（信号与信息处理专业论文）基于dvb的数据广播和客户端数字机顶盒的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 f 随着信息高速公路的飞速发展，基于i n t e r n e t 的应用已经由单一业务类型向数据、语音、图像“三 合土”的多媒体信息形式以及综合业务方向发展。目前主干网的链路容量已经有了新的突破，基本 实现了光纤宽带化。而为广大用户提供接入服务的接入网还处在传统的铜缆对绞线接入方式，远远 同时，数字电视系统的飞速发展和固有的优点，成为提供互联网接入业务的有力竞争者。特别 是我国的有线电视网( c a t v ) 拥有巨大的网络资源，同时也是目前唯一的宽带入户网络。由有线电 视网发展而来的混合光纤，同轴电缆( h f c ) 网络是一种理想的宽带接入技术。它不仅能提供高速的 i n t e m e t 接入，而且可以提供图像、话音业务，实现“三网合一”。 目前在数字有线电视网络上提供宽带数字业务的主要途径是数据广播系统，数据广播将是数字 电视的一个重要部分。无论是欧洲的d v b - - d a v i c 系统还是北美的a t s c ，都展开了相应的研究和标 准制定工作气皋文介绍了数据广播的原理和并且给出了一个实现方案。 第一章介绍了数字电视的系统原理和发展情况，介绍了双向有线电视网h f c 的网络体系结构、 关键技术和发展前景作了介绍。最后引入了本文的主题，即在数字电视系统上进行d v b 数据广播 的一些概念和标准动向。 第二章研究了在有线电视网上开展交互数据业务的体系模型，介绍了m p e g 2 和d v b 的基本 原理；在此基础上，讨论了在有线电视网络上进行d v b 数据广播的原理，着重介绍了多协议封装 ( m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ，m p e ) 方法。 第三章对数据广播网络中的客户端一数字机顶盒( s t b ) 做了系统的介绍。研究了s t b 的业务 功能、工作原理、硬件结构和软件体系( 包括嵌入式操作系统r t o s 和中间件的介绍) 。最后介绍了 欧洲的数字机顶盒的最新标准平台d v b - m h p ( d v bm u l t i m e d i a h o m e p l a t f o r m ) 。 第四章描述了一个d v b 数据广播网络的系统实现，介绍了客户端s t b 的具体实现。重点介绍 了p s o s y s t e m 下p c i 总线上的以太网卡驱动程序的开发。最后对整个系统做了展望分析。 【关键词】数字电视，d v b ，m p e g 2 ，数据广播，数字机顶盒，网络驱动 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nh i g h w a y , t h ei n t e r n e tb a s e da p p l i c a t i o n sh a v et r a n s f e r r e d f r o ms i n g l es e r v i c e st oi n t e g r a t e ds e r v i c e s ，w h i c hp r o v i d et h ed a t a , v o i c e ，i m a g e ，a n dm o v i es e r v i c e st ot h e c o n s u m e r s n o w a d a y s ，t h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fo p t i c a lf i b e r s i nb a c k b o n en e t w o r k sm a k eag r e a t b r e a k t h r o u g hi nt h et h r o u g h p u to f 出et r u n kn e t w o r k s h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lt w i s t e d - p a i rc o p p e rw i r e s a r es t i l lb e i n gu s e di nt h ea c c e s sn e t w o r k s t h e yc a l ln o tm e e tt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e so fb r o a d b a n db a s e d s e r v i c e sa n db e c a m et h eb o t t l e n e c kf o r t h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o n h i g h w a y o w i n gt o i t sf a s t d e v e l o p m e n ta n d i n n a t eb r o a d b a n d n a t u r e ，d i g i t a l t vs y s t e m s ，e s p e c i a l l y c a t v h f cn e t w o r k s ，a r e c o m p e t i t i v e c a n d i d a t e sf o rb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k s ，w h i c hm e e tt h e b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t so f c o n v e r g e n c eo f v i d e o ，v o i c ea n di n t e r a c td a t as e r v i c e s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rb r o a d b a n dd a t as e r v i c eo nc a t vn e t w o r ki sd a t ab r o a d c a s t i n g t h i s t h e s i sp r e s e n t sa 咖d ，o nt h ep r i n c i p l ea n da ni m p l e m e n t a t i o no f t h a t t o p i c c h a p t e r1g i v e sab r i e fs u r v e yo nd i g i t a lt vs y s t e m s ，i t sp r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n t ，i n t r o d u c i n gt h e a r c h i t e c t u r ea n ds t a n d a r d so fh f cn e t w o r k s f i n a l l yd v bd a t ab r o a d c a s t i n gi s i n t r o d u c e d ，c o v e r i n gi t s c o n c e p t sa n d s t a n d a r d i z a t i o n c h a p t e r2p r e s e n t sar e f e r e n c es y s t e mm o d e lo fi n t e r a c t i v en e t w o r k s t h ep r i n c i p l e so fm p e g 一2a n d d v ba r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h a t , d a t ab r o a d c a s t i n go nc a t vn e t w o r k sa r es t u d i e d ，w i t ha ne m p h a s i so n m u l t i p r o c o le n c a p s u l a t i o n ( m p e ) m e t h o d c h a p t e r3i s as y s t e m a t i cs t u d yo n d i g i t a ls e t - t o p - b o x , i n t r o d u c i n gi t ss e r v i c ef u n c t i o n ，m e c h a n i s m ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e d v bm u l t i m e d i ah o m e p l a t f o r m ( d v b - m h p ) ，t h ee u r o p e a ns t a n d a r d f o rs t b i si n l r o d u c e d i nc h a p e r4 ，a ni m p l e m e n t a t i o no fd v b - b a s e dd a t ab r o a d c a s t i n gs y s t e mo nc a t vn e t w o r k si s p r e s e n t e d i t sb a c k - e n ds t b i si n t r o d u c e di nd e t a i l ，f o c u s i n go nt h ed e v e l o p m e n to fa nn e 2 0 0 0 c o m p l i a n t e t h e m e td r i v e ru n d e r p s o s y s t e me n v k o a m e n lf i n a l l y t h ef u t u r ee x t e n s i o nf o rt h es y s t e mi sd i s c u s s e d 【关键词】d i g i t a lt v ) d v b ，m p e g - 2 ，d a t ab r o a d c a s t i n g ，d i g i t a ls e t - t o p - b o x , e t h e r n e td r i v e r 2 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了数字电视系统的概念和系统构造，介绍了数字电视的发展情况。 有线电视系统与其他接入方式相比，有着很大的带宽优势，非常适合在上面开展数字电视业务， 包括因特网接入等数据业务。本章着重介绍了混合光纤同轴电缆( h f c ) 有线电视网络结构，讨论 在h f c 网络开展数字交互式业务的发展前景和国际标准。 最后引入了本文的主题，即数字电视系统上的数据广播技术。我们对数据广播技术的各个标准 做了详细的研究和讨论。 1 1 数字电视系统的概念和系统构造 数字电视，是模拟电视的继承者，是一种全新的广播方式和电视未来发展的趋势。数字电视是 将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种 功能的处理、传输、存储和记录，也可以用计算机进行处理、监测和控制。它从电视节目的信号采 集、制作、编辑、调制接收处理到终端显示的全过程实现数字化，具有清晰度高、无重影、易进行 编辑处理、方便与计算机等现代信息工具相连接等优点。 在全球范围内，电缆、卫星和无线经营者都在转向数字领域。以美国为例，美国的四家主要网 络- - a b c ，n b c ，c b s 和f o x 都从1 9 9 9 年1 1 月开始数字广播，美国联邦通讯委员会( f c c ) 要求不 再发送模拟电视信号；在欧洲，法国，爱尔兰，英国，西班牙，荷兰等国以于1 9 9 9 年启动数字t v 。 在卫星数字电视领域，我国从1 9 9 6 年利用亚洲2 号卫星的一个k u 频段转发器，采用数字电视 压缩技术，向全国传送5 套加密电视节目；到1 9 9 9 年底，中央电视台和2 5 个省区市电视台采用数 字压缩技术上星广播，标志着我国的卫星电视跨入了数字化时代。 而在广电领域，国家广电总局于2 0 0 1 年下半年正式启动了有线数字电视的试验工程，1 1 月1 1 日以中央电视台转播九运会交互式体育节目为契机，正式拉开了中国数字电视广播的序幕。参加这 次试验的有北京、天津、上海、重庆、广东、四川、福建、浙江、山东、山西、辽宁、江苏、湖南 1 3 个省( 市) 的广电局，这次试验标志着我国有线广播电视数字化、网络化序幕正式拉开，在我国 广播影视历史上必将产生积极而深远的影响。 1 1 1 数字电视的技术驱动力 数字电视的发展的技术条件，可以归结为以下几点： 1 ) 数字技术的演变： 2 0 世纪7 0 年代以来，随着数字技术的发展，人们认识到几乎所有的模拟处理都可以用数字技 第一章绪论 术来完成，且更精确和灵活。对电视业务而言，a d 和d s p 是进行从模拟到数字转化，便且有效的 降低成本的有效手段。 2 1 硅集成电路的发展 这方面的动力来自计算机工业，过去几十年来，计算机工业一直在为制造更便宜，更快的计算 机而展开竞争。半导体技术的飞速发展，使得更多的晶体管压缩到更小的集成电路的硅片上。大规 模集成( v l s d 鼓励设计人员将尽可能多的功能都放到单一的芯片上，最终的目标是片上系统 ( s y s t e m o n - c h i p ，s o c ) ，即在单一的芯片上执行一个产品的所有功能。 3 ) 因特网 因特网已经成长成为一个庞大的产业，与对p c 用户已经产生的巨大的影响一样，对数字视频 应用的影响也将是巨大的。用数字电视系统，介入到相关数字娱乐业务中，是很有投资潜力的。从 广义的角度讲，数字电视，不仅仅指数字技术应用于电视业务。新的数字化技术允许电缆、卫星业 务提供商和无线广播公司提供各种强大的赢利性增值业务，包括：快速访问i n t e m e t 、视频点播 ( v o d ) 、视频和音频流、电子商务应用、多用户网络游戏、电子报纸。 1 1 2 数字电视的优点 用于电视业务时，数字电视有很多优点： 舢信道扩展：运用数字压缩技术，允许将六个和八个频道压缩到模拟技术条件下用 的频带范围，从而使运营商扩展近十倍的信道数 5 1点播业务：数字电视带来了宽带经济，使得点播业务能进行商业化。 6 )图象质量：模拟技术下，图象和音频在传输过程中很难保持：而运用数字技术， 数字电视图象几乎可以不受到噪声和失真得干扰。 7 )安全性：模拟电视中为了进行禁止未授权用户观看收费电视节目，采用扰频， 导致了失真，而且对模拟扰频的破解也相对容易，导致了运营商的损失：而运 用密码学对数字比特流的加密一般条件下很难破解，而且解密后的比特流不会 有任何质量损失。 8 )业务灵活性：数字信道传输数据可以象传输图象和声音一样容易，意味着新型的 业务可以比较容易的加到有效传输载荷上。 1 1 3 数字电视系统的构造原理 下图显示了一个标准的数字广播系统本地单元的基本构造原理。 第一章绪论 图1 数字广播系统基本构造原理框图 数字1 v 的运行者从各种不同的来源，比如本地电视、有线电视和卫星电视等，获得节目内容。 1 1 压缩和编码组件( c o m p r e s s i o na n de n c o d i n g ) 数字电视广播系统的中枢是压缩系统，其任务是通过对节目源进行压缩，使内容信息的存储容 量尽可能小，从而能使用少量的带宽向用户传递高质量的视频和音频。 一个压缩系统包括编码器和多路复用器。编码器用来对视频、音频和数据通道进行数字化、压 缩和编码；信号被编码和压缩后，产生的m p e g 2 流被送到多路复用器，在此从不同编码器来的输 出和安全性、节目信息及其他数据被合并到同一个数字流。 2 1 调制( m o d u l a t i o n ) 使用的调制技术依赖于运营条件和网络结构。三种主要被采用的的数字调制技术是 q a m 对于电缆运营商，q a m 是首选的调制方式，可达4 0 m b i t s s e c 的传输速率。 q p s k ：常用于卫星环境或者有线电视系统的反向信道( r e t u r np a t h ) 。q p s k 对于 电磁噪声比q a m 有更强的抵抗力，可以提高网络的鲁棒性，传输率约为 1 0 m b i t s l s e c c o f d m ：用于建筑密集区，欧洲基于地面广播主要采用该调制方案。 3 ) 条件访问系统( c o n d i t i o n a la c c e s s ) c a 系统的主要目的是控制用户对有偿数字t v 的访问，办证运营者的商业利益，c a 系统为网 络运营商提供了对用户观看内容和时间的控制。c a 可以被看作一个允许用户访问数字服务的虚拟网 关。 对特定服务的访问限定通过加密技术来实现，将信号变成不可读的格式来保护数字服务。在用 户的接收端，用数字机顶盒进行解密。机顶盒结合了接收和解码被加密信号的硬件和软件系统。加 第一章绪论 密一解密芯片，负责具体的c a 算法；安全处理器包含解密不同数字服务所需的密钥。用户只能取 得相关授权才能解码和访问特定的数字服务。一般的，运营商对用户的授权以机顶盒的智能卡的形 势实s 现。 除了加密数字服务，c a 系统还与用户管理系统( s m s ) 连接，协同工作。知名的c a 系统有p h i l i p s 的c r y p t o w o r k s ，法国电信的v i a e e e s s ，c a n a l + 的m e d i a g u a r d 等。 4 1 用户管理系统( s u s e d b e r m a n a g e m e n t s y s t e m ) s m s 系统处理用户数据库，并且向用户授权系统s a s 发送请求，其典型功能为 机顶盒和智能卡目录管理： 用户跟踪； 记帐和审核； 帐单准备和格式化等。 用户授权系统( s y u s c r u b e ra u t h o r i z a t i o ns y s t e m ) ： s a s 将从s m s 送来的请求转化成e m m ，这些授权信息是由数字多路复用器发送到机顶盒的 智能卡系统的。 5 ) 网络传输系统 许多不同的技术向数字电视用户发送数字服务，每个不同的市场，受到拓扑结构、人口密度、 现有的网络基础和社会文化因素的影响，采用不同的不同的发送系统。 采用混合同轴光纤( h f c 网络) 几乎所有的有线运营公司采用基于混合光纤同轴( h f c ) 结构的技术。用h f c 技术建立起来的 网络有相当大的优点。首先，h f c 网络改善了有线电缆设备的模拟性能，增加了信道数量，可以同 时传输宽带模拟和数字服务，这点对于尚没有数字t v 业务的网络经营者尤其有吸引力，因为可以 维持原有的业务：其次，h f c 网络又具有处理下一代数字通讯业务的能力，可以扩展和实现新的数 字电视业务，这种可扩展能力允许网络运营商无需对现有架构作大的改变就可以运营新的数字业务。 因此，h f c 网络是满足基本网络架构投资，价格低廉的方法，几乎肯定会成为有线电缆环境下提供 宽带数字业务的主要技术。 数字无线系统 主要的宽带无线接入技术有三类：已经投入使用的多路多点分配业务( m m d s ) ，正在做现场试 验的本地多点分配业务( l m d s ) 以及下面将要谈到的卫星通信系统( d b s ) 。特别是l m d s ，近来 逐渐成为热点的新兴宽带无线接入技术。l m d s 工作在毫米波波段，大致在2 8 g h z 附近。由于这一 频段的技术实现难度很大，因而过去很少应用，频谱较为宽松，可用频带至少1 g h z ，若采用6 4 q a m 调制，则意味着4 g b p s 的速率，十分可观。 典型的l m d s 由类似蜂窝配置的多个枢纽发送机组成，每个发送机经点到多点无线链路与服务 区的固定用户通信。单个蜂窝的覆盖区为2 - 5 公里。覆盖区相互重迭，每一蜂窝的覆盖区又可以划 第一章绪论 分为多个扇区，可根据用户需要在该扇区提供特定业务。这种模块式结构使网络扩容很灵活方便。 l m d s 速率可达1 5 5 m b p s ，理论上可以提供从电视分配业务和电话到全交换式宽带多媒体业务在内 的所有业务，但最有利的机会还是提供高速数据接入和交互式电视。l m d s 不仅可以提供高速i n t e m e t 接入，而且还可以用来进行局域网互联】。 l m d s 提供多点传输技术，新增用户时无须增加基站射频设备，便于快速扩展用户，适用于用 户密集地区。但目前设备价格还比较贵，尚处于现场试验和小规模商用阶段，能否大规模发展在很 大程度上取决于能否开发出低成本的2 8 g h z 收发机来。另外，必须能妥善解决雨雪影响、视距传输 和抑制信号干扰等问题。 直播卫星( d b s ) 系统 直播卫星是一种从单独的高功率卫星接受电视的业务。用户通过安装数字卫星天线和数字电视 信号来接受数字卫星服务。 1 2 双向有线电视网上的交互业务 1 2 1 背景：宽带接入和三网合一 随着电子商务，政府上网电子社区以及各类i n t e m e t 相关应用的飞速发展，应用对带宽的需求 越来越大，网上流量每6 - 9 个月就翻一番。再加上由单一信息形式、单一业务向数据、语音、图像 “三合一”多媒体信息形式以及综合业务方向发展，也即所谓交互式多媒体信息时代的到来，对网 络容量提出了越来越高的要求，“带宽”已经成为必须突破的“瓶颈”。 从主干网看，由于密集波分复用( d w d m ) 的应用，网络链路容量有了新的突破性的进展。通 过增加单对光纤中的光波波长数和单波长中传输的比特数，目前单对光纤的实际传输容量已达到 3 2 0 g b p s ，实验室已完成l t b p s 的试验，如果再增加波长数或提高信息传输速率，则光纤通信的容量 还可有更大的拓展，具有传送1 0 - 1 0 0 t b p s 信息量的潜力。另一方面，网络节点( 无论是交换机还是 高速交换路由器) 的吞吐能力也均已突破6 0 8 0 g b p s ，总吞吐量超过1 t b p s 的路由交换机也即将问 世。从长远看，仅有波分复用而没有相应的节点吞吐能力也是无法真正实现网络宽带化的，因而引 入以光分插复用器和光交叉连接器节点为特征的全光网络，消除了“电子瓶颈”，使高速信息流在网 上畅通无阻，是最终解决网络宽带化的技术手段。 世界各先进国家主干网的建设均已具规模，今后将在原有基础设施上沿着i p d w d m 方向加以 改造、扩容、提高，发展方向比较明朗，而且己形成共识。但如何使千家万户上网，便是大家都在 谈论的所谓“最后一公里”的接入问题。接入网建设投资约占信息网络基础设施总投资的一半以上， 可以说这是宽带网络建设的瓶颈、热点和关键环节。目前，各种宽带接入技术的发展正方兴未艾， 竞争激烈。 ：! ：!： ! ! 蔓= 兰垡笙 1 2 2 现有的接入方式 接入网市场是多种新旧技术共存竞争，多种传输手段共存竞争，多种传输体制共存竞争的领域， 可用的技术手段和技术方案五花八门。从研究市场的角度看，可以将主要的技术选择归纳为下面五 类：纯双绞线铜缆接入网，混合光纤双绞线铜缆网，混合光纤同轴电缆( h f c ) 网，无线接入网和 纯光接入网。 1 纯双绞线铜缆接入网 双绞线铜缆接入网是各国电话运营公司花费了大量投资建起来的庞大网络资源，价值上千亿美 元，决不会轻易放弃。目前的经济比较结果表明，对于较短或较少的用户线需求，双绞线铜缆仍然 是最经济的。新的铜缆用户线技术( x d s l ) 的出现和应用会在一定程度上延缓双绞线铜缆网的技术 寿命。 h d s l 技术 h d s l 即高速率数字用户环路。该技术是建立在高速数字信号处理技术、高速自适应滤波技术、 回声抵消技术、特殊的编码技术、多线对传输技术的基础上，以增加系统的抗干扰能力，并实现在 统一电缆中传输数字与模拟信号而互不干扰。该技术用i - 3 对双绞线双向对称传送l - 2 m b p s 的数字 速率信号，传送距离为3 - 5 公里，其上行速率与下行速率相等。 h d s l 系统支持多种接口，可用于会议电视、局域网互联、高速接入i n t e m e t 、用户交换机入网、 数据通路的延伸和远端数据中心的接入等。例如h d s l 可在用户与i s p 之间建立永久可靠的高速链 路，无需拨号上网，而成本也不太高。业务提供者可以推出各种增值业务，如自动下载股市行情、 新闻、天气预报等。h d s l 还能在同一条线路上混合语音及数据通信因此不在需要第二条专门用 于传真和数据的电话线。 2 混合光纤双绞线铜缆网 这种混合方案结合应用铜缆和光缆，发挥各自的特长。在提供新用户线方面，其经济性已经可以 与纯双绞线铜缆相比。传统的电话运营公司在修复一定规模的铜缆接入网时会越来越多地采用这种 方案。而新的竞争者则很可能会采用这种混合方案来提供新的用户线。诸如光纤到路边( f t t c ) 和 光纤到远端( f i t r ) 都属于这种混合方案，未来的交换式数字图像( s d v ) 业务也是以这种方案为 基础，可以认为这是铜缆网向未来的纯光纤接入网过渡的一种显示经济的宽带接入手段。 3 混合光纤同轴电缆h f c 网络 这种混合方案是由c a t v 网演变而来的，是一种新型的接入网技术，不仅能提供窄带电话业务， 也能提供宽带图像业务，其经济性教好，尤其在交互式图像业务普及率不太高时很有吸引力，是目 前最有希望的接入网技术方案之一。绝大多数有线电视公司会逐渐采用这种方案，不少电话运营公 司也开始采用这种方案来应付市场竞争。显然，这种技术月普及，新铺设的双绞线会越少，而光缆 和同轴电缆会越多，光纤向用户侧的推进速度会加快。接入网的发展又多了一条新的途径。目前， 第一章绪论 包括i t u t 在内的很多国际组织和论坛在开始对下一代的结合m p e g 2 和a t m 的数字h f c 系统进 行标准化，这将会进一步推动其发展。 4 无线接入网 对于接入网已引入竞争机制的国家和地区，无线接入网将在低密度的分散小用户群领域、急需电 话用户线的地区以及有地理障碍的地区占有日益重要的地位。对于正在建设固定有线接入网的地区， 无线接入网可以作为过渡手段迅速提供新用户线，一旦有线接入网建成后，无线接入网可以移往别 处使用。农村网环境下则无线一点多址技术具有经济性和灵活性。市场预测结果表明，无线接入技 术将会有迅速的发展，在接入网领域占有不容忽视的一席之地。 5 纯光接入网 纯光纤网是指光纤直接连到用户，中间没有没有其它传输煤质的应用场合，又可划分为光纤到办 公室( f t t o ) 和光纤到家( f t t h ) 。f t t o 方式指至少需要几十条几百条用户线的企事业用户网， 这种场合只要容量超过一定数目采用光纤使经济合算的。f t t h 方式指居民用户，一般仅需一至两 条用户线，短期内经济性欠佳。 在各种接入方式中，光纤到家( f t t h ) 是未来通信发展的必然趋势，这是一个不争的趋势和方 向，然而近期内因为技术和成本的原因还不能实现。其他的接入方式对于不同的应用场合各有优缺 点，从提供业务的类型、通信的质量、通信的速率，用户使用的方便性、现有设施的利用率以及向 f t t h 过渡的能力来看，目前比较理想的接入方式是a d s l 和h f c 光纤同轴电缆混合网。a d s l 是 对现有铜线资源的充分利用，但它对铜线质量、传输距离及安装使用方便性都有一些限制，而且随 着渗透率的提高其开支迅速增加。 而h f c 网络是目前唯一的宽带入户网络，它以其真正的宽带介质和独特的网络结构两大特点 在用户的宽带接入方面具有一些不可替代的优势。 1 2 3 c a t v h f c 网络结构 进入9 0 年代以来，我国的网络建设取得了巨大成就，电信网络、广播电视网络和计算机网络同 时成为我国信息化基础设施的三大骨干网络，它们的发展都已经具有相当大的规模。我国电信网络 的规模位居世界第二，长途业务电路1 6 3 万路，本地交换设备容量1 3 5 亿门；截止1 9 9 9 年7 月上 网主机1 4 6 万台，上网人数4 0 0 多万。中国c a t v 网络是世界第一大网络，现有有线电视用户8 0 0 0 多万。每年还以5 0 0 万户的速度增长，经广电部批准的有线电视台近2 0 0 0 座，全国和各省市、县的 c a t v 联网正在形成。 传统的c a t v 网络是单向的、以分配模拟电视节目为主的广播网络，是美国从4 0 年代末创建共 用天线系统以后逐步发展起来的。早期的c a t v 网络只有全同轴电缆网络。1 9 8 9 年左右，高度线性 的分布反馈( d f b ) 激光器的研制成功，使低成本的幅度残留边带调制( a m - v s b ) 多频道电视光 纤传输系统进入实用化阶段从此，有线电视进a - - 个新的发展阶段，c a t v 系统的干线同轴电缆 逐渐被光纤所取代，形成了混合光纤，同轴电缆( h f c ) 网络结构。如下图所示： 第一章绪论 图2 树形分支结构的h f c 网络 许多h f c 网络基于如图所示的三层结构，包含一个前端( 或称头端，h e a d e n d 源) ，一个分布 式集线器( 一般传输给2 0 0 0 0 个家庭) 和一个光纤节点( 一般传输给5 0 0 个家庭) 。在通常所谓的“最 后一英里”，即从光纤节点到用户机顶盒的这部分配线网络，光纤节点把光信号转变成r f 信号。前 端到服务区光节点，应用光缆传输。光节点到用户的分配线均用同轴线。传输光缆用常规光纤光缆， 可以传输1 3um 和1 5 5um 波段的光信号。前端到每个光节点的光缆中光纤芯数一般为4 6 根。 光节点到用户之间用同轴线构成树枝状结构，应用电缆放大器来提升信号电平。每个光节点覆盖2 0 0 0 户左右的用户，也有更多的。 分布式集线器提供大量的光纤节点，假如头端来的光纤中断，信号的损失将带来巨大的后果， 因此通常由两个不同路径的光纤范围馈入，采用环形结构。通常由四个到六个分布式集线器放在同 一个环上；每个分布式集线器平均连接4 0 个光纤节点。 目前我国的c a t v 网在结构上大多数已经改造为h f c 结构，也有少数c a t v 网是全电缆结构 这种电缆网现在正在改造为h f c 。 1 2 4 双向有线电视网的通信协议标准动向 关于双向有线电视网国际上已经有好几个组织正在研究制定不同的协议标准，有影响的是 i e e e 8 0 2 1 4 协议，m c n s 的d o c s i s 协议，数字视音频委员会( d a v i c ) ，e t s i 的d v b r c c ，以及 a t m 论坛。各种协议的目标有所不同，但又相互联系相互影响。以下是各种标准的简介： 1 c a b l e l a b s 的o p e n c a b l e 标准 c a b l e l a b s 制定的标准称为o p e n c a b l e ，是最主要的标准。许多与有线电视数字通信有关的产品 往往要由c a b l e l a b s 进行评估和测试。c a b l e l a b s 定义了c a b l em o d e m 的8 个接口标准，分别为： ( 1 ) 有线电视终端系统网络端接口( c m t s n s l ，c a b l em o d e mt e r n i m a t i o ns y s t e m 第一章绪论 n e t w o r ki d ei n t e c e ) ： ( 2 ) 有线电视中数据传输系统操作支持和系统接口( d o c s o s s i d a t ao v e rc a b l es y s t e mo p e r a t i o n s u p p o r cs y s t e mi n t e r f a c e ) ； ( 3 ) 有线电视数据传输保密协议( d o c s s ，d a t ao v e rc a b l es e c u r i t ys y s t e m ) ： ( 4 ) 有线电视调制解调器终端系统下行射频接口( c m t s u r f i ，c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m d o w n s t r e a mr f i n t e r f a c e ) ； ( 5 ) 有线电视调制解调器终端系统上行射频接口( c m t s - u r f i c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m u p s t r e a m r f i n t e r f a c e ) ； ( 6 ) 有线电视调制解调器到射频接口( c mr f i , c a b l em o d e m t 0r f i n t e r f a c e ) ： ( 7 ) 有线电视调制解调器通信回传接口( c mr f i ，c a b l em o d e mt e l e c o m m u n i c a t i o nr e t u r ni n t e r f a c e ) ； ( 8 ) 有线电视调制解调器到用户室内设备接口( c m c i ，c a b l em o d e mt oc p ei n t e r f a c e ) ；( c p e c u s t o m e rp r e m i s e e q u i p m e n t ) ； c a b l e l a b s 的o p e n c a b l e 标准带有规范性质，目前形成了三大主要的标准系列；即i e e e 制定的 i e e e 8 0 2 1 4 标准；m c n s 制定的d o c s i s 标准；d a v i c 的d v b ( 数字视频广播，d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t ) 标准。 2 i e e e 8 0 2 1 4 实际上i e e e 8 0 2 1 4 和m c n s d o c s i s 都只涉及c a b l e l a b s 到定义的c a b l em o d e m 8 个接口标准 中的两个层次，m a c 和p h y 。 i e e e 的8 0 2 1 4 指“有线电视媒体存取控制( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 与物理层协议( p h y s i c a l p r o t o c 0 1 ) 工作小组”，成立于1 9 9 4 年5 月，其目的是制定一个标准化的基于h f c 网的物理层协议 和m a c 协议，以支持各种数字化应用，建立基于h f c 的城域网。具体说，其m a c 层必须为网络 高层提供c b r ( 固定比特率) 、v b r ( 可变比特率) 和a b r ( 有效比特率) 服务，支持点对点通信、 点对多点和广播服务、支持a t m 应用、支持q o s 机制。 i e e e 是面向最复杂的解决方案。由于i e e e 标准尚未出台，实际采用还需较长一段时间。但业 界认为i e e e 标准具备更多技术优势，特别是在数字视频广播( d v b ) 系统方面领先一步，因此将 会在即将广泛采用d v b 的欧洲大量使用。 3 d o c s i s 1 9 9 6 年1 月，部分美国电缆服务商与制造商联合成立了m c n s 。由此结成了非正式联盟，负责 协调、促进标准的制定，开发由所有的c a b l em o d e m 及其支持网络所共享的接口技术规范。联盟成 员有t c i 公司、c o m c a s t 电缆通讯公司、c o x 通讯公司、电讯有线公司、t i m ew a m e ( 时代华纳) 电缆 公司、c o n t i m e n t a l c a b l e v i s i o n 公司、r o g e r c a b l es y s t e m s 公司、c 曲l e t e l e v i s i o n l a b o r a t o r i e s 公司等。 m c n s 所制定的标准称为电缆数据服务接口标准( d a t ao v e rc a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f l c m i o n ) ， 简称m c n s d o c s i s 。与i e e e 相比，m c n s 仅仅针对商业要求，主要是解决产品之间的互操作性及 确立技术标准。 目前全世界均依据m c n s d o c s i s 开发c a b l em o d e m 系统产品，d o c s i cc m 在美国已广为应 第一章绪论 用。该标准在市场业界中称为多媒体有线网络系统m c n s l 0 ( m u l t i m e d i a c a b l e n e t w o r ks y s t e m ) ，它利 用有线电视网络结构来提供高速、双向、安全的多媒体信息传输业务。标准中确定了网络的互联互 通、接口技术规范并结合了u s b 与i e e e 互联互通、接c i 技术规范并结合了u s b 与i e e e l 3 9 4 接口 功能。其最低下行传输速率达2 7 m b p s ，支持因特网漫游。 4 d a v i c 标准 成立于1 9 9 4 年的d a v i c 一直在从事双向电视标准的制定工作，与i e e e 在c a b l em o d e m 方面有 紧密合作，i e e e 8 0 2 1 4 中也体现了部分d a v i c 的工作。但因i e e e 在相关的时间一直未能达到自己 设置的目标，d a v i c 有可能转向加快自己标准的制定。d a v i c 于1 9 9 5 年底陆续推出相关规范，其 特点是支持m p e g 的应用： d a v i c i o 1 9 9 5 年1 2 月通过，支持电视分配的一些基本应用、v o d 、n v o d 和电子购物等： d a v i c l 1 1 9 9 6 年9 月通过，增加了用户数据要求，扩展了p s t n i s d n 增强型广播、多点接入 d a v i c 网、互联网接入、虚拟( j a v a 、) 、软件下载协议、分布式服务器、参考解码模式等应用要求， 增加了m m d s 和l m d s 的微波网的规定，使机顶盒能和虚拟机一样且对网络有独立性： d a v i c i 2 1 9 9 6 年1 2 月通过，增加了基本保密方法，有利于服务器、机顶盒与a d s l 、a t m 匹 配的接入管理协议互联网接入通信、外设接口与协议等。 d a v i c i 3 1 9 9 7 年通过。规定了业务和体统管理、网络有关的控制、机顶盒的静止图象显示控制， 加入了服务和网络管理等功能要求。 d a v i c l 4 正在进行中。 在所有的协议中，m c n s 的d o c s i s 标准目前己被绝大多数的生产商所接受。 1 3 数据广播技术和标准动向 c a b l e 网络相对于其他的接入方式来说。最主要的优势在于带宽，可以这么说，除了光纤，很难 有接入方式与之匹敌。数字c a b l e 系统的最重要的一个特点在于对数字业务的的融合性，这一点是 其他接入方式和接入技术无法比拟的，c a b l e 系统能够通过将传统的电视数字化从而将电视与新兴的 网络媒体结合起来，为家庭用户提供真正的多媒体服务。c a b l e 网络能够为家庭用户提供一个充满无 限活力的多媒体接入方式。 而数据广播则是实现在数字有线电视网络上提供各种数据和交互服务的主要手段之一。广义上 数据广播被定义成除了视频合音频外，还能向多个接收方传送任何类型的数据。 为了保证针对特定应用创作的数据广播内容能够在任何制造商的任何接收机上执行，并且保证 客户端的接收机能够解码来自不同信源的数据广播数据，必须为数据广播的内容格式、传输机制和 接收结构定义标准。各种标准组织已经为开发数据广播规范开展了大量的工作。其中一些工作已经 完成，一些仍旧在制定过程中。下面简单介绍由d v b d a v i c 、a t s c 和因特网界制定的数据广播标 准，包括其传输标准，数据格式和用户端软件环境，并对其方法和特性作一比较。 1 0 第一章绪论 1 3 1 d v b - d a v i c 数据广播标准 d v b 与d a v i c 为了加速数字电视标准，成立了一个“互操作性联盟”，提供一套用于实现数字 电视每一个方面的综合标准，特别是数据广播和交互式业务的业务标准。 1 ) d v b 数据广播标准 d v b 定义了一套将数据封装在m p e g 一2 传送流中的方法，每一种都灵活有效的支持一种特定的 应用环境。例如，多协议封装方法( m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ，m p e ) 能提供对用户端的寻址功能， 从而能够支持异种网络协议之间的连接。数据循环滚动( d a t ac a r o u s e l ) 则提供了数据下载的机制。 d v b 数据广播标准定义的数据传输方法有 数据管道传送( d a t a p i p i n g ) 异步数据报( a s y n c h r o n o u s d a t as t r e a m i n g ) 同步和被同步的流式数据( a s y n c h r o u n o u sa n ds y n c h r o n i z e dd a t as t r e a m i n g ) 多协议封装( m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ) 数据，对象循环滚动( d a t a o b j e c tc a r o u