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有線電視數(shù)字機(jī)頂盒的關(guān)鍵技術(shù)詳解

中國視聽網(wǎng)資訊 更新時(shí)間:2010-1-22 16:12:54  編輯:藍(lán)天  [ ]     手機(jī)訪問

1、有線電視數(shù)字機(jī)頂盒的基本原理

  有線電視數(shù)字機(jī)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(hào)并下變頻為中頻信號(hào),然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào),再送入QAM解調(diào)模塊進(jìn)行QAM解調(diào),輸出MPEG傳輸流串行或并行數(shù)據(jù)。解復(fù)用模塊接收MPEG傳輸流,從中抽出一個(gè)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(fù)用模塊中包含一個(gè)解擾引擎,可在傳輸流層和PES層對加擾的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行解碼,然后輸出到PAL/NTSC編碼器,編碼成模擬電視信號(hào),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(jìn)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(hào),經(jīng)音頻輸出電路輸出。

  有線電視數(shù)字機(jī)頂盒的關(guān)鍵技術(shù)

  該機(jī)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(chǔ)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(hào)中解調(diào)出MPEG傳輸流;MPEG解碼部分包括解復(fù)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(gè)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(shí)現(xiàn)電纜調(diào)制解調(diào)的所有功能。CPU與存儲(chǔ)器模塊用來存儲(chǔ)和運(yùn)行軟件系統(tǒng),并對各個(gè)模塊進(jìn)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。

2、實(shí)時(shí)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(jī)頂盒中的操作系統(tǒng)不是非常的龐大,但卻要求可以在實(shí)時(shí)的環(huán)境中工作,并能在較小的內(nèi)存空間中運(yùn)行。這種操作系統(tǒng)稱為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

  目前流行的實(shí)時(shí)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(jī)頂盒開發(fā)的PowerTV。這些操作系統(tǒng)各有所長,在機(jī)頂盒中都有應(yīng)用。其中VxWorks、pSOS、OS-9、OS20等是通用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),在其他的嵌入式應(yīng)用中也有廣泛的應(yīng)用,在機(jī)頂盒中,應(yīng)與下面將要介紹的中間件結(jié)合使用。PowerTV是專為機(jī)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(yīng)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(jī)頂盒廠商提供一種選擇,而且由于Linux的開放性和先進(jìn)的結(jié)構(gòu),會(huì)對現(xiàn)有的實(shí)時(shí)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(yīng)用程序與低層的操作系統(tǒng)、硬件細(xì)節(jié)隔離開來的軟件環(huán)境,它通常由各種虛擬機(jī)來構(gòu)成,如HTML虛擬機(jī)、javascript虛擬機(jī)、Java虛擬機(jī)、MHEG-5虛擬機(jī)等等。

  一個(gè)完整的數(shù)字機(jī)頂盒由硬件平臺(tái)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(yīng)用軟件。硬件提供機(jī)頂盒的硬件平臺(tái);底層軟件提供操作系統(tǒng)內(nèi)核以及各種硬件驅(qū)動(dòng)程序;應(yīng)用軟件包括本機(jī)存儲(chǔ)的應(yīng)用和可下載的應(yīng)用;中間件將應(yīng)用軟件與依賴于硬件的底層軟件分隔開來,使應(yīng)用不依賴于具體的硬件平臺(tái)。

  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(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這個(gè)事實(shí),并且開始著手建立公開的中間件標(biāo)準(zhǔn)。DVB提出了基于Java虛擬機(jī)的中間件標(biāo)準(zhǔn)DVB-MHP(多媒體家庭平臺(tái)); ATSC成立T3/S17技術(shù)專家小組委員會(huì)來為機(jī)頂盒定義軟件環(huán)境,該軟件環(huán)境稱為DTV應(yīng)用軟件環(huán)境(DASE)。ATVEF(先進(jìn)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(jìn)行加密和解密。目前,國際上有兩種標(biāo)準(zhǔn):OpenCable定義的POD和DVB定義的SimulCrypt和 MultiCrypt標(biāo)準(zhǔn)。OpenCable定義的POD是一個(gè)通過PCMCIA接口與機(jī)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(jī)頂盒連接,但它只有解擾功能。DVB的SimulCrypt則只需要機(jī)頂盒具有 ISO7816的SmartCard接口既可,但需要機(jī)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(fù)用后的傳送流(TransportStream)與一個(gè)偽隨機(jī)加擾序列做模2加,而這個(gè)偽隨機(jī)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(shí)際上是控制字傳輸?shù)目刂。?MPEG傳輸流中,與控制字傳輸相關(guān)的有兩個(gè)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(wù)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(shí)間、內(nèi)容分類和節(jié)目價(jià)格等節(jié)目信息。對控制字加密的業(yè)務(wù)密鑰在授權(quán)管理信息中傳送,并且業(yè)務(wù)密鑰在傳送前要經(jīng)過用戶個(gè)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(shí)間段、用戶付的收視費(fèi)等。用戶個(gè)人分配密鑰(PDK)存放在用戶的智能卡(SmartCard)中。

  在用戶端,機(jī)頂盒為了再生出解擾隨機(jī)序列,必須獲取相關(guān)的條件接收控制信息。首先,機(jī)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(gè)人分配密鑰(PDK),用PDK對EMM解密,取出SK,然后利用SK對ECM進(jìn)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(jìn)行解擾

5、電纜調(diào)制解調(diào)器

  到目前為止,各種研究機(jī)構(gòu)對電纜調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行了廣泛的研究,這些研究成果最終形成了幾個(gè)國際性組織定義的標(biāo)準(zhǔn):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(biāo)準(zhǔn)的目的最為簡單和明確,就是在有線網(wǎng)絡(luò)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(wù),同時(shí)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(gè)基于HFC的城域網(wǎng),并使該網(wǎng)絡(luò)能支持各種業(yè)務(wù),包括固定比特率CBR、可變比特率VBR以及有效比特率ABR服務(wù),該目的使得它對ATM有很好的支持。

  不同的目的使得各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間存在很大的差異,這些差異主要體現(xiàn)在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)。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(biāo)準(zhǔn)低,這一點(diǎn)對DAVIC標(biāo)準(zhǔn)同樣適用。

  在MAC層,MCNS標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備比較簡單,再加上對IP有最好的支持,使MCNS標(biāo)準(zhǔn)在目前的市場上最為看好。但也正是因?yàn)槠浜唵,在采用MCNS的CableModem進(jìn)行話音和視頻業(yè)務(wù)時(shí)還有一些缺陷,具體地說,在使用MCNS標(biāo)準(zhǔn)的CableModem支持IP電話和可視電話方面,還需要增加支持QoS的機(jī)制。但隨著DOCSIS1.1的發(fā)布,該標(biāo)準(zhǔn)已逐步完善起來。

  在對數(shù)字視頻業(yè)務(wù)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(jī)頂盒的標(biāo)準(zhǔn)中有重要影響。事實(shí)上,北美的 OpenCable標(biāo)準(zhǔn)就是將MCNS與DAVIC有機(jī)地結(jié)合的產(chǎn)物,而歐洲的EuroBox和EuroModem實(shí)際上就是采用DAVIC標(biāo)準(zhǔn)。而最早開始制定的IEEE802.14協(xié)議,已漸漸地被市場拋棄。

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