数字机顶盒技术及其市场前景.doc

数字机顶盒技术及其市场前景孙志行，宋玉炎，何道刚，崔 强（山东大学 信息科学与工程学院，山东 济南 #)!）综述【摘要】简要阐述现有机顶盒的三种形式，并详细介绍了数字有线电视机顶盒的构成及其关键技术，最后分析了机顶盒的市场前景。【关键词】机顶盒；嵌入式操作系统；信号处理；条件接入【!#$%&$】 *+, -+,./. /0-12345,3 677 8/03. 29 :,- *2; ,3 -+, .-145-41, 29 ?*a :,- *2;2= 603 /-b. 8,c -,5+0272d/,. /0 3,-6/7e f/0677c，-+, g618,- ;12.;,5- 29 ?*a :,- *2; 2=；i*j:；./d067 ;125,./0d；5203/-/20 655,.随着互联网技术的发展和普及，三网融合（电信网、计算机网、电视网）的新时代已经来临。上一个世纪末，还只是单 一的计算机网络大发展大繁荣时期，而本世纪将是综合了多 种业务的交互式宽带网络舞台，而信息家电将是宽带交互式 新型多媒体家庭终端的总称。它一方面继承了家电的全部功 能特性，而同时又与因特网相连，提供信息交流、信息处理等 多种交互业务。信息家电是数字视 k 音频信息处理技术、电信 技术、计算机技术、有线电视技术相互融合的产物。信息家电 以多种形式出现，其中以我国当前应用最广泛，分布最普遍 的电视接收机为终端的机顶盒技术，它是信息家电技术中发 展最快、研究最多的热点技术，也是我国当前信息家电发展 的关键技术。线电视送入用户家中的。个人用的 lim 在我国并不普及，但在国外具有较好的市场。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。数字卫星机顶盒基本采用 man:（m/d/-67 a/3,2 126356.- :6-,77/-,）标准，国 内 外 都 有 商 用产品。（#）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 的只是传输介质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，世界上有三种主要的数字电视地面广播标准：欧 洲的 ma、美国的 *:? 和日本的 l:mn*（综合业务数字广 播）系统的 m*（数字地面电视广播）方案。m* 实际上是 man* 的变种，*:? 的接收设备称 为 m*a，ma2=），是 指 电 视 机 顶 端 或 内 部 的 一 种终端装置。机顶盒的概念自 # 世纪 % 年代出现以来，其 结构与功能一直在变化，与开始出现时相比，可以说是已经 面目全非了。发展到今天，机顶盒的概念已经非常广泛，功能 和结构方面还没有统一的标准，所出现的产品也是种类繁 多，很难给它下一个确切的定义。尽管如此，机顶盒还是可以 分类描述的。一般来讲，机顶盒可以分为以下三类：（!）数字卫星机顶盒此类机顶盒又称为综合业务接收机（lim），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 lim，也有个人用的 lim。现在所看到的许多卫视节目都 是有线电视台通过专业的 lim 从卫星接收下来，再通过有!收稿日期：#!$!$r作者简介：责任编辑：刘伯义孙志行（!s&$），硕士研究生，研究方向为宽带接 入 技术、信号处理技术和智能控制；宋玉炎（!()$），副教授，研究方向为现代通信与 信 息 系统e信 息 终 端 ! #$%&()%# )*& #(+邻近频道上的能量为零，从而提供较好的邻频抑制能力。我国已计划以数字电视取代现有的模拟电视机，并对全 国的电视台进行数字化改造，这个过程是相当长的，因此，在 这个过渡时期，数字地面机顶盒的市场应是非常大的。（1）数字有线电视机顶盒数字有线电视机顶盒的基本原理与数字卫星机顶盒、数 字地面机顶盒相同，只是信号传输介质是有线电视广播所采 用的全电缆网络或光纤 # 同轴混合网。但由于有线电视网络 较好的传输质量以及电缆调制解调器技术的成熟，使得这类 机顶盒可以实现各种交互式应用，并被业界广泛看好。数字 有 线 电 视 机 顶 盒 基 本 采 用 023( （454678 049:; 26 (7?8:）标准。事实上，这类机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字电视广播接收、电子节目指南（+)）、准 视频点播（%0-）、按次付费观看（)0）、软件在线升 级 、数 据广播、因特网接入、电子邮件、a) 电话和视频点播等。,)+3b 数据流和其它一些打包数据。（b）数字处理子系统压缩编码的声音数据经音频解压缩器解码，输出到 #$ 转换器得到电视的音频信号。压缩编码的视频数据经视频 解 压 缩 器 解 码 ， 其 输 出 与 - 系 统 产 生 的 图 形 混 合 ，经%&( # )$* # +($, 编码器供给电视。这部分一般采用专用 芯片。（1）网络接口子系统实现和视频服务器的双工通信。针对接入网的不同，采 用相应的接口。（d）用户 # 公共接口及扩展接口子系统与红外遥控器、游戏控制器、智能卡、解密卡等外设进行 通信。数字有线电视机顶盒的软件结构机顶盒的软件结构有 d 层：（!）硬件驱动层位于软件结构的最底层，控制各模块的初始化和工作。（b）内核层一般是一个小型的操作系统，完成进程的创建和执行进 程间的通信、资源的分配与管理。（1）命令解析层对应用层屏蔽以下各层解析应用程序和用户发出的命 令。（d）应用层位于软件结构的最上层。可能的应用程序包括电子节目 浏览，视频播放器等等。bcb数字有线电视机顶盒有线电视（($&0）网络具有覆盖范围大、频带资源丰富、 建设成本低的优点，并可以支持传统的模拟业务和新型的数 字业务（包括视频点播等交互式业务和数据信息服务）。因 此，数字有线电视机顶盒是现阶段为我国广大电视用户构建 信息家电的关键。b数字有线电视机顶盒的硬件结构数字有线电视机顶盒由四个子系统组成，如图 ! 所示。bc!1数字有线电视机顶盒的关键技术1c! 嵌入式系统技术确切地说，应该是实时嵌入系统技术。因所有的嵌入系 统都是实时系统，实时嵌入系统说起来有点累赘，故一般就 称嵌入式系统，已含有实时的意思。顾名思义，嵌入式系统是镶嵌在其它设备中的系统。它 是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图 像数据传输处理技术，甚至传感器技术与具体应用对象相结 合的产物，是技术密集、投资强度大、高度分散不断创新的知 识密集型系统，反映当代最新科技的先进水平。曹名扬教授 将其定义如下：嵌入式系统是现代科学的多学科互相融合的 产品，它以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，以通 信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感技术，接 入因特网并适应应用环境，是软件以固化状态出现无多余软 件，硬件无多余存储器的，可靠性高、成本低、体积小、功耗低 的非计算机系统。1( e a （f (;ghi6:ig: :8:=6）e aj6:6:g-j (m4h，-(）是其发展趋势。一般来说，嵌入式系统由嵌入式芯片、嵌入式软件、嵌入 式操作系统及嵌入式系统开发工具 d 部分组成。嵌入式芯片 包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处系统总线网络接口子系统图 ! 机顶盒功能框图（!）控制子系统这是机顶盒的心脏部分，由 ().，/-, 和 /$, 组成，提 供信号存取和控制的处理功能，并提供一个可编程平台。它 除了负责各子系统的初始化以外，还必须控制各部分协调工 作 并 具 体 完 成 信 号 的 解 密 、 去 扰 ， 进 行 多 路 分 离 ， 获 取!电视技术! 年第 # 期 总第 !$% 期用户接入网($ 组件解扰器智能卡公共接口上行下行红外遥控等外设用户 # 公共接口及扩展接口子系统数字处理子系统 # $%&( # )$* # +($, 编码音频解码视频解码-控制子系统/-,/$,().& 0信 息 终 端 ! #$%&()%# )*& #(+理器以及嵌入式片上系统，随着 &-. 计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式芯片功能越来越强，体积越来越小， 例如 /- 公司的 )012,3+4. 系统芯片上就集成了处理器、主 流水线控制器、指令与数据缓存、存储器管理单元、总线接口 等 等 ；嵌 入 式 软 件 包 括 . 55 ，6!7!，脚 本 语 言（89:;+?=?a），bc()d，6-d-( 核 ，嵌 入 式 系 统 应 用 软 件 等 等 ；嵌 入式操作系统（&ec）是紧凑、高效的用于资源有限平台的多 线 程 、 抢 占 式 的 多 任 务 操 作 系 统 ， 其 中 著 名 的 有 7&ef， (c，7f gh9i，j-d.)，)(c.，/-dkf，(!/%，c+l 等 ；嵌 入 式 系 统 开 发 工 具 有 (m=nh9o p:mqa9，%:89hrhn a%saqqaq 7:+ r=m ehhmr，(&-%5等。机顶盒是一个软实时嵌入系统，是嵌入式系统在信息家 电方面的典型应用。图 ,信号处理流程开放式编码和传输的国际标准，以实现有偿电视业务，进而便利地实现 7c# 业务。条件接收系统控制节目接收可运用两种基本技术：（3） 对传输流的加、解扰方法；（,）对解扰的控制方法，从而使得 只有付费用户才能对加扰节目进行解扰。此处用“加扰”这一 术语是为了将 %()* 流的加密过程同其它加密过程区分开 来。条件接收系统向加扰器输入控制字，并确保解扰器能够 接收到所需的控制字，以便对传输的数据流进行解码。对于 不同的 .! 系统 发送方式及对控制字的管理方法是大相径 庭的。公共加扰系统与 %()* 流复用设备联用具有可操作 性，且能降低成本。这种公共加扰系统有两种方式：（3）对同 一种节目和服务采用多种 .!；（,）在同一接收器中安装多种.!。多 .! 混用系统需采用能让接收器识别使用每一套 .!系统的方法。这是通过称为 .! 系统标识的参数（.! r?），使其随机化，在传输加扰节目比特流之前，将加扰所 使 用 的 密 钥 进 行 加 密（a89;），然 后 提 前 传 送 给 机 顶 盒 的 .! 组件。在接收端，机顶盒的 .! 组件从比特流的特殊位 置中将加密后的密钥取出，通过特殊算法将其解密（qa89;+），恢复原始的密钥信息，对接收到的加扰信息进行解扰（qar89=osm:?），恢复正常的信息，送到电视机上。在实际应 用中，密钥的产生、数量及变换的频率是不同的，取决于节目 的提供者。公共接口被定义用来激活位于分 离 .! 组 件 中 的 公 共 解扰器，此分离组件被插入机顶盒中的接口插座中。该插座 位于机顶盒和分离 .! 组件之间。信号处理技术#7p 定 义 了 1 种 数 据 广 播 方 式 ：数 据 管 道（q= ;:;a）、 数据流（q= r9a=o）、多协议封装（%m:;ma (9h8=;r+ m=）和数据 对象轮流传送（#= csva8q:=m !88arr，.!）。条件接收是 指允许用户端接收机在满足一定的接收要求的条件下，才能 接 收 特 定 的 视 频 节 目 ， 这 是 付 费 电 视 业 务 的 关 键 。 现 在.!e7 网络中采用的 %()*+, 标准，包括了识别和传送条件 接收信息的方式，但它没有定义条件接收信息的格式和对信 号进行解码的方法。实现条件接收，不但要有技术保障，还要 最大限度满足商业可行性。而商业上主要考虑的问题是要有tu,机顶盒上行信道的实现在 .!e7 网络中，z1z %bx 是分配给上行信道的，用于 上行传送用户端的信息。为了提高传输效率，需要采用抗干 扰能力强的 $( 进行数字调制。有线电视网的双向传输基 本上有频分、时分和空分复用 t 种形式。但我国现有的有线 电视网基本上是一种单向广播树型结构，它采用同轴电缆作 为传输介质，用放大器来延长传输距离。而 b4. 双向网络要 求使用双向放大器、双向光节点，前端增加话音和数据通信 设备，用户端增加相应接收设备。双向改造的工期和投资将 是相当可观的。虽然目前已有不少小区完成了双向改造，但tu1!电视技术! 年第 # 期 总第 !$% 期%()*+, 视、 音频解码解扰 解密%()*+, 解复用视、音频 转换前向纠错译码、符号映射、 差分解码、去交织、& 译码及去能量扩散调谐! #$!% 解调信 息 终 端 ! #$%&()%# )*& #(+噪音漏斗效应和用户竞争上行信道产生的碰撞冲突问题仍然突出。因此，空分复用方式较为合适，采用电话点播的方式 传送上行信息，则既可以充分利用有线电视 !# 网络的带 宽优势和通过电话网为用户提供独立信道的特点，又可以大 大降低实施 $%& 的技术难度和投资成本，这种方法具有较 好的可行性。大的。尽管，广电声称要打造第二电信，但从总体上讲，当前的 #-+$ 网络离理想的双向网络还有很大距离。而电信网络 的接入部分，其带宽也还远远不够，.&,/ 设备价格太高，普 通家庭还承受不了。第三，从机顶盒自身角度来看。当前的机顶盒，虽然种类 很多，功能也很齐全，但是没有形成统一、开放的标准，相互 之间不能兼容，尤其在条件接入方面。并且以后的升级换代 和业务拓展也不太方便。第四，网络接入服务发展落后。信息家电市场潜力在于 服务，要打开机顶盒市场，只有设备是不够的，关键在于网络 接入服务商（0,1）提供的服务，而我 国 当 前 0,1 队 伍 规 模 偏 小，信息内容有限。尽管如此，信息家电的发展趋势是不可遏制的。相对于 模拟电视节目，数字电视节目在质量和传送过程中对信道资 源的利用方面有着不可比拟的优势，数字视频广播终究会替 代模拟视频广播。机顶盒总有一天会走进千家万户。但需要 各部门及相关各行业共同努力。首先，#-+$ 网络的双向改造需要加快进度，进一步深 入，电信网络的接入部分也要拓展带宽，并希望两者结合起 来，力求早日实现宽带交互式新型多媒体家庭接入，各有线 电视台也需要发展自己的数字视频业务，并着力提高服务质 量；其次，0,1 队伍需要迅速发展壮大，早日为广大用户提供 多姿多彩的全方位服务，而最重要的，需要国内厂商的密切 合作，联合起来，进行全面规划，早日形成全行业统一、开放 的标准，尤其在条件接入方面形成并采用统一的公共加解扰 系统，在寻址和接入管理上科学化，共同应对国外厂商的挑 战，开拓机顶盒辉煌的明天。数字有线电视机顶盒的开发及市场前景当前，数字有线电视机顶盒的发展很快，市售的产品不 下几十种。绝大多数厂家都是作为原始设备制造商（%()）来 开发机顶盒的，国内尤其如此。许多国外致力于机顶盒发展 的芯片制造商及其代理商，为了占领市场，都同时经营自己 或第三方的 *+%,，向原始设备制造商提供配套的硬件和软 件平台，有的甚至提供机顶盒具体方案。因此，多数厂家都是 把机顶盒作为配套的产品推出的。虽然机顶盒技术如火如荼地发展，机顶盒产品层出不 穷，有的产品功能相当丰富，价格也不算太高，同时信息家电 的发展也使得人们对机顶盒需求很大，但是至今尚未有一家 公司的数字有线电视机顶盒产品走进千家万户。机顶盒市场 为什么一直这么冷淡呢？笔者以为，有以下几个原因。首先，从用户的角度来看。由于我国 #-+$ 网络双向改 造深度不够，大多数双向机顶盒还是通过电话网络上传用户 点播信息，而且没有接入以太网的家庭要享受网上浏览也是 通过电话线拨号上网。这样，在通过机顶盒收看视频点播或 进行网上浏览时占用了电话线，得不偿失。虽然，很多有线电 视台开展了视频点播业务，也有数字电视节目进行广播，但 由于条件接入技术发展不成熟，机顶盒产品区域性太大，能 同时接收大多数有线电视台相应业务的机顶盒还没有出现， 购买一个机顶盒所带来的服务有限。对于用户，最重要的原 因还是视频点播和数字电视节目吸引力不够。现在，有线电 视用户一般可收看几十套电视节目，相比之下，视频点播和 数字电视节目