劉超杰

（定興縣廣播電視臺(tái)技術(shù)股 河北省保定市定興縣 072650）

1 引言

由于數(shù)字電視的逐漸普及，基于數(shù)字電視的相關(guān)業(yè)務(wù)正在高速發(fā)展，一些高清電視節(jié)目也增長(zhǎng)迅速。視頻點(diǎn)播的雙向性、娛樂(lè)性豐富的游戲，通過(guò)智能電視或智能機(jī)頂盒連接到寬帶互聯(lián)網(wǎng)等增值業(yè)務(wù)不僅能給用戶(hù)帶來(lái)全新的感受和體驗(yàn)，也能給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)更多的營(yíng)收來(lái)源[1]。隨著用戶(hù)對(duì)視頻以及相關(guān)娛樂(lè)資源需求對(duì)不斷擴(kuò)增，智能家居的運(yùn)用也逐步推進(jìn)，如何將傳統(tǒng)的廣播電視節(jié)目，同時(shí)又將網(wǎng)絡(luò)化的娛樂(lè)資源、視頻交互功能以及家庭的家用電氣智能控制有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而研究出一種具有上述綜合需求的智能交互式高清機(jī)頂盒是各廣電局所需研究的一大課題，具有較好的市場(chǎng)前景。

2 機(jī)頂盒概述

隨著電子技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)頂盒的種類(lèi)也在隨之發(fā)生具體變化，依據(jù)支持的圖像分辨率的不同，目前有超高清、高清以及標(biāo)清三種類(lèi)型，其具體劃分主要是依據(jù)視頻節(jié)目支持的分辨率來(lái)進(jìn)行，如果支持的分辨率高于1080P 則可以認(rèn)為是超高清，高于720P 且不大于1080P 則認(rèn)為是高清，低于720P 則認(rèn)為是標(biāo)清[2]。

依據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，又可以將其分為有線(xiàn)數(shù)字電視機(jī)頂盒、地面無(wú)線(xiàn)數(shù)字電視機(jī)頂盒、衛(wèi)星數(shù)字電視機(jī)頂盒以及網(wǎng)絡(luò)電視機(jī)頂盒等多種不同類(lèi)型。其中，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒中的IPTV 機(jī)頂盒主要采取的是基于Linux 操作系統(tǒng)，其內(nèi)部所支持的電視內(nèi)容節(jié)目主要是基于電信運(yùn)營(yíng)商所提供的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)較為有限的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒中的OTT 機(jī)頂盒則主要采取的是Android 操作系統(tǒng)，具有較為豐富的應(yīng)用程序，具備較為開(kāi)放性的互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)。

隨著編解碼技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷推進(jìn)，目前市場(chǎng)上也開(kāi)始逐步出現(xiàn)智能機(jī)頂盒，當(dāng)前主要是以搭載 Android 操作系統(tǒng)為主。智能機(jī)頂盒與普通電視機(jī)相配合不僅能夠?qū)崿F(xiàn)智能電視的功能，還能夠根據(jù)用戶(hù)個(gè)人需求可以打開(kāi)瀏覽器看網(wǎng)頁(yè)，聽(tīng)歌、玩各種好玩的游戲、看高清大片、K 歌，甚至擁有智能家居的多項(xiàng)功能[3]。

3 智能交互式高清機(jī)頂盒硬件分析與設(shè)計(jì)

3.1 智能交互高清機(jī)頂盒總體結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)的功能，整個(gè)智能交互式高清機(jī)頂盒的主要需要由網(wǎng)關(guān)單板以及機(jī)頂盒單板兩大部分構(gòu)成，具體的智能交互式高清機(jī)頂盒總體硬件結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。從整個(gè)總體硬件結(jié)構(gòu)圖能夠看出，該智能交互式高清機(jī)頂盒的機(jī)頂盒部分主要由海思HI37 系列的芯片作為主控制器，網(wǎng)關(guān)部分的控制器則由ARMCortex-M 系列進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)頂盒部分組是基于Android 系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，網(wǎng)關(guān)部分則是基于Linux 系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信則是利用以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。

圖1：智能交互式高清機(jī)頂盒總體結(jié)構(gòu)圖

圖2：機(jī)頂盒與網(wǎng)關(guān)通信的軟件結(jié)構(gòu)圖

圖3：機(jī)頂盒側(cè)與網(wǎng)關(guān)側(cè)通信示意圖

3.2 智能交互高清機(jī)頂盒中的機(jī)頂盒模塊結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

結(jié)合整個(gè)智能交互高清機(jī)頂盒總體硬件結(jié)構(gòu)圖可看出，該機(jī)頂盒模塊主要由存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)輸入輸出接口（HDMI、CVBS 等）、編解碼器、圖形處理器以及ETH 以太網(wǎng)接口等多個(gè)子模塊構(gòu)成。

3.2.1 存儲(chǔ)器模塊

在存儲(chǔ)器模塊中主要需要包括動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)控制器（即DDRC）、片外的NANDFlash 存儲(chǔ)控制器以及MMC/TF 控制器等。

通過(guò)存儲(chǔ)器模塊中的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)SDRAM 的存取控制；NANDFlash 存儲(chǔ)控制器主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)flash 中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取；MMC/TF 控制器主要通過(guò)SDIO 接口用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)與系統(tǒng)的啟動(dòng)。

3.2.2 數(shù)據(jù)輸入輸出接口模塊

由于廣電機(jī)頂盒需要帶有廣電的數(shù)字視頻資源，需要能夠利用各種不同傳輸介質(zhì)，如衛(wèi)星、有線(xiàn)以及MNDSD 等，因此，在對(duì)數(shù)據(jù)輸入輸出接口設(shè)計(jì)時(shí)，需要支持接收 DVB（Digital Video Broadcasting）信號(hào)，數(shù)據(jù)輸入輸出接口模塊中的數(shù)據(jù)流輸入接口需要具備 TSI 接口或QAM 接口。

TSI 接口用于實(shí)現(xiàn)對(duì)TS 流進(jìn)行解析以及解復(fù)用的處理，便于連接相應(yīng)的數(shù)字電視，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的圖像傳輸流的解析，其傳輸流需要至少滿(mǎn)足ISO 13818-1 中對(duì)于系統(tǒng)層的相關(guān)定義標(biāo)準(zhǔn)；QAM接口主要是通過(guò)將QAM 解調(diào)模塊進(jìn)行內(nèi)置，然后利用該接口實(shí)現(xiàn)與外部的RF 模塊之中的中頻信號(hào)進(jìn)行相互對(duì)接。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)高清信號(hào)的輸入，同時(shí)還需提供HDMI 接口，利用HDMI 接口能夠接入相應(yīng)的外圍設(shè)備，如攝像機(jī)，加上相應(yīng)的會(huì)議管理軟件，進(jìn)而便于實(shí)現(xiàn)利用機(jī)頂盒召開(kāi)視頻會(huì)議的需求。同時(shí)還能夠提高CVBS 的標(biāo)清接口以及RCA 的音頻接口等。

3.2.3 編解碼器模塊

視頻的編碼器模塊主要是通過(guò)芯片內(nèi)部的硬件加速器和VF 軟件模塊所組成，具有較低的功耗，同時(shí)所占總線(xiàn)帶寬也較少，可以用于實(shí)現(xiàn)視頻的轉(zhuǎn)碼以及視頻會(huì)議等多種不同類(lèi)型的視頻業(yè)務(wù)需求，其最高能夠支持4K 30fps 的性能需求。

視頻解碼器模塊同樣也是需要芯片內(nèi)部的解碼單元以及VFMW 視頻解碼固件所組成，通過(guò)對(duì)軟件上層所獲取的視頻碼流進(jìn)行全面解析，并對(duì)硬件部分的解碼單元進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)解碼圖像序列的產(chǎn)生，并在軟件控制之下，通過(guò)相應(yīng)的視頻輸出接口，如HDMI 接口、CVBS 接口等輸出至電視機(jī)等相關(guān)顯示設(shè)備。能夠處理H.265、H.264、MPEG4、AVS 等多種不同類(lèi)型的視頻編碼格式。

3.2.4 圖形處理器模塊

圖形處理器模塊主要需要包括GPU 和TDE 兩大部分，其中，GPU 主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻子系統(tǒng)中的3D 圖形處理，進(jìn)而提供視頻3D 圖像對(duì)編碼前以及編碼后對(duì)綜合處理，整個(gè)GPU 單元具備像素處理、電源管理、幾何處理和電源管理等多種功能，同時(shí)還能夠提供多種不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)接口；TDE 主要是針對(duì)視頻圖像中對(duì)2D 圖形的繪制和處理，利用APB Slave 總線(xiàn)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)配置信息對(duì)獲取，并將視頻圖像中的濾波縮放系數(shù)、位圖數(shù)據(jù)以及鏈表節(jié)點(diǎn)參數(shù)等相關(guān)信息利用AXI Master 總線(xiàn)接口完成。

3.3 智能交互高清機(jī)頂盒中的機(jī)頂盒模塊與網(wǎng)關(guān)模塊的通信分析與設(shè)計(jì)

整個(gè)智能交互高清機(jī)頂盒中的機(jī)頂盒部分處理系統(tǒng)采用的是Android 系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)部分則采用的是Linux 系統(tǒng)。那么整個(gè)機(jī)頂盒內(nèi)容兩大系統(tǒng)間的相互通信，則主要采用的是Socket 通信方式，其系統(tǒng)架構(gòu)選取的是CS 模式進(jìn)行。具體的機(jī)頂盒與網(wǎng)關(guān)通信的軟件結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

機(jī)頂盒內(nèi)部的兩系統(tǒng)間，服務(wù)器客戶(hù)端角色可隨時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰M(jìn)行改變，來(lái)實(shí)時(shí)保證通信的準(zhǔn)確性。從該軟件結(jié)構(gòu)圖能夠看出，Linux 系統(tǒng)中主要是通過(guò)MPA 進(jìn)程為雙系統(tǒng)通信提供相應(yīng)服務(wù)，與Android 系統(tǒng)中的Service JSON 來(lái)進(jìn)行雙系統(tǒng)通信。

其中，MPA 進(jìn)程的主要功能：

（1）Client 模式：用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)自身系統(tǒng)中其他進(jìn)程發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將其上報(bào)給Android 終端；

（2）Server 模式：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)Android 系統(tǒng)的Service 發(fā)送過(guò)來(lái)的Socket 報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)處理。

結(jié)合機(jī)頂盒與網(wǎng)關(guān)通信的軟件結(jié)構(gòu)圖，具體的智能交互式高清機(jī)頂盒內(nèi)的機(jī)頂盒側(cè)與網(wǎng)關(guān)通信側(cè)的通信示意圖的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。從該通信示意圖可知，機(jī)頂盒側(cè)的APK 與網(wǎng)關(guān)側(cè)進(jìn)行相互通信時(shí)，主要需要利用AIDL 接口，對(duì)所需交互的信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，然后對(duì)其進(jìn)行加密編碼后，才能夠利用Socket 通信方式在網(wǎng)關(guān)側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，最后又通過(guò)上述逆過(guò)程進(jìn)行信息反饋。

4 總結(jié)

本文結(jié)合廣電公司的實(shí)際業(yè)務(wù)發(fā)展需求，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)上所需的智能交互式高清機(jī)頂盒的需要，通過(guò)采用基于 Android 系統(tǒng)和Linux 系統(tǒng)的相互結(jié)合，進(jìn)而對(duì)智能機(jī)頂盒內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究和分析， 整個(gè)智能交互式高清機(jī)頂盒的主要需要由網(wǎng)關(guān)單板以及機(jī)頂盒單板兩大部分構(gòu)成，機(jī)頂盒部分的主控制器可以采用海思半導(dǎo)體公司所研發(fā)的HI37 系列的芯片，網(wǎng)關(guān)部分的控制器可以選擇ARMCortex-M 系列芯片，機(jī)頂盒部分通過(guò)外接存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)輸入輸出接口（HDMI、CVBS 等）、編解碼器、圖形處理器以及ETH 以太網(wǎng)接口等多個(gè)子模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廣播電視、網(wǎng)絡(luò)電視、視頻會(huì)議等多種不同的需求，同時(shí)利用網(wǎng)關(guān)部分的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)家里的多種電器的智能控制，兩系統(tǒng)間可以采用Socket 通信方式完成兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的交互。該智能交互式高清機(jī)頂盒的研究，能夠在一定程度上提高廣電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商同電信運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的競(jìng)爭(zhēng)力，給廣大的電視觀眾帶來(lái)較大的便利。