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打开魔匣子-看看过渡时期的数字机顶盒
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数字机顶盒是在过渡时期用模拟电视机接收数字电视节目、提供综合信息业务的终端设备,它可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用,诸如:数字电视广播接收、数据广播、电子节目指南、准视频点播、视频点播、电子邮件、因特网接入以及IP电话等等。

    1.数字机顶盒的功能

    数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目,同时具有所有广播与交互式多媒体应用功能,主要包括:

    (1)电子节目指南

    电子节目指南(EPG)给用户提供一种容易使用、界面友好、可以快速访问想看节目的方式,用户可以看到一个或多个频道甚至所有频道上近期将播放的电视节目。同时,EPG可提供分类功能,帮助用户浏览和选择各种类型的节目。

    (2)高速数据广播

    高速数据广播能给用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网站等各种信息。

    (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传播下来,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)因特网接入和电子邮件

    数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方便地实现因特网接入功能,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,用PC机上网。

    (5)有条件接收

    有条件接收的核心是加扰和加密,数字机顶盒应具有解扰和解密功能。

    到目前之止,围绕数字机顶盒的数字视频、数字信息与交互式应用3大核心功能开发了多种增值业务。具体见表1。

    表1 数字机顶盒目前开发的增值业务

    项目内容

    基本业务模拟电视广播、FM广播;模拟付费(加扰) 电视

    数字视频卫星数字视频广播;地面数字视频广播;有线数字视频广播;MMDS数字视频广播;数字付费(加扰) 电视

    数字音频IP电话/传真;音乐点播;实时音频卡拉OK点播

    数字数据信息点播、数据广播;股市证券信息广播;图文电视;应用程序下载;远程数据库存流向;电子商务;家居银行

    交互式多媒体互联网接入服务;远程教育;远程医疗;网上购物;网上收费;电子广告;股市证券服务;网上音频视频广播业务;可视电话与电视会议;社区多功能服务

    2.数字机顶盒的分类

    目前,市场上的机顶盒基本上可划分为数字电视机顶盒、网络电视(WebTV)机顶盒和多媒体(Multimedia)机顶盒3类。

    数字电视机顶盒的主要功能是将接收下来的数字电视信号转换为模拟电视信号,使用户不用更换电视机就能收看数字电视节目,图像质量接近500线水平,但无上网功能。根据传输媒体的不同,数字电视机顶盒又分为卫星数字电视机顶盒(DVB-S)、地面数字电视机顶盒(DVB-T)和有线数字电视机顶盒(DVB-C)3种。

    (1)卫星数字电视机顶盒

    此类机顶盒又称为综合业务接收机(IRD),用来接收卫星数字电视广播节目。该类机顶盒在几年前就已商业化,有专业的IRD,也有家用的IRD。现在所看到的许多卫视节目都是有线电视台通过专业的IRD从卫星接收下来,再通过有线电视送入用户家中。家用的IRD在我国并不普及,但在国外具有较好的市场。该类机顶盒的主要功能是接收卫星数字电视广播,同时也支持数据广播、图文电视等应用。但由于它的传输介质是卫星信道,支持交互式应用比较困难。数字卫星机顶盒基本采用DVB-S标准。

    (2)地面数字电视机顶盒

    地面数字电视机顶盒的功能与卫星数字电视机顶盒类似,所不同的是传输介质由卫星信道变成了地面广播信道。该类机顶盒所使用的频率与有线电视频率相同,但由于这种无线信道的情况比有线电视网络复杂得多,它的信号传输技术与有线数字电视机顶盒有较大差别。目前,世界上有3种主要的数字电视地面广播标准:欧洲的DVB,美国的ATSC和日本的ISDB-T(综合业务数字广播) 系统的DTIB(数字地面电视广播)方案。DTIB实际上是DVB-T的变种,ATSC的接收设备称为DTV,DVB的接收设备称为标准数字电视。但在一个较短的时期内,DTV和标准数字电视不可能降到模拟电视的价位,还必须通过地面数字机顶盒将数字地面广播的节目显示在模拟电视机上。

    (3)有线数字电视机顶盒

    有线数字电视机顶盒的基本原理与卫星数字电视机顶盒、地面数字电视机顶盒相同,只是信号传输的介质是有线电视广播所采用的全电缆网络或光纤/同轴电缆混合网,但由于有线电视网络较好的传输质量以及电缆调制解调器技术的成熟,使得这类机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用,如数字电视广播接收、电子节目指南、准视频点播、按次付费观看、软件在线升级、数据广播、因特网接入、电子邮件、IP电话和视频点播等,被业界广泛看好。有线数字电视机顶盒基本采用DVB-C标准。

    网络电视机顶盒是在微软公司“维纳斯计划”和凯思公司的“女娲计划”的催化下产生的,主要功能是使我国现有3.2亿台模拟电视机用户通过PSTN(公众电话交换网)或双向CATV网实现因特网接入,收发电子邮件、游戏娱乐、网上学习等。

    多媒体机顶盒是对前两种机顶盒功能的综合,有时也称综合业务机顶盒或全功能数字机顶盒,它可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用,包括收看普通电视节目及数字加密电视节目、点播多媒体节目和信息、电子节目指南、收发电子邮件、因特网浏览、网上购物、远程教育等,其应用的条件是双向CATV网。

    根据机顶盒的软件及硬件配置,可以将机顶盒划分为3代(种):

    第一代机顶盒:配置电子节目指南,实现简单的应用,无中间件,有或无CA系统,一般无回传信道,所有应用程序都是基于嵌入式实时操作系统而编制的。

    第二代机顶盒:配置电子节目指南,可实现交互式应用,有中间件和CA系统,有或无回传信道,应用程序都是基于中间件而编制的。

    第三代机顶盒:配置电子节目指南,可实现高级交互式应用,采用全开放的MHP中间件,有CA系统,有或无回传信道,应用程序都是基于MHP中间件及Java语言而编制的。

    按机顶盒的技术性能可分为普及型、增强型及交互型数字机顶盒3种。普及型数字机顶盒可以有加密或没有加密,主要以接收基本的付费数字电视节目为主,有非常简单的中间件(内置式中间件)。普及型数字机顶盒满足大多数用户需求,并且具有良好的性能价格比,主要功能有:支持基本的数字音视频和数字音频广播接收;集成有条件接收系统;具有中文电子节目指南和二级以上字库;支持软件在线更新功能;支持复合视频(CVBS)输出,具有音频输出处理功能(单声道、立体声和双声道)。

    增强型数字机顶盒在普及型机顶盒基础上增加基本中间件软件系统,基本中间件可以实现数据信息浏览、准视频点播、实时股票接收等多种应用。增强型数字机顶盒已经超越了以观看数字电视为主的需求,增加了多种增值业务,且具有可升级性,价格容易被接受,对今后的应用发展、业务开发也没有限制。新增功能有:集成基本中间件系统;支持数据广播、实时股票等数据信息接收功能;支持NVOD点播功能;具有多种游戏;具有音频输出处理功能(单声道、立体声和双声道);具有Y/C、复合视频(CVBS)、Y/Cb/Cr输出(可选功能);具有逐行扫描输出(可选功能);可支持Modem电话拨号回传方式。

    交互型数字机顶盒是在增强型数字机顶盒的基础上增加CM和硬盘,支持MPEG-2媒体流处理,通过周围的网关可以和各户联网。交互型数字机顶盒集成了符合MHP标准的中间件软件系统,除提供增强型机顶盒的主要功能外,还可以基于MHP提供交互式应用、网页信息浏览等多种增值业务。

    交互型数字机顶盒价格比较高,另外,前端需要很多的开发投入,比方说,如果使用CM,双向网络的改造投入相当大;如果要网上购物,让信用卡在机顶盒上马上结算的话,前端要和银行连接起来;如果在机顶盒上用IP电话打长途,前端系统就要和电信局的交换机连接起来,需要做很多工作,如建立用户的数据库等,目前这方面的核心技术只掌握在国际上两三家公司的手中。交互型数字机顶盒新增功能有:集成MHP中间件系统;支持交互式应用,如:视频点播、互动游戏、网上冲浪等。

    国家广播电影电视总局明确了《关于我国现阶段有线电视综合业务用户终端的意见》(简称《意见》)。《意见》首先规定了数字CATV-STB有关DTV部分应考虑将来在两方面的可扩展性:一是在信道解调方面,从DTV-CATV的QAM(正交调幅)解调,扩展到支持卫星DTV的QPSK(正交四相相移键控)和地面DTV(由相应国家标准确定的信道编码和调制方式)的解调;二是在信道解码方面,从支持SDTV(标准清晰度电视)到HDTV(高清晰度电视)的解码;其次进一步规范了数字CATV-STB的接口协议,必须满足“TS 102 201 DVB IRD的DVB-IRD(接口技术规范)”的规定。主要处理接口包括:①在VHF/UHF波段的射频输入/输出接口;②CM接口,包括PSIN(公共交换电信网)或CATV,SMATV(卫星共用天线电视)接口;③视频信号输出接口;④音频信号输出接口;⑤数据信号输出接口;⑥控制信号的物理接口;⑦可拆卸的条件模块的接口。

    《意见》在数字DATV-STB的结构和业务部分中强调:数字CATV-STB应采用开放式结构,不搞自我独立封闭的体系,应遵循国家、行业标准,并参考公认的国际先进标准,保证厂家同类产品的相互兼容;数字DATV-STB可以接收模拟电视、DTV和加密DTV,进行VOD或NVOD和收发数据信息(如电子银行、电子商务、因特网浏览、网络购物、远程教育和电子邮件的收发等)。

    3.数字机顶盒的关键技术

    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、数字压缩编码、加解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术的发展水平。目前数字机顶盒的关键技术主要有:

    (1)信道解调技术

    国际、国内标准对各种数字电视标准的调制方式均有规定,如,在有线网络中传输数字电视及增值业务采用QAM调制方式,其中16QAM,32QAM,64QAM必选,128QAM和256QAM可选。由于有线网络信道质量好,只用RS编码作为纠错编码。

    (2)信源解码技术

    模拟信号数字化后,信息量激增,必须采用相应的数据压缩标准。数字电视广播采用MPEG-2视频压缩标准,适用多种清晰度图像质量。音频目前有AC-3和MPEG-2两种标准。信源解码器必须适应不同编码策略,正确还原原始音视频数据。

    (3)大规模集成芯片技术

    为实现实时的解复用和数据信息处理,目前的系统大多采用专用芯片,将CPU内核与MPEG-2传输流解复用器、DVB通用解扰器、MPEG-2音视频解码器、NTSC/PAL编码器集成,形成机顶盒STB的核心芯片。

    (4)嵌入式系统技术

    数字机顶盒是一个软实时嵌入系统,是嵌入式系统在信息家电方面的典型应用。顾名思义,嵌入式系统是镶嵌在其他设备中的系统,它是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输处理技术,甚至传感器技术与具体应用对象相结合的产物,是技术密集、投资强度大、高度分散不断创新的知识密集型系统,反映当代最新科技的先进水平。

    一般来说,嵌入式系统由嵌入式芯片、嵌入式软件、嵌入式操作系统及嵌入式系统开发工具4部分组成。嵌入式芯片包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器以及嵌入式片上系统,随着RISC计算机技术和微电子技术的迅速发展,嵌入式芯片功能越来越强,体积越来越小。

    (5)信号处理技术

    我国的CATV网络是以同轴电缆入户,而且数字电视机现在还未普及,目前使用最广泛的仍然是模拟电视机。要从CATV网络提取所选择的数字视频信号,并在模拟电视机上进行播放,数字机顶盒必须进行信号处理。首先对来自电缆的高频信号进行调谐,得到带宽为8 MHz,调制于7.5 MHz的中频正交幅度调制信号,将中频信号数字化、QAM解调后供给信道解码部分完成信道的前向纠错解码。信道解码部分对送来的数据进行符号映射、差分解码、去交织、RS解码及去能量扩散后,再经过解扰解密,得到MPEG-2传输流(TS)。解复用器按照一定的规则或根据用户的要求,从包含多路节目的TS流中选取一路节目进行MPEG-2解码,得到重建的视频和音频数据,再经过NTSC/ PAL/SECAM视频信号编码以及音频信号的D/A转换以后,就可以送入模拟电视机了。大多数机顶盒还会加上图文屏幕显示(OSD)功能。控制子系统负责对各个部分进行初始化、配置和事件处理,控制各部分的实际工作。现在已经有了完成上述功能的器件或芯片组,也有的把多种功能集成到了一个芯片上。例如科胜讯的CX22490芯片组,包括Cable Modem、硅调谐器、解调器、电视编码芯片和模拟调制解调器。

    (6)有条件接收技术

    有条件接收是指允许用户端接收机在满足一定的接收要求的条件下,接收特定的视频节目,由于用户占用专用的频道资源接受视频服务器的服务,所以要实行有条件接收,这是付费电视业务的关键。现在CATV网络中采用的MPEG-2标准,包括了识别和传送条件接收信息的方式,但它没有定义条件接收信息的格式和对信号进行解码的方法。实现有条件接收,不但要有技术保障,还要最大限度满足商业可行性,而商业上主要考虑的问题是要有开放式编码和传输的国际标准,以实现有偿电视业务,进而实现VOD业务。

    (7)机顶盒上行信道的实现

    开展交互式应用,需要考虑上行数据的调制编码问题,目前普遍采用电话线、以太网卡及有线电视网络3种方式来传送上行数据。

    在CATV网络中,5~65 MHz是分配给上行信道的,用于上行传送用户端的信息。为了提高传输效率,需要采用抗干扰能力强的QPSK进行数字调制。有线电视网的双向传输基本上有频分、时分和空分复用3种形式。但我国现有的有线电视网基本上是一种单向广播树型结构,它采用同轴电缆作为传输介质,用放大器来延长传输距离。而HFC双向网络要求使用双向放大器、双向光节点,前端增加话音和数据通信设备,用户端增加相应接收设备。

    4.数字机顶盒在我国的应用

    数字机顶盒在我国的应用是从1995年11月30日接收中央电视台4套数字压缩加扰收费电视节目开始,随后各省、市、自治区电视台也采用数字压缩方式利用卫星传输,各地有线电视台利用卫星数字电视接收机接收转播。1999年1月1日开始实施“村村通广播电视”工程,卫星数字电视接收机普及较快,但根据我国国情,卫星数字电视节目暂不准个人接收,到2005年,我国直播卫星开通后,卫星数字电视接收机将会得到普及。

    有线数字电视4个环节中前3个环节——节目制作、信号发射、信号传输都已实现了数字化,剩下要解决的是用户接收数字电视这一环了。而实现终端接收数字电视的关键,就是在模拟电视机上安装数字机顶盒,因此数字机顶盒是实现有线电视数字化的标志,换言之,数字机顶盒是实现“有线电视向数字化整体平移”战略的跳板。对于有线电视网络运营服务商来说,也只能通过数字机顶盒的推广入户,才能打开数字电视的大门,使数字电视产业链的形成及有线电视由粗放型经营向集约化经营转变成为可能。

    按照广电总局“十五”计划,2005年要实现有线数字电视用户超过3 000万,这意味着至少要推出3 000万个数字机顶盒。据2003年12月7日《电子报》报道,全国41个有线数字电视试点城市到2003年10月止总共才发展20多万户,离2003年年底全国发展100万数字机顶盒用户的目标十分遥远。

    目前各地在推销数字机顶盒方面,主要有以下3种形式:

    (1)直接销售。现在低档的数字机顶盒成本在600~1 200元左右,加上一年的收视费,一次性缴费将超过1 600元,费用较高。

    (2)出租机顶盒。用户预先缴纳一定的押金,然后每月缴一定的租金。这种方式使运营商的资金压力将十分巨大,机顶盒的成本和银行的利息必须由运营商首先支付,短时间可能没问题,时间一长运营商承受困难。这种方式相对来说对用户有利。

    (3)送机顶盒。预缴初装费和一年的信息费,总额应是机顶盒价格的80%~100%,与用户签订一份协议书,强调用户必须连续使用机顶盒3年以上,机顶盒才归用户所有,否则机顶盒还归运营商所有。

    为了推广数字机顶盒,信息产业部产品司光电处处长、中国视像行业协会秘书长白为民2003年7月透露了一个重要的信息,即数字电视将实现“机卡分离”政策,而目前在推广数字电视时仍是“机卡合一”的,“机”即“机顶盒”,“卡”则是指含有数字电视计费系统的卡。由于目前各地的数字电视接收条件不一,各地的机顶盒不能兼容,使制造企业难以实现机顶盒的规模化生产。信息产业部提出“机卡分离”,数字机顶盒在全国统一销售,老百姓要入哪个网再买那里的卡。这样,企业可以实现规模生产,消费者也可以买到更实惠的数字机顶盒。



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日期:2004/4/21

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