有线电视网络中使用的数字机顶盒技术

有线电视网络中使用的数字机顶盒技术 有线电视网络中使用的数字机顶盒技术 2003-9-23

罗蕴军 (江西省新余电视台，江西省新余市338000) 摘要：有线电视网络正在向数字化、网络化、产业化方向发展， 有线电视网络提供综合信息业务的关键设备之一是用户终端设备数字机顶盒（STB）。本文 从机顶盒的基本概念、有线电视数字机顶盒、有线电视数字机顶盒的基本原理、有线电视数 字机顶盒的关键技术几方面，介绍了目前有线电视数字机顶盒的技术。 关键词：有线电视数字机顶盒原理关键技术 图1数字电视广播 接收解码示意图 1机顶盒的基本概念 机顶盒（STB）的概念是比较广泛的。从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端设备都可 称为机顶盒，从基于有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器，到将电话线与电视 机联系在一起的“上网机顶盒”、数字卫星的综合接收解码器（IRD）、数字地面机顶盒， 以及有线电视数字机顶盒都可称为机顶盒。从狭义上说，我们可以将模拟设备排除在猓?主要功能将机顶盒分为上网机顶盒、 数字卫星综合接收解码器、数字地面机顶盒，以及有 线电视数字机顶盒，这些设备由于具有很好的网络功能，因此也成为信息家电的代表。 2有线电视数字机顶盒 有线广播电视网正在向数字化、网络化、产业化方向发展，最终建成为宽带综合信息网。依 托有线广播电视网提供综合信息业务的关键设备之一是用户终端设备数字机顶盒（STB）。 有线电视数字机顶盒的信号传输介质是有线电视广播所采用的全电缆网络或光纤/同轴混合 网。但由于有线电视网络较好的传输质量以及电缆调制解调器技术的成熟，使得该类机顶盒 可以实现各种交互式应用，并被业界广泛看好。 事实上，该类机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字电视广播接收、 电子节目指南（EPG）、准视频点播（NVOD）、按次付费观看（PPV）、软件在线升级、数据 广播、Internet接入、电子邮件、IP电话和视频点播等。 机顶盒中的操作系统不是非常的庞大，但却要求可以在实时的环境中工作，并能在较小的内 存空间中运行。这种操作系统称为实时操作系统。 前流行的实时操作系统有Wind River System公司的VxWorks、Integrated Systems Incorpo rated公司的pSOS、Microware公司的DAVID OS-9、ST公司的OS20、Windows CE以及专为机顶 盒开发的PowerTV等。这些操作系统各有所长，在机顶盒中都有应用。其中VxWorks、pSOS、 OS-9、OS20等是通用的实时操作系统，在其他的嵌入式系统中也有广泛的应用。当开发机顶 盒时，实时操作系统应与下面将要介绍的中间件结合使用。PowerTV是专为机顶盒开发的， 并将中间件集成在一起的操作系统，在美国应用较广。另外，随着嵌入式Linux的逐渐成熟 ，不仅为机顶盒厂商提供了一种选择，而且由于Linux的开放性和先进的结构，会对现有的 实时操作系统构成巨大的威胁。 实时操作系统负责本地资源和网络资源的管理，提供基本的操作功能和设备的访问控制。在 启动机顶盒时，由引导程序通过网络从中心控制系统下载，深圳迪科网视通数字机顶盒的 R TOS在设计上采用从FLASH ROM引导，其引导程序功能包括：系统自检、系统设置、DTV功能 、系统升级。 42中间件（Middle Ware） 中间件是一种将应用程序与底层的操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境，它通常由各种 虚拟机构成。如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机、MHEG-5虚拟机等。一个完整 的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以分为4层，从底层向上分别为：硬件、底层 软件、中间件、应用软件。硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件提供操作系统以及各种硬 件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用；中间件将应用软件与依赖硬件 的底层软件分隔开来，使应用不依赖于具体的硬件平台。中间件在机顶盒中的位置如图3所 示。 图3数字机顶盒软硬件环境 目前成熟的商用中间件产品有Open TV的EN2、Liberate的TV Navigator for DTV、Enreach 的EnreachTV for DTV、Canel+的Mediahighway和Intellibyte的IB EPG、IB SI Manager、I B Browser等。这些产品彼此并不兼容。许多国际标准组织已经开始着手建立公开的中间件 标准。DVB提出了基于Java虚拟机的中间件标准DVB-MHP(多媒体家庭平台)； ATSC成立T3/S1 7技术专家小组委员会来为机顶盒定义软件环境，该软件环境称为DTV应用软件环境(DASE)。 ATVEF(先进电视发展论坛)也创建了一种规范。随着硬件平台的不断完善，机顶盒的竞争力 将完全体现其中的软件上。 43加解扰技术 加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密。目前，国际上有两种标准：OpenCable定义的P OD以及DVB定义的SimulCrypt与MultiCrypt标准。下面简述DVB的“有条件接入”的基本原理 。 有条件接入的基本原理如图4所示。节目在播出前，要经过加扰处理，加扰过程是将复用后 的传送流（TS）与一个伪随机加扰序列做模2加，而这个伪随机序列的生成由控制字发生器 提供的控制字（CW）确定。有条件接入的核心实际上是控制字传输的控制。在MPEG传输流中 ，与控制字传输相关的有两个数据流：授权控制信息（ECMs）和授权管理信息（EMMs）。由 业务密钥（SK）加密处理后的控制字在ECMs中传送，其中还包括来源、时间、内容分类和价 格等节目信息。对控制字加密的业务密钥在授权管理信息中传送，并且业务密钥在传送前要 经过用户个人分配密钥（PDK）的加密处理，EMMs中还包括地址、用户授权信息、如用户可 以看的节目或时间段、用户付的收视费等。用户个人分配密钥（PDK）存放在用户的智能卡 （SmartCard）中。 图4有条件接入基本原理示 意图 在用户端，机顶盒为了再生出解扰随机序列，必须获取相关的条件接收控制信息。首先，机 顶盒根据PMT和CAT表中的CA-descriptor，获得EMM和ECM的PID值。然后，从TS流中过滤出EC Ms和EMMs，并通过SmardCard接口送给SmartCard。SmardCard首先读取用户个人分配密钥（P DK），用PDK对EMM解密，取出SK，然后利用SK对ECM进行解密，取出CW，并将CW通过SmartCa rd接口送给解扰引擎，解扰引擎利用CW就可以将已加扰的传输流进行解扰。 加解扰技术分为同密和多密技术。同密技术是将两家或两家以上的条件接收（CA）系统应用 于同一网络平台之中，从有线电视台角度是实现技术的选择和竞争的环境。多密技术要求机 顶盒采用CI技术，实现同一机顶盒可接收不同CA系统加密节目。从用户角度来讲，不会因购 买是一家CA的机顶盒而受到限制，用户还有选择其CA服务的可能性。 44电缆调制解调器 到目前为止，各种研究机构对电缆调制解调器进行了广泛的研究，这些研究成果最终形成了 几个国际性组织定义的标准，IEEE定义的IEEE802.14协议、DAVIC定义的DAVIC协议和MCNS定 义的DOCSIS及EuroDOCSIS协议。 在这些协议中，DOCSIS是最早商业化的标准，目前在北美，符合该标准的电缆调制解调器已 售出了几百万台。由于DOCSIS标准主要是针对北美市场定义的，其下行带宽为6MHz，上行为 5～42MHz，对采用NTSC模拟电视广播制式的国家是适用的。为了占领采用PAL制式国家的市 场，CableLabs又定义了EuroDOCSIS标准。该标准采用DVB-C作为下行物理层标准(在EuroDOC SIS标准中下行的码元速率为69652Mbit/s)，上行频率范围为5～65MH z 。其余与DOCSIS完全一样。EuroDOCSIS标准的目的简单明确，就是在有线网络上透明地传输 IP数据包，该协议对IP的支持最好，随着DOCSIS11中对QoS的完善，该标准可支持IP电话 和可视电话。因此我们认为EuroDOCSIS对我国来说是一种比较好的选择。EuroDOCSIS标准中 下行码元速率为69652Mbit/s。 国家广电总局科技司周毅副司长在2000年（第八届）国际有线电视技术研讨会中外专家有线 电视论坛上指出：对于CA系统，我国已经确定采用同密技术，盼望有线电视能早日应用有我 国自主知识产权的CA系统。对于我国电缆调解调器（CM）的标准的制定，倾向于EuroDOCSIS ，在此基础上加入我国自己的东西。 5结束语 数字机顶盒不仅是用户终端，还是网络终端，它能使模拟电视机从被动接收模拟电视转向交 互式数字电视（如视频点播等），并能接入因特网，使用户享受电视、数据、语言等全方位 的信息服务。目前，有些人认为机顶盒就是用来使电视机上网，

这是一种认识上的误区。实 际上，数字机顶盒是在走普及数字电视机之前宽带综合信息网的组成成员之一。随着数字技 术、多媒体技术和网络技术的发展，将促使数字机顶盒内置和整个成本下降，让大多数用户 在普通模拟电视机上实现既能娱乐，又能上网等多种服务。 参考文献 ［1］钟市．综述：数字机顶盒技术．北京：赛迪网，2000 ［2］彭志强．有线电视数字机顶盒与视频点播．北京：广电在线，2002 ［3］刘修文．数字电视有线传输技术．北京：电子工业出版社，2002 ［4］宋靖涛．数字机顶盒技术综述．北京：卫视周刊，2001 ［5］王艳荣．数字电视机顶盒技术综述．北京：中国CATV，2003 ［6］张俊．关于数字电视机顶盒的八个问题．北京：世界宽带网络，2002 ［7］燕宪文．数字电视机顶盒．北京：中国CATV，2002(收稿 日期：2003-06-06