刘超杰

（定兴县广播电视台技术股 河北省保定市定兴县 072650）

1 引言

由于数字电视的逐渐普及，基于数字电视的相关业务正在高速发展，一些高清电视节目也增长迅速。视频点播的双向性、娱乐性丰富的游戏，通过智能电视或智能机顶盒连接到宽带互联网等增值业务不仅能给用户带来全新的感受和体验，也能给运营商带来更多的营收来源[1]。随着用户对视频以及相关娱乐资源需求对不断扩增，智能家居的运用也逐步推进，如何将传统的广播电视节目，同时又将网络化的娱乐资源、视频交互功能以及家庭的家用电气智能控制有机的结合起来，进而研究出一种具有上述综合需求的智能交互式高清机顶盒是各广电局所需研究的一大课题，具有较好的市场前景。

2 机顶盒概述

随着电子技术以及网络技术的飞速发展，机顶盒的种类也在随之发生具体变化，依据支持的图像分辨率的不同，目前有超高清、高清以及标清三种类型，其具体划分主要是依据视频节目支持的分辨率来进行，如果支持的分辨率高于1080P 则可以认为是超高清，高于720P 且不大于1080P 则认为是高清，低于720P 则认为是标清[2]。

依据传输介质的不同，又可以将其分为有线数字电视机顶盒、地面无线数字电视机顶盒、卫星数字电视机顶盒以及网络电视机顶盒等多种不同类型。其中，传统的网络机顶盒中的IPTV 机顶盒主要采取的是基于Linux 操作系统，其内部所支持的电视内容节目主要是基于电信运营商所提供的专用网络，能够实现较为有限的互联网接入服务。网络机顶盒中的OTT 机顶盒则主要采取的是Android 操作系统，具有较为丰富的应用程序，具备较为开放性的互联网视频服务。

随着编解码技术以及网络技术的不断推进，目前市场上也开始逐步出现智能机顶盒，当前主要是以搭载 Android 操作系统为主。智能机顶盒与普通电视机相配合不仅能够实现智能电视的功能，还能够根据用户个人需求可以打开浏览器看网页，听歌、玩各种好玩的游戏、看高清大片、K 歌，甚至拥有智能家居的多项功能[3]。

3 智能交互式高清机顶盒硬件分析与设计

3.1 智能交互高清机顶盒总体结构分析与设计

根据所需实现的功能，整个智能交互式高清机顶盒的主要需要由网关单板以及机顶盒单板两大部分构成，具体的智能交互式高清机顶盒总体硬件结构图的设计见图1。从整个总体硬件结构图能够看出，该智能交互式高清机顶盒的机顶盒部分主要由海思HI37 系列的芯片作为主控制器，网关部分的控制器则由ARMCortex-M 系列进行设计，机顶盒部分组是基于Android 系统进行开发，网关部分则是基于Linux 系统进行开发，两系统的数据通信则是利用以太网接口进行数据信息交互。

图1：智能交互式高清机顶盒总体结构图

图2：机顶盒与网关通信的软件结构图

图3：机顶盒侧与网关侧通信示意图

3.2 智能交互高清机顶盒中的机顶盒模块结构分析与设计

结合整个智能交互高清机顶盒总体硬件结构图可看出，该机顶盒模块主要由存储器、数据输入输出接口（HDMI、CVBS 等）、编解码器、图形处理器以及ETH 以太网接口等多个子模块构成。

3.2.1 存储器模块

在存储器模块中主要需要包括动态存储控制器（即DDRC）、片外的NANDFlash 存储控制器以及MMC/TF 控制器等。

通过存储器模块中的动态存储控制器能够实现SDRAM 的存取控制；NANDFlash 存储控制器主要用于实现对flash 中的相关数据进行存取；MMC/TF 控制器主要通过SDIO 接口用于实现数据的读写与系统的启动。

3.2.2 数据输入输出接口模块

由于广电机顶盒需要带有广电的数字视频资源，需要能够利用各种不同传输介质，如卫星、有线以及MNDSD 等，因此，在对数据输入输出接口设计时，需要支持接收 DVB（Digital Video Broadcasting）信号，数据输入输出接口模块中的数据流输入接口需要具备 TSI 接口或QAM 接口。

TSI 接口用于实现对TS 流进行解析以及解复用的处理，便于连接相应的数字电视，实现对标准的图像传输流的解析，其传输流需要至少满足ISO 13818-1 中对于系统层的相关定义标准；QAM接口主要是通过将QAM 解调模块进行内置，然后利用该接口实现与外部的RF 模块之中的中频信号进行相互对接。

为了能够实现高清信号的输入，同时还需提供HDMI 接口，利用HDMI 接口能够接入相应的外围设备，如摄像机，加上相应的会议管理软件，进而便于实现利用机顶盒召开视频会议的需求。同时还能够提高CVBS 的标清接口以及RCA 的音频接口等。

3.2.3 编解码器模块

视频的编码器模块主要是通过芯片内部的硬件加速器和VF 软件模块所组成，具有较低的功耗，同时所占总线带宽也较少，可以用于实现视频的转码以及视频会议等多种不同类型的视频业务需求，其最高能够支持4K 30fps 的性能需求。

视频解码器模块同样也是需要芯片内部的解码单元以及VFMW 视频解码固件所组成，通过对软件上层所获取的视频码流进行全面解析，并对硬件部分的解码单元进行调用，进而实现解码图像序列的产生，并在软件控制之下，通过相应的视频输出接口，如HDMI 接口、CVBS 接口等输出至电视机等相关显示设备。能够处理H.265、H.264、MPEG4、AVS 等多种不同类型的视频编码格式。

3.2.4 图形处理器模块

图形处理器模块主要需要包括GPU 和TDE 两大部分，其中，GPU 主要用于实现对视频子系统中的3D 图形处理，进而提供视频3D 图像对编码前以及编码后对综合处理，整个GPU 单元具备像素处理、电源管理、几何处理和电源管理等多种功能，同时还能够提供多种不同类型的标准接口；TDE 主要是针对视频图像中对2D 图形的绘制和处理，利用APB Slave 总线接口实现对配置信息对获取，并将视频图像中的滤波缩放系数、位图数据以及链表节点参数等相关信息利用AXI Master 总线接口完成。

3.3 智能交互高清机顶盒中的机顶盒模块与网关模块的通信分析与设计

整个智能交互高清机顶盒中的机顶盒部分处理系统采用的是Android 系统，网关部分则采用的是Linux 系统。那么整个机顶盒内容两大系统间的相互通信，则主要采用的是Socket 通信方式，其系统架构选取的是CS 模式进行。具体的机顶盒与网关通信的软件结构图的设计见图2。

机顶盒内部的两系统间，服务器客户端角色可随时根据数据传输的需要进行改变，来实时保证通信的准确性。从该软件结构图能够看出，Linux 系统中主要是通过MPA 进程为双系统通信提供相应服务，与Android 系统中的Service JSON 来进行双系统通信。

其中，MPA 进程的主要功能：

（1）Client 模式：用于实现网关自身系统中其他进程发送过来的请求进行相应的处理，并将其上报给Android 终端；

（2）Server 模式：用于实现对Android 系统的Service 发送过来的Socket 报文进行相应处理。

结合机顶盒与网关通信的软件结构图，具体的智能交互式高清机顶盒内的机顶盒侧与网关通信侧的通信示意图的设计见图3。从该通信示意图可知，机顶盒侧的APK 与网关侧进行相互通信时，主要需要利用AIDL 接口，对所需交互的信息进行格式转换，然后对其进行加密编码后，才能够利用Socket 通信方式在网关侧进行数据的处理，最后又通过上述逆过程进行信息反馈。

4 总结

本文结合广电公司的实际业务发展需求，为了满足市场上所需的智能交互式高清机顶盒的需要，通过采用基于 Android 系统和Linux 系统的相互结合，进而对智能机顶盒内部的硬件结构进行了深入研究和分析， 整个智能交互式高清机顶盒的主要需要由网关单板以及机顶盒单板两大部分构成，机顶盒部分的主控制器可以采用海思半导体公司所研发的HI37 系列的芯片，网关部分的控制器可以选择ARMCortex-M 系列芯片，机顶盒部分通过外接存储器、数据输入输出接口（HDMI、CVBS 等）、编解码器、图形处理器以及ETH 以太网接口等多个子模块，进而实现广播电视、网络电视、视频会议等多种不同的需求，同时利用网关部分的设计可以实现家里的多种电器的智能控制，两系统间可以采用Socket 通信方式完成两系统数据信息的交互。该智能交互式高清机顶盒的研究，能够在一定程度上提高广电网络运营商同电信运营商、网络运营商的竞争力，给广大的电视观众带来较大的便利。