關(guān)于有線電視數(shù)字機(jī)頂盒的關(guān)鍵技術(shù)詳解

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(duì)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(duì)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(duì)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。

圖一

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(wèn)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(lái)存儲(chǔ)和運(yùn)行軟件系統(tǒng)，并對(duì)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。

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

2．實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

大家對(duì)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(zhǎng)，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(guó)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(duì)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(lái)的軟件環(huán)境，它通常由各種虛擬機(jī)來(lái)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(lái)，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(chǎng)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(lái)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(duì)數(shù)字節(jié)目進(jìn)行加密和解密。目前，國(guó)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(guò)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(jiǎn)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(guò)加擾處理，加擾過(guò)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(jiǎn)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?。在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(lái)源、時(shí)間、內(nèi)容分類和節(jié)目?jī)r(jià)格等節(jié)目信息。對(duì)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(guò)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(guò)濾出ECMs和EMMs，并送通過(guò)SmardCard接口送給SmartCard。SmardCard首先讀取用戶個(gè)人分配密鑰（PDK），用PDK對(duì)EMM解密，取出SK，然后利用SK對(duì)ECM進(jìn)行解密，取出CW，并將CW通過(guò)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(duì)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(guó)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)ATM信元有很好地支持，并能通過(guò)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(guò)AAL5來(lái)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(duì)DAVIC標(biāo)準(zhǔn)同樣適用。

在MAC層，MCNS標(biāo)準(zhǔn)的上行信道訪問(wèn)方式和碰撞解析算法比IEEE802.14和DAVIC都簡(jiǎn)單，使得用戶端設(shè)備比較簡(jiǎn)單，再加上對(duì)IP有最好的支持，使MCNS標(biāo)準(zhǔn)在目前的市場(chǎng)上最為看好。但也正是因?yàn)槠浜?jiǎn)單，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(shuō)，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(lái)。

在對(duì)數(shù)字視頻業(yè)務(wù)的支持上，DAVIC由于對(duì)數(shù)字電視廣播的兼容和具有帶外信道的優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)拋棄。