有线数据广播标准及原理


摘要:本文介绍有线数据广播的有关标准,对有线数据广播的传输、加密、信息服务、机顶盒技术原理作深入探讨,提出数据广播在视频、音频、数据信息等方面的具体应用,并展望有线数据广播的发展。

关键词:标准 数字广播DVB 服务信息 机顶盒 条件接受

  我国大规模发展有线电视是在90年代初,发展速度非常快,到目前已发展到8000万用户,预计到本世纪末,将达到1亿用户。上海有线网的建设从1993年开始,5年多的发展,已达250万户,成为全球有线第一大网。从规模上讲,有线网络取得了巨大的成功,但是,从传输技术上看,没有大的突破。采用模拟传输,提供的业务范围主要是视频服务。数字卫星直播电视的播出,INTERNET网的兴起,对有线网的冲击很大。在美国,短短几年,10%的有线用户转向卫星直播电视。美国已开始了数字电视的广播,到2005年将全部改成数字广播。澳大利亚近日宣布,2001年开始数字电视广播。数字化时代已经到来,有线传输、广播技术必须跟上,有线数据广播正是顺应这一潮流的产物。

所谓有线数据广播是利用HFC网络媒体进行数字化的视频、音频、数据广播。有如下特征:

1.传输媒体是HFC宽带网,带宽一般在750M以上,最高达1G。
2.传输的信息是数字化的信息,区别于传统HFC上传输的模拟信号。采用数字化传输具有模拟传输不具备的优势,在一个8MHz的频道中,采用64QAM调制,可以传送8-9套经过MPEG-2压缩过的视频节目。这样,大大增加了频道资源,增强了有线电视与卫星直播电视的竞争力。
3.图象质量好于模拟电视。从两个方面可以看出,一方面数据广播采用MPEG-2编码,模拟电视的图象质量仅相当于MPEG-1。另一方面,传输过程中,数字信号抗干扰能力好于模拟信号。
4.采用数字传输,可以利用条件接受系统,提供特殊信息的有偿服务。公共信息只受月租费,特殊信息,如股评、交通信息、时装信息等可以收费。采用CA(条件接受系统),对特定的业务、组合业务可根据用户的需求设定授权或不授权;
5.信息不再限制在传统的视频节目,可以开设音频、多媒体数据业务。特别是数据信息业务是一个新业务,传统的无线电视利用逆程传输数据,一般带宽较窄,只有几十K,无法满足多媒体数据传输的需要。

  由上可知,数字广播与传统的电视传输技术、经营有较大的差别,本文从数据广播标准、原理及应用三个方面进行阐述。

一、有线广播标准介绍

  数字广播的的标准很多,与有线数字广播密切相关的有MPEG-2、DVB、DAVIC、ASTC等标准。其中,MPEG-2已被国际标准化组织录用为国际标准,DVB、DAVIC是欧洲标准,ASTC是北美标准。也就是说,数据广播标准分为两大阵营。我国广播标准基本上是延用欧洲标准,因此,本文主要介绍欧洲标准。

1.1MPEG-2标准

  MPEG即活动图象专家组(Moving Picture Expert Group), 是国际标准化组织IEC/JTC1/SC2/WG11的一个小组,成立于1988年,1993年指定出MPEG-1标准(ISO 11172),广泛应用于VCD视频光盘,1994制定出MPEG-2标准(ISO13818),DVD采用MPEG-2标准。
MPEG-1的码速率为1.5Mbps,图象质量略高于家用录像VHS图象质量,MPEG-2的码速率为4-10Mbps,图象质量接近演播室图象质量,是DVB、ASTC采用的图象压缩标准。
MPEG-2标准由三个标准组成:

1.ISO/IEC IS 13818-1(1995):运动图象与其相关声音的编码-第1部分:系统
2.ISO/IEC IS 13818-2(1994):运动图象与其相关声音的编码-第2部分:图象
3.ISO/IEC IS 13818-3(1995):运动图象与其相关声音的编码-第3部分:声音

  视频数据、音频数据按ISO/IEC13818-2、ISO/IEC13818-3进行编码压缩,经打包器形成包基本码流,与节目、条件接受等信息一同进入复用器。MPEG流分为传送流TS和节目流PS,TS用于有错误的环境,其分组长度为188字节。PS流用于错误较少的环境,如交互式多媒体业务,长度是可变的。

  MPEG-2被DVB、DAVIC、ASTC采纳为压缩编码标准,但不是广播标准,因此,不详细讨论。

1.2视频广播标准DVB

  DVB组织成立于1993年,DVB组织的目标是建立基于电视业务MPEG-2应用的统一框架,通过此框架,电视工业的数字设备供应商可以实现标准化和兼容性。DVB组织由25个国家200多个成员组成, 提供以市场为引导的系统框架,满足电子消费及广播工业的实际需要。该组织提供的一系列标准得到广播界的广泛接受。

DVB提供的标准涉及到有线、地面广播、卫星等领域,与有线网密切相关的有如下标准:

ETS 300 429 有线电视系统的信道编码和调制
ETS 300 468 服务信息(SI)
ETS 300 472 ITU-R 图文系统B的传输
ETS 300 743 字幕系统
ETR 154 MPEG-2 实施指南
ETR 162 SI 用法指南
ETR 289 通用加扰系统
EN 50083 有线电视前端传送码流接口
PRTS 101 192 数据广播有关规定
PRTR 101 202 数据广播实施指南
(注:ETS指欧洲电信标准)

  上述有线数据广播中最要的标准是ETS 300 429、ETS 300 468、ETR 289。ETS 300 429将有线系统分成功能块,把基带信号进行随机化、编码、交织、位变换、编码等过程。
ETS 300 468在MPEG-2 PSI 表PAT、PMT、NIT、CAT的基础上,描述了与广播系统有关的SI,主要有信束关联表、服务描述表、事件表、运行状态表、时间表、填充表,用于描述提供的服务、发生的事件、网络运行的状态、时间信息,接受端根据这些信息形成电子节目指南、产生定时信号、获取网络信息。

  ETR 289规定了数字广播通用加扰、条件接受的规则。所谓条件接受就是对特定的业务、业务组合对用户进行授权。这一标准仅规定流程及通用接口,没有规定具体的算法。也就是说,各电视经营者采用的算法可以不一样。这样做,有效地保护电视台的利益,但也带来了相互不兼容的问题。用户如需要看多家电视台的加密节目,势必购买多个IC卡。其中一个解决办法,远地的电视节目由本地的电视台购买播放权后,在本地播放。

1.3数字多媒体应用标准DAVIC标准

  DAVIC(数字音频视频理事会)成立于1994年,目的在于在MPEG-2、DVB、ATM FORUM、MHEG等标准的基础上,使用已有的国际的、区域的、企业的标准,使这些标准统一在一个体系中,提供交互式多媒体应用标准。DAVIC拥有全球200多个成员,包括SAMSUN  、PHILIPH、SUN、ALCATE、GI等公司。DAVIC实际上是一个有关视频、音频、数据双向应用标准,其原理如下:
DAVIC标准拟提供如下应用:
视频点播(Video On Demand)
远程购物(TeleshopPINg)
准视频点播(Near Video On Demand)
广播(Broadcast)
带回传或不回传通道的增强型广播
机顶盒访问INTERNET
游戏
电子商务
到目前为止,DAVIC已出版4个标准:
1996.1 DAVIC 1.0
1996.9 DAVIC 1.1
Wireless CATV
Internet 访问
电缆调制
虚拟机器JAVA 实现
1996.12 DAVIC 1.2
实现完整INTERNET 业务
加扰,加密,授权的实现
家庭网络IEEE1394
高质量视频、音频的实现
移动多媒体业务
1997.9 DAVIC 1. 3
增强型数字交互广播
服务及网络管理
支持MHEG/JAVA

与机顶盒密切相关的技术主要是DAVIC API及DSM-CC:

  DAVIC 应用程序接口基于MGEH(多媒体/超媒体专家组)。MHGE标准是一个针对多媒体/超媒体应用的国际标准,包括ISO/IEC13522-1、13522-3、13522-4、13522-5 、13522-6五个标准。MHEG应用了对象的概念,不仅一般的各种媒体是对象,而且交互式菜单、按钮也是对象。

  DSM-CC协议是一个特殊的应用协议,用来提供在数字存储媒体上管理ITU-T R .H.222.0|ISO/IEC 13118-1比特流所的基本控制函数和操作。DSM-CC是在网络层之上,应用层之下的低层次协议。DSM-CC(数字存储媒体-指令及控制是MPEG-2)标准的一部分,可在一个机顶盒内处理传送流中的多个对象,好象本地与内存、外存交互一样。

1.4ATSC及ATVEF标准

  ATSC是美国高清晰度HDTV标准,最早由日本电视界提出,以模拟电视的高清晰度研制为主。美国则是全数字式的,其底层标准也采用MPEG-2标准,其余标准类似于DVB标准,如SI、CA等。ATSC标准主要用在北美及东南亚地区,DVB标准主要用在欧洲。
ATVEF是美国数家公司如CNN、INTEL、TCL联合成立的组织,成立于1995年。目前,第一版已经出台,定义了基于HTML的电视节目的应用,但这一标准并未涉及整个系统的构成,相应的标准估计到1999年出台。

1.5数字广播标准层次图

  从上面介绍可以看出,数字广播的标准很多,主要有两大阵营,美洲阵营、欧洲阵营,我国以往的广播标准大多数是采用欧洲标准,数字广播标准到目前没有发布。

二.有线数字广播原理

  与有线数字广播密切相关的标准是DVB-C、DVC-SI、DVB-CA。DVB-C关于有线系统的帧结构、信道编码及其调制技术,DVB-CA与用户授权、付费电视、加解扰有关,DVB-SI提供有关节目菜单、网络信息、时间的信息,机顶盒技术DVB 标准中没有规定。机顶盒一种从模拟向数字的过渡方案,与提供的服务、性能、功能有关,是目前最常用的用户接入设备,这一节也进行探讨。

2.1有线系统前端与接受原理

  有线系统前端与接收原理图如下:

2.1.1基带接口与同步

  该单元将数据结构与信号源格式适配,帧结构与包括同步字节的MPEG-2传送层一致。

2.1.2 SYNC1变换和随机化

  减少连1码(或0)以保证定时恢复是数字基带信号传输的重要问题。将二进制数字信息先做随机化,变为伪随机序列,可以减少连码的出现。这种随机化是有规律的,接收端根据同样的随机算法将信息还原。响应的过程也被称之为扰码和解扰。
DVB-C随机算法是1+X14+X15,经过这一过程处理的二进制序列周期长度为215-1,产生的序列近似随机化序列。

2.1.2 编码RS

  编码采用里德-索洛蒙编码,是一种二进制编码,在MPEG188个包后加上16个奇偶校验字节,8个错误字节可以纠正,码字为(204,188)。
码生成多项式:g(x)=(x+ λ0)(x+λ1)…(x+λ15) 其中λ=02HEX
域生成多项式为:p(x)=x8+x4+x3+x2+1
纠t个符号的RS码有如下参数:
码长 n=2m-1 个符号
信息段 k个符号
监督段 n-k=2t符号
最小码距 d =2t+1符号
方法:在实现RS编码时,应在TS包前加上51个字节0,然后输入RS(255,255)编码器,在完成编码操作时,再去掉这些这些字节。

2.1.3卷积交织

  在通信由于外界因素的干扰,常常回出现突发性干扰,产生突发性错误。突发性错误误码一般比较长,通常纠错码不能提供的纠位数纠错。防止突发性错误一般有两种方法:一种是采用交织码,另一种采用纠错码。交织码一般也有两种方法:一种是矩阵行列转置法,将能纠正T个随机错误的码作为行码,I行组成一个矩阵,这样可以纠正T个突发长度为I的错误。另一种是卷积交织码,这种方法基于Forney的方法。交织器由I=12个分支组成,由输入开关轮流接通输入的字节。这样,在前端由复用器将输入流传输次序打乱,经有干扰的信道传输到达接受端后由去扰器将次序恢复,从而达到抗干扰的能力。
每个分支器都有一个长度为Mj字位的FIFO移位寄存器,其中,M=17,1≦ j≦17。

2.1.4 QAM调制

  正交幅度调制(QAM)用在通信中称为正交幅度键控调制,调制效率好于其它调治方法。DVB-C采用QAM调制,至少要支持64QAM调制。经64QAM调制,在一个模拟频道上,码率为8MHz/1.15(1.15为滚降因子,调制效率6bit/band,可调制出速率6.9*6=41.4Mbps ,除去开销,信道净速率为38.8Mbps。

2.2 DVB-SI原理

  DVB的SI(服务信息)提供目标解码器所必须的信息以及为私有数据的传输提供手段。在MPEG-2标准中称为节目专用信息(PSI),DVB标准称之为SI。PSI数据在复用器上提供目标解码器解复用以及解不同节目流自动配置的信息。PSI由四个表组成:

1)节目关联表(PAT):对于复用器内的每个服务,PAT指出相应节目映射表(PMT)的位 置(指TS流的PID值),同时,给出网络信息表(NIT)的位置,PID=0;
2)条件接收表(Conditional Access Table):CAT表提供授权信息,信息是私有的,依赖于具体的系统,包含了EMM(授权管理信息)的位置,PID=1;
3)节目映射表(Program Map Table):指出每一个业务流以及对应于每个业务节目参考时钟的位置;
4)网络信息表(Network Information Table):提供物理网络的信息,PID=10;目标解码器根据用户的节目选择从PSI流中获取码流,其原理如下:

  除了PSI信息,需要提供目标解码器有关服务和事件的信息。PSI仅提供本复用器的信息,SI除此之外还提供其他复用器的信息,以及其他网络的服务及事件信息。这些数据主要由六个表组成:

1)信束关联表(Bouquet Association Table):所谓信束指一组业务的集合,作为市场运行的一个实体,如同栏目。提供栏目的名称以及每一栏目的服务列表;
2)服务描述表(Service Description Table):描述服务的名字、服务提供商等;
3)事件信息表(Event Information Table):提供有关事件的名称、起始时间、持续时间;
4)运行状态表(Running Status Table):提供事件的运行状态,这个信息是经常改变的;
5)时间日期表(Time and Date Table):提供时间及日期信息,这个信息也是周期性更改的;
6)时间偏移表(Time Offset Table):给出时间的偏移信息;
7)填充表(Stuffing table):用于段的空白部分的填充字节,段的概念在后面解释;
表在插入TS流之前须映射成段(sections),段的长度不超过1024个字节(除了NIT)。表映射成段时,如有空位不足填一个段时,要用填充字节来填,一般为“FF”。
段有相同的数据结构:

1)table_id:标识段所在的表
2)table_id_extention
3)section_number:按顺序编号
4)version_number:用于更新信息没有变化时,表示版本号;
5)Current_next_number
表的PID为16位,其PID值如下:
从上表可以看出,表的PID值有的是相同,但是table_id没有相同的。

2.13 条件接受原理

条件接收流程如下:
1)前端在控制字CW控制下加扰收费节目,具体算法不确定;
2)控制字CW也经加扰生成ECM信息;
3)用户管理系统及节目管理收费信息经用户授权系统生成EMM信息,加入复用器;
4)目标解码器由IC卡提供的用户信息以及从码流中获取EMM的信息解开CW,在ECM算法的控制下解扰选择的信息;

  条件接受的难点在于各家采用的CA系统可能不同,导致各家的接入部分不兼容。用户希望看到不同电视经营者的收费电视,用户需要买多个IC卡甚至多个机顶盒。常用的办法是,本地电视经营者买下其他经营者的播放权,再用本地加密系统加密。如果有多个本地经营者,采用不用的CA系统,下面的办法可以解决这个问题:

1)解密算法由前端通过网络下传,加密算法用用户的密钥加密。这样,机顶盒上根据用户密码解开加密算法,从而,不同的电视经营者使用不同的加密算法,避免了不兼容的问题。
2)采用公共接口规范。有了公共接口以后,不同的条件接受接受系统可以使用各自的条件模块与公共接口相接。这样,由于多了公共接口算法,成本提高了,因此,推广不是很好。

  DVB-CA没有规定具体的加密算法,各个国家甚至各个电视经营者使用不同的加密算法。这样,一方面提供灵活性,另一方面,有效保护了版权。有两种加密方式:

1)序列加密:基于移位寄存器原理,对二进位逐位加密的办法。一个16bit的生成多项式可以生成2 16-1个有限域的多项式,多项式是16位0、 1序列的一种表达形式而已。这16位可以连续生成2 16-1个二进制数,这些数不会重复,将这个2 16-1长的序列与明文相加,得到加密密文。在这个加密方法中,生成多项式是加密算法,移位寄存器的初值是密钥。这种算法中,多项式的次数越高,伪随机性能越好,序列周期越长,算法开销越大。在广播中,16次生成多项式的安全性能可以满足需要。

2)分组加密:是一种依赖于算法难度的加密体制。将信息分成固定长度的分组,每组用复杂算法加密。为提高安全性,分组之间可以进行交错。这种算法又分为两类:

对称加密:加密钥匙与解密算法相同,有如下缺点:

信息容易泄密、钥匙更换困难、发放key困难。加密原理:

  IDEA(IDEA(x,k),k)=x,IDEA为算法,K为key,X为明文信息。最著名的对称加密算法是DES,目前我国使用的是64位,再高于64位算法由于版权无法获得。
非对称加密:加密KEY与解密KEY不一样,有一对钥匙,称为公钥和私钥,发信人从公共场所获得收信人的公共钥匙,用公共钥匙加密后发布,只有具有私钥的人才能打开,其他人即使收到密文也无法解密。

原理:P()公钥,S()私钥,SP(X)=PS(X)=X
最有代表性的非对称加密算法是RSA,RSA是三个发明人名字的缩写,以大素数的难分解性为基础,具体算法:

1)设计密钥
选择两个充分大(取决于具体应用安全的要求)的素数P和Q,r=P×Q, z=(P-1)×(Q-1)找两个整数d、e,使其满足:gcd(d,z)=1, e ×d o 1(mod z),则(e,r)就是公开密钥,(d,r)为私有密钥;
2)形成密文:把要求发送的密文M数字化、分块、加密:
C o M e(mod r)
3)解密密文:对C解密
M o C d(mod r)
结论:由于分组加密算法较为复杂,开销大,无疑增加STB成本,可以用分组算法下传序列加密算法,收费信息由序列加密算法。

2.4机顶盒原理

  机顶盒具有视音频播放功能的图形用户终端设备,支持MPEG-2协议,一般由解调器、去多路复用器、解扰器、解码器、CPU、MPEG-2解码器等组成,

机顶盒设计有如下特点:
1)芯片应具有处理多媒体数据的能力;
2)OS容量不宜太大,一般在几十K;
3)初期可以不用IC卡,而用将缴费信息储存在EEPROM中的办法减少机顶盒的成本;
4)应用程序设计成可下载,灵活使用;
5)应用程序选用HTML或MHEG;

  DAVIC规定用MHEG语言,资源消耗小,适合小容量STB使用,但实现较为复杂,目前,没有厂家采用这家语言。HTML消耗资源较大,交互性由C/S方式实现。一般有两种方法实现:
1)将有关超连接数据下载,机顶盒与本地内存交互;
2)直接与码流交互,使用特别的方法解决超连接问题。

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