IPTV機(jī)頂盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：本文介紹了一種基于STb7109芯片的IPTV機(jī)頂盒方案，并給出了一個(gè)較完整的IPTV系統(tǒng)測試環(huán)境。該方案涉及底層硬件平臺(tái)、嵌入式操作系統(tǒng)、中間件API和上層的軟件系統(tǒng)，支持MPEG-2和H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)和MPEG-1、AAC等音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，支持直播電視、點(diǎn)播電視和相關(guān)的用戶設(shè)置等操作。關(guān)鍵詞：IPTV；機(jī)頂盒；STB71091.引言IPTV系統(tǒng)又稱為寬帶網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)，是以直播電視、時(shí)移電視和點(diǎn)播電視為基本業(yè)務(wù)，以機(jī)頂盒加電視為接收終端，并以寬帶IP網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒介直接向顧客提供高質(zhì)量的電視節(jié)目和視頻內(nèi)容的電視系統(tǒng)。并且，節(jié)目運(yùn)營商還可以通過提供多種新型增值服務(wù)，比如網(wǎng)頁瀏覽、視頻電話、網(wǎng)絡(luò)游戲和遠(yuǎn)程教學(xué)等來擴(kuò)展電視業(yè)務(wù)，極大的滿足了人們看電視的需求。根據(jù)ITU-TIPTVFG（IPTVForceGroup）的定義，IPTV系統(tǒng)由服務(wù)提供商、運(yùn)營商、網(wǎng)絡(luò)支持和終端四部分組成[1]。作為IPTV系統(tǒng)終端的機(jī)頂盒，主要負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶請求，與IPTV服務(wù)器通信獲取用戶請求的服務(wù)數(shù)據(jù)，并最終在電視機(jī)上展現(xiàn)服務(wù)的內(nèi)容。本文介紹一種基于STb7109芯片的IPTV機(jī)頂盒設(shè)計(jì)方案，本方案能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)交互電視業(yè)務(wù)，支持MPEG-2和H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-1、AAC等音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。2.系統(tǒng)需求分析IPTV機(jī)頂盒需要滿足以下要求：2.1硬件接口機(jī)頂盒硬件配置應(yīng)該支持以下接口：DSL或以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，復(fù)合視頻輸出端子和S-Video視頻輸出端子等視頻輸出端口，模擬音頻輸出接口和數(shù)字音頻輸出接口等音頻輸出端口，紅外接口和USB2.0接口等。2.2媒體處理能力支持MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4Part10/H.264，和VC-1等多種視頻標(biāo)準(zhǔn)，以及MPEG1I/II，MP3，AAC，AC-3等多種音頻標(biāo)準(zhǔn)，支持PAL制式720*576分辨率的視頻圖像編碼以及1920*1080p，1920*1080i等高清視頻圖像編碼。2.3通信協(xié)議機(jī)頂盒必須支持與IPTV業(yè)務(wù)相關(guān)的通信協(xié)議，如TCP/IP、HTTP、FTP、RTSP、RTP、RTCP和IGMP等協(xié)議。2.4基本業(yè)務(wù)2.5基本功能機(jī)頂盒需要提供交互功能和管理功能。交互功能是指機(jī)頂盒具有與用戶交互的能力，如業(yè)務(wù)平臺(tái)信息的認(rèn)證，控制節(jié)目播放和節(jié)目檢索等。管理功能包括系統(tǒng)軟件升級，日志維護(hù)，機(jī)頂盒遠(yuǎn)程配置和本地配置等。2.6擴(kuò)展功能機(jī)頂盒還需要考慮對各種增值業(yè)務(wù)的支持，如網(wǎng)頁瀏覽，電子郵件，在線互動(dòng)游戲等。3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的機(jī)頂盒由硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)組成[2]，可以分為4層，從底層向上分別為：硬件、操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用層，如圖1所示。圖1IPTV機(jī)頂盒總體結(jié)構(gòu)3.1硬件平臺(tái)在硬件方面，經(jīng)過對目前市場上各種機(jī)頂盒解決方案的綜合比較，最終決定采用STMicroelectronics公司的STb7109作為硬件基礎(chǔ)，實(shí)施全部方案。STb7109解碼芯片封裝了3個(gè)32位的RISC處理器，1個(gè)266MHz的ST40CPU為主CPU，采用SuperH體系結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。2個(gè)主頻為400MHz的ST231CPU分別負(fù)責(zé)視頻和音頻的解復(fù)用、解擾和解碼功能。其視頻解碼支持H.264HP@4.1和MPEG-2MP@HL的高清和標(biāo)清編碼格式，支持1080I，720P，480P/576P，480I/576I等多種顯示格式，支持DVI/HDMI解碼輸出，RGB/YPbPr高清輸出YPbPr/YC/CVBS標(biāo)清輸出；音頻方面兼容所有的通用音頻標(biāo)準(zhǔn)，如AAC，DolbyAC3，PCM，MP3等；支持模擬音頻輸出接口RCA，數(shù)字音頻輸出接口S/PDIF和HDMI音頻輸出，支持PCM音頻輸入、輸出。在接口方面采用Omega2（STBus）總線技術(shù)，支持USB2.0接口，SATA硬盤接口，UART串行接口，IR紅外接口，智能卡接口，內(nèi)置的以太網(wǎng)MAC接口等，此外通過外部存儲(chǔ)器接口EMI（支持ROM，F(xiàn)LASH和SRAM等外設(shè)）和本地存儲(chǔ)器接口LMI（支持最大為512Mbit的SDRAM）實(shí)現(xiàn)與DDRSDRAM內(nèi)存，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器和網(wǎng)卡芯片等設(shè)備的連接。3.2操作系統(tǒng)3.3中間件在ST7109硬件平臺(tái)之上，我們使用STAPI作為中間件。STAPI是ST公司專門為ST產(chǎn)品開發(fā)的一套完整的中間件，是一套ST得到業(yè)界全面支持的并且具備詳細(xì)文檔的程序接口。通過使用STAPI，上層應(yīng)用程序可以完全不需要考慮底層的硬件實(shí)現(xiàn)，只需要調(diào)用STAPI所提供的相關(guān)接口，就可以實(shí)現(xiàn)音/視頻文件的解碼和播放，并且可以方便的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序在不同ST硬件平臺(tái)之間的移植，極大的擴(kuò)展了程序的應(yīng)用范圍。3.4應(yīng)用層與系統(tǒng)軟件IPTV機(jī)頂盒系統(tǒng)的整體軟件結(jié)構(gòu)如圖2。圖2IPTV機(jī)頂盒軟件機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可以看出，軟件由系統(tǒng)顯示，系統(tǒng)控制，通信層和業(yè)務(wù)插件構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由系統(tǒng)控制部分通過通信層組織各個(gè)業(yè)務(wù)插件共同協(xié)作，完成用戶的需求并通過系統(tǒng)顯示部分在電視機(jī)上展現(xiàn)結(jié)果。所有的底層業(yè)務(wù)單元都是基于操作系統(tǒng)之上的，并且各個(gè)模塊都可以對相關(guān)硬件進(jìn)行直接操作。下面將重點(diǎn)說明各個(gè)部分的功能。SystemController作為整個(gè)軟件的系統(tǒng)控制層，負(fù)責(zé)維護(hù)軟件系統(tǒng)的所有操作，并對具體業(yè)務(wù)的解釋、執(zhí)行以及結(jié)果顯示進(jìn)行管理，是系統(tǒng)內(nèi)部處理實(shí)際的起點(diǎn)，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心。在處理具體業(yè)務(wù)或與用戶交互時(shí)，SystemController根據(jù)需求，調(diào)用底層業(yè)務(wù)模塊或者對多個(gè)模塊進(jìn)行組合來執(zhí)行業(yè)務(wù)，然后將各模塊的執(zhí)行結(jié)果通過調(diào)用GUI來顯示結(jié)果。其他的模塊或?qū)哟味际亲鳛楸徽{(diào)用者，由SystemController來控制它們完成不同的功能。其內(nèi)部主要由負(fù)責(zé)管理和記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志的日志管理模塊，負(fù)責(zé)接收和處理遙控器事件的遙控器管理模塊，維護(hù)菜單結(jié)構(gòu)信息以及部分與用戶的交互的菜單管理模塊，負(fù)責(zé)控制和管理各個(gè)顯示層的GUI管理模塊，負(fù)責(zé)管理各模塊間消息的發(fā)送、接受和處理的消息管理模塊，負(fù)責(zé)各個(gè)業(yè)務(wù)模塊狀態(tài)維護(hù)的模塊管理部分和負(fù)責(zé)系統(tǒng)狀態(tài)的維護(hù)、調(diào)度以及響應(yīng)系統(tǒng)事件的狀態(tài)管理模塊組成。通信層位于系統(tǒng)控制和業(yè)務(wù)插件之間，負(fù)責(zé)連接系統(tǒng)控制和各個(gè)業(yè)務(wù)插件模塊，并為它們之間的數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的保障以及管理機(jī)制。由于業(yè)務(wù)插件具有模塊化和擴(kuò)展性的特點(diǎn)，這就要求通信層能夠提供一種合適的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程間的通信以及數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在本系統(tǒng)中，我們采用UDS（UnixDomainSocket）的方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信。業(yè)務(wù)插件是根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求而獨(dú)立運(yùn)行的程序模塊，由系統(tǒng)控制部分通過通信層啟動(dòng)并完成指定的功能，然后將結(jié)果根據(jù)需要向系統(tǒng)控制返回或在GUI上顯示。對于業(yè)務(wù)插件，它們本質(zhì)上基本都是UDS的客戶端，隨時(shí)等待接收來自系統(tǒng)控制模塊的命令，然后運(yùn)行完成指定的功能。下面將分別介紹各個(gè)業(yè)務(wù)插件的功能。（1）MDisplay模塊MDisplay模塊主要負(fù)責(zé)完成EPG文件的處理和菜單文件的生成，并結(jié)合GUI實(shí)現(xiàn)機(jī)頂盒界面顯示和與用戶交互的功能。當(dāng)用戶需要瀏覽電子節(jié)目菜單時(shí)，系統(tǒng)控制部分發(fā)出命令，由MDisplay連接業(yè)務(wù)提供商的EPG服務(wù)器，下載EPG菜單文件并解析提取其中的節(jié)目信息，然后結(jié)合本機(jī)的菜單模板形成完成的HTML格式的菜單頁面文件，最后交給GUI部分的瀏覽器進(jìn)行描繪顯示。（2）MClient模塊MClient模塊主要復(fù)制維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行以及提供關(guān)系系統(tǒng)設(shè)置的功能。主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)信息管理、用戶認(rèn)證、軟件升級和遠(yuǎn)程配置等功能。系統(tǒng)信息管理主要是指讀取、修改和保存系統(tǒng)各個(gè)模塊的配置信息，包括用戶的相關(guān)信息，如用戶名、密碼和常用網(wǎng)-5-址等信息。用戶認(rèn)證是指在開機(jī)時(shí)，MClient將與用戶認(rèn)證服務(wù)器聯(lián)系，進(jìn)行用戶認(rèn)證的工作，以取得服務(wù)供應(yīng)商的內(nèi)容，和相關(guān)操作的權(quán)限等。軟件升級是指MClient能夠主動(dòng)或定期的向升級服務(wù)器查詢軟件升級信息，并下載最新程序文件進(jìn)行系統(tǒng)更新。遠(yuǎn)程配置是指MClient提供WebServer功能，系統(tǒng)管理者可以遠(yuǎn)程登錄到機(jī)頂盒上對其進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整。（3）MTerm模塊MTerm模塊主要是負(fù)責(zé)完成音、視頻碼流的接收，解碼和播放顯示的。MTerm由4個(gè)子模塊構(gòu)成：媒體控制和描述子模塊，在與流媒體服務(wù)器建立連接之后，媒體數(shù)據(jù)傳輸之前，該子模塊通過RTSP和SDP協(xié)議與流媒體服務(wù)器進(jìn)行的協(xié)商，同時(shí)該模塊還負(fù)責(zé)對媒體數(shù)據(jù)的播出控制，包括暫停、隨機(jī)播放和停止等；媒體接收子模塊：該子模塊主要負(fù)責(zé)接收直播或點(diǎn)播的媒體數(shù)據(jù)。建立RTP/RTCP接收線程，接收來自流媒體服務(wù)器的媒體數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)等；媒體解碼子模塊：該子模塊主要功能是調(diào)用STAPI中的解碼API函數(shù)，利用專用解碼芯片對接受到的媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；媒體展現(xiàn)子模塊：該模塊主要功能是調(diào)用STAPI中的顯示API函數(shù)，將解碼后的媒體數(shù)據(jù)展現(xiàn)在終端設(shè)備上。（4）Browser模塊瀏覽器模塊主要是用來完成菜單界面的顯示，以及相關(guān)的網(wǎng)頁瀏覽功能。在這里，我們采用的瀏覽器是Dillo-0.85-i18n。Dillo是運(yùn)行在Linux平臺(tái)上基于GTK的開源網(wǎng)頁瀏覽器，遵循GPL協(xié)議，采用C語言編寫。它具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如規(guī)模小，源代碼約600KB，二進(jìn)制程序約450KB；完善的網(wǎng)絡(luò)功能，支持HTTPS、FTP協(xié)議，支持cache緩沖，支持cookies等；支持多種圖片格式，有BMP、JPEG、GIF和PNG等；模塊化，具有完整的插件實(shí)施機(jī)制，可以方便的擴(kuò)展瀏覽器的功能。但是它最大的缺點(diǎn)就是不支持CSS和JavaScript，這樣在顯示大部分互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)頁時(shí)，就會(huì)造成部分動(dòng)態(tài)元素?zé)o法顯示，顏色布局等效果不理想，顯示效果比較差。但是僅使用其作為嵌入式瀏覽器，對以HTML文件編寫的菜單和部分IPTV節(jié)目頁面進(jìn)行描繪和顯示，效果還是比較理想的。4.測試環(huán)境為了測試機(jī)頂盒的功能，需要搭建一個(gè)模擬的IPTV系統(tǒng)環(huán)境。通過參考網(wǎng)通的IPTV系統(tǒng)架構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的虛擬的IPTV系統(tǒng)[3]，其結(jié)構(gòu)如圖3：圖3IPTV系統(tǒng)-6-系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有服務(wù)提供者、網(wǎng)絡(luò)支撐和系統(tǒng)終端3部分組成：（1）服務(wù)提供者：主要是模擬IPTV服務(wù)提供商所具有的功能，包括業(yè)務(wù)支撐和服務(wù)提供兩個(gè)部分；（2）網(wǎng)絡(luò)支撐：主要是模擬具體的傳輸網(wǎng)絡(luò)；（3）終端：主要指機(jī)頂盒終端；具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4：圖4IPTV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D在具體實(shí)施中，IPTV服務(wù)器端由業(yè)務(wù)服務(wù)器、流媒體服務(wù)器和FTP服務(wù)器3部分構(gòu)成。（1）IPTV業(yè)務(wù)服務(wù)器主要提供EPG服務(wù)，升級服務(wù)，用戶管理服務(wù)，日志服務(wù)等業(yè)務(wù)，機(jī)頂盒通過HTTP協(xié)議和該服務(wù)器通信，模擬實(shí)現(xiàn)EPG系統(tǒng)模塊和業(yè)務(wù)管理模塊的功能。（2）流媒體服務(wù)器主要提供節(jié)目媒體數(shù)據(jù)，客戶端可以通過RTSP、RTP\RTCP等協(xié)議與服務(wù)器通信，獲取所需節(jié)目的數(shù)據(jù)信息。流媒體服務(wù)器可以采用DarwinStreamingServer來實(shí)現(xiàn)。（3）FTP服務(wù)器主要提供具體的資源文件，如軟件的最新版本程序等。機(jī)頂盒可以通過IPTV業(yè)務(wù)服務(wù)器獲得相關(guān)文件的地址信息，然后通過FTP協(xié)議從本服務(wù)器上下載該項(xiàng)資源，其輔助實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理模塊的功能。5.總結(jié)本文在STb7109硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了IPTV客戶端機(jī)頂盒的軟件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了IPTV機(jī)頂盒的電視直播和點(diǎn)播等業(yè)務(wù)要求，并經(jīng)過測試，該系統(tǒng)基本達(dá)到了IPTV機(jī)頂盒的技術(shù)要求。但是由于目前硬件平臺(tái)資源的限制，只能采用微型瀏覽器，不支持Javascript，這樣導(dǎo)致對于目前互聯(lián)網(wǎng)上的大部分網(wǎng)頁都無法正常解析，非常影響用戶體驗(yàn)。下一步計(jì)劃就是改進(jìn)和優(yōu)化瀏覽器功能，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)頁的全部正常解析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)游戲、電子郵件等功能。-7-參考文獻(xiàn)[1]ITU-TFGIPTV．“OveralldefinitionanddescriptionofIPTVinthebusinessrolemodel”［R］，1stFGIPTVmeeting:Geneva，10-14July2006[2]徐健．IPTV機(jī)頂盒技術(shù)淺析．有線電視技術(shù)[J]．2007，14(4)：54-57[3]中國網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)公司．《中國網(wǎng)通IPTV體系架構(gòu)技術(shù)規(guī)范(Version1.0）》［S］，北京：中國網(wǎng)通，2006DesignandImplementationofIPTVSet-topBoxZhaoJunfengBeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing,PRC(100876)AbstractThispaperpresentsanIPTVset-topboxsolutionbasedonSTb7109andgivesacompleteIPTVsystemtestingenvironment.Thissolutioninvolvesthehardwareplat