数字家庭网络及其实现
The digital home network and its realization

数字家庭和数字客厅
---数字家庭是从数字客厅的概念发展而来的。从字面上看我们就知道数字家庭涉及的范围要比数字客厅广得多，数字客厅只局限在客厅、卧室中的家庭娱乐设备，而数字家庭还包括了家庭中的所有电器设备，例如电脑及其外设、白色家电和手持设备。随着汽车进入家庭，数字家庭还应该包括汽车电器。

数字化
---数字化是一个很关键的因素，只有实现了数字化，才有可能实现后面将讨论的网络化，因为模拟的电子产品是无法实现联网功能的。那什么是数字化的电器呢？我们生活在一个模拟化的环境中，电子信号的幅度、频率都是随时间连续变化的，只有用数字化的方法去采集这些信号，进而处理、发送和接收，才可以称得上是数字化的电子产品，但最后还原出来的可能依然是模拟的信号。所以说数字化的产品并不是完全没有模拟的部分，但模拟信号只能存在于最前端和最末端。以数字电视为例，首先要用数字摄像机拍摄，输出的数字信号经过编码和调制处理通过电视台发射，发射时可能使用模拟的载波，但其核心依然是数字信号，以上是发送端;在接收端，经过解调、解码后获得原始的数码流，接下来可以直接去显示部分显示，也可以继续传送到其他的电器上保存或显示。

3C融合
---3C指的是计算技术、通信和消费电子（Computing, communication and consumer electronics）。今天计算机和通讯设备已基本实现了网络化，这给我们的生活和工作带来了极大的便利。我们看到这两项技术在实现网络化的过程之中和之后出现了巨大的市场，大量的新产品、新概念和新服务纷纷涌入，而巨大市场所带来的巨大利润促使相关企业大量投入新技术和新产品的研发和生产，反过来又推动了各自技术的提高和良性再发展。同样的，我们有理由相信一旦实现了消费电子产品的网络化，也会出现类似的现象，甚至更为壮观。

数字家庭网络
---对数字家庭网络最简单的理解就是将家庭中全部或大部分电子产品连成网络。电脑进入普通家庭只有短短的几年，而家用电器在普通家庭中存在的历史已经很长了，而且很多人就是因为电脑能上网才去购买电脑的。长久以来，用户已经习惯了家用电器目前不联网的状况。那我们如何去找到充足的理由让普通的消费者接受这样一个新的概念，从而产生购买的愿望呢？我们从以下几方面来分析。
---联网将带来什么？联网首先应该给用户带来方便，其次是成本的降低，而后一点往往被有意地回避了。经常可以听到这样一个例子，在联网以后，下班回家的路上可以打一个电话回家，电话机在接收到预设的指令后可以打开电饭煲或空调器的开关，这样等你回到家中饭已煮好，家中也已凉爽。且不论这样是否真能带来多大的便利，有一点是不容置疑的，那就是这会增加成本，而且越多的连接增加的成本也越多。其实类似这样的想法是没有抓住家庭网络的特点。家庭网络首先是一个内部网，它更多的应该是实现家庭内部资源的共享，而不是从外部去控制和监视。我们可以提出这样的设想：在白色家电产品中出现了一些很好的技术，比如模糊控制技术和变频技术，可以节能，但成本都比较高，很多用户没有强烈的购买欲。那么能否将所有的控制部分都集中到一块控制板上，由这块控制板分别去控制所有的白色家电呢？而这又需要怎样的技术呢？这其实需要的是一个强大的处理器，需要有强大的同步运算能力。今天的CPU和DSP已经具备了这种能力，一旦实现带来的不仅仅是方便，也会大大地降低成本，连上的电器越多省的钱也越多。
---联网连接的是什么？上面例子中提到的控制信息的共享仅仅是家庭网络共享资源的一小部分，我们来看看家庭网络中主要的信息。家庭不同于办公室，信息应该是与人息息相关的。人类与外界接触是通过视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉这五种方式，后三种方式我们现在还无法用电子的方法实现，只能借助于文字，所以家庭网络需要处理和传输的信息就是视频、音频和文字信息。以传输信号的类型来区别有异步信号和等时信号两类。异步信号注重的是信号的质量，信号不能错误，比如文字信息和控制信息，如果出现错误必须重新发送;等时信号注重的是时效，信号不能出现延时和停顿，比如视频信息和音频信息，出现错误造成的是噪音，而出现延时和停顿却是用户无法忍受的。异步信号的数据量相对来说非常小，而等时信号的数据量非常大。以高清电视信号为例，一路高清电视信号在不压缩的情况下流量能达到270Mb/s，这样的数据量目前还没有什么接口技术可以支持，所以必须使用压缩技术。以目前比较常用的MPEG-2压缩技术来计算，一路高清电视信号需要25Mb/s的带宽，因此要传送画中画信号（二路）就需要50Mb/s的带宽。音频信息同样需要很大的带宽，例如DVD-Audio或SACD是高品质的音频信号，信号的质量远远高于我们熟悉的CD音质，其采样频率高达192kHz，并具有7.1声道。如果采样精度为8位，需要的带宽是12Mb/s，如果采样精度提高到10位，需要的带宽是16Mb/s。所以数字家庭网络需要非常高速的接口技术，100Mb/s应该是基本的要求。
---怎么去联网？联网的方式可以是有线的、无线的，或者是它们的结合。数字家庭网络连接的是数字化的家用电器，所以需要的是数字化的连接方式。数字接口中，有线接口有1394、USB、PCI-Express和DVI/HDMI，无线接口有UWB和WLAN。目前来看，没有任何一种技术可以单独承担建立整个数字家庭网络的能力，我们看到的将是他们的有机结合。
---内容需不需要保护？这是一个敏感的话题，也是一个无法回避的话题。随着保护知识产权的理念被越来越多的人接受，著作者的劳动将被尊重，所以内容最终将被保护。这将会带来用户使用习惯上的一些变化，例如内容的存储。现在，由于盗版光盘非常便宜，也没有什么需要收费的电视节目，所以人们没有将电视节目存储起来的习惯。但是，正版的光盘一般来说是很贵的，而好的数字电视节目很有可能需要付费，这将会促使用户产生保存节目的需求，而存储内容将是联网所能带来的最大好处。目前有两个涉及内容保护的协议，一个是与1394接口有关的数字传输内容保护协议（DTCP），一个是与DVI/HDMI接口有关的高分辨率内容保护协议（HDCP）。
---有线还是无线？UWB（无线超宽带）近来引起了国内很多高校、媒体和企业的注意。特别是MBOA与DS-CDMA在IEEE802.15.3a标准制定委员会中激烈的竞争，很容易给人一种感觉，就是家庭中无线的时代快要来临了。事实上还远没有到这一步，无线技术有它的局限性，至少现在还无法满足整个家庭网络的连接，我们用图1来解释各种接口技术的区别。有线技术（USB和1394a/b）在其规格定义的距离中传输速率是一个常值。例如1394a在4.5米的范围里都可以保证400Mb/s的速率，同样的，USB2.0可以在5米的范围里保证480Mb/s，而1394b可以达到100米。但无线传输技术（UWB和WLAN）的传输速率随着距离的增加急剧地下降，例如，UWB在1米的距离可以实现480 Mb/s，相当于桌面范围的应用，当距离增加到10米时，传输速率就下降到100 Mb/s，这只相当于一个房间的范围，也就是所谓的微微网，还无法覆盖到整个家庭。
---UWB技术还有其他方面的不足：对其他无线接口可能存在干扰，反过来也会受到其他无线接口的干扰，由于UWB是相对比较新的技术，它还无法要求对它的频带提供保护;发射的高频电磁波有可能对人体有害;不容易加密，所以存在被恶意截取个人信息的隐患;会受到周围环境和气候的影响等。这些细节从技术上可以解决，也可能无法完全解决。
---当然，UWB带来的好处也是显而易见的，最容易想到的就是方便。它不用像有线接口那样需要预先布线，这对于已装修好的家庭来说尤为重要。而有线技术也在力图解决这个问题，例如1394b和PCI-Express就可以使用普通的网线进行通讯，但毕竟不如无线接口那样方便，特别是不能随意更换位置。
---总之，无线接口和有线接口都有各自的优缺点，而一个完整的家庭网络将是他们的有机结合。

1394总线为消费类电器提供理想的数字接口
---1394即IEEE1394，目前有以下三个相关的标准。
---● 1394-1995
---1394-1995定义的是6引脚线缆和插座，可以在一些台式电脑主板上看到，6根引线中有两对差分线，电源和地。主机需要提供1.5A /12V的电流，所以基本上只能应用于台式电脑;苹果公司注册的“Firewire”的商标比较多见于这类应用中。
---● 1394a-2000
---1394a-2000是在1394-1995的基础上发展而来的，增加了4引脚线缆和插座的定义，不需要向其他设备提供电源，所以非常适合应用在消费电子产品。索尼公司首先在其数码摄像机产品上使用该接口，商标是“i.Link”。1394a需要使用STP5的线缆，即带屏蔽层的5类双绞线，传输距离是4.5米，传输速率有100/200/400Mb/s三种。
---● 1394b-2002
---1394b标准的制定来自于两方面的需求，在PC工业界，电脑外部存储的容量越来越大，需要更为快速的传输速率，1394b将传输速率提高到800/1600/3200Mb/s;在消费电子领域，需要将家用电器连接成网，要求传输距离更长，1394b的传输距离可达100米，并且提供更多的线缆选择，表1列出了不同线缆能够支持的速率和距离。
---非屏蔽5类双绞线其实就是普通的5类网线，目前正在制定可以支持到S1600的规格，这对在家庭中的应用即方便又实惠。
---1394采用对等传输的方式（peer-to-peer）和公平竞争的原则，连在总线上的设备（叫做节点）都有机会向总线发送数据，不需要一台主机来控制，这很适合消费电子产品的特点。1394支持异步传输和等时传输，可以即插即用，其中1394b还支持闭环连接方式，对用户更友好。1394采用分层处理的模式，其中物理层和链路层与硬件相关，传输层和应用层与软件相关，方便了工程师的设计。
---与1394有关的还有一个标准IEC61883，IEC61883为音视频设备定义了低层的传输协议和控制命令，具体如下。
---● IEC61883-2：标清DV;
---● IEC61883-3：高清DV;
---● IEC61883-4：MPEG-2传输数据流;
---● IEC61883-5：DSS;
---● IEC61883-6：高品质音频。

USB2.0是PC机与外设连接的理想选择
---PC机向外扩展的接口有很多，在其发展的过程中出现了并口、串口、PS-2、红外、ISA和PCI等，我们把这些接口称为传统接口。传统接口发展到今天已成为系统的瓶颈，速度比较慢、没有统一的标准、成本较高、占用空间。需要一种方便、简洁和标准化的接口来取代传统接口，USB就满足了这些需求。
---USB是通用串行总线的简称，现在的版本是2.0。USB2.0支持三种传输速率，即低速（1.5Mb/s）、全速（12Mb/s）和高速（480Mb/s）。
---USB采用主从的架构，主机控制所有的数据传输。这非常适合PC机与其外设之间的连接，PC机是主机，其强大的处理器和巨量的存储空间可以轻易实现主控制器的硬件和软件，而外设只需要实现它自己的功能，既简化了设计又降低了成本。
---USB将其类似的外设分成不同的类（Class），例如键盘、鼠标这些低速的设备被归为人机接口类、音频类、大存储器类、打印机类和正在制定的视频类等。Windows为这些类提供标准的驱动程序，设计人员只需要编写外设端的控制程序，而不需要操心主机端的驱动程序。例如大家很熟悉的U盘，在Windows 2000和XP下就不需要安装驱动程序，系统可以自动识别到。
---一个USB的根接口可以支持127个外设，如果主机上的USB口不够，可以使用集线器来扩展，集线器最多可以有5层，每层之间的线缆长度可以达到5米。现在很多芯片组都提供多达8个的USB根接口，基本可以满足PC机的外设扩展需求。
---USB的主从架构决定了外设与外设之间无法直接通讯，所以不适合应用在消费电器的互联。USB的主机还需要提供500mA的电流，也不适合应用在手持设备的互联，这是USB OTG标准出现的主要原因。
---USB发展到今天，已被广泛的接受和使用，据统计市场上已经存在15亿条USB的线缆。但USB也面临着一个问题，它不提供加密功能，使得越来越多的公司用户担心机密数据的丢失，为此微软有可能在下一代的公司级操作系统中不支持USB。

USB OTG为手持设备的连接提供便利
---由于上文提到的两个原因，在诺基亚、摩托罗拉这些手机制造商的推动下，业界制定了USB OTG标准。OTG是On-The-Go的缩写。USB OTG的基本目标是实现外设与外设之间的连接，不用提供过大的电流，同时统一不同公司自己定义的各种线缆。
---在实现上，可以把USB OTG简单理解成一个简化的USB主控制器，这个主控制器只需要提供有限的主控功能，需要什么就提供什么，而不同于PC机上的主控制器，必须有全部的主控功能。USB OTG需要提供的最小电流仅为8mA，这对手机、PDA这些用电池供电的手持设备尤为重要。
---USB OTG实现的连接依然是点对点（point-to-point）的，只能在两个设备间通讯，无法实现联网功能，所以USB OTG只是对USB标准的补充，无法取代1394在消费电器之间互联的作用。
---尽管USB OTG只需要实现有限的USB主控制器功能，但各种设备都有不同的平台和不同的操作系统，工程师需要基于这些平台和操作系统编制驱动程序。在相同的设备之间通讯，驱动程序可以比较简单，但在不同的设备之间通讯，编写驱动程序的工作量可能会很大，如何实现尽可能的互操作性将是一个很大的挑战。
---目前支持USB OTG的设备还很少，但这一标准本身蕴含着巨大的市场潜力，将极大地丰富手持设备甚至是台式设备的功能。

PCI-Express将为3C融合带来革命
---PCI总线是PC机的内部总线，取代了传统的ISA总线，今天也被广泛地应用在其他领域，比如通讯业界。PCI总线是并行总线，最高可以支持532Mb/s的传输速率，即64位/66MHz，但常用的是133Mb/s，即32位/33MHz。
---随着PC机的发展，CPU的时钟越来越快，PCI总线已成为瓶颈，单纯靠加快时钟和加宽数据线的方法已无法满足需求，特别是在PC机内部如此拥挤和复杂的环境中。由于是并行总线，加快时钟和加宽数据线都会带来无法解决的电磁辐射干扰。另外，过多的I/O口也会增加芯片的成本。PCI的扩展槽在PC机的内部，用户必须关机并打开机箱，插入PCI扩展卡也需要小心翼翼，这对用户不够友好。为此，PCI SIG制定了PCI-Express这一新标准。
---PCI-Express是串行总线，采用差分数据线，输入输出各一对，称为一个Lane，用x1表示，输入和输出的传输速率都达到2.5Gb/s。还可以根据需要增加Lane数，比如用x16取代了显卡的AGP总线，在南北桥之间使用x4，这些都将在即将推出的新型台式和手提电脑中看到。PCI-Express对外设的扩展需要使用Express卡，Express卡类似我们熟悉的PC卡，但宽度只有PC卡的一半，Express卡必须支持x1的PCI-Express和USB2.0。
---PCI SIG最近又在制定PCI-Express的线缆标准，可以使用普通的6类网线扩展外设。由于x1的PCI-Express传输速率可以达到500Mb/s，它几乎可以做任何事。TI公司最近演示了一个平台，同时传输4道高清的压缩视频流，包括1394相机、DVD播放机、数字录像机和高清电视，效果非常理想。这一标准还没有规定线缆的传输距离，在TI的演示平台上使用的是2米多的6类网线。
---PCI-Express是PCI的延续和继承，在软件上是兼容的，因此系统升级只需要升级硬件部分。目前有很多与数字电视有关的处理器都支持PCI接口，例如Zoran公司的TL81x/TL85x和G9系列、Broadcom公司的7038和ATI公司的ATI225/226，以它们为基础设计的系统如需连接到PC机，只需要一个PCI-Express转PCI的桥，而无需改动硬件和软件。
---为什么PCI-Express在3C融合中显得如此重要呢？这是基于一个共识，在一个家庭里PC机中的CPU是最强大的处理器，其处理能力、运算速度和软件支持都是其他处理器无法比拟的。PC机还具有海量的存储能力，零售价也不断下滑，由PC机担当家庭网络的主控制器是很好的选择。此前由于PC机扩展接口提供的带宽不够，这一优势无法实现，而PCI-Express的线缆标准正好满足了这一需求。PCI-Express标准的制定必将给3C融合带来革命性的提高。

DVI/HDMI连接显示器
---DVI是指数字视频接口，HDMI是高分辨率多媒体接口，DVI只支持视频信号，HDMI还支持音频信号。DVI/HDMI实际上是实现并串/串并转换，在发送端把并行的音视频信号转换成串行的TMDS信号，在接收端再把TMDS信号还原成音视频信号，这里的音视频信号是指未经压缩的原始信号。
---目前，连接到显示器有TTL、LVDS和DVI/HDMI几种方式。TTL是并行接口，关于使用并行接口的问题前面已经谈到，这种接口基本上只能在一些小尺寸的显示器上看到。LVDS采用差分的串行方式，缺点是支持的速率不够高，只能达到230Mb/s左右，即SXGA的分辨率。另外LVDS也无法提供内容保护的机制，所以和TTL接口类似，LVDS主要应用在一些中小尺寸的显示器上。DVI/HDMI可以支持到UXGA的分辨率，已经超过了高清电视需要的分辨率。DVI可以通过HDCP提供内容保护的功能，而HDMI本身就含有HDCP的内核。基于这两个因素，带HDCP的DVI或HDMI已被美国FCC强制规定必须加在与高清电视有关的电子产品上，例如高清电视机、有线机顶盒和DVD播放机等，欧洲、日本和韩国很快也会有类似的要求，我国可能会先将DVI接口作为一个可选项，之后再过渡为一个事实上的标准接口。
---DVI/HDMI是点对点的连接，不能实现联网功能。在一台设备上如果需要接入多个其他设备，需要使用开关或分配器。DVI/HDMI的应用范围比较单一，只能用在与显示器有关的产品上，所以在数字家庭网络中属于终端接口，是数字家庭网络一个有机的组成部分。

无线传输的前景无限
---目前比较多见的无线传输方式有蓝牙(Bluetooth)和无线局域网(WLan)，无线超宽带(UWB)是一个比较新的标准。在图1中，我们看到WLan适合应用在高速的数据网络，而UWB适合应用在高分辨率的音视频信号传输和短距离的高速数据同步。蓝牙受限于其传输速率过低的缺点，没有在市场上找到更多的定位点。
---无线传输的最大优点在于摆脱了线缆的束缚，因为用户可能需要添加、更换和升级电器，不同的接口和线缆是一件令人头疼的事。对于家庭网络来说，线缆和接口是很关键的部件，用户大都有这样的经历，家中电视机的画面质量不好，这很有可能是线缆的阻抗不匹配造成的。目前的电器连接局限在有限的几台设备之间，而且数据传输速率较低，如果升级到标清或高清的数字电视，线缆的影响可能会更大，如果使用不合格的线缆，轻则使图像质量下降，重则可能无法接受。我们当然建议用户选用得到认证的线缆，但这些线缆肯定比较昂贵，在一次性投资时用户不一定能接受。接口也有同样的问题，随着半导体工艺的提高，芯片抗击静电的能力有所下降，对于具有热插拔功能的接口技术要求很好的防静电设计，电器本身也需要有很好的接地，如果这两者不理想，很有可能在热插拔时将芯片击坏，严重的可能伤害整个系统。而使用无限传输就不会有类似的烦恼。
---WLan已是很成熟的技术了，除了应用在数据网络，也有人尝试将它应用在家用电器上。WLan的问题在于传输速率比较低，无法满足高清电视节目的传输需求，而且发送需要的功率较大，成本比较高。
---UWB是新兴的标准，从技术上来讲很适合应用在家庭网络，传输速率高、发送所需的功率小、成本很低等都是它的优势。UWB还处于起步阶段，以MBOA联盟为例，目前有Staccato和Wisair公司实现了PHY层控制器，TI、Intel和NEC公司实现了MAC层控制器，但到真正的产品面市还需要一年的时间。
---UWB真正被用户接受还需要整个产业界的共同努力，首先需要有大量不同的终端产品，否则使用UWB就没什么意义;其次要有很好的服务，通过丰富的增值服务带来新的商机和吸引更多的用户是因特网和手机在短时间里获得飞速发展的重要原因;成本永远是一个关键的因素，采用新技术和新工艺将保证用户获得最具性价比的终端产品。
---无线传输特别是UWB技术的应用前景非常广阔，将来它将取代有线连接技术，或者仅仅是有线连接技术的一个补充，或者两者平分秋色，我们将拭目以待。但不管采用何种技术和接口，数字家庭网络的时代必将到来。