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浅谈数字电视及机顶盒

现在数字电视已经步入了大众生活，可是很多人只是知道“机顶盒”这个东西，对于其原理和功能并非了解得很清楚。本人也是。听完老师的讲解和查阅资料，进一步了解了数字电视和机顶盒。 有线数字电视广播平台系统由如下部分组成，即数字卫星接收机、编码器、复用器、数字数据广播器、QAM调制器、准视频点播服务器、条件接收和用户管理系统、节目管理系统、电话回传系统、因特网连接、有线传输网络、用户机顶盒和PC接收卡等。
电视台数字数据广播系统通过专线或其它方式同因特网连接，获得大量因特网信息资源，经过分类整理再通过数字电视广播系统传输给用户，实现电视机用户对因特网信息的浏览功能。数字电视功能：接收和播放国内、外数字卫星电视频道节目，股票财经信息(包括“家庭大户室”证券交易系统)，电子报刊，足不出户可浏览全球信息
数字电视的基本原理：将电视的视音频信号数字化后，其数据量是很大的，非常不利于传输，因此数据压缩技术成为关键。实现数据压缩技术方法有两种：一是在信源编码过程中进行压缩，IEEE的MPEG专家组已发展制订了ISO/IEC13818(MPEG-2)国际标准，MPEG-2采用不同的层和级组合即可满足从家庭质量到广播级质量以及将要播出的高清晰度电视质量不同的要求，其应用面很广，它支持标准分辨率16:9宽屏及高清晰度电视等多种格式，从进入家庭的DVD到卫星电视、广播电视微波传输都采用了这一标准。二是改进信道编码，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数据传送速率。如，在欧洲DVB数字电视系统中，数字卫星电视系统(DVB-S)采用正交相移键控调制(OPSK)；数字有线电视系统(DVB-C)采用正交调幅调制(QAM)；数字地面开路电视系统就(DVB-T)采用更为复杂的编码正交频分复用调制(COFDM)。
与模拟电视相比，数字电视有以下几个优点：1、收视效果好，图像清晰度高，音频质量高，满足人们感官的需求。2、抗干扰能力强。数字电视不易受处界的干扰，避免了串台、串音、噪声等影响。3、传输效率高。利用有线电视网中的模拟频道可以传送8—10套标准清晰度数字电视节目。4、兼容现有模拟电视机。通过在普通电视机前加装数字机顶盒即可收视数字电视节目。5、提供全新的业务。借助双向网络，数字电视不但可以实现用户自点播节目、自由选取网上的各种信息，而且可以提供多种数据增值业务。
有线电视数字机顶盒的基本原理：从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端设备都可称为机顶盒(STB)。从狭义上说，我们可以将模拟设备排除在外，按主要功能将机顶盒分为上网机顶盒、数字卫星综合接收解码器、数字地面机顶盒以及有线电视数字机顶盒。上网机顶盒是利用电话网络做为传输平台，利用电视机做为显示平台，实现Internet接入功能的设备。因此，可以将其看成是一种非PC类的互联网接入设备。数字卫星机顶盒、数字地面机顶盒与数字有线电视机顶盒的基本原理相同，只是信号传输平台不同。有线电视数字机顶盒用于全电缆网络或光纤/同轴混合网。有线电视数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目，调谐模块接收射频信号并下变频为中频信号，然后进行转换变为数字信号，再送入QAM解调模块进行解调，输出MPEG传输流串行或并行数据。解复用模块接收MPEG传输流，从中抽出一个节目的PES数据，包括视频PES和音频PES。视频PES送入视频解码模块，取出MPEG视频数据，并对MEPG视频数据进行解码，然后输出到PAL/NTSC编码器，编码成模拟电视信号，再经视频输出电路输出。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，输出PCM音频数据到PCM解码器，PCM解码器输出立体声模拟音频信号，经音频输出电路输出。有线电视数字机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用: 数字电视广播接收、EPG、NVOD、PPV、软件在线升级、数据广播、Internet接入、电子邮件、IP电话、VOD等。有线电视数字机顶盒的关键技术。
有线电视数字机顶盒的技术含量非常高，它集中反映了多媒体、计算机和通信技术的发展水平，我们在此仅对能体现我国企业设计开发水平的两种技术进行论述。1. 中间件：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。ATSC成立T3/S17技术专家小组委员会来为机顶盒定义软件环境，该软件环境称为DTV应用软件环境(DASE)。ATVEF(先进电视发展论坛)也创建了一种称为Advanced Television Enhancement Forum Specification for Interactive Television 的规范。但完全符合某个标准的产品还没有面市。随着硬件平台的不断完善，机顶盒的竞争力将完全体现其中的软件上。我国的企业在中间件的设计开发上是有很大潜力的。2. 电缆调制解调器：到目前为止，各种研究机构对电缆调制解调器进行了广泛的研究，这些研究成果最终形成了两个国际性组织定义的标准: CableLabs定义的DOCSIS和EuroDOCSIS，以及Euro-CableLabs定义的EuroMODEM。DOCSIS是最早商业化的标准，目前在北美，符合该标准的电缆调制解调器已售出了几百万台。为了占领采用PAL制式国家的市场，CableLabs又定义了EuroDOCSIS标准。该标准采用DVB-C作为下行物理层标准(在EuroDOCSIS标准中下行的码元速率为6.9652MS/s)，上行频率范围为5~65MHz。其余与DOCSIS完全一样。
关于数字电视机顶盒的几个问题
在数字有线电视广播DVB-C平台中，数字电视机顶盒(Set Top Box，STB)是技术与营运问题最集中的关键，同时机顶盒也是系统资金投入量与风险最大的部分。将围绕数字电视机顶盒的几个核心问题展开讨论。
数字高清晰度电视(Digital High Definition Television，HDTV)是电视的一场革命。其收视质量大幅度提高，大屏幕画面细腻逼真，并配以环绕音响，已接近目前视听娱乐业中顶级质量的电影。凡是观看过数字高清晰度电视演示的人们，都会深信HDTV是每一个家庭在数字信息时代所应该拥有的、真正的“家庭影院”。目前，国内数字电视的发展还处于起步阶段，数字卫星电视广播已采用DVB-S; 数字有线电视广播已采用DVB-C标准(行业标准); 数字地面电视广播标准制定工作正在进行，目前已有高清晰度电视总体组等单位提出的5套备选方案。下面将围绕数字电视机顶盒的几个核心问题展开讨论。
问题一: 为什么国内的有线数字电视广播还没有大规模投入营运？
国内的数字电视广播大规模投入营运必须具备以下条件:1、网络营运商完成网络基础设施和数字电视广播系统平台的构建。2、“内容为王” ——必须有大量的专业数字频道，比如: VOD，交互式电视节目，数据广播，信息，交互式网络游戏，电子商务等等。专业数字频道的制作与播出很大程度上取决于国家的政策及节目供应商的行为。3、国内观众对专业数字频道感兴趣的程度。专业数字频道能否真正体现出数字电视较模拟电视的优势。4、国内观众所能够接受的收视费及机顶盒的价格(最终用户购买价格)。收视费的多少又取决于: 国家的政策、数字电视系统的成本(其中主要是机顶盒的成本)、专业数字频道的制作成本、其他营运相关成本等等。5、国家制定出一系列完备的与数字电视相关的技术标准与规范，例如: 中间件标准、机顶盒标准、条件接收标准、交互式电视节目规范、数据广播规范等等。　　现在，因为以上条件还不完全具备，所以国内的有线数字电视广播大规模投入营运大约还有两年时间。
问题二：如何进行有线数字电视机顶盒的选型？
在整个数字有线电视系统中，机顶盒作为用户端产品，数量多，投资大，因此占有重要地位。以下是在选择机顶盒时的一些考虑。 1、特殊性：说它特殊是因为虽然它在整个数字有线电视系统的投资中所占比例最大，但在中间件和 CA系统选定以后，机顶盒的选择变数并不大(基本上只有价格、可靠性和售后服务的比较)。也就是说，它的选择不像中间件和 CA的选择那样具有战略性意义，也不是一次性的。项目进程与首批机顶盒的选择: CA 的集成时间大约为半年。这就意味着，首先要尽快确定中间件和CA，其次要选择有足够的技术实力的机顶盒提供商，以保证集成进度和产品质量。另外，由于项目启动所需的机顶盒数量并不多，所以价格不应成为选择这批机顶盒首先考虑的因素。2、价格：随着项目的进行，机顶盒需求量的增加，价格将变得越来越敏感。我们也采取相应措施以获得最优的价格。机顶盒价格几乎是数字电视运营成功与失败的首要原因。 不论是进口还是国产，机顶盒的价格取决于硬件设置及先进设计。硬件设置受限于中间件的要求，硬件设置越低，价格越低；而先进设计取决于从设计到生产的时间，时间越长，设计越落后，所以价格越高。例如，从对硬件设置要求而言，OpenTV支持四个档次的方案: (1)基本交互，(2)HTML或网页浏览，(3)机顶盒硬盘，(4)MHP JAVA。四个档次在服务上反向兼容， 其中OpenTV的基本交互平台是所有交互电视中间件平台中对硬件要求较低的平台。更多的提供商，引入更多的机顶盒提供商，以增强竞争。当然，如果提供商太多，反而得不到很好的批量价格，而且不利于我们对机顶盒的管理。因此，最终的机顶盒提供商的数目不应超过3家。3、厂家的技术实力：机顶盒提供商雄厚的技术实力将决定能否保证项目的启动时间，能否在运营中和系统升级时提供有力的技术支持。特别是考虑到机顶盒的发展方向( PVR，HDD，MHP等)，厂商必须有足够的技术储备，不断地跟踪国际的技术动向，有力地配合我们进行技术升级。
问题三: 为什么必须采用数字电视软件平台——中间件？
数字电视软件平台——中间件(Middleware)尚无统一的定义和标准。美国“大联盟”ATSC系统提出数字电视应用软件环境DASE标准; 欧洲DVB系统提出多媒体家用平台MHP标准。美国SUN公司正在积极推广其Java平台进入电视、机顶盒、有线电视领域，并提出基于Java 2 Micro Edition(消费电子、嵌入式系统)的Java TV API标准。中国HDTV功能样机系统的研制成功，使我国成为继美国、欧洲等国之后世界上第四个拥有自制数字高清晰度电视地面广播传输完整系统的国家; 实现了数字电视系统关键技术上的重大突破。但是，目前软件平台还是采用国外产品，开发具有中国特色的、通用的接收机软件平台是中国数字电视开发的战略重点！我国数字电视业务的开展与国外相比，历史还很短，我国的有线电视网络运营商应该吸取国外的经验和教训，选择世界上真正先进的技术。作为数字交互业务的基础平台，中间件的选择至关重要。中间件指居于数字电视机顶盒内部实时操作系统与应用程序中间的软件部分，它以应用程序接口API的形式存在，整个API集合被存储在机顶盒的闪存Flash中。节目服务商将各种服务项目以应用程序的形式通过传输信道(例如宽带多媒体数据网，有线电视网络)发布(例如电子节目指南EPG)，用户打开电视机通过机顶盒浏览。用户的需求信息(例如视频点播VOD)通过上传信道(例如电话线Modem，或有线电视电缆)传输到视频服务器，并根据请求选择相应的服务项目以应用程序的形式通过传输信道下载到用户终端机顶盒的闪存Flash中。应用程序调用机顶盒Flash内的中间件所包含的API，执行应用程序，完成用户请求的功能。中间件的目的是使机顶盒基本的和通用的功能以应用程序接口API的形式提供给机顶盒生产厂家，以实现数字电视交互式功能的标准化，同时使服务项目(以应用程序的形式通过传输信道)下载到用户终端机顶盒的数据量减小到最低限度。中间件产品一般由非节目提供商和机顶盒厂家的第三方提供，对于使节目提供商制作节目和厂家生产机顶盒的进一步简化和标准化都是非常有利的。这正是知识经济时代市场更加细分的具体表现。
 问题四: 如何选择有条件接收系统？
有条件接收系统(Conditional Access systems，CA)是数字电视项目中重要的组成部分，它完成了系统用户的认证、授权和节目加扰工作。它解决了两个问题，即如何从用户处收取费用和如何阻止用户收看那些未经授权的付费频道。条件接收系统是一个综合性的系统，它集成了多种先进的技术，所涉及的技术包括: 系统调度管理、网络技术数字压缩编码、加解扰算法、加解密算法、复用器技术、调制解调技术、机顶盒技术、智能卡技术等，同时也涉及到用户管理、节目管理、收费管理等数据应用技术。其中， CA系统的性能和安全性是整个系统尤为关键的问题。几家的 CA系统设计基本框架是一致的。外部接口也都符合DVB标准。除了 NDS是基于算法的安全，即通过更换算法来保证系统的安全性以外，其他几个系统都是基于密钥的安全，也就是依赖密钥的分级和分组来加强系统的安全性。另外几家也都采用了智能卡技术，它可容纳更先进的加密算法和功能更强的微处理器，这使得系统可更灵活地接受加密技术上的新算法和新成果。衡量一个有条件接收系统好坏的重要指标在于系统功能的完整性、性能、使用规模及安全稳定。 Canal+ Technologies的算法及密钥分配、生成、存储及更换等各步骤的解决方案较好地保障了系统的安全需要。另外， Canal+作为运营商，积累了大量的经验，这些对于快速解决系统在涉及运行中出现的问题非常重要。北京歌华有线电视网络拟采用Canal+的解决方案。Nagravision系统目前已有了超过1600万的用户; 它所使用的算法在时间和大规模系统上均被证明具有良好的安全性。它的智能卡支持对存储器的动态寻址，可防止黑客轻易找到密钥的存储位置。 Nagra整个系统的功能完备、灵活，可支持从少量用户到大量用户的扩展并平滑升级，而且整体性能优良，因此是相当不错的系统。Nagra拥有包含Philips、Nokia在内的近30家机顶盒供应商，国内也有中科院声学所(DSP)支持。上海有线网络已采用Nagra的CA。
NDS系统采用的安全技术比较特别，它为每个运营商提供不同的算法，以保证即使某一个运营商算法被攻破，也不会影响其他系统。另外，它用于解扰节目的控制字并不随 ECM系统下传，而是通过卡内的算法在用户端同步生成控制字用于解扰节目，而且每一个传输的数据包都经过了数字签名，确保任何比特不会被修改。NDS CA系统目前拥有的用户数量是最大的。中国中央电视台，网络中心，四川省网络的NDS CA及NDS 中间件系统已投入实际营运。
结论:客观地说，不可能有解不开的智能卡，系统安全还依赖于系统结构和保密完整性、系统密钥管理以及系统前端保密，盗版是否成本低且技术简单，应对措施是否及时有效。所以在功能和性能满足的情况下，我们还是应该选择相对运营时间长和经验丰富的 CA提供商，使得选用的技术产品能得到长期的技术支持和良好的服务保证。
网络选择的中间件的技术方案，应该既考虑电视的需求和商业模式，又要把新的数字电视的基础设施和全国的网络体系天衣无缝地融为一体，即三网融合，要用这种天衣无缝的融合来使交互式服务提供商能够在现存网络中建设数字电视所需的前后端体系结构，从而为广大的电视观众提供一套完整的服务体系，使电视网络真正成为城市数字化信息化建设的重要组成，使“数字中国”的梦想得以真正实现。
需要强调指出的是，目前，所有中间件供应商都不能提供基于MHP的中间件产品。中间件厂家出于对自身既得利益的考虑，不愿意开发基于开放的MHP的中间件产品。另外，支持MHP的机顶盒的成本大大高于普通机顶盒。