有线数据广播
标准
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及原理
作者: 2000-12-21 15:58:19.303 点击数:9003
上海有线电视台 蒋龙根 闵友钢 陶联群 王明敏
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
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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
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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
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,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
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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。