数字电视机顶盒技术综述.doc

数字电视机顶盒技术研究孙海梦 摘要：本文在介绍数字电视机顶盒的概念和分类的基础上，着重探讨了数字电视机顶盒的工作原理与软硬件结构、主要技术及其在国内的发展趋势。 关键字： 数字电视机顶盒原理结构中间件引言作为下一代网络发展的趋势，“三网融合”已被业界专家和行业所认同，而这之中，数字电视网作为一个重要的角色已得到越来越多的关注。数字电视广播近年来获得了飞速发展，国内主要城市相继开始了有线数字电视的商业播出，数字电视离我们已经不再遥远，作为数字电视的接收端，数字电视机顶盒正在逐步走进我们的生活。1 数字电视机顶盒的概念与分类机顶盒(STB，Set Top Box)，是指利用网络（电视网络或信息网络）作为传输平台，以电视机作为用户终端，用来增强或扩展电视机功能的一种信息设备。由于人们通常将它放置在电视机的上面，所以又被成为机顶盒或顶置盒。目前机顶盒有模拟和数字之分，而相比于电视的模拟制式来说，数字电视拥有更为旺盛的生命力，所以现在常说的机顶盒一般是指数字电视机顶盒。数字电视机顶盒是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟的视频和声音信号，通过电视显示器和音响设备给观众提供高质量的电视节目。目前的数字电视机顶盒已成为一种嵌入式计算设备，具有完善的实时操作系统，提供强大的CPU计算能力，用来协调控制机顶盒各部分硬件设施，并提供易操作的图形用户界面。它可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，包括收看普通电视节目、数字加密电视节目、点播多媒体节目和信息、电子节目指南（EPG）、收发电子邮件、因特网浏览、网上购物、远程教育等。数字电视机顶盒根据传输媒体的不同，可分为卫星数字机顶盒（DVBS）、地面数字电视机顶盒（DVBT）和有线数字电视机顶盒（DVBC）三种，三种机顶盒的硬件结构主要区别在信道的解码和解调部分。目前应用较为广泛的是卫星数字机顶盒及有线数字电视机顶盒。而后者也是本文介绍的重点。2数字电视机顶盒的工作原理数字电视机顶盒的基本功能是可接收数字电视信号和处理MPEG-2标准的数字视/音频信号，并将其转换成为模拟电视信号。它的工作过程为：首先调谐模块通过天线接收到射频信号并下行变频为中频信号，通过A/D转换为数字信号后送入QAM解调模块进行QAM解调，并输出MPEG传输流的串行和并行数据。解复用模块接收MPEG传输流，并从中抽出一个节目PES数据，包括视频PES、音频PES、数据PES。解复用模块中包括一个解扰引擎，可对加扰的数据进行解扰，其输出是已解扰PES。接着，视频PES送入视频解码模块，取出MPEG视频数据，并对MPEG视频数据进行解码，再输出到PAL/NTSC编码器编码成模拟电视信号，最后经过视频输出电路输出。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，再输出到PCM解码器解码成立体声模拟音频信号，最后经过音频输出电路输出。如图所示。3 数字电视机顶盒的结构数字电视机顶盒硬件部分多采用模块化设计，一般可分为五个模块：分别是接收前端模块、主模块、电缆调制解调器模块、音视频输出模块和外围接口模块。如图所示。其中，接收前端模块包括调谐器和QAM解调器，该部分可以从射频信号中解调出MPEG-2传输流。主模块是整个数字电视机顶盒的核心部分，解码部分可对传输流进行解码、解复用、解扰等操作，而嵌入式CPU和存储器用来运行和存储软件系统，并对各个模块进行控制。电缆调制解调器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。音视频输出模块中对音视频信号进行D/A转换还原出模拟音视频信号，并在常规彩色电视机上输出。外围接口模块则提供了丰富的外部接口，包括高速串行接口1394、通用串行接口USB等等。音视频的解码由硬件实现，而机顶盒与个人计算机的互联以及和Iternet的互联则由软件实现。在广播数字化后，数字电视机顶盒技术中软件技术占有更为重要的位置。数字电视机顶盒软件主要包括以下几个部分：硬件设备驱动程序：提供对硬件设备的驱动功能；实时操作系统RTOS：嵌入式实时操作系统是机顶盒软件运行的平台，主要为上层软件提供多任务的运行环境，完成任务间的调度、实现任务间的通信；系统移植接口：为保证中间件和应用软件能够在不同的硬件平台和操作系统上运行，一般机顶盒都会在硬件驱动层和操作系统之上定义一层系统移植或硬件接口函数，以方便中间件和应用软件的移植；中间件：是在应用软件、操作系统和硬件平台之间建立的一个中间层软件，定义一组较为完整的、标准的应用程序接口，是应用程序独立于操作系统和硬件平台；应用软件：完成机顶盒功能的上层软件，根据业务功能的不同，可以有不同的应用软件。如图3所示。4数字电视机顶盒的主要技术 数字电视机顶盒的技术含量非常高，是集计算机、网络技术、通信技术、多媒体、数字压缩编码、解扰算法和加解密算法于一身的热点科技。这里主要介绍数字电视机顶盒的两个关键技术。(1) 中间件技术中间件是一种将应用程序与底层的操作系统、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。数字电视机顶盒软件中间件的核心层模块包括GDI模块、SI模块、文件系统模块、AV模块、浏览器模块、系统模块等。它不仅能够为应用层提供与业务无关的应用软件接口，而且能够屏蔽掉上层软件模块对硬件的依赖性，构建一个软件平台适配层。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，但彼此兼容性并不好。标准组织已经着手建立公开的中间件标准。(2)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。加解扰技术分为同密和多密技术。同密技术是将两家或两家以上的条件接收（CA）系统应用于同一网络平台之中，从有线电视台角度是实现技术的选择和竞争的环境。多密技术要求机顶盒采用CI技术，实现同一机顶盒可接收不同CA系统加密节目。其工作原理为节目在播出前，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数字电视机顶盒在我国的发展趋势 我国明确了数字电视发展要从有线网切入，国家广播电影电视总局也对我国数字电视的发展作了以下规划：2008年数字高清晰度电视节目将在国内主要城市普及及商用播出；2010年全国实现数字电视广播；2015年停止模拟电视广播。因此在此后相当长的过渡期内，模拟节目将与数字节目共存。随着数字机顶盒标准的完善、成本的降低和用户消费观念的改变，数字电视机顶盒必将同移动电话一样，得到广大用户的认可和接受，市场将不断扩大。数字电视今后将会向着两个主要方面发展，一方面，高清晰度的图像一直是人们追求的理想的电视画面效果，所以数字高清晰度电视是数字电视的发展目标之一，另一方面，在数字电视系统中提供多种创新的服务功能也是一个重要的发展方向。因而，数字电视机顶盒技术的发展也会朝着这两个方向前进，最终将会集两者于一身。 6. 结束语数字电视机顶盒是综合宽带信息网的重要组成部分，它不仅是用户终端，也是网络终端，它能使模拟电视机从被动接收模拟电视转向交互式数字电视(如视频点播等)，并能接入因特网，使用户享受电视、数据、语言等全方位的信息服务。随着数字技术、多媒体技术和网络技术的发展，数字电视机顶盒功能将逐步完善，应用更加广泛。参考文献1 孙志行等，数字机顶盒技术及其市场前景电视技术 2002(1)2 R.K.Jurgen，Digital Consumer Electronics Handbook，New York：McGrawHill，19973 郭斌数字电视与机顶盒家电大视野2004.02.23-24A Study about STB of Digital TV and its TechnicSun Haimeng(Liming Vocational & Technical College，Quanzhou Fujian 362000，China)ABSTRACT:This paper introdu