS和必要的视频以及各辅助接口驱动程序后,就成为一个完整的IPTV网络终端运用环境。
使用Linux开发平台优点首先Linux源代码公开,有大量免费优秀开发工具和应用软件可用,无须为每例应用交纳许可证费；其次有庞大的开发群体,技术交流方便,软件开发和维护成本低；最后,Linux本身稳定,内核精焊,运行所需资源少,有优秀的网络功能,支持的硬件数量庞大。总之,性价比高是其最大特色。
但是,这种系统适应低带宽能力存在一定的局限性。由于采用的是硬件实时解码,解码器性能提高受制于芯片技术发展,于是就省去QPEL和GMC编码工具,这就使得MPEG4 ASP高清晰度性能、适合DSL低带宽网络传输的优点得不到充分发挥,某些OS基于μCLinux、解码器甚于不完全MPEG4 ASP的终端,线路工作带宽在3Mbit/s,在同样播放分辩率D1下,适合DSL网络低带宽的能力比基于WMVx的Codec终端逊色。这种机顶盒的价格较低,但由于兼容性不好,系统服务器端的建设和媒体文件的采集成本会偏高。
VxWorks是美国Wind River System公司推出的一个实时操作系统。VxWorks是一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域,如卫星通信、军事演习、弹道制导、飞机导航等。
当然,根据机顶盒的功能高低和价格差异,也可把机顶盒分成基本型、专业型、综合型等。
2.4 机顶盒与IPTV平台的接口
机顶盒与IPTV平台的接口涉及内容很多,其中涉及用户业务流程的可以分为：认证接口、付费接口和服务使用接口三大类。
1. 认证接口
认证接口含网络层认证和应用层认证就是实现机顶盒早互联网的过程,即互联网用户接入互联网的过程。按用户与网络设备之间的通信方式,目前使用较多的网络层接入认证方式分为PPPoE和DHCP+WeB两种。
（1） PPPoE技术
目前PPPoE认证技术在以太网接入和ADSL接入方式中应用的最为广泛,其组网原理基本相同,都是利用交换机或DSLAM将用户接入网内,在交换机和DSLAM后面设置BRAS设备来终结PPP。终结PPP连接的宽带接入服务器可以对这PPP连接分别进行管理,可对用户上网业务分别进行时长和流量信息的统计,各种计费方式提供必要的用户上网信息。
PPPoE的实质是在以太网上跑PPP协议,在用户端和宽带接入服务器之间建立了PPP的点对点通道。也就是说,如果在用户主机和BRAS之间启用组播业务,则组播数据必须以BRAS作为接收端复制点,这样会使大量的组播数据穿越网络和DSLAM设备,违背组播的初衷。因此PPPoE接入方式限制了组播协议的存在,影响视频业务的开展。
（2） DHCP+Web技术
DHCP+Web认证需要与DHCP服务器和Web认证服务器配合使用,Host首先通过DHCP得到一个IP地址,与Web认证服务器通信,也可以使用户只访问一些内部服务器,然后,接入服务器将用户强制连接到Web认证服务器上,并在浏览器中弹认证页面。在该页面中输入赂和密码,Web Server作为Radius的Client端把认证信息传送到Radius Server,对用户进行认证。认证通过后,用户获得新的合法的IP地址,可以访问因特网或特定的网络。
在DHCP+Web认证方式中,用户主机和接入服务器之间并没有任何类似PPP的第3层通道,也不存在对组播协议的限制。如果用户主要到接入服务器之间的交换机或DSLAM能支持IGMP Snooping,组播业务很容易开展。但是DHCP本身存在很多缺点,特别是安全性问题,如何能够保证用户信息的合法性、真实性是DHCP需要解决的关键问题。
（3） 改进方案
由此可以看到,网络层认证根据STB终端支持的程度可采用PPPoE认证或DHCP方式。但是这两种认证方式,都不能够满足IPTV业务开展的需要。因此,我们就需要针对现在的认证方式提供相应的解决方案,在保证IPTV业务开展的前提下,尽可能的减少对现网的大规范改动,以保证原有业务的的支撑。
对于STB终端采用PPPoE进行认证的方式,主要需要解决的问题是数据的下发。因此可以针对用户的不同业务采用不同的业务分发通道。也就是说,一方面要求BRAS设备支持IPTV业务的PPPoE认证,其相关的单播数据通过PPPoE的通道进行下发；这就要求BRAS通过认证信息能够区分用户业务种类,而DLSAM设备需要支持组播分发及组播组的控制,同时要求STB设备支持双协议栈。这样既可以保证原有认证系统的功能,同时也能够保证组播业务的顺利开展。
而对于DHCP认证方式,其主要问题是保证DHCP接入的安全性和真实性,这就需要在DHCP包文中引入OPTION82选项；对于存在多个终端同时使用DHCP的场合,为了区分这些终端,还需引入OPTION60选项。DHCP OOPTION82选项通常由DSLAM设备将用户的商品信息和设备信息到用户的DHCP报文,DHCP服务器通过识别OPTION82为来执行IP地址分配策略或其它策略。OPTION60选项通常由终端自带,不同类型的终端可以通过设置不同的OPTION60来识别。通过OPTION60选项,可以实现不同的终端分配不同的地址空间。但是,OPTION82的引入需要DSLAM的支持,目前运营使用的设备并不具备该功能,因此需要进行网络设备的改造。
目前的解决方案比较倾向于采用DHCP,并采用独立的IPPOOL的方式,该方案可以通过针对IP的策略配置实现IPTV业务与传统上网业务的隔离。在IP-TV用户量不高的情况下,较小的设资就可以满足业务要求。
（4） 应用层认证
应用层认证实现了机顶盒用户在IPTV系统的身份认证过程,经过应用层认证的用户才可以消费、使用IPTV台提供的各种类型的服务。只有安全的应用层认技术,才能保证内容提供商放心地精彩的内容用放在IPTV系统上。
2. 用户消费接口
用户消费接口需要实现系统价格提示、用户确认购买、系统实现扣费一个复杂的消费过程,根据计费方式和付费方式的不同,接口的流程也有不同。
3. 内容使用接口
内容使用接口实现用户从内容运营获得不同应用服务的过程IPTV系统提供的应用已经日益丰富,如视频直播、视频点播、游戏、卡拉OK、信息检索等等,随着机顶盒功能的日益强大,网络传输带宽的不断增加,我们有理由相信现在PC上的各种互联网应用都会通过机顶盒呈现在用户的电视机上。
2.5 IP机顶盒的发展方向
从数字电视机顶盒（DVB-C）、卫星机顶盒（DVB-S）、网络电视机顶盒,机顶盒到现在最红火的IP机顶盒,机顶盒的队伍不断壮大,更不断发展。为了机顶盒的大规模发展,机卡分离的机顶的大规模发展,机卡分离的机顶盒渐成趋势。另外,双模机顶盒、软件机顶盒也在不断成熟。随着数字家庭概念的发展和推广,未来的机顶盒可能会演变成为家庭中客厅技术的核心控制单元,也就是业界称的“Home Gateway”或“Residential Gateway”。除了可以包今现有的视频传输功能之外,更多的是向家庭中所有的智能设备提供一条集成的,综合的交通本世纪,实现设备之间的互联互通,并且可以给不同终端提供不同个性业务,实现“Multi-Play”。
2.6 红外遥控技术相关概念
1、红外遥控系统
常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管；由于其内部材料不同于普通发光二极管,因而在其两端施加一定电压时,它便发出的是红外线而不是可见光。目前大量的使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940mm左右,外形与普通φ5发光二极管相同,只是颜色不同。红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样；用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定,而业余条件下只能用拉锯法来粗略判判定。接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作,亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用,这样才能获得较高的灵敏度。红外发光二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW左右）,所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱,因此就要增加高增益放大电路。前些年常用Μpc1373H、CX20106A等红外接收专用放大集成电路。最近几年不论是业余制作还是正式产品,大多都采用成品红外接收头。成品红外接收头的封装大致有两种：一种采用铁皮屏蔽；一种是塑料封装。均有三只引脚,即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO或OUT）。红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同,可参考厂家的使用说明。成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽,使用起来如同一只三极管,非常方便。但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。红外遥控常用的载波频率为38kHz这是由发射端所使用的455kHz晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频,分频系数一般取12,所以455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。也有一些遥控系统采用36 kHz、40 kHz、56 kHz等,一般由发射端晶振的振荡频率来决定。
红外遥控的特点是不影响周边环境的、不干扰其他电器设备。由于其无法穿透墙壁,故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单,只要按给定电路连接无误,一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易,可进行多路遥控。由于各生产厂家生产了大量红外遥控专用集成电路,需要时按图索骥即可。因此,现在红外遥控在加用电器、室内近距离（小于10米）遥控中得到了广泛的应用。
2、多路控制的红外遥控系统
多路控制的红外发射部分一般有许多按键,代表不同的控制功能。当发射端按下某一按键时,相应地接收端有不同地输出状态。接收端地输出状态大致可分为脉冲、电平、自馈、互锁、数据五种形式。“脉冲”输出是当按发射端按键时,接收端对应输出端输出一个“有效脉冲”,宽度一般在100ms左右。“电平”输出是指发射端按下键时,接收端对应输出端输出“有效电平”消失。此处的“有效脉冲”和“有效电平”,可能是高、也可能是低,取决于相应输出脚的静态状况,如静态时为低,则“高”为有效；如静态时为高,则“低”为有效。大多数情况下“高”为有效。“自锁”输出是指发射端每按一次某一个键,接收端对应输出端改变一次状态,即原来为高电平变为低电平,原来低电平变为高电平。此种输出适合用作电源开关、静音控制等。有时亦称这种输出形式为“反相”。“互锁”输出是指多个输出互相清除,在同一时间内只有一个输出有效。电视机的选台就属此种情况,其他如调光、调速、音响的输入选择等。“数据”输出是指把一些发射键编上号码,利用接收端的几个输出形成一个二进制数,来代表不同的按键输入。一般情况下,接收端除了几位数据输出外,还应有一位“数据有效”输出端,以便以后适时地来取数据。这种输出形式一般用于与单片机或微机接口。除以上输出形式外,还有“锁存”和“暂存”两种形式。所谓“锁存”输出是指对发射端每次发的信号,接收端对应输出予以“储存”,直至收到新的信号为止；“暂存”输出与上述介绍的“电平”输出类似。
2.7 USB接口
1、USB的概念
USB的全称是Universal Serial Bus,USB支持热插拔,即插即用的优点,所以USB接口已经成为MP3的最主要的接口方式。USB有两个规范,即USB 1.1和USB 2.0。
 2、 USB的两个规范
USB 1.1是目前较为普遍的USB规范,其高速方式的传输速率为12Mbps,低速方式的传输速率为1.5Mbps（b是bit的意思）,1MB/s（兆字节/秒）=8Mbps（兆位/秒）,12Mbps=1.5MB/s。 
    USB 2.0规范是由USB 1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了480Mbps,折算为MB为60MB/s,足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0中的“增强主机控制器接口”（EHCI）定义了一个与USB 1.1相兼容的架构。它可以用USB 2.0的驱动程序驱动USB 1.1设备。也就是说,所有支持USB 1.1的设备都可以直接在USB 2.0的接口上使用而不必担心兼容性问题,而且像USB 线、插头等等附件也都可以直接使用。 
USB 2.0标准进一步将接口速度提高到480Mbps,更大幅度降低了MP3音乐文件的传输时间。
3、USB2.0规范的主要特点
1.速度快 接口的传输速度高达480Mbps,和串口115200bps的速度相比,相当于串口速度的4000多倍,完全能满足需要大量数据交换的外设的要求。
2.连接简单快捷 所有的USB外设利用通用的连接器可简单方便地连入计算机中,安装过程高度自动化,既不必打开机箱插入插卡,也不必考虑资源分配,更不用关掉计算机电源,即可实现热插拔。
无须外接电源 大家都知道,一些采用普通串口或并口设备比如打印机、扫描仪等都需要相应的外接电源系统,而USB电源能向低压设备提供5V的电源,因此新的设备就不需要专门的交流电源,从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。
3.有不同的带宽和连接距离 USB提供低速与全速两种数据传送速度规格。全速传送时,结点间连接距离为5m,连接使用4芯电缆(电源线2条,信号线2条)。该速率与标准的串行端口相比,大约快100倍,与标准的并行端口相比,也快近10倍。因此,USB能支持高速接口(例如ISDN、PRI、T1等),使用户拥有足够的带宽供新的数字外设使用。
4.支持多设备连接 利用菊花链的形式对端口加以扩展,避免了PC机上插槽数量对扩充外设的限制,减少PC机I/O接口数量。
5.提供了对电话的两路数据支持 USB可支持异步以及等时数据传输,使电话可与PC集成,共享语音邮件及其他特性。
6.具有高保真音频 由于USB音频信息生成于计算机外,因此减少了电子噪音干扰声音质量的机会,从而使音频系统具有更高的保真度。
7.良好的兼容性 USB接口标准有良好的向下兼容性,以USB 2.0和1.1版本为例,2.0版本就能很好地兼容以前的USB 1.1的产品。系统在自动侦测到1.1版本的接口类型时,会自动按照以前的12Mbps的速度进行传输,而其他的采用2.0版本的设备,并不会因为接入了一个1.1标准的设备而减慢它们的速度,它们还是能以2.0标准所规定的速度进行传输。