有线电视数字机顶盒与视频点播系统

有线电视数字机顶盒与视频点播系统

一、有线电视数字机顶盒的基本原理

机顶盒（STB，Set Top Box）的概念是比较广泛的，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。从基于有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器，到将电话线与电视机联系在一起的\上网机顶盒\、数字卫星的综合接收解码器（IRD，Integrated Receive Decoder）、数字地面机顶盒、以及有线电视数字机顶盒都可称为机顶盒。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。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，如图1所示，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由以下几部分组成：数字电视广播接收前端、MPEG解码、视音频和图形处理、电缆调制解调器、CPU以及存储器、以及各种接口电路。接口电路则提供了丰富的外部接口，包括通用串行接口USB、高速串行接口1394、以太网接口、RS232、视音频接口等等。

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、电子节目指南（EPG）、准视频点播（NVOD）、按次付费观看（PPV）、软件在线升级、数据广播、Internet接入、电子邮件、IP电话、视频点播等等。 1）电子节目指南

电子节目指南给用户提供一个容易使用、界面友好、可以快速访问想看节目的一种方式，用户还可以通过该功能看到一个或多个频道甚至所有频道上近期将播放的节目。同时，EPG可提供分类功能，可以帮助用户浏览和选择各种类型的节目。

2）数据广播

DVB定义了四种数据广播方式：数据管道（data pipe），数据流（data stream），多协议封装（Multiple Protocol Encapsulation）和数据/对象轮流传送（Data/Object Carousel）。数据管道支持异步端到端的数据传输业务；数据流方式可以在数字电视广播系统中实现面向流的、端到端的数据传输；多协议封装对需要在数字电视广播系统中传送符合通信协议的数据报的数据业务提供了技术支持；数据/对象轮流传送可以支持需要周期性地传送数据模块的各种应用。通过这些标准，我们可以实现各种数据广播应用如股票信息广播、票务信息广播等等。

3）软件在线升级

软件在线升级可看成是数据广播的应用之一。数据广播服务器按DVB数据广播标准将升级软件广播下来，机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。

4）Internet接入和电子邮件

有线电视数字机顶盒可以通过内置的电缆调制解调器方便地实现Internet接入功能，用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子邮件，同时机顶盒也可以提供各种接口与PC相连，使用PC与Internet连接。

二、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低层的操作系统、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。中间件在机顶盒中的位置如图2所示。

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。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，使应用不依赖于具体的硬件平台。

目前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，但彼此并不兼容。许多国际标准组织已经认识到这个事实，并且开始着手建立公开的中间件标准。DVB提出了基于Java虚拟机的中间件标准DVB-MHP（多媒体家庭平台）；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出了几百万台。由于DOCSIS标准主要是针对北美市场定义的，其下行带宽为6MHz，上行为5-42MHz，对采用NTSC模拟电视广播制式的国家是适用的。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标准作为下行物理层标准（在EuroDOCSIS标准中下行的码元速率为6.9652Msymbol/s），上行频率范围为5-65MHz。其余与DOCSIS完全一样。

EuroMODEM标准是在去年底才有产品出现。该标准基本上采用了DAVIC标准中定义的相关协议，在物理层与MAC层均与EuroDOCSIS有很大不同。相比之下，EuroDOCSIS标准的目的简单明确，就是在有线网络上透明地传输IP数据包，该协议对IP的支持最好，随着DOCSIS11中对QOS的完善，该标准可支持IP电话和可视电话。而EuroMODEM的上下行带宽都较小，而且在传输IP数据时的效率也相对较低。更重要的是其商业化进程比较缓慢，因此我们认为EuroDOCSIS对我国来说是一种比较好的选择。事实上，广东环网公司已经推出了兼容DOCOSIS和EuroDOCSIS的电缆调制解调器终端系统，也推出了符合DOCSIS和EuroDOCSIS的电缆调制解调器，为我国的电缆调制解调器产业做了有益的尝试。

三、视频点播

为每个用户提供视频点播功能，让用户能在他所希望的时间和地点看他想看的节目，应该是服务提供商最理想的服务方式。有线电视数字机顶盒利用交互式的数据信道和广播信道，为实现该功能提供理想的技术基础。广东环网公司在最新推出的全功能数字机顶盒中已经实现了该功能，并能实现快进、快退、暂停、恢复等VCR操作。当然，该应用需要相应前端设备的支持，环网公司也相应推出了GNI视频点播系统的完整解决方案。

GNI 视频点播系统服务器是提供多媒体内容和服务的实体（对应于GNI视频点播系统中的VOD应用服务器、ITV系统和视频服务器），它可以是一个分布式的系统。

图3为GNI视频点播系统结构框图，整个系统由7个子系统组成，分别为视频服务器、

ITV子系统、VOD应用服务器、视频分配子系统、有条件接入子系统、CMTS以及机顶盒。 1） 视频服务器

GNI视频点播系统中采用的视频服务器是美国SeaChange公司的视频服务器。该服务器是Windows NT集群系统，可以很方便地进行容量扩充。视频服务器的主要功能是存储MPEG2节目文件，并接收ITV系统的命令，在指定的路径上播放用户点播的节目。 2） ITV系统

ITV系统也是SeaChange公司的产品，由节目管理服务器、连接管理服务器、传播服务器、流管理服务器、目录管理服务器组成。主要功能有：节目的添加、系统资源包括服务器资源和网络资源的管理、提供流控操作。 3）VOD应用服务器

VOD应用服务器是环网公司开发的应用服务器。其主要功能包括：

? ?

节目导航：为机顶盒提供视频点播服务的节目列表，当用户选择其中的节目时，给机顶盒发送该节目的标识；

用户验证：当用户点播某个节目时，对用户的合法性进行检查，以确定该用户是否具有点播该节目的权利。

用户记帐：当用户选择一个节目后，将用户观看节目的记录存入到数据库中，供计费系统使用。计费系统是用户管理系统一个子系统。

?

4）视频分配子系统

该系统实现视频服务器接口、QAM调制和上变频、射频混合等功能。视频服务器接收接收从视频服务器输出的MPEG传输流，并将其中的各个节目分配到相应的频道上。同时，在有条件接收系统的控制下，实现对MPEG传输流的加扰。 5）有条件接收子系统（CAS）

有条件接收系统控制对用户所选择的节目进行加扰，并产生相应的EMM（授权管理消息）和ECM（授权控制消息），使机顶盒能进行相应的解扰。 6）CMTS与数字机顶盒

CMTS为符合DOCSIS标准的电缆调制解调器终端系统，数字机顶盒采用环网公司的全功能数字机顶盒。

四、机顶盒中视频点播客户端软件的实现

机顶盒的视频点播客户端软件包含三个任务：节目选择任务、会晤控制任务、流控任务。节目选择任务完成节目的浏览、选择，并获得用户所选择的节目标识。会晤控制实现会晤和资源的建立、释放。流控任务完成各种流控操作。 1．节目选择

用户进入视频点播应用后，首先运行节目选择任务，机顶盒与VOD应用服务器进行通信，获得VOD应用所提供的节目清单，随后，机顶盒等待用户的选择。当用户选择了某个节目时，VOD应用服务器通过用户的操作了解到该用户选择了某个节目，然后将用户所选择的节目的标识发送给机顶盒。 2．会晤与资源管理

当机顶盒收到节目的标识后，会晤控制任务开始运行，机顶盒将发送建立会晤的请求，该请求中包含了机顶盒的标识、所在的网络位置、所选择的节目标识和会晤标识等信息。前端在收到请求后，与连接管理服务器进行通信，在获得响应后，前端向机顶盒发送客户会晤建立确认消息来确认本次会晤的建立，机顶盒在收到确认后，再向前端发送客户连接请求来进行会晤连接，前端将向用户端发送服务器连接指示。机顶盒收到的客户会晤建立确认消息

中包含用户所选择节目将要使用的QAM方式、频率、符号率、以及MPEG传输流的节目号。 3．流控操作

机顶盒在收到客户会晤建立确认后，将启动流控任务。机顶盒首先作好流控操作的准备。然后根据会晤建立所获得的频率、符号率、QAM模式以及节目号来调整调谐器、QAM解调器、MPEG解码器的参数，以正确地接收并解码所选择的节目。

五、结语

本文介绍了有线电视数字机顶盒的基本原理，并介绍了实现有线电视全功能数字机顶盒的两个关键技术：中间件和电缆调制解调器。在此基础上，本文重点介绍了广东环网公司推出的视频点播系统的基本原理、系统结构、以及GNI PARD有线电视全功能数字机顶盒中视频点播应用软件的实现。

视频点播是有线电视服务提供商最理想的服务方式，有线电视全功能数字机顶盒是实现视频点播应用最理想的客户端设备。目前，广东环网公司已完成了广东有线电视台的20000户视频点播系统的集成，并已经开始了全功能数字机顶盒批量生产。我们相信我国的机顶盒产业和视频点播的应用会蓬勃发展。