1、有線電視數字機頂盒的基本原理

  有線電視數字機頂盒的基本功能是接收數字電視廣播節目，示意圖如圖1所示，調諧模塊接收射頻信號并下變頻為中頻信號，然后進行A/D轉換變為數字信號，再送入QAM解調模塊進行QAM解調，輸出MPEG傳輸流串行或并行數據。解復用模塊接收MPEG傳輸流，從中抽出一個節目的PES數據，包括視頻PES、音頻PES以及數據PES。解復用模塊中包含一個解擾引擎，可在傳輸流層和PES層對加擾的數據進行解擾，其輸出是已解擾的PES。視頻PES送入視頻解碼模塊，取出MPEG視頻數據，并對MEPG視頻數據進行解碼，然后輸出到PAL/NTSC編碼器，編碼成模擬電視信號，再經視頻輸出電路輸出。音頻 PES送入音頻解碼模塊，取出MPEG音頻數據，并對MPEG音頻數據進行解碼，輸出PCM音頻數據到PCM解碼器，PCM解碼器輸出立體聲模擬音頻信號，經音頻輸出電路輸出。

  有線電視數字機頂盒的關鍵技術

  該機頂盒由以下幾部分組成：數字電視廣播接收前端、MPEG解碼、視音頻和圖形處理、電纜調制解調器、CPU以及存儲器、以及各種接口電路。數字電視廣播接收前端包括調諧器和QAM解調器，該部分可以從射頻信號中解調出MPEG傳輸流；MPEG解碼部分包括解復用、解擾引擎和MPEG解壓縮，其輸出為 MPEG視音頻基本流以及數據凈荷。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。電纜調制解調模塊由一個雙向調諧器、下行QAM解調器、上行QPSK/QAM調制器和媒體訪問控制（MAC）模塊組成，該部分實現電纜調制解調的所有功能。CPU與存儲器模塊用來存儲和運行軟件系統，并對各個模塊進行控制。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、以太網接口、RS232、視音頻接口等等。

2、實時操作系統

  大家對PC的操作系統都比較熟悉，如DOS、Windows98、WindowsNT、Unix、MacOS。與這些操作系統不同，機頂盒中的操作系統不是非常的龐大，但卻要求可以在實時的環境中工作，并能在較小的內存空間中運行。這種操作系統稱為實時操作系統。

  目前流行的實時操作系統有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、以及專為機頂盒開發的PowerTV。這些操作系統各有所長，在機頂盒中都有應用。其中VxWorks、pSOS、OS-9、OS20等是通用的實時操作系統，在其他的嵌入式應用中也有廣泛的應用，在機頂盒中，應與下面將要介紹的中間件結合使用。PowerTV是專為機頂盒開發的，將中間件集成在一起的操作系統，在美國應用較廣。另外，隨著 Linux的興起，嵌入式的Linux已漸漸成熟。它不僅為機頂盒廠商提供一種選擇，而且由于Linux的開放性和先進的結構，會對現有的實時操作系統構成巨大的威脅。

3、中間件

  中間件是一種將應用程序與低層的操作系統、硬件細節隔離開來的軟件環境，它通常由各種虛擬機來構成，如HTML虛擬機、javascript虛擬機、Java虛擬機、MHEG-5虛擬機等等。

  一個完整的數字機頂盒由硬件平臺和軟件系統組成，可以將其分為4層，從底向上分別為：硬件、底層軟件、中間件、應用軟件。硬件提供機頂盒的硬件平臺；底層軟件提供操作系統內核以及各種硬件驅動程序；應用軟件包括本機存儲的應用和可下載的應用；中間件將應用軟件與依賴于硬件的底層軟件分隔開來，使應用不依賴于具體的硬件平臺。

  成熟的商用中間件產品有Opentv的EN2、Liberate的TVNavigatorforDTV、Enreach的 EnreachTVforDTV、Canel+的Mediahighway和Intellibyte的IBEPG、IBSIManager、 IBBrowser等。這些產品在市場上都占有一席之地，但彼此并不兼容。

  目前，標準組織已經認識到這個事實，并且開始著手建立公開的中間件標準。DVB提出了基于Java虛擬機的中間件標準DVB-MHP（多媒體家庭平臺）； ATSC成立T3/S17技術專家小組委員會來為機頂盒定義軟件環境，該軟件環境稱為DTV應用軟件環境（DASE）。ATVEF（先進電視發展論壇）也創建了一種稱為 AdvancedTelevisionEnhancementForumSpecificationforInteractiveTelevision的規范。

4、加解擾技術

  加解擾技術用于對數字節目進行加密和解密。目前，國際上有兩種標準：OpenCable定義的POD和DVB定義的SimulCrypt和 MultiCrypt標準。OpenCable定義的POD是一個通過PCMCIA接口與機頂盒相連的模塊，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接口與機頂盒連接，但它只有解擾功能。DVB的SimulCrypt則只需要機頂盒具有 ISO7816的SmartCard接口既可，但需要機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。節目在播出前，要經過加擾處理，加擾過程是將復用后的傳送流（TransportStream）與一個偽隨機加擾序列做模2加，而這個偽隨機序列的生成由控制字發生器提供的控制字（ControlWord，簡稱CW）確定。有條件接入的核心實際上是控制字傳輸的控制。在 MPEG傳輸流中，與控制字傳輸相關的有兩個數據流：授權控制信息（ECMs）和授權管理信息（EMMs）。由業務密鑰（SK）加密處理后的控制字在 ECMs中傳送，其中還包括節目來源、時間、內容分類和節目價格等節目信息。對控制字加密的業務密鑰在授權管理信息中傳送，并且業務密鑰在傳送前要經過用戶個人分配密鑰（PDK）的加密處理，EMMs中還包括地址、用戶授權信息、如用戶可以看的節目或時間段、用戶付的收視費等。用戶個人分配密鑰（PDK）存放在用戶的智能卡（SmartCard）中。

  在用戶端，機頂盒為了再生出解擾隨機序列，必須獲取相關的條件接收控制信息。首先，機頂盒根據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首先讀取用戶個人分配密鑰（PDK），用PDK對EMM解密，取出SK，然后利用SK對ECM進行解密，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行解擾

5、電纜調制解調器

  到目前為止，各種研究機構對電纜調制解調器進行了廣泛的研究，這些研究成果最終形成了幾個國際性組織定義的標準：IEEE定義的IEEE802.14協議、DAVIC定義的DAVIC協議和MCNS定義的DOCSIS協議。

  在這些協議中，MCNS標準的目的最為簡單和明確，就是在有線網絡上透明地傳輸IP數據包，因此該協議對IP的支持最好；DAVIC的目的主要是給用戶提供交互式的數字視音頻服務，同時也兼顧提供數據傳輸，該協議對數字視頻的支持是最好的；IEEE802.14的目的是建立一個基于HFC的城域網，并使該網絡能支持各種業務，包括固定比特率CBR、可變比特率VBR以及有效比特率ABR服務，該目的使得它對ATM有很好的支持。

  不同的目的使得各個標準間存在很大的差異，這些差異主要體現在各個標準定義的物理層、MAC層的幀格式和MAC協議。

  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，該協議與MCNS相比有較小的延遲和延遲抖動。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標準低，這一點對DAVIC標準同樣適用。

  在MAC層，MCNS標準的上行信道訪問方式和碰撞解析算法比IEEE802.14和DAVIC都簡單，使得用戶端設備比較簡單，再加上對IP有最好的支持，使MCNS標準在目前的市場上最為看好。但也正是因為其簡單，在采用MCNS的CableModem進行話音和視頻業務時還有一些缺陷，具體地說，在使用MCNS標準的CableModem支持IP電話和可視電話方面，還需要增加支持QoS的機制。但隨著DOCSIS1.1的發布，該標準已逐步完善起來。

  在對數字視頻業務的支持上，DAVIC由于對數字電視廣播的兼容和具有帶外信道的優勢，在數字機頂盒的標準中有重要影響。事實上，北美的 OpenCable標準就是將MCNS與DAVIC有機地結合的產物，而歐洲的EuroBox和EuroModem實際上就是采用DAVIC標準。而最早開始制定的IEEE802.14協議，已漸漸地被市場拋棄。

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文章來源：《廣電采購指南》