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有线电视数字机顶盒的关键技术详解

2017-5-2 04:32| 点击快速提问| 查看: 1434

摘要: 有线电视数字机顶盒的关键技术详解 1.有线电视数字机顶盒的基本原理 有线电视数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目,示意图如图1所示,调谐模块接收射频信号并下变频为中频信号,然后进行A/D转换变为数 ...


有线电视数字机顶盒的关键技术详解

1.有线电视数字机顶盒的基本原理
有线电视数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目,示意图如图1所示,调谐模块接收射频信号并下变频为中频信号,然后进行A/D转换变为数字信号,再送入QAM解调模块进行QAM解调,输出MPEG传输流串行或并行数据。解复用模块接收MPEG传输流,从中抽出一个节目的PES数据,包括视频PES、音频PES以及数据PES。解复用模块中包含一个解扰引擎,可在传输流层和PES层对加扰的数据进行解扰,其输出是已解扰的PES。视频PES送入视频解码模块,取出MPEG视频数据,并对MEPG视频数据进行解码,然后输出到PAL/NTSC编码器,编码成模拟电视信号,再经视频输出电路输出。音频PES送入音频解码模块,取出MPEG音频数据,并对MPEG音频数据进行解码,输出PCM音频数据到PCM解码器,PCM解码器输出立体声模拟音频信号,经音频输出电路输出。

有线电视数字机顶盒的关键技术

该机顶盒由以下几部分组成:数字电视广播接收前端、MPEG解码、视音频和图形处理、电缆调制解调器、CPU以及存储器、以及各种接口电路。数字电视广播接收前端包括调谐器和QAM解调器,该部分可以从射频信号中解调出MPEG传输流;MPEG解码部分包括解复用、解扰引擎和MPEG解压缩,其输出为MPEG视音频基本流以及数据净荷。视音频和图形处理部分完成视音频的模拟编码以及图形处理功能。电缆调制解调模块由一个双向调谐器、下行QAM解调器、上行QPSK/QAM调制器和媒体访问控制(MAC)模块组成,该部分实现电缆调制解调的所有功能。CPU与存储器模块用来存储和运行软件系统,并对各个模块进行控制。接口电路则提供了丰富的外部接口,包括通用串行接口USB、高速串行接口1394、以太网接口、RS232、视音频接口等等。

该框图所描述的有线电视数字机顶盒是一种功能齐全的机顶盒,实际上,在具体实现时,厂商可以根据需要对其进行裁减。

2.实时操作系统

大家对PC的操作系统都比较熟悉,如DOS、Windows98、WindowsNT、Unix、MacOS。与这些操作系统不同,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。

目前流行的实时操作系统有WindRiverSystem公司的VxWorks、IntegratedSystemsIncorporated公司的pSOS、Microware公司的DAVIDOS-9、ST公司的OS20、前面介绍的WindowsCE、以及专为机顶盒开发的PowerTV。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,在其他的嵌入式应用中也有广泛的应用,在机顶盒中,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,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Linux的兴起,嵌入式的Linux已渐渐成熟。它不仅为机顶盒厂商提供一种选择,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。

3.中间件

中间件是一种将应用程序与低层的操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境,它通常由各种虚拟机来构成,如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机、MHEG-5虚拟机等等。?

一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成,可以将其分为4层,从底向上分别为: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内核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于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。

成熟的商用中间件产品有Opentv的EN2、Liberate的TVNavigatorforDTV、Enreach的EnreachTVforDTV、Canel+的Mediahighway和Intellibyte的IBEPG、IBSIManager、IBBrowser等。这些产品在市场上都占有一席之地,但彼此并不兼容。

目前,标准组织已经认识到这个事实,并且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/S17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)也创建了一种称为AdvancedTelevisionEnhancementForumSpecificationforInteractiveTelevision的规范。

4.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POD和DVB定义的SimulCrypt和MultiCrypt标准。OpenCable定义的POD是一个通过PCMCIA接口与机顶盒相连的模块,该模块除了解扰功能外,还要完成与前端的交互功能。DVB的MultiCrypt也是采用PCMCIA接口与机顶盒连接,但它只有解扰功能。DVB的SimulCrypt则只需要机顶盒具有ISO7816的SmartCard接口既可,但需要机顶盒具有硬件解扰引擎。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(TransportStream)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(ControlWord,简称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,其中还包括节目来源、时间、内容分类和节目价格等节目信息。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。

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CA_descriptor,获得EMM和ECM的PID值。然后,从TS流中过滤出ECMs和EMMs,并送通过SmardCard接口送给SmartCard。SmardCard首先读取用户个人分配密钥(PDK),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SmartCard接口送给解扰引擎,解扰引擎利用CW就可以将将已加扰的传输流进行解扰

5.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协议。

在这些协议中,MCNS标准的目的最为简单和明确,就是在有线网络上透明地传输IP数据包,因此该协议对IP的支持最好;DAVIC的目的主要是给用户提供交互式的数字视音频服务,同时也兼顾提供数据传输,该协议对数字视频的支持是最好的;IEEE802.14的目的是建立一个基于HFC的城域网,并使该网络能支持各种业务,包括固定比特率CBR、可变比特率VBR以及有效比特率ABR服务,该目的使得它对ATM有很好的支持。

不同的目的使得各个标准间存在很大的差异,这些差异主要体现在各个标准定义的物理层、MAC层的帧格式和MAC协议。

IEEE802.14对ATM信元有很好地支持,并能通过ATM信元很好地支持OoS。在传输ATM信元方面,该协议与MCNS相比有较小的延迟和延迟抖动。但在支持IP方面,由于必须通过AAL5来支持,因而在传输IP分组的吞吐量方面比MCNS标准低,这一点对DAVIC标准同样适用。

在MAC层,MCNS标准的上行信道访问方式和碰撞解析算法比IEEE802.14和DAVIC都简单,使得用户端设备比较简单,再加上对IP有最好的支持,使MCNS标准在目前的市场上最为看好。但也正是因为其简单,在采用MCNS的CableModem进行话音和视频业务时还有一些缺陷,具体地说,在使用MCNS标准的CableModem支持IP电话和可视电话方面,还需要增加支持QoS的机制。但随着DOCSIS1.1的发布,该标准已逐步完善起来。

在对数字视频业务的支持上,DAVIC由于对数字电视广播的兼容和具有带外信道的优势,在数字机顶盒的标准中有重要影响。事实上,北美的OpenCable标准就是将MCNS与DAVIC有机地结合的产物,而欧洲的EuroBox和EuroModem实际上就是采用DAVIC标准。而最早开始制定的IEEE802.14协议,已渐渐地被市场抛弃。

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