数字电视机顶盒

数字电视机顶盒技术综述

一、机顶盒的基本概念　　

　　机顶盒（STB，Set Top Box）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，Integrated Receive Decoder）、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外，按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。

二、各种机顶盒的主要功能和特点　
　
1．上网机顶盒　
　
　　提起机顶盒，我们首先想到的可能是微软的维纳斯计划。维纳斯计划实际上是一个Windows CE推广计划，只不过在推出Windows CE的同时，捆绑了一个机顶盒硬件平台。它利用电话网络做为传输平台，利用电视机做为显示平台，实现Internet接入功能。因此，可以将其看成是一种非PC类的互联网接入设备。随着Internet的不断发展，互联网接入设备的前景是非常好的，但这种机顶盒占用了用户家中几乎所有的网络资源（电话线和电视机），却只能实现上网功能，对用户来说，是得不偿失的。电视机的最大优势是显示视频，最大的作用还是娱乐，但这种机顶盒不论是硬件还是软件，均不支持视频应用，这个缺陷，注定了它的前景不会太好。在维纳斯计划推出不久，我国有许多企业陆续推出了该类产品，如康佳?quot;光元"网络机顶盒、海信的"家庭网络快车"DB-200M互联网机顶盒、海尔的"网神"网络机顶盒，但市场却没有任何反映，这也说明了这种机顶盒是没有前途的。 事实上，将维纳斯计划中机顶盒的电话调制解调器用电缆调制解调器来代替，也可以实现上网功能，但由于这种机顶盒与有线电视网络相连，一般都支持视频，我们把它放在有线电视数字机顶盒中介绍。

2．数字卫星机顶盒 　　

　　又称为综合业务接收机，用来接收数字卫星广播节目。该类机顶盒在几年前就已商业化，有专业的IRD，也有个人用的。我们所看的许多卫视节目都是有线电视台通过专业的IRD从卫星接收下来，再通过有线电视送入用户家中的。由于我国对卫星节目有强制性的限制，因此，个人用的IRD在我国并不普及，但在国外，卫星直播还是有较好的市场。

　　该类机顶盒的主要功能是接收数字电视广播，同时也支持数据广播，图文电视等应用。但由于它的传输平台是卫星信道，支持交互式应用比较困难。目前，数字卫星机顶盒基本采用DVB-S标准，国内外都有商用产品。

3．数字地面机顶盒　　

　　数字地面机顶盒的功能与数字卫星机顶盒类似，所不同的只是传输平台由卫星信道变成了地面广播信道。该类机顶盒所使用频率与有线电视频率相同，但由于这种无线信道的情况比有线电视网络复杂得多，所以它的信号传输技术与数字有线电视机顶盒也有较大差别。

　　目前，世界上有三种数字电视地面广播标准：欧洲的DVB、美国的ATSC和日本的ISDB-T（综合业务数字广播-地面）系统的DTTB（数字地面电视广播）方案。DTTB实际上是DVB-T的变种。ATSC的接收设备称为DTV，DVB的接收设备称为标准数字电视。但在一个较短的时期内，DTV和标准数字电视不可能降到模拟电视的价位，还必须通过数字地面机顶盒将数字地面广播的节目显示在模拟电视机上。

　　数字地面机顶盒的关键技术是编码正交频分复用CODFM，该技术可有效地解决数字地面广播中所存在的多径接收、邻频干扰等问题。在模拟电视广播系统中，多径接收会造成图象重影，在数字电视广播系统中，某些特定相位的多径信号可能因信号间相位叠加导致接收失败。另外，数字广播信号与模拟广播信号之间以及数字广播信号之间会存在邻频干扰，数字广播若要利用邻频技术提高带宽利用率，频道内的有效辐射功率必须低于模拟电视广播的有效辐射功率，并且应保持频谱功率密度恒定。正交频分复用OFDM克服了上述的问题，它将串行数据流划分为多个比特的码元，每个码元可有数千比特，然后用这些比特去调制被置于一个频段内间隔很小的数千个相互正交的载波。通过设置这些载波的保护间隔和边带能量的位置，使某一特定载波在邻近频道上的能量为零，从而提供较好的邻频抑制能力。

　　我国已计划在十年内以数字电视取代现有的模拟电视机，并对全国的电视台进行数字化改造。但这个过程是相当长的，应该在15年以上，因此，在这个过度时期，数字地面机顶盒的市场应是非常大的。

4．数字有线电视机顶盒　　

　　数字有线电视机顶盒的基本原理与数字卫星机顶盒和数字地面机顶盒相同，只是信号传输平台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：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、视频点播等等。

　　1）电子节目指南

　　电子节目指南给用户提供一个容易使用的、界面友好的、可以快速访问想看节目的一种方式，用户还可以通过该功能看到一个或多个频道甚至所有频道上近期将播放的节目。同时，EPG可提供分类功能，可以帮助用户浏览和选择各种类型的节目。

　　2）准视频点播

　　也称为增强/先进的PPV，是一个特殊的广播应用。NVOD用户和服务提供者之间没有真正的交互，服务提供者将节目的标题广播下来，用户仅仅选择可给他提供最先开始的频道。该机制是由EPG来支持的。NVOD的功能包括：
　　预览：在用户购买前，对想购买的节目进行预览；
　　选择：在EPG中选择一个已购买的节目；
　　暂停：停止播放该节目；
　　恢复：在暂停后恢复观看该节目；
　　快进/快退：对该节目实现快进/快退操作。

　　3）数据广播

　　DVB定义了四种数据广播方式：数据管道（data pipe），数据流（data stream），多协议封装（Multiple Protocol Encapsulation）和Data/Object Carousel。

　　在数据管道方式中，数据直接在MPEG传送流的净荷中传送。可以使用该方式在符合DVB标准的广播网络中进行简单的、异步的、端到端的数据传输业务。

　　数据流方式可以在数字电视广播系统中实现面向流的、端到端的数据传输。数据流可以是异步的、同步的、或同步化（synchronized）的数据传输。异步数据流是不需要定时的数据流（例如RS232数据）；同步数据流是对定时有要求的数据流，这里定时要求的含义是接收端可以再生发送端的数据和时钟，重新构造出同步数据流（如E1、T1）；同步化的数据流也是有定时要求的数据流，这里定时要求的含义是数据流中的数据可以与其他数据流中的数据同步播放（如视频和音频）。数据流中的数据，在MPEG-2系统的PES中传送。

　　多协议封装对需要在数字电视广播系统中传送符合通信协议的数据报（DATAGRAM）的数据业务提供了技术支持。利用这种数据广播方式，可以在有线电视系统中实现高速INTERNET数据接入。要传送的数据报被封装在DSM-CC段中。

　　数据/对象轮流传送（Data/Object Carousel）可以支持需要周期性地传送数据模块（Modules）的各种应用。数据模块的大小是已知的，数据模块可以被更新、被加入、被移去。多个模块可以被组成一个组（Group），多个组还可以组成超组（SuperGroup）。Data Carousel所广播的数据在DSM-CC Data Carousel中传输。EN101 192定义了附加的结构和描述符（Descriptor）。Object Carousel是为了在支持DSM-CC U-U对象的周期性广播。

　　DVB的数据广播规范具有很强的数据业务支持能力，机顶盒实现对上述数据广播业务的支持后，其作用类似一个在用户家中的数据通信网关。机顶盒本身可以不对接收数据的有效负载进行处理，只是通过解复用实现数据分流，将相应的数据送给处理终端。

　　4）软件在线升级

　　软件在线升级是数据广播（Data Carousel）的应用之一。数据广播服务器按DVB数据广播标准将升级软件广播下来，机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。

　　5）Internet接入和电子邮件

　　有线电视数字机顶盒可以通过内置的电缆调制解调器方便地实现Internet接入功能，并可以提供以太网接口，用来连接PC。使用电缆调制解调器的速度与电话调制解调器相比，提高了100倍，最高可达到10Mbps，非常具有竞争力。目前市场上最为火爆的电缆调制解调器是MCNS定义的DOCSIS标准。

　　6）IP电话

　　通过电缆调制解调器，还可以实现IP电话功能。用户在使用该功能时，只需将普通电话与机顶盒的RJ11接口相连即可。电缆调制解调器可以保证传输语音时的服务质量（QoS）。

　　7）视频点播

　　为每个用户提供视频点播功能，让用户能在他所希望的时间和地点看他想看的节目，是服务提供商的终极目标。有线电视数字机顶盒利用交互式的数据信道和广播信道，为实现该功能提供理想的技术基础。广东环网宽带数字技术产业开发有限公司在最新推出的MJH30-50全功能数字机顶盒中已经实现了该功能，并能实现快进、快退、暂停、恢复等VCR操作。当然，该应用需要相应前端设备的支持，目前，广东有线电视台已使用该机顶盒和美国SeaChange公司的视频服务器，实现了商业运营。

三、有线电视数字机顶盒的关键技术

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。

    图2所示为有线电视数字机顶盒的硬件逻辑结构框图。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、Windows NT、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Wind River System公司的VxWorks、Integrated Systems Incorporated公司的pSOS、Microware公司的DAVID OS-9、ST公司的OS20、前面介绍的Windows CE、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。中间件在机顶盒中的位置如图3所示。

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TV Navigator for DTV、Enreach的EnreachTV for DTV、Canel+ 的Mediahighway和Intellibyte的IB EPG、IB SI Manager、IB Browser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Advanced Television Enhancement Forum Specification for Interactive Television 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（Transport Stream）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（Control Word ，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Cable Modem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Cable Modem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。

四、机顶盒的发展趋势

　　我们可以从几个方面来看一看机顶盒的发展趋势。

　　首先，在机顶盒的硬件平台上，会在几个方面有较大的发展：CPU越来越强大；存储器容量越来越大；MPEG解码器将支持同时解码多个HDTV的节目；图形功能越来越强大，将从简单的OSD，发展到强大的2D、3D图形引擎；电缆调制解调器功能更加完善，以支持高速Internet接入和电子邮件、并将WEB页面与视频有机地融合。

　　在应用方面，机顶盒将支持越来越多的应用，并且，下载的应用将越来越多。这些应用包括：电子节目指南、按次付费观看、立即按次付费观看、准视频点播、数据广播、Internet接入、电子邮件、视频点播以及IP电话、可视电话。当然，还会有许多新的应用。

　　在机顶盒的软件方面，标准化的中间件产品将进一步发展，用户将可以共享丰富的应用软件。

　　外部接口将更加丰富，可以利用数字机顶盒建立家庭网络，将机顶盒与PC、打印机、DVD机等数字设备连接起来，并通过内置的电缆调制解调器与Internet相连，真正地成为信息家电。

　　另外，机顶盒将给用户提供更个性化和方便的导航系统，机顶盒将可以跟踪用户的观看习惯，扫描宽带网络中的各种数字服务，给用户显示节目和服务的建议时间表。