章国华 杭州市有线广播电视网络中心高级工程师
[提要]本文详细地阐述了如何利用有线电视网络构建数字电视DVB—C平台
由于数字电视技术具有众所周知的强大优越性，近年来，电视数字化的进程明显加快，模拟信号向数字信号过渡全面展开。它将引发一场信息技术革命，推动国家相关产业的升级换代，并带动其它基础产业（系统和整机、专用集成电路和芯片、关键部器件，特别是显示器件等）和相应的软件产业及系统集成（如嵌入式操作系统、中间件和应用软件等）的健康发展。
1 DVB—C平台的系统结构
DVB—C（Digital Video Broadcast—Cable）即有线数字视频广播，它是由前端系统、网络系统、用户终端三大部分组成，其中，前端系统是整个有线数字电视系统的核心，网络是系统的基础平台，用户终端是实现最终的结果。
其系统结构如图1所示。
图
系统结构图
2 前端系统
前端系统是有线电视网络的信息源、交换中心，常被业界誉为“心脏”，其地位和作用是不言而喻的，而今天的数字电视前端包含的内容却更加广泛。数字电视的前端系统一般由数字卫星接收机、视频服务器、编解码器、复用器、QAM调制器、各种管理服务器以及控制网络部分等设备组成。数字电视前端系统一般可分为四个主要部分，即信号输入部分、信号处理部分、信号输出部分和系统管理部分，每一个部分都有其特定的功能，最终组成完整的数字电视前端。
2．1 信号输入部分
数字有线电视前端的输入部分，接收来自不同网络的许多节目，如卫星、开路接收等各种接入方式，也有的是本地的模拟电视节目经编码压缩以及视频服务器形成的。所以信号输入端接收设备的种类要比输出端调制设备的种类多。而且，它们接收传输信号的格式和控制方式不相同。应将它们转换为统一的格式送入信号处理部分。
为提高数字电视信号的质量和可靠性，数字有线电视前端设备的选型非常重要。通常应考虑如下几个问题：在选择地面站卫星接收天线时应注意，所选择的卫星天线一定要满足卫星天线电视接收技术文件中关于天线的要求，要有良好的机械性能，天线口径可根据实际情况具体确定，如果条件允许，口径尽可能大一些。高频头要选择本振频率稳定，噪声温度指标值低的产品，如 Ku波段要在 0.7 dB以下。同时，根据需要也可选择双极化、双输出的高频头。
数字卫星接收应选用带ASI标准基带数字信号传输接口的综合IRD（符合MPEG-2／DVB标准）数字卫星接收机。这就保证了与各种设备之间，以及与其它公司的设备之间的相互连接性。如“巴可公司”的数字卫星接收。
视频服务器主要有存储系统和建立在这之上的各种控制器管理系统组成，其目的是实现压缩媒体数据的存储以及按请求进行媒体信息的检索和传输。视频服务器与传统的数据服务器在很多方面有显著不同，需要解决许多问题，来支持各种功能的实现。
2.2 信号处理部分
信号处理部分包括：解扰、复用、SI处理等，它是数字前端的核心。在这部分主要完成的是对所有节目进行解扰、截取、复用等处理。服务信息随时更新，以保证正确地引导机顶盒的正常工作，并且所有的应用数据均能正确地插入。在模拟前端中，若要增加一套节目上，只需简单地将一台接收机与一个调制器相连接就可以了；在数字前端中，增加一套节目是以虚拟方式进行的，该节目是被加到某个复用器中，至于在整个通路中的什么地方加入的并不重要，机顶盒会自动地用每个传输流的SI服务信息找到它。另外，信号处理部分的管理，必须采用集成的管理系统，在所有的前端处理部分，均以ASI作为标准接口，这样以后就能容易地增加任何厂商所提供的设备，具有良好的兼容性。
传输流解扰器可以是基于嵌入的内置解扰，也可以是开放标准的，像DVB的公共界面（CI）或美国的Open Cable标准。在这两种标准中，那些与某种CA系统有关的特定因素都与机顶盒的合用部分无关，而是放在可插／取的PCMPIA卡上。这种TS解扰技术的最大优点是，能很容易改变CA系统，并无须变换完全的解扰设备。如果将这种TS解扰器做成一个带有ASI输入、输出接口的小插件，可以方便地把它插到前端的任何接收设备中去。
在数字前端，备份是必要的。因为在模拟系统中， 一个设备仅接一套节目，如一个调制器处理一套节目。而数字电视的设备均工作在传输流这一层，这就涉及到与几套节目的关系；另一个原因是数字系统最终要提供更多的收费服务，如PPV。系统中的故障直接影响到用户的收费，因此系统的备份很必要。一般在数字电视系统中的备份可按所接收节目的重要性来考虑。重要的部份可以采用1：1自动切换的热备份。其它部位可用n：1自动切换备份满足系统的可靠性。这样既满足了系统备份的要求，又节约系统的投资成本。
复用是数字前端中的一个重要组成部分。它将所有接收到的信号以多个ASI传输流的方式加到复用器的输入，你所需要的节目与不需要的节目可能是在一个TS传输流里面。首先将所需要的节目从传输流中提取，然后再将提取的所有节目建立一个新的TS传输流，再加上附加信息以便引导机顶盒的正常接收和解码。复用处理应该可以重新组织与更新他所取得节目的服务信息（SI）。在输入传输流处理之前，要检查与分析TS传输流误码率，并记录下来，加以纠正，以免继续传播到用户的机顶盒上去。同时对所有传输流的成分测量其比特率，从而保证既充分利用比特率，又不超过输出的最大比特率。复用的另一重要特点是，能让输出传输流自动跟随输入信号的诸多变化，及时地将这些变化反映到输出的传输流中去。
服务信息SI表与节目特定信息PSI表对机顶盒正常工作是很关键的，那些仅与它们所在的传输流有关的表称为“现行表”，复用器重建传输流时对“现行表”进行实时处理，而那些在同一网络中有关其它传输流信息的表，则必须由其它设备处理，同时这些设备应能与系统中所有的复用器进行通信。只有这样，所有的表才能在所有的传输流中保持一致。另外，EPG发生器也很重要、用该发生器可以建立与排序那些EPG（电子节目表）所需数据的表。它对机顶盒的使用必不可少的。
2.3 系统管理部分
各种管理服务器主要完成一些用户信息管理和计费工作，以及影视材料的管理工作和安全保密等，控制网络部分主要完成各种服务器中的各种信息传递工作及后台的影视材料和数据的交换。在进入数字前端输出部分前的最后处理是“加扰授权”，而加扰器的工作是与CA系统密切相关的，加扰器应可支持现在市场上的主要CA系统并基于开放性标准的，传输流的输入与输出采用ASI口，它的设计是基于DVB的“同密”标准的。用“同密”标准，就可以在同一个传输流中，使用两种或两种以上不同的CA系统，这一特点能使系统管理很方便增加新的和停用旧的CA系统。在系统保持原有的功能下，可增加许多采用其它CA系统的新的机顶盒。
系统管理必须能实时地了解前端输入和输出的工作状态．能够监视输入信号和输出信号及所需节目的有无和质量。所有的设备之间都是用DVB—ASI作为基带数字信号传输的连接，并可使用任何基于SNMP的管理系统。对于CA有关的功能，应采用公共界面和DVB同密标准。
2．4 信号输出部分
前面讲了前端系统是整个有线数字电视系统的核心，而调制器是前端系统核心的重要组成部分。信号输出部分得到已经处理的信息后，把它变成传输网络所需的信号格式，典型的64QAM调制器用于有线电视网。
在调制器的使用中，对输出电平和频率的设置调试非常重要。
（1）调制器的输出电平调整
在整个有线电视前端系统的信号输出部分，模拟信号和数字信号是混台输出的。由于它们的调制方式不同，因此，它们的输出电平的标准也不同。我们知道模拟电视的载波调制是VSB，即残留单边带调幅制；而数字有线电视的64QAM调制，具有类似双边带的特征，它们的峰值功率和平均功率是不同的，根据计算和实践的经验，通常数字调制器的输出电平比模拟调制器的输出电平低10dB。
另外，模拟与模拟频道、数字与数字频道之间输出电平的大小和平坦度直接影响到网络的系统指标。对前端来说除按线路设计控制输出电平外，高低电平差的大小也要控制好，频道间电平差调的越小，系统平坦度就越好。一般前端模拟与模拟相邻频道、数字与数字相邻频道之间电平差不要超过土0.5dBμV。
（2）调制器的频率设置
前面讲到由于它们的调制方式不同，因此它们的输出频率的设置也有所不同。模拟电视调制器的频率是按图像载波频率设置的，而数字电视调制器的频率要按照该频道的中心频率来设置，这一点非常重要。
3 网络系统
有线电视HFC网络的拓朴结构一般有星型结构、树型结构和星树型混合结构、以及两级光链路级联的双星型结构。作为早期的HFC网一般均采用星型、树型结构或星树型混合结构。它只有一个前端，把所有信号都由前端通过光纤和同轴电缆向下辐射，我们称之为集中式HFC网络。
目前，国际、国内普遍采用的是两级光链路级联的双星型结构。它是由总前端和分前端通过一级光链路采用1550nm光发射机以双星型光纤结构环型路由的方式组成的物理环型自愈网，二级光链路利用1310nm光发射机以星型光纤结构，将信号送到各光节点，然后进入电缆分配系统，形成完整的HFC网络。我们称之为分布式HFC网络。
根据实践证明只要有线电视网络符合系统指标，不管是哪一类网络的拓朴结构、单向还是双向网，都能传输DVB—C数字有线电视信号，它们的区别只不过是哪一种拓补结构的可靠性、性能指标和拓展性更好，这当然是分布式HFC网络。因为分布式HFC网络有完整的冗余保护体系，所以它有较高的可靠性和良好的网络性能指标，更重要的是它有良好的拓展性，其总前端和分布式的各个分前端，可以分布式安装交互式数字电视的视频服务器，它能有效地克服因交互式数字电视所产生的视频服务器和网络的瓶颈，为开展交互式数字电视提供了良好的网络平台。
4 用户终端（数字机顶盒）
数字机顶盒（STB）不仅是用户终端，还是网络终端，它能使模拟电视机从被动接收模拟电视转向交互式数字电视，使用户享受数字电视、数据广播等全方位的信息服务。
目前要掌握的数字机顶盒的关键技术主要有：
4．1 实时操作系统（Real Time Operating System-RTOS）
实时操作系统负责本地资源和网络资源的管理提供基本的操作功能和设备的访问控制。在启动机顶盒时，由引导程序通过网络从中心控制系统下载。例如，深圳迪科“网视通”TBS一300数字机顶盒的RTOS在设计上采用从FLASH ROM引导，其引导程序功能包括：系统自检：对系统部分硬件进行检测，如动态随机存取存储器DRAM等；系统设置：用户可通过遥控器对系统进行必要的参数设置，如基本频率、辅助频率、符号率、DTV节目信息表等；DTV功能：用户在无点播服务的情况下，可看数字电视节目；系统升级：通过判别系统或台标的名称和版本号，下载升级FLASHROM中的系统或台标数据。
4.2 中间件（Middleware）
中间件（Middleware）指居于数字电视机顶盒内部实时操作系统与应用程序中间的软件部分，它以应用程序接口 API的形式存在，整个API集合被存储在机顶盒的闪存FLASH中。它通常由各种虚拟机构成，如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机、MHEG-5虚拟机等。一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，它可以分为4层，从底层向上分别为：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，世界上流行的数字电视软件平台（Middieware中间件）主要有：Open TV、Liberate、Microsoft TV、CANAL+Media Highway、NDS和DAVID。
由于国内目前还没有成熟的中间件产品，而无论是卫星传送、网络传送还是地面传送的数字电视，中间件都是必需的配置，所以只能花费大量外汇向国外公司购买。目前，中间件的标准化已成为数字电视广播系统的关键，必需做到：能够下载升级、支持中文、有足够机顶盒支持、有足够的系统支持。由此可见，立足本国的技术力量与国外先进厂家合作，开发数字电视软件平台势在必行，更希望早日有我国自主知识产权的数字电视软件平台。
4.3 有条件接收系统（Conditional Access System-CA）
有条件接收系统是数字电视技术中重要的组成部分，它完成了系统用户的认证、授权和节目加扰工作。它解决了两个问题，即如何从用户处收取费用和如何阻止用户收看那些未经授权的付费频道。条件接收系统是一个综合性的系统，它集成了多种先进的技术，所涉及的技术包括；系统调度管理、网络技术数字压缩编码、加解扰算法、加解密算法、复用器技术、调制解调技术、机顶盒技术、智能卡技术等，同时也涉及到用户管理、节目管理、收费管理等数据应用技术。其中，CA系统的性能和安全性是整个系统尤为关键的问题。
加解扰技术是CA系统重要的组成部分，用于对数字节目进行加密解密，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，从有线电视台角度是实现技术的选择和竞争的环境。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系统加密的节目。从用户角度来讲，不会因购买是一家CA的机顶盒而受到限制，用户还有选择其它CA服务的可能性。而且带CI接口的机顶盒有较高的成本，我们还需要考虑国情，给用户提供价廉物美的条件。
由于国内目前尚无成熟的CA系统，可先采用国外先进的CA系统。待国内具有自己的知识产权的CA系统成熟后，再采用同密方式平滑替代国外的系统。但CA系统必需符合DVB标准、能够支持同密、支持多用户管理系统、支持机卡配对、支持多运营商、支持多种寻址方式。
5 结束语
模拟电视开始向数字电视过渡是科学技术发展的必然趋势。自对国庆50周年阅兵仪式进行高清晰度数字电视转播实验以来，我国数字电视的进程每年都以惊人的速度发展。2001年1月1日，上海开始试播数字电视，随后的北京、深圳、青岛、杭州等沿海城市也争先恐后地进行了数字电视的播出试验。2001年11月21日，国家数字电视、研究开发和产业化专项领导小组会上，国家计委主任、国家数字电视研究开发及产业化领导小组组长曾培炎进一步指出：“数字电视为中国电子信息产业提供了一个难得的发展和提升机遇，各部门要从国家整体利益和产业发展的大局出发，实现视听产品制造业的战略升级，并促进广播电视产业的形成和发展，培育新的经济增长点。”
