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數字機頂盒關鍵技術與功能分析

更新時間:2015-12-30 11:13:47點擊次數:1424次

1、什么是數字機頂盒

數字機頂盒是一種多媒體終端,有類似于家用電腦的硬件體系結構和專用的實時操作系統及應用軟件。數字電視機頂盒是信息家電之一,它是一種能夠讓用戶在現有模擬電視上,觀看數字電視節目,進行交互式數字化娛樂、教育和商業化活動的消費業電子產品。

2、數字機頂盒的關鍵技術

機頂盒的硬件結構

從數字電視機頂盒的構成上看,主要包括硬件和軟件兩大部分。

從結構上看,機頂盒一般由主芯片、內存、調諧解調器、回傳通道、CA(Conditional Access)接口、外部存儲控制器以及視音頻輸出等幾大部分構成。

調諧解調器

調諧解調器部分的作用是將傳輸過來的調制數字信號解調還原成傳輸流,調諧解調器的不同就構成了不同的數字機頂盒,例如用于QPSK解調的衛星機頂盒(DVB-S),用于QAM解調的有線數字機頂盒(DVB-C)以及用于OFDM解調的地面傳輸數字機頂盒(DVB-T)。目前市場上比較流行的調諧解調器的生產廠商有Thomson、Sharp等,國內雖然也有一些廠商生產調諧解調器,但市場份額很小。

主芯片

隨著芯片技術的發展,越來越多的廠家將機頂盒的功能更多地集成在一個主芯片里,例如現在大部分廠商都將CPU、解碼器、解復用器、圖形處理器與視音頻處理器集成在芯片中,甚至一些以Philips為代表的芯片廠商將調諧解調器也集成在芯片中,形成一體化的芯片解決方案,有效地降低了器件成本并提高了可靠性。

在主芯片中,首先根據傳輸流所傳遞的標志信息對接收到的傳輸流進行解復用,然后根據CA智能卡所傳遞的解擾信息對節目流進行解擾,解擾后的TS流送到視音頻解碼器中分別對其進行解碼,還原成AV信號進行輸出,同時,也分離出復用在TS流中的各類系統數據表,送給機頂盒處理器分別輸出。

另外,由于在主芯片中集成了CPU和圖形管理器,使機頂盒可以完成更多的功能,它可以運行各種軟件完成諸多任務,例如股票接收、網頁瀏覽等,也可以通過圖形管理器實現2D甚至3D的圖形處理,為用戶提供更美觀的界面,實現交互式游戲等各種高畫質應用。

由于CPU是主芯片的核心,因此通常情況下CPU的性能就決定了主芯片的性能。CPU的性能一般是由主頻決定的,主頻越高則CPU的性能也越高。目前最快的CPU主頻已經超過了400 MIPS,即使是目前市場上流行、最基本的機頂盒中CPU的主頻也超過了50 MIPS。CPU速度同運行其上的業務系統有著必然的聯系,如果需要在一個STB中運行一個HTML瀏覽器,100 MIPS可能就是對CPU的最低要求,當然這還需要內存的配合。

內存

在某些方面,機頂盒同PC機有很多相似之處,甚至可以說是一臺簡化了的PC機,兩者最相似之處就是內存。對機頂盒而言,內存主要分為Flash內存和SDRAM內存。Flash用來存貯機頂盒的系統軟件、驅動軟件、應用程序以及一些用戶信息,在系統斷電時內容還可保留,同時Flash可以通過在線的方式對其上所載的軟件進行更新,達到機頂盒軟件升級的目的。SDRAM主要是用來存儲應用數據。機頂盒的許多功能都需要內存來實現,例如圖形處理、視音頻解碼和解復用等,不同的應用需求,內存的大小配置也各不相同。容量大的Flash和SDRAM的配置雖然可以為將來的業務系統預留足夠的內存空間,但內存并不是決定軟件能否運行的因素,它需要配合CPU來工作,不切合實際的高配置只會造成資源浪費,而無助于STB性能的提高。

外部存儲設備

外部存儲設備一般指外掛式硬盤,大容量的硬盤可以用于存儲節目流以滿足用戶的個性化需求。一個STB中能否外掛硬盤一般都是由主芯片所決定的,只有CPU的處理能力達到一定程度時才有可能支持硬盤的讀寫,而硬盤的讀寫也需要更多的內存空間。

智能卡接口

通過讀卡器讀取CA智能卡中的數據用于數字電視節目的解擾,特別是在付費電視發展的今天,這是大多數STB必不可少的部件。除了標準的讀卡器外,在有些STB中也采用通用接口CI(Common Interface)來完成對CA智能卡的讀取。CI是一個由DVB組織為機頂盒和分離的硬件模塊之間定義的標準接口。這種起源于PCMCIA的技術應用,使機頂盒可以批量生產,也為機頂盒帶來了變化,有著廣泛的應用前景。

回傳通信接口

隨著機頂盒應用的擴展,使用戶對機頂盒的需求已經不單單停留在簡單地收看視音頻節目上了,交互式的需求使機頂盒中內嵌了回傳設備,這些設備可以包括網絡適配器、調制解調器等通信接口,用于滿足用戶將信息回傳到前端。

其他設備接口

新技術的發展使機頂盒的物理接口也不斷地增加,如RS232接口、紅外遙控器接口、無線鍵盤接口、Wi-Fi接口等等,使STB可以同攝像機、DVD、PDA等眾多設備進行連接。

機頂盒的軟件系統

機頂盒作為一個客戶端系統,除了要具有良好的硬件平臺外還需要配備不同的軟件系統才能使其完成各種任務。機頂盒中的軟件可以分成三個主要的層:應用層、中間解釋層和驅動層,每一層都包含了諸多的程序或接口等。

驅動層

驅動層包括機頂盒硬件的驅動程序和API接口,它主要用于完成對硬件設備的操作。

中間解釋層

中間解釋層將STB的應用程序指令翻譯成CPU能識別的指令,從而通過驅動層去調動硬件設備完成相應的操作。該層包括嵌入式操作系統、中間件、CA駐留軟件等。雖然中間件的使用可以給STB軟件的設計和應用帶來極大好處,但高昂的使用費用,對硬件需求的增加以及技術上的不成熟使中間件在國內鮮有應用。目前許多軟件設計者采用直接調用驅動層的軟件來編寫應用程序,這雖然可以滿足一時的需求,但隨著應用需求的增加,在STB中使用中間件才是一個很好的解決方案。

應用層

應用層可以分成駐留應用程序和可下載應用程序兩部分,不同的STB軟件設計理念使這兩個部分包含的應用程序也不盡相同,合理規劃這兩部分的組成將有助于提高STB的可靠性和相應時間。目前國內機頂盒中的應用較少,主要以EPG、數據廣播、股票、簡單的下載游戲等為主,而數字電視的魅力并不在于看電視,而在于這種基于數字電視平臺的業務應用,這些應用將會改善人們的一些日常生活習俗。隨著雙向網絡的建設,交互式應用的普及,基于交互式的應用軟件也將越來越多,這也會給運營商帶來難以預料的增值收入。有線電視數字機頂盒的技術含量非常高,它集中反映了多媒體、計算機、數字壓縮編碼、 加解擾算法、加解密算法、通信技術和網絡技術發展水平。

※加解擾技術

加解擾技術用于對數字節目進行加密解密,其基本原理是采用加擾控制字加密傳輸的方法,用戶端利用IC卡解密。在MPEG傳輸流中,與控制字傳輸相關的有兩個數據流:授權控制信息(ECMs)和授權管理信息(EMMs),由業務密鑰(SK)加密處理后的控制字在ECMs中傳送,其中還包括節目來源、時間、內容分類和節目價格等節目信息。對控制字加密的業務密鑰在授權管理中傳送,并且業務密鑰在傳送前要經過用戶個人分配密鑰( PDK)的加密處理,EMMs中還包括地址、用戶授權信息,如用戶可以看的節目或時間段,用戶付的收視費等。用戶個人分配密鑰(PDK)存放在用戶的智能卡(Smart Card)中。 在用戶端,機頂盒根據PMT和CAT表中的CA-descriptor,獲得EMM和ECM的PID值,然后從TS流中過濾出ECMs和EMMs,并通過Smard Card接口送給Smart Card。Smart Card首先讀取用戶個人分 配密鑰(PDK),用PDK對EMM解密,取出SK,然后利用SK對ECM進行解密,取出CW,并將CW通過 Smart Card接口送給解擾引擎,解擾引擎利用CW就可以將擾的傳輸流進行解擾。 加解擾技術分為同密和多密技術。 同密技術是將兩家或兩家以上的條件接收(CA)系統應用于同一網絡平臺之中,從有線電視臺角度是實現技術的選擇和競爭的環境。 多密技術要求機頂盒采用CI技術,實現同一機頂盒可接收不同CA系統加密節目。從用戶角度 來講,不會因購買是一家CA的機頂盒而受到限制,用戶還有選擇其CA服務的可能性。

3、數字機頂盒的功能

數字機頂盒的基本功能是接收數字電視廣播節目,同時具有所有廣播和交互式多媒體應用 功能,如:

(1)電子節目指南(EPG)。給用戶提供一個容易使用、界面友好、可以快速訪問想看節目的一種方式,用戶可以通過該功能看到一個或多個頻道甚至所有頻道上近期將播放的電視節目;

(2)高速數據廣播。能給用戶提供股市行情、票務信息、電子報紙、熱門網站等各種消息;

(3)軟件在線升級。軟件在線升級可看成是數據廣播的應用之一。數據廣播服務器按DVB數據廣播標準將升級軟件廣播下來,機頂盒能識別該軟件的版本號,在版本不同時接收該軟件,并對保存在存儲器中的軟件進行更新;

(4)因特網接入和電子郵件。數字機頂盒 可通過內置的電纜調制解調器方便地實現因特網接入功能。用戶可以通過機頂盒內置的瀏覽器上網,發送電子郵件。同時機頂盒也可以提供各種接口與PC相連,用PC與因特網連接;

(5) 有條件接收。有條件接收的核心是加擾和加密,數字機頂盒應具有解擾和解密功能。總之,到目前為止,圍繞數字機頂盒的數字視頻、數字信息與交互式應用三大核心功能開發了多種增值業務。

4、數字機頂盒的分類與應用

不同的運營商和不同的機頂盒廠商按照不同的應用習慣將STB分成基本型、增強型、交互型等幾種,運營商對數字電視理解和應用水平的不同對STB的劃分也有所不同。大多數的運營商將基本型定義成僅支持視音頻服務和接收EPG信息,不支持數據瀏覽和其他應用,而將這些應用放在所謂的增強型中;把具有雙向功能的STB定義為交互型。實際上從功能上很難區分什么是基本型什么是交互型,不同的商業目的就會有不同的劃分,所謂的基本型和增強型往往都是使用同一個硬件平臺,不同的只是軟件而已,雖然也有廠商宣稱他們的STB是交互型的或者可以開展交互式服務,但由于網絡上的原因,在國內還沒有一種成熟的交互式應用,目前所謂的交互式應用基本上都還停留在本地交互的基礎上。

選用的芯片不同,構成的硬件平臺就不同,配備的其他設備和接口也不同,這就組成了多種多樣的STB。例如,在STB中加上調制解調器或網卡,就構成了一個具有雙向功能的機頂盒;加上硬盤就構成了個人視頻錄制器(PVR:Personal Video Recorder),當然這些都需要軟件的配合。在同一個硬件平臺上通過駐留不同的軟件也可以構成不同應用的機頂盒,而多樣化的STB滿足了不同層次的需求。

數字電視一體機

目前國內使用的機頂盒大多都屬于基本型的范疇,它們可以接收數字電視節目,也可以提供一些諸如電子政務服務類的應用。隨著數字電視機技術的發展,帶數字解碼功能的新型電視機已經面世,目前正在處于投產前的大規模測試階段。這種將最基本的STB和電視機的功能結合在一起的新型一體化電視機,將對STB的制造業和數字電視的運營產生重大影響,面對家電巨頭們龐大的生產能力和新的技術產品,大多數STB生產商將面臨重新洗牌的風險。

對運營商而言,一體機的出現也使運營發生了改變。過去運營商不僅要為節目傳輸操心,也要為用戶的STB投入大量的精力,甚至為此背上沉重的包袱,特別是在整體平移的過程中,由于發送STB而背負了龐大的債務,而這一切都可能因為一體機的出現而得到很好的解決。在未來的2~3年內,按照國家產業的規劃,國內生產的35%以上的電視機將帶有STB功能,這意味著每年將有1 500臺以上的一體機投放市場,以后這個數字還將會不斷攀升。
機卡分離

機卡分離和一體機幾乎是天生的一對。電視機的大規模制造不僅提高了產品的可靠性,也降低生產的成本,而大規模制造的基礎就是所生產的產品具有一致性,這不僅表現在硬件上也表現在軟件上。由于軟件的差異性使得制造商無法像生產電視機一樣大規模地生產機頂盒。所以實現規模制造,CA是首先要解決的問題。

機卡分離技術的含義在于讓數字電視的接收設備(機)和CA智能卡及其軟件(卡)無關,兩者通過一個接口產品(大卡或CAM卡)來連接,電視機和STB預留這個通用的接口。在插入CA智能卡之前,所有的電視機和STB的軟硬件都是相同的,而智能卡首先要插到一個與之適應的CAM卡中才能插到電視機或機頂盒上,解出相應的節目。雖然從表面上看由于使用了CAM卡增加了用戶的接入成本,但由于脫離了CA的束縛給運營商和制造商都帶來了使用和制造成本的降低,最終也帶來了用戶接入成本的降低。諸多的優點使機卡分離成為一種產業發展的趨勢,美國已經把機卡分離作為數字電視機的標準,并為此定義了強制性的時間表。對中國這樣一個電視機生產大國而言,機卡分離也將成為中國產業發展的趨勢和標準。隨著產品的批量投放市場,數字電視機的普及將有助于帶動數字電視用戶的發展。

交互式STB

雖然一體機可能代替普及型STB,但在數字電視發展中,由于業務的不斷擴展,STB的軟件也將不斷完善,特別是在交互式領域,隨著中間件的完善和應用,STB就成為一個價格低廉的硬件平臺,可以通過更換不同的軟件來實現多種應用。對運營商而言,交互式應用有著龐大的商業利益,是未來最重要的利潤來源,而交互式STB的使用可以幫助實現這一目標。交互式STB也代表著機頂盒技術發展的最高水平,有著十分巨大的發展空間。

PVR STB

在STB中加上存儲設備就可以將自己喜歡的節目存儲起來,這種STB就是PVR。雖然目前PVR STB在國內還沒有形成一定的市場,但國外每年幾百萬臺銷量的強勁增長就預示著國內未來市場的龐大,隨著時間的推移,這種需求將會越來越大。

雙解碼或多解碼STB

對國內的運營商而言,特別是在整體平移的過程中,如何解決用戶兩臺以上的電視機收看數字電視節目是一個令開發人員十分頭疼的問題,雖然可以通過強制性的行政行為達到一機一卡,提高收視費,但無法讓用戶理解這種運營模式,也使數字電視的推廣面臨很大的阻力。

雙解碼STB是在一個STB中采用雙解碼芯片或在一個芯片中嵌入兩個以上的解碼電路,并配以兩個解調器,進而使一個STB輸出兩路不同的節目,而STB的成本僅僅增加了30%~50%。這種新產品的出現,無疑對那些擁有兩臺以上電視機的用戶是一個福音,當然對那些寄希望于用戶購買兩臺以上的STB以及交納兩份以上的節目費的運營商而言,這并不是一個好消息。

DVB和IP合二為一

IP技術的飛速發展給數字電視帶來了巨大威脅,但在短期內由于網絡成本的原因使兩者只能共存而無法替代。雖然目前國內市場上有所謂的帶IP功能的STB,但這些機頂盒只是集成了網卡或帶回傳通道,由于它們無法滿足流媒體等服務,因此還不完全是一個將DVB和IP合二為一的STB。隨著具有MPEG-II和MPEG-IV雙解碼功能芯片的推出和完善,國外已經有此類STB投放市場,它可適應于不同的網絡環境,有著廣闊的發展前景。另外,這種技術的發展和整合可能會給人們帶來一些意想不到的變化,也許在不久的將來,隨著網絡技術的發展,一個集DVB和IP于一體的終端產品將會成為家庭的一員,它連接著家庭的顯示設備、計算機甚至其他的智能化設備,滿足家庭信息化的需求。

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