数字有线电视机顶盒介绍

课程设计说明书 第 I页 数字有线电视机顶盒组成和分析 摘 要 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，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，如 增强型电视的电子节目指南，给用户提供图文并茂的节目介绍和背景资料等。本课程 设计首先对机顶盒的工作原理做了重要介绍，然后重点分析了机顶盒的调制解调模块、 MPEG-2 解码模块、数字视频编码器和音频 DAC 模块、图形控制模块，并且对机顶盒 软件系统以及条件接收 CA 进行了详细分析。 关键词：机顶盒，MPEG-2，条件接收 课程设计说明书 第 II页 目 录 1 绪论.1 1.1 课题描述 .1 1.2 基本工作原理及框图 .1 2 数字机顶盒主要模块.2 2.1 调制解调模块 .2 2.2 MPEG-2 解码.3 2.3 数字视频编码器和音频 DAC.3 2.4 图形控制模块 .4 2.5 媒体访问控制模块 MAC .4 3 数字电视机顶盒软件系统.4 4 CA 系统.6 4.1 在发送端的加密过程.7 4.2 接收端的解密过程.7 总 结.8 致 谢.10 参考文献.11 课程设计说明书 第 1页 1 绪论 1.1 课题描述 数字电视广播的目的是将高质量、高可靠的图像、声音文字和数据等信息快速、 实时、高效地传输，供用户满意的收视、收听。数字电视接收与模拟电视接收相比有 很大的不同。数字电视接收中包含了解调、信道解码、解复用和信源解码等数字电视 的核心技术，还要具有条件接收控制、交互操作、增值业务服务、多媒体用户数据处 理等功能，是一个复杂的系统。总体上说，数字电视接收设备可以分为数字电视接收 一体机和数字电视机顶盒（STB） 。数字电视接收一体机是指电视接收机内置了数字电 视解调器、解码器和显示器等，而数字电视机顶盒能够接受数字电视信号，并对其进 行解调和解码等处理，但不具备显示功能。目前，在有线和卫星数字电视接收中普遍 采用的是机顶盒加显示器的组合模式。因此本课题主要是对有线数字电视机顶盒的构 成进行分析，通过本课题，可使我们深刻理解数字电视机顶盒系统结构和基本功能， 以及数字电视条件接收 CA 的工作原理。 1.2 基本工作原理及框图 数字电视机顶盒可接受数字电视节目，处理数据业务和完成多种应用的解析。其 工作过程：数字电视机顶盒通过网络接口模块选择频道，并进行解调和信道解码处理， 输出 MPEG-2 多节目传输流数据，送给解复用器，解复用器从 MPEG-2 传输流数据中 抽出一个节目的已打包的视音频基本流(PES)数据，包括视频 PES，音频 PES 和辅助数 据 PES，解复用器中包含一个解扰引擎，可在传输流层和 PES 层对加扰的数据进行解 扰，解复用器输出的是已解扰的视音频 PES。视频 PES 送入视频解码器，取出 MPEG- 2 视频数据并对其解码后，输出到模拟编码器，编码成模拟视频信号，再经视频输出电 路输出。音频 PES 送入音频解码器，取出 MPEG-2 音频数据并对其解码，输出 PCM 音频数据到音频 D/A 变换器，音频 D/A 变换器输出模拟立体声音频信号，经音频输出 电路输出。其工作原理框图如图 1 所示。 课程设计说明书 第 2页 音频信号 视频信号 数字 有线 电视 信 号 网 络 接 口 模 块 解 复 用 器 视频解码器 条 件 接 收 处 理 音频解码器音频 D/A 变换器 模拟编码器 主控制器存储器 外围设备和接口 图 1 工作原理框图 2 数字机顶盒主要模块 2.1 调制解调模块 数字机顶盒工作在有线电视网络状态下，有线电视网采用模拟传输，因此必须对 数字信号进行调制和解调才能在模拟信道传输，调制解调器是系统关键的组成部分， 在技术上类似现在的电话调制解调器的原理，但采用了更高的调制方法，下行多采用 64QAM 或 256QAM，在 DVB-C(Digital Video Broadcast by Cable) 和 DAVIC 中采用 64QAM 做为标准调制方法，以 Motorola 的 MC92305QAM 解调芯片为例，在 7M 模 拟带宽上采用 64QAM 调制的数字信号速率可达 42Mbit/S，上行目前采用两种方式， 一种是采用电话线做为上行信道，另一种是采用双向 HFC 网的上行通道，采用 HFC 网时采用 QPSK 做为调制方案。QAM 或 QPSK 调制器将 MPEG 格式的数据流调制在 一个标准的 PAL 信道内，与其他视频调制信号一起合路发送出去。 QAM 调制器：QAM 调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器（也就是串并 转换器）内被分成两路，各为原来两路信号的 1/2，然后分别与一对正交调制分量相乘， 求和后输出。接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引 起的失真，判决器识别复数信号并映射回原来的二进制信号。如图 2 所示的是 QAM 课程设计说明书 第 3页 调制原理图。作为调制信号的输入二进制数据流经过串并变换后变成四路并行数据 流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路 4 电平数据。 LPF多电平判决 定时恢复 并串变换 90 度移相 载波恢复 LPF多电平判决L-2 电平转移 L-2 电平转移 图 2 QAM 调制原理图 2.2 MPEG-2 解码 MPEG-2 是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本上是 建立在 MPEG-2 技术基础上，MPEG-2 是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。 MPLL 用于 VCD，可视电话会议和可视电话用的 H.263 和 H.261 是它的子集。 MPML 用于 DVD、SDTV，MPHL 用于 HDTV。 MPEG-2 解压缩电路包含视频、 音频解压缩和其它功能。在视频处理上要完成主画面、子画面解码，最好具有分层解 码功能。图文电视可用 APHA 迭显功能选加在主画面上，这就要求解码器能同时解调 主画面图像和图文电视数据，要有很高的速度和处理能力。OSD 是一层单色或伪彩色 字幕，主要用于用户操作提示。 2.3 数字视频编码器和音频 DAC 数字机顶盒的“外设”是电视机和音响系统，数字的音视频信号必须转换为模拟 音视频信号，以 Motorola 公司的 MC44724 为例，MC44724 可以将 ITU601、656 标准 4:2:2 并行视频数据转换为 PAL 或 NTSC 格式的视频、S-Video、Y/Cb/Cr 或 R/G/B， 扩展的 VBI(Vertical Blanking Interval)信息输入口用于显示图文信息。音频 DAC 非常普 遍这里不再介绍。现代音响系统都支持 Dolby Pro Logic 和 Lucasfilm Home THX 家庭影 院系统，需在音频 DAC 之前用数字音频信号处理芯片对数字音频信号进行处理，目前 课程设计说明书 第 4页 有专用处理芯片和采用数字信号处理芯片 DSP 进行处理两种方式。 2.4 图形控制模块 和视频图形混合器数字机顶盒另一方面需要提供类似计算机的复杂图形甚至是三 维图形，需要系统具有强大的二维和三维图形加速芯片，而且需要将图形和视频信号 能进行混合叠加显示，此类功能类似现有的字幕机。 控制字发生器：要是接收端和发送短的两个 PRBS 同步，必须由发送端发送一个 初始控制字(CW)去同步 PRBS 发生器，控制字是随机数，可有单片机程序产生。有了 控制字就可以恢复加扰时使用的伪随机序列，对信号进行解扰。这一控制字又称为解 扰密钥。因此控制字的安全传送是 CA 系统的关键。CW 的字长一般为 60bit,为了保证 安全，CW 每隔 520S 改变一次。 2.5 媒体访问控制模块 MAC 数字机顶盒在网络通信上可以看成是 Cable Modem，IP 路由器接收用户端通过 PSTN( 公用电话网)传来的点播信号并传送到 Internet 服务器/ 路由器。目前主要参照 DAVIC 和 IEEE 802.14 标准，IEEE802.14 倡导采用 ATM 并在 802.14 MAC 访问层上 定义了 ATM 层，DAVIC 同时定义了以太网和 ATM 标准。 现有数字机顶盒完全工作在网络环境，仅能利用智能卡进行一些类似个人帐号、 解码号等 信息的储存，不具备本地大数据存储功能，所有信息需要从网上获得，无论 现在网络状况还是今后，像 CD-ROM 此类介质仍是大容量信息传递的一种主要方式， CD-ROM 的缺点是信息无法更新。采用可擦写 DVD 不仅可以使用光盘上的巨大信息， 更有效的是通过 Internet 网进行数据更新，使 DVD 盘上数据保持最新状态，DVD 应成 为数字机顶盒的重要的备用模块。 3 数字电视机顶盒软件系统 在机顶盒中，软件系统是一个重要的组成部分。一个完整的数字机顶盒由硬件平 台和软件系统组成，可以将其分为 4 层，从底向上分别为：硬件、底层软件、中间件、 应用软件，其软硬件组合结构图如图 3 所示。硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件 提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的 课程设计说明书 第 5页 应用；中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用不依赖具体的硬 件平台。 图 3 软硬件组合结构图 主控制器的工作通过软件的执行来完成。操作系统一般采用实时操作系统。在这 个操作系统中主要完成进程调度、中断管理、内存分配、进程间通信、异常处理、时 钟提取等工作。硬件驱动部分提供外围硬件设备的驱动，包括 I2C 总线、异步串行通 信口、并行通信口、非易失内存、键盘、遥控器、调谐器、信道解码模块等。图形接 口主要用于完成图形显示功能，以便于为用户提供友好的图形用户界面。音频解码和 视频解码驱动用于控制音频解码和视频解码解复用和数据表提取模块主要是对码流解 复用和数据表提取操作的控制。应用程序编程接口将所有与硬件相关的底层函数映射 到一个统一的接口上，并且提供一些与硬件无关的公用处理函数，比如网络协议、图 形格式分析、业务信息数据表分析等。条件接收驱动用于完成条件接收处理的工作和 软件接口。应用程序编程接口为应用程序提供了一个公共的编程接口，把应用程序与 硬件屏蔽开，使得应用程序与硬件无关。这样，就便于实现应用程序的可移植性 中间件。中间件是数字电视接收系统的软件平台，为数字电视应用提供运行环境 和软件接口。中间件作为数字机顶盒中的一个独立的软件层，将应用软件与底层硬件 和操作系统隔离开，对操作系统和驱动程序定义了统一接口，同时对应用程序也定义 了统一接口，另外对常规数字广播电视业务和增值业务也提供统一接口。中间件定义 了一组较为完整而标准的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从 而将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。它通常由 Java 虚拟 机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成，中间件将应用软件与依赖于硬件的驱动 层软件分隔开来，使应用软件不依赖于具体的硬件平台。 SIEPG。业务信息(SI)包括：节目业务群关联表(BAT)、节目业务描述表(SDT)、 节目段信息表(EIT)、运行状态表(RST)、时间及日期表(TDT)、时间偏移表(TOT)等。 课程设计说明书 第 6页 通过这些数据表，机顶盒可以向用户提供节目的内容描述、节目的类型、节目的播放 时间、节目的分级等信息。机顶盒在解复用的处理中提取这些数据表，通过分析和处 理，然后通过用户界面提供给用户，形成了电子节目指南(EPG)。用户浏览这些信息， 并做出选择，通过遥控器、键盘或按键等输入设备告知机顶盒根据用户的选择提取相 应的节目码流或数据码流。 节目业务搜索。在模拟电视系统中，电视频道的搜索只需要按照频点逐一进行即 可。而在数字电视系统中，频道与节目业务不再是一一对应的关系，信道传输系统的 参数也有多种配置方式。因此，机顶盒对节目业务的搜索要对应前端广播系统进行设 计。一般是由运营商指定一个固定频道，作为频道配置信息的发布频道。在机顶盒中 预先内置该频道参数。 4 CA 系统 在有线数字电视广播中，不仅能实现传统的电视广播业务，还可以衍生出多种增 值业务。为了确保这些新业务的实现，不仅需要有一个安全可控的综合管理业务平台， 更重要的是有一个安全、开放的条件接收系统（CA，Conditional Access） ，简称为 CA 系统。其条件接收系统方框图如图 4 所示。 Ts 流 Ts 流 加扰器复 用 器 调 制 器 PRBSG IPPV 等授 权（支付） 智能卡 PRBS 解扰器解 调 器 解 复 用 用户授 权系统 CW 解密 控制字 发生器 SK 解密 用户管 理系统 SK 加 密 CW 加 密器 课程设计说明书 第 7页 图 4 条件接收系统方框图 CA 系统包括系统管理、网络技术、加解扰技术、加解密技术、复用技术、调制技 术、机顶盒技术及智能卡技术等，是一个综合的系统。CA 系统也涉及用户管理、节目 管理及收费管理等数据库方面的应用技术。数字电视广播中的 CA 系统在前端 CA 系统 的主要部分由用户管理系统、控制字发生器、加密解密系统、加扰解扰系统、授权信 息控制信息发生器（PRBSG） 、授权管理信息发生器（PRBS） 、服用器等系统组成。 4.1 在发送端的加密过程 由于对信号流进行加扰的伪随机序列直接由伪随机序列发生器产生，而伪随机序 列发生器又由 CW 控制，因而首先需要对 CW 进行加密。直接对 CW 加密的第一层加 密所产生的密文称为授权控制信息 ECM，通过复用器与加扰的码流一起传送，ECM 还含有时间、节目价格、节目授权控制等信息，因此 ECM 是面向节目的管理信息。对 CW 加密的密钥称为业务密钥 SK，SK 又叫月密钥，通常每月换一次，每换一次 SK， 系统都要重新对所有用户进行授权。 第二层加密是用 PDK（个人分配密钥公钥）对 SK 进行加密，所产生的密文和从 SMS 获取的授权指令通过 SMS 生成的授权信息组成授权管理信息 EMM，EMM 还含 有智能卡号、授权时间、授权等级等用户授权信息。这些信息主要是完成对用户的授 权，因此 EMM 是面向用户的管理信息，EMM 对用户在什么时间看、看什么频道进行 授权，它也通过复用器与加扰码流一起传送，以上这些组成了 CAS 的基本加密系统。 为了防止密钥在传送中被黑客截获，付费数字电视广播一般采用双密钥法，对每 一用户分配一对 PDK，其中一个是使用者本人掌握的密钥称为 PDK 私钥，它只用于解 密，通常这个密钥都存储在用户智能卡中。另一个是公钥，它只用于信号发送系统对 信号进行加密，两个密钥通过特定的算法结成一一对应的关系，只有通过对应的私钥 才能解开用公钥所加的密。这样发送系统根本不需直接传送私钥，因此具有很高的安 全性，这是一种称为数字签名的认证过程。根据国家的产品标准，凡是利用了 CAS 的 产品和服务（如机顶盒、电子商务等）都必须通过相关的数字认证。 4.2 接收端的解密过程 根据 MPEG-2 系统的标准，包含 CA 信息的 EMM 信息和 ECM 信息符合数据包规 课程设计说明书 第 8页 定的包头标准，因此，机顶盒接收器的解复用器在解码过程中可寻到 EMM 信息。其 接收端解密流程图如图 5 所示。 机顶盒 解复用 并将 智能卡 通过 PD K 授权 并 智能卡 再利用 SK 从 E CM 智能卡将 CW 送回机 顶盒，机 顶智能卡 将 CW 送 回机顶盒， 机顶 机顶盒 对解扰 后的 MP EG-2 明 流 图 5 接收端解密流程图 所有解密过程都在智能卡中完成，解扰工作在机顶盒内完成。机顶盒与智能卡的 信息交换示意框图 6 所示。通过机顶盒与智能卡最终实现了信息交换，接收到有用信 息。 过滤出 ECM 、EMM 机顶盒（一体机） 智能卡 智能卡解出的 CW 图 6 机顶盒与智能卡信息交换示意图 课程设计说明书 第 9页 总 结 数字电视机顶盒运用到多种技术，它集中反映了多媒体技术、计算机