CATV机顶盒设计的原理与实现

1 引言

　　电视机顶盒（Set Top Box,STB）是模拟广播电视向数字广播电视过渡的最好解决方案。
将数字机顶盒与普通的模拟电视结合起来，就可以实现数字电视的功能。数字机顶盒可以把来自卫星、地面或有线的数字电视信号转换成模拟电视机能够接收的PAL/NTSC信号，亦可支持视频点播、互联网浏览等功能。目前具有实用开发价值的机顶盒可分为数字卫星接收（DVB-S）机顶盒和数字有线电视（DVB-C）机顶盒两种。

　　有线电视（CATV）网络具有覆盖范围广，频带资源丰富，建设成本低的优点，可以同时支持传统的模拟业务、新型的数字点播（VOD）和数据信息服务。我国目前还没有制定CATV数字电视广播标准，而是采用欧洲的DVB-C标准。本文介绍了采用DVB-C标准的有线电视机顶盒系统的设计原理及其解决方案。

2 设计原理及关键技术

　　有线电视机顶盒应该具备的主要功能有：接收数字广播信号（包括CATV上的音频、视频和资料信号）和视频点播。

　　数字数据流经过机顶盒各芯片完成解调、解复用、译码功能。其原理框图如图1所示。

2.1 数据的调制与解调技术

　　目前国际上数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术主要有：四相移相键控（QPSK）、多电平正交幅度调制（MQAM）、多电平残留边带调制（MVSB）和正交频分复用调制（OFDM）。在有线电视中主要采用MQAM调制方式。QAM调制是一种节省频带的数字调幅方法（16QAM的频谱利用率为4(bit/s)/Hz,64QAM的频谱利用率为6(bit/s)/Hz），有较高的信噪比。QAM调制方法在2400bit/s以上的中、高速调制中常被采用，广泛应用于有线电视的下行传输及HDTV的地面广播传输中。

2.2 加解扰技术

　　加解扰技术用于对数字节目进行加密解密，其基本原理是采用加扰控制字加密传输的方法，用户端利用IC卡解密。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中传送，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中还包括地址和用户授权信息，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（Smart Card）中。在用户端，机顶盒根据PMT和CAT表中的CAdescriptor，获得EMM和ECM的PID值，然后，从TS流中过滤出ECMs和EMMs，并通过Smart Card接口送给Smart Card。Smart Card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Smart Card接口送给解扰引擎，解扰引擎利用CW就可以将扰的传输流进行解扰。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，对有线电视台来说是实现技术的选择和一种竞争的环境。

　　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。从用户角度来讲，不会因购买哪一家CA的机顶盒而受到限制，用户还有选择其CA服务的可能性。

2.3 复用与解复用技术

　　整个复用过程可以描述为2个不同层次的复用。

　　·节目层复用：视频流、音频流和资料流通过复用器复用成一个节目的传送比特流。

　　·系统层复用：多个节目的传送位流通过复用器复用成系统比特流。

　　通过这两级复用所生成的都是标准的MPEG-2的TS码流。

　　解复用单元由专用处理器构成，负责对MPEG-2的TS流和成包基本码流（PES）进行解析，恢复音视频解码器所需的码流，同时负责对传输错误进行标识。传送系统使用了MPEG-2定义的固定长度为188个字节的传输流分组方式，这些分组是通过分组头中的分组标识（PID）来识别视频、音频或数据信息。传输流中包含一个或多个节目，每个节目是由一个或多个复用在一起的基本码流构成的。在单路节目传送复用时，组成节目的传送码流的PID信息、码流中传输的应用（如音频、视频等）标示符以及这些码流之间的关系等，由节目映射表（PMT）来表示。包含PMT的码流的PID号由在节目系统复用时定义的PID=0的系统级控制码流所携带的节目关联表（PAT）来给出。PMT和PAT都是属于包含节目及系统信息的节目特定信息（PSI）的一部分。解复用器利用PID=0的节目关联表（PAT）识别出携带所需节目映射表（PMT）的比特流的PID，然后从节目映射表（PMT）中获得构成节目的基本码流的PID号，通过设置解复用器中的过滤器，来接收所需节目的传送码流。音视频基本码流在传送层中是以分组的基本流（PES）的形式传送的，对所选节目进行PES解包后的压缩音频、视频流数据交送音频和视频解码单元处理。