關于有線電視數(shù)字機頂盒的關鍵技術(shù)詳解

有線電視數(shù)字機頂盒的基本功能是接收數(shù)字電視廣播節(jié)目，示意圖如圖1所示，調(diào)諧模塊接收射頻信號并下變頻為中頻信號，然后進行A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，再送入QAM解調(diào)模塊進行QAM解調(diào)，輸出MPEG傳輸流串行或并行數(shù)據(jù)。解復用模塊接收MPEG傳輸流，從中抽出一個節(jié)目的PES數(shù)據(jù)，包括視頻PES、音頻PES以及數(shù)據(jù)PES。解復用模塊中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對加擾的數(shù)據(jù)進行解擾，其輸出是已解擾的PES。視頻PES送入視頻解碼模塊，取出MPEG視頻數(shù)據(jù)，并對MEPG視頻數(shù)據(jù)進行解碼，然后輸出到PAL/NTSC編碼器，編碼成模擬電視信號，再經(jīng)視頻輸出電路輸出。音頻PES送入音頻解碼模塊，取出MPEG音頻數(shù)據(jù)，并對MPEG音頻數(shù)據(jù)進行解碼，輸出PCM音頻數(shù)據(jù)到PCM解碼器，PCM解碼器輸出立體聲模擬音頻信號，經(jīng)音頻輸出電路輸出。

圖一

有線電視數(shù)字機頂盒的關鍵技術(shù)

該機頂盒由以下幾部分組成：數(shù)字電視廣播接收前端、MPEG解碼、視音頻和圖形處理、電纜調(diào)制解調(diào)器、CPU以及存儲器、以及各種接口電路。數(shù)字電視廣播接收前端包括調(diào)諧器和QAM解調(diào)器，該部分可以從射頻信號中解調(diào)出MPEG傳輸流；MPEG解碼部分包括解復用、解擾引擎和MPEG解壓縮，其輸出為MPEG視音頻基本流以及數(shù)據(jù)凈荷。視音頻和圖形處理部分完成視音頻的模擬編碼以及圖形處理功能。電纜調(diào)制解調(diào)模塊由一個雙向調(diào)諧器、下行QAM解調(diào)器、上行QPSK/QAM調(diào)制器和媒體訪問控制（MAC）模塊組成，該部分實現(xiàn)電纜調(diào)制解調(diào)的所有功能。CPU與存儲器模塊用來存儲和運行軟件系統(tǒng)，并對各個模塊進行控制。接口電路則提供了豐富的外部接口，包括通用串行接口USB、高速串行接口1394、以太網(wǎng)接口、RS232、視音頻接口等等。

該框圖所描述的有線電視數(shù)字機頂盒是一種功能齊全的機頂盒，實際上，在具體實現(xiàn)時，廠商可以根據(jù)需要對其進行裁減。

2．實時操作系統(tǒng)

大家對PC的操作系統(tǒng)都比較熟悉，如DOS、Windows98、WindowsNT、Unix、MacOS。與這些操作系統(tǒng)不同，機頂盒中的操作系統(tǒng)不是非常的龐大，但卻要求可以在實時的環(huán)境中工作，并能在較小的內(nèi)存空間中運行。這種操作系統(tǒng)稱為實時操作系統(tǒng)。

目前流行的實時操作系統(tǒng)有WindRiverSystem公司的VxWorks、IntegratedSystemsIncorporated公司的pSOS、Microware公司的DAVIDOS-9、ST公司的OS20、前面介紹的WindowsCE、以及專為機頂盒開發(fā)的PowerTV。這些操作系統(tǒng)各有所長，在機頂盒中都有應用。其中VxWorks、pSOS、OS-9、OS20等是通用的實時操作系統(tǒng)，在其他的嵌入式應用中也有廣泛的應用，在機頂盒中，應與下面將要介紹的中間件結(jié)合使用。PowerTV是專為機頂盒開發(fā)的，將中間件集成在一起的操作系統(tǒng)，在美國應用較廣。另外，隨著Linux的興起，嵌入式的Linux已漸漸成熟。它不僅為機頂盒廠商提供一種選擇，而且由于Linux的開放性和先進的結(jié)構(gòu)，會對現(xiàn)有的實時操作系統(tǒng)構(gòu)成巨大的威脅。

3．中間件

中間件是一種將應用程序與低層的操作系統(tǒng)、硬件細節(jié)隔離開來的軟件環(huán)境，它通常由各種虛擬機來構(gòu)成，如HTML虛擬機、JavaScript虛擬機、Java虛擬機、MHEG-5虛擬機等等。

一個完整的數(shù)字機頂盒由硬件平臺和軟件系統(tǒng)組成，可以將其分為4層，從底向上分別為：硬件、底層軟件、中間件、應用軟件。硬件提供機頂盒的硬件平臺；底層軟件提供操作系統(tǒng)內(nèi)核以及各種硬件驅(qū)動程序；應用軟件包括本機存儲的應用和可下載的應用；中間件將應用軟件與依賴于硬件的底層軟件分隔開來，使應用不依賴于具體的硬件平臺。

成熟的商用中間件產(chǎn)品有Opentv的EN2、Liberate的TVNavigatorforDTV、Enreach的EnreachTVforDTV、Canel+的Mediahighway和Intellibyte的IBEPG、IBSIManager、IBBrowser等。這些產(chǎn)品在市場上都占有一席之地，但彼此并不兼容。

目前，標準組織已經(jīng)認識到這個事實，并且開始著手建立公開的中間件標準。DVB提出了基于Java虛擬機的中間件標準DVB-MHP（多媒體家庭平臺）；ATSC成立T3/S17技術(shù)專家小組委員會來為機頂盒定義軟件環(huán)境，該軟件環(huán)境稱為DTV應用軟件環(huán)境（DASE）。ATVEF（先進電視發(fā)展論壇）也創(chuàng)建了一種稱為AdvancedTelevisionEnhancementForumSpecificationforInteractiveTelevision的規(guī)范。

4．加解擾技術(shù)

加解擾技術(shù)用于對數(shù)字節(jié)目進行加密和解密。目前，國際上有兩種標準：OpenCable定義的POD和DVB定義的SimulCrypt和MultiCrypt標準。OpenCable定義的POD是一個通過PCMCIA接口與機頂盒相連的模塊，該模塊除了解擾功能外，還要完成與前端的交互功能。DVB的MultiCrypt也是采用PCMCIA接口與機頂盒連接，但它只有解擾功能。DVB的SimulCrypt則只需要機頂盒具有ISO7816的SmartCard接口既可，但需要機頂盒具有硬件解擾引擎。下面簡述DVB的有條件接入的基本原理。

有條件接入的基本原理如圖4所示。節(jié)目在播出前，要經(jīng)過加擾處理，加擾過程是將復用后的傳送流（TransportStream）與一個偽隨機加擾序列做模2加，而這個偽隨機序列的生成由控制字發(fā)生器提供的控制字（ControlWord，簡稱CW）確定。有條件接入的核心實際上是控制字傳輸?shù)目刂?。在MPEG傳輸流中，與控制字傳輸相關的有兩個數(shù)據(jù)流：授權(quán)控制信息（ECMs）和授權(quán)管理信息（EMMs）。由業(yè)務密鑰（SK）加密處理后的控制字在ECMs中傳送，其中還包括節(jié)目來源、時間、內(nèi)容分類和節(jié)目價格等節(jié)目信息。對控制字加密的業(yè)務密鑰在授權(quán)管理信息中傳送，并且業(yè)務密鑰在傳送前要經(jīng)過用戶個人分配密鑰（PDK）的加密處理，EMMs中還包括地址、用戶授權(quán)信息、如用戶可以看的節(jié)目或時間段、用戶付的收視費等。用戶個人分配密鑰（PDK）存放在用戶的智能卡（SmartCard）中。

在用戶端，機頂盒為了再生出解擾隨機序列，必須獲取相關的條件接收控制信息。首先，機頂盒根據(jù)PMT和CAT表中CA_descriptor，獲得EMM和ECM的PID值。然后，從TS流中過濾出ECMs和EMMs，并送通過SmardCard接口送給SmartCard。SmardCard首先讀取用戶個人分配密鑰（PDK），用PDK對EMM解密，取出SK，然后利用SK對ECM進行解密，取出CW，并將CW通過SmartCard接口送給解擾引擎，解擾引擎利用CW就可以將將已加擾的傳輸流進行解擾

5．電纜調(diào)制解調(diào)器

到目前為止，各種研究機構(gòu)對電纜調(diào)制解調(diào)器進行了廣泛的研究，這些研究成果最終形成了幾個國際性組織定義的標準：IEEE定義的IEEE802.14協(xié)議、DAVIC定義的DAVIC協(xié)議和MCNS定義的DOCSIS協(xié)議。

在這些協(xié)議中，MCNS標準的目的最為簡單和明確，就是在有線網(wǎng)絡上透明地傳輸IP數(shù)據(jù)包，因此該協(xié)議對IP的支持最好；DAVIC的目的主要是給用戶提供交互式的數(shù)字視音頻服務，同時也兼顧提供數(shù)據(jù)傳輸，該協(xié)議對數(shù)字視頻的支持是最好的；IEEE802.14的目的是建立一個基于HFC的城域網(wǎng)，并使該網(wǎng)絡能支持各種業(yè)務，包括固定比特率CBR、可變比特率VBR以及有效比特率ABR服務，該目的使得它對ATM有很好的支持。

不同的目的使得各個標準間存在很大的差異，這些差異主要體現(xiàn)在各個標準定義的物理層、MAC層的幀格式和MAC協(xié)議。

IEEE802.14對ATM信元有很好地支持，并能通過ATM信元很好地支持OoS。在傳輸ATM信元方面，該協(xié)議與MCNS相比有較小的延遲和延遲抖動。但在支持IP方面，由于必須通過AAL5來支持，因而在傳輸IP分組的吞吐量方面比MCNS標準低，這一點對DAVIC標準同樣適用。

在MAC層，MCNS標準的上行信道訪問方式和碰撞解析算法比IEEE802.14和DAVIC都簡單，使得用戶端設備比較簡單，再加上對IP有最好的支持，使MCNS標準在目前的市場上最為看好。但也正是因為其簡單，在采用MCNS的CableModem進行話音和視頻業(yè)務時還有一些缺陷，具體地說，在使用MCNS標準的CableModem支持IP電話和可視電話方面，還需要增加支持QoS的機制。但隨著DOCSIS1.1的發(fā)布，該標準已逐步完善起來。

在對數(shù)字視頻業(yè)務的支持上，DAVIC由于對數(shù)字電視廣播的兼容和具有帶外信道的優(yōu)勢，在數(shù)字機頂盒的標準中有重要影響。事實上，北美的OpenCable標準就是將MCNS與DAVIC有機地結(jié)合的產(chǎn)物，而歐洲的EuroBox和EuroModem實際上就是采用DAVIC標準。而最早開始制定的IEEE802.14協(xié)議，已漸漸地被市場拋棄。