有線電視機(jī)頂盒

1、數(shù)字有線電視機(jī)頂盒組成和分析摘要數(shù)字電視機(jī)頂盒是一種將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的變換設(shè)備，目前的數(shù)字電視機(jī)頂盒已成為一種嵌入式計算設(shè)備，具有完善的實時操作系統(tǒng)，提供強(qiáng) 大的CPU計算能力，用來協(xié)調(diào)控制機(jī)頂盒各部分硬件設(shè)施，并提供易操作的圖 形用戶界面，如增強(qiáng)型電視的電子節(jié)目指南，給用戶提供圖文并茂的節(jié)目介紹和 背景資料。它也是擴(kuò)展電視機(jī)功能的一種新型家用電器， 負(fù)責(zé)將接收到的各種信 息（包括電視節(jié)目）轉(zhuǎn)換為電視機(jī)可現(xiàn)實的格式在屏幕上顯示出來，同時，機(jī)頂 盒具有 傻瓜計算機(jī)”能力，這樣通過內(nèi)部軟件功能和對網(wǎng)絡(luò)稍加進(jìn)行雙向改造， 很容易實現(xiàn)如因特網(wǎng)瀏覽、視頻點播、家庭電子商務(wù)、電話通信等多種服務(wù)

2、，可 謂一網(wǎng)打天下。關(guān)鍵字：電視機(jī)頂盒、高清晰度數(shù)字電視目錄1緒論 12數(shù)字電視機(jī)機(jī)頂盒原理 12.1機(jī)頂盒原理概述 1.2.2數(shù)字機(jī)頂盒重要模塊3調(diào)制解調(diào)模塊3編解碼模塊32.2.3MPEG II的解碼模塊3.數(shù)字視頻編碼器和音頻DAC3.圖形控制模塊4媒體訪問控制模塊MAC4.加解擾模塊和版權(quán)保護(hù)模塊 42.3數(shù)字電視機(jī)頂盒軟件系統(tǒng)42.4 CA系統(tǒng)6.在發(fā)送端的加密過程：6接收端的解密過程： 7總結(jié) 9致謝 10參考文獻(xiàn) 11i緒論數(shù)字電視廣播的目的是將高質(zhì)量、高可靠的圖像、聲音文字和數(shù)據(jù)等信息快 速、實時、高效地傳輸，供用戶滿意的收視、收聽。數(shù)字電視接收與模擬電視接 收相比有很大的不同

3、。數(shù)字電視接收中包含了解調(diào)、信道解碼、解復(fù)用和信源解 碼等數(shù)字電視的核心技術(shù)，還要具有條件接收控制、交互操作、增值業(yè)務(wù)服務(wù)、 多媒體用戶數(shù)據(jù)處理等功能，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)?？傮w上說，數(shù)字電視接收設(shè)備 可以分為數(shù)字電視接收一體機(jī)和數(shù)字電視機(jī)頂盒（STB ）。數(shù)字電視接收一體機(jī)是指電視接收機(jī)內(nèi)置了數(shù)字電視解調(diào)器、 解碼器和顯示器等，而數(shù)字電視機(jī)頂盒 能夠接受數(shù)字電視信號，并對其進(jìn)行解調(diào)和解碼等處理，但不具備顯示功能。目 前，在有線和衛(wèi)星數(shù)字電視接收中普遍采用的是機(jī)頂盒加顯示器的組合模式。本文主要介紹有線數(shù)字電視機(jī)頂盒的構(gòu)成、業(yè)務(wù)信息和電子節(jié)目指南。2數(shù)字電視機(jī)機(jī)頂盒原理2.1機(jī)頂盒原理概述數(shù)字電視機(jī)

4、機(jī)頂盒的主要功能就是將接受的數(shù)字電視信號，使用戶不用更換模擬電視機(jī)就能收看數(shù)字電視節(jié)目。經(jīng)過一體化調(diào)諧解調(diào)器解調(diào)后輸出的TS碼流是一種包包含視頻、音頻和數(shù)據(jù)信息的多路節(jié)目數(shù)據(jù)流，按MPEG2標(biāo)準(zhǔn)復(fù)接而成。因此。在解碼前要先對 TS碼流進(jìn)行解復(fù)用。根據(jù)所要收視的節(jié)目的包 識別符（PID）提取去相應(yīng)的視頻、音頻和數(shù)據(jù)信息，恢復(fù)符合MPEG2標(biāo)準(zhǔn)打包的節(jié)目基本流（PES），然后進(jìn)行 MPEG 2解碼。節(jié)目基本流數(shù)據(jù)包送到 MPEG2解碼器芯片解壓縮，生成符合格式的視頻數(shù)據(jù)流和符合PCM格式的音頻數(shù)據(jù)流，分別送到視頻解碼器和音頻 DAC （數(shù)模轉(zhuǎn)換器），再按一定電視制 式（PAL或NTSC）生成模擬電

5、視信號，供電視機(jī)接收。機(jī)頂盒各個模塊在In ternet 的高速接人中，協(xié)同工作。用戶首先通過發(fā)送命令請求一個URL。在使用PPP點對點協(xié)議的一次交易過程中，該命令最終到達(dá)In ternet業(yè)務(wù)提供者的調(diào)制解調(diào) 器共用機(jī)架上。然后通過動態(tài)分配法，該用戶獲得本次交易中使用的IP地址，并把請求送往In ternet。當(dāng)In ternet的內(nèi)容被找到之后，接著把它送到 In .ternet 業(yè)務(wù)提供者（ISP）那里，再由ISP的路由器負(fù)責(zé)把它送到電纜電視網(wǎng)絡(luò)， 最后回到用戶的機(jī)頂盒。在有線電視的機(jī)頂盒，信息內(nèi)容被截獲。機(jī)頂盒在電視機(jī)與電纜 網(wǎng)絡(luò)之間完成一個網(wǎng)關(guān)的任務(wù)。它的任務(wù)是管理IP的通信流量，具

6、有控制用戶進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的能力。一旦IP包到達(dá)機(jī)頂盒，把視頻信號從該包中分離下來，對其 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，然后把它送到瀏覽器里準(zhǔn)備在電視機(jī)上顯示。由于CableModem要求用戶要配置一部電腦才能上網(wǎng)，影響了用戶層的擴(kuò)展，而使用機(jī)頂 盒則不需電腦，一部電視機(jī)足矣，因而機(jī)頂盒的市場前景可能看好。 信息使用者 從企業(yè)向家庭過渡，網(wǎng)絡(luò)帶寬從窄帶向?qū)拵н^渡，用戶入網(wǎng)設(shè)備從PC機(jī)向帶機(jī)頂盒(STB的電視過渡，使用界面從 windows向電視遙控鍵界面過渡，信息內(nèi)容 從為企業(yè)服務(wù)向為人民生活服務(wù)過渡，是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展的大方向，機(jī)頂盒(STB)顯然是這個大方向上的一個階段。RFQAM押咼圖1整理框圖QAM/QP5K

7、R/G/BAudioY/C，CVBS¥心CVBSR/G/6Audio"41豆接口"數(shù)字電視機(jī)頂盒的工作過程：數(shù)字電視機(jī)頂盒通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊選擇頻道， 并進(jìn)行解調(diào)和信道解碼處理，輸出 MPEG 2多節(jié)目傳輸流數(shù)據(jù)，送給解復(fù)用 器，解復(fù)用器從MPEG 2傳輸流數(shù)據(jù)中抽出一個節(jié)目的已打包的視音頻基本 流(PE®數(shù)據(jù)，包括視頻PES，音頻PES和輔助數(shù)據(jù)PES，解復(fù)用器中包含一個 解擾引擎，可在傳輸流層和 PES層對加擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾，解復(fù)用器輸出的是 已解擾的視音頻PES。視頻PES送入視頻解碼器，取出 MPEG 2視頻數(shù)據(jù)并 對其解碼后，輸出到模擬編碼器，編

8、碼成模擬視頻信號，再經(jīng)視頻輸出電路輸出。 音頻PES送入音頻解碼器，取出MPEG 2音頻數(shù)據(jù)并對其解碼，輸出PCM音 頻數(shù)據(jù)到音頻D/A變換器，音頻D/A變換器輸出模擬立體聲音頻信號，經(jīng)音 頻輸出電路輸出。2.2數(shù)字機(jī)頂盒重要模塊調(diào)制解調(diào)模塊數(shù)字機(jī)頂盒工作在有線電視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，有線電視網(wǎng)采用模擬傳輸，因此必 須對數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)才能在模擬信道傳輸，調(diào)制解調(diào)器是系統(tǒng)關(guān)鍵的組成部分，在技術(shù)上類似現(xiàn)在的電話調(diào)制解調(diào)器的原理， 但采用了更高的調(diào)制方法， 下行多采用 64QAM 或 256QAM，在 DVB-C（Digital Video Broadcast by Cable）和 DAVIC中采用

9、64QAM 做為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方法，以Motorola的MC92305QAM 解調(diào) 芯片為例，在7M模擬帶寬上采用64QAM調(diào)制的數(shù)字信號速率可達(dá) 42Mbit/S， 上行目前采用兩種方式，一種是采用電話線做為上行信道，另一種是采用雙向 HFC網(wǎng)的上行通道，采用HFC網(wǎng)時采用QPSK做為調(diào)制方案。QAM或QPSK 調(diào)制器將MPEG格式的數(shù)據(jù)流調(diào)制在一個標(biāo)準(zhǔn)的 PAL信道內(nèi)，與其他視頻調(diào)制 信號一起合路發(fā)送出去。222編解碼模塊由于采用模擬通道，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院偷驼`碼率， 前向糾錯編碼是 必不可少的，DVB采用Reed Solomon編碼，RS碼是一類糾錯能力很強(qiáng)的多進(jìn) 制9 BCH 碼。2.

10、2.3 MPEG II的解碼模塊數(shù)字機(jī)頂盒的核心是數(shù)字視頻技術(shù)，MPEGII的解碼模塊可以稱為CPU以 外的核心模塊，MPEG II數(shù)字傳輸中采用交織編碼，首先需要對碼流進(jìn)行去交織， 視頻、音頻和數(shù)據(jù)碼流的分離工作，以及視頻碼的解碼工作。經(jīng)以上各步驟 MPEGII碼流成為視頻（CCIR656格式）和音頻數(shù)字信號。MPEG多路復(fù)用器將各 路節(jié)目流、數(shù)據(jù)流復(fù)合在一起，以188字節(jié)為一幀的MPEG2數(shù)據(jù)格式發(fā)送到射 頻調(diào)制器并提供電子節(jié)目單（EPG）。數(shù)字視頻編碼器和音頻DAC數(shù)字機(jī)頂盒的“外設(shè)”是電視機(jī)和音響系統(tǒng)，數(shù)字的音視頻信號必須轉(zhuǎn)換為 模擬音視頻信號，以Motorola公司的MC44724為

11、例，MC44724可以將ITU601、656標(biāo)準(zhǔn)4:2:2并行視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 PAL或 NTSC格式的視頻、S-Video、Y/Cb/Cr 或R/G/B，擴(kuò)展的VBI(Vertical Bianking Interval )信息輸入口用于顯示圖文信息。 音頻DAC非常普遍這里不再介紹。現(xiàn)代音響系統(tǒng)都支持Dolby Pro Logic和Lucasfilm Home THX家庭影院系統(tǒng)，需在音頻DAC之前用數(shù)字音頻信號處理芯 片對數(shù)字音頻信號進(jìn)行處理，目前有專用處理芯片和采用數(shù)字信號處理芯片DSP進(jìn)行處理兩種方式。225圖形控制模塊和視頻圖形混合器數(shù)字機(jī)頂盒另一方面需要提供類似計算機(jī)的復(fù)雜圖形甚至

12、是三維圖形，需要系統(tǒng)具有強(qiáng)大的二維和三維圖形加速芯片，而且需要將圖形和視頻信號能進(jìn)行混合疊加顯示，此類功能類似現(xiàn)有的字幕機(jī)。媒體訪問控制模塊MAC數(shù)字機(jī)頂盒在網(wǎng)絡(luò)通信上可以看成是 Cable Modem, IP路由器接收用戶端通 過PSTN(公用電話網(wǎng))傳來的點播信號并傳送到In ternet服務(wù)器/路由器。目前 主要參照DAVIC和IEEE 802.14標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.14倡導(dǎo)采用 ATM并在802.14 MAC訪問層上定義了 ATM層，DAVIC同時定義了以太網(wǎng)和 ATM標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有數(shù)字機(jī)頂盒完全工作在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，僅能利用智能卡進(jìn)行一些類似個人帳 號、解碼號等 信息的儲存，不具備本地大數(shù)

13、據(jù)存儲功能，所有信息需要從網(wǎng)上 獲得，無論現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)狀況還是今后，像 CD-ROM此類介質(zhì)仍是大容量信息傳遞 的一種主要方式，CD-ROM的缺點是信息無法更新。采用可擦寫DVD不僅可以 使用光盤上的巨大信息，更有效的是通過In ternet網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，使 DVD盤上數(shù)據(jù)保持最新狀態(tài)，DVD應(yīng)成為數(shù)字機(jī)頂盒的重要的備用模塊。加解擾模塊和版權(quán)保護(hù)模塊在有線電視運(yùn)營中，付費電視是一種主要的業(yè)務(wù)，要求數(shù)字機(jī)頂盒必須具備 電視信號的加解擾功能，由于采用數(shù)字信號，加解擾比模擬信號加解擾容易和保 密度高，DVB對加解擾功能有相關(guān)定義，另一方面，采用數(shù)字信號在版權(quán)保護(hù) 上加大了難點，目前采用Macrovis

14、ion generator進(jìn)行活動圖像的保護(hù)。2.3數(shù)字電視機(jī)頂盒軟件系統(tǒng)在機(jī)頂盒中，軟件系統(tǒng)是一個重要的組成部分。主控制器的工作通過軟件的 執(zhí)行來完成。操作系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)。在這個操作系統(tǒng)中主要完成進(jìn)程 調(diào)度、中斷管理、內(nèi)存分配、進(jìn)程間通信、異常處理、時鐘提取等工作。硬件驅(qū) 動部分提供外圍硬件設(shè)備的驅(qū)動，包括I2C總線、異步串行通信口、并行通信口、 非易失內(nèi)存、鍵盤、遙控器、調(diào)諧器、信道解碼模塊等。圖形接口主要用于完成 圖形顯示功能，以便于為用戶提供友好的圖形用戶界面。 音頻解碼和視頻解碼驅(qū) 動用于控制音頻解碼和視頻解碼解復(fù)用和數(shù)據(jù)表提取模塊主要是對碼流解復(fù)用和數(shù)據(jù)表提取操作的控制。

15、 應(yīng) 用程序編程接口將所有與硬件相關(guān)的底層函數(shù)映射到一個統(tǒng)一的接口上， 并且提 供一些與硬件無關(guān)的公用處理函數(shù)，比如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形格式分析、業(yè)務(wù)信息數(shù) 據(jù)表分析等。條件接收驅(qū)動用于完成條件接收處理的工作和軟件接口。 應(yīng)用程序 編程接口為應(yīng)用程序提供了一個公共的編程接口， 把應(yīng)用程序與硬件屏蔽開，使 得應(yīng)用程序與硬件無關(guān)。這樣，就便于實現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性中間件。中間件是數(shù)字電視接收系統(tǒng)的軟件平臺， 為數(shù)字電視應(yīng)用提供運(yùn)行 環(huán)境和軟件接口。中間件作為數(shù)字機(jī)頂盒中的一個獨立的軟件層，將應(yīng)用軟件與底層硬件和操作系統(tǒng)隔離開，對操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序定義了統(tǒng)一接口，同時對應(yīng)用程序也定義了統(tǒng)一接口，另外對常規(guī)

16、數(shù)字廣播電視業(yè)務(wù)和增值業(yè)務(wù)也提供統(tǒng)一 接口。中間件定義了一組較為完整而標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，使應(yīng)用程序獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，從而將應(yīng)用的開發(fā)變得更加簡捷，使產(chǎn)品的開放性和可移植 性更強(qiáng)。它通常由Java虛擬機(jī)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成，中間 件將應(yīng)用軟件與依賴于硬件的驅(qū)動層軟件分隔開來，使應(yīng)用軟件不依賴于具體的 硬件平臺。SI/EPG。業(yè)務(wù)信息(SI)包括：節(jié)目業(yè)務(wù)群關(guān)聯(lián)表(BAT)、節(jié)目業(yè)務(wù)描述表 (SDT)、節(jié)目段信息表(EIT)、運(yùn)行狀態(tài)表(RST)、時間及日期表(TDT)、時間偏移 表(TOT等。通過這些數(shù)據(jù)表，機(jī)頂盒可以向用戶提供節(jié)目的內(nèi)容描述、節(jié)目的 類型、節(jié)目的播放時

17、間、節(jié)目的分級等信息。機(jī)頂盒在解復(fù)用的處理中提取這些 數(shù)據(jù)表，通過分析和處理，然后通過用戶界面提供給用戶，形成了電子節(jié)目指南 (EPG)。用戶瀏覽這些信息，并做出選擇，通過遙控器、鍵盤或按鍵等輸入設(shè)備 告知機(jī)頂盒根據(jù)用戶的選擇提取相應(yīng)的節(jié)目碼流或數(shù)據(jù)碼流。節(jié)目業(yè)務(wù)搜索。在模擬電視系統(tǒng)中，電視頻道的搜索只需要按照頻點逐一進(jìn)行即可。而在數(shù)字電視系統(tǒng)中，頻道與節(jié)目業(yè)務(wù)不再是一一對應(yīng)的關(guān)系，信道傳輸系統(tǒng)的參數(shù)也有多種配置方式。因此，機(jī)頂盒對節(jié)目業(yè)務(wù)的搜索要對應(yīng)前端廣 播系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。一般是由運(yùn)營商指定一個固定頻道，作為頻道配置信息的發(fā)布 頻道。在機(jī)頂盒中預(yù)先內(nèi)置該頻道參數(shù)。2.4 CA系統(tǒng)在有線數(shù)字電

18、視廣播中，不僅能實現(xiàn)傳統(tǒng)的電視廣播業(yè)務(wù)，還可以衍生出多 種增值業(yè)務(wù)。為了確保這些新業(yè)務(wù)的實現(xiàn)，不僅需要有一個安全可控的綜合管理 業(yè)務(wù)平臺，更重要的是有一個安全、開放的條件接收系統(tǒng)（CA，ConditionalAccess），簡稱為CA系統(tǒng)。CA系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、加解擾技術(shù)、加解密技術(shù)、復(fù)用技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、機(jī)頂盒技術(shù)及智能卡技術(shù)等，是一個綜合的系統(tǒng)。CA系統(tǒng)也涉及用戶管理、節(jié)目管理及收費管理等數(shù)據(jù)庫方面的應(yīng)用技術(shù)。數(shù)字電視廣播中的CA系統(tǒng)在前端CA系統(tǒng)的主要部分由用戶管理系統(tǒng)、 控 制字發(fā)生器、加密解密系統(tǒng)、加擾解擾系統(tǒng)、授權(quán)信息控制信息發(fā)生器（ECMG）、 授權(quán)管理信息發(fā)生器（EMM

19、G）、服用器等系統(tǒng)組成。在發(fā)送端的加密過程：加擾器調(diào)制器解調(diào)器解擾器PKBS控制 字發(fā) 生器SK*PDKPKBSGSK加用授系cv 加密 器ECJlcw解SK用戶 管理 系統(tǒng)八EMMSK 解 密智能卡圖2條件接收系統(tǒng)方框圖由于對TS流進(jìn)行加擾的偽隨機(jī)序列直接由偽隨機(jī)序列發(fā)生器（PRBSG）產(chǎn) 生，而偽隨機(jī)序列發(fā)生器又由 CW控制，因而首先需要對 CW進(jìn)行加密。直接 對CW加密的第一層加密所產(chǎn)生的密文稱為授權(quán)控制信息 ECM，通過復(fù)用器與 加擾的碼流一起傳送，ECM還含有時間、節(jié)目價格、節(jié)目授權(quán)控制等信息，因 此ECM是面向節(jié)目的管理信息。對 CW加密的密鑰稱為業(yè)務(wù)密鑰 SK，SK又叫 月密鑰，

20、通常每月?lián)Q一次，每換一次 SK,系統(tǒng)都要重新對所有用戶進(jìn)行授權(quán)。第二層加密是用PDK（個人分配密鑰公鑰）對SK進(jìn)行加密，所產(chǎn)生的密文 和從SMS獲取的授權(quán)指令通過SMS生成的授權(quán)信息組成授權(quán)管理信息 EMM， EMM還含有智能卡號、授權(quán)時間、授權(quán)等級等用戶授權(quán)信息。這些信息主要是 完成對用戶的授權(quán)，因此 EMM是面向用戶的管理信息，EMM對用戶在什么時 間看、看什么頻道進(jìn)行授權(quán)，它也通過復(fù)用器與加擾碼流一起傳送，以上這些組成了 CAS的基本加密系統(tǒng)。為了防止密鑰在傳送中被黑客截獲，付費數(shù)字電視廣播一般采用雙密鑰法， 對每一用戶分配一對PDK，其中一個是使用者本人掌握的密鑰稱為 PDK私鑰， 它只用于解密，通常這個密鑰都存儲在用戶智能卡中。 另一個是公鑰，它只用于 信號發(fā)送系統(tǒng)對信號進(jìn)行加密，兩個密鑰通過特定的算法結(jié)成一一對應(yīng)的關(guān)系， 只有通過對應(yīng)的私鑰才能解開用公鑰所加的密。這樣發(fā)送系統(tǒng)根本不需直接傳送 私鑰，因此具有很高的安全性，這是一種稱為數(shù)字簽名的認(rèn)證過程（見附