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1、IPTV机顶盒-TB3201,作者：陈开芳微博：http:/2502633257,数字电视机顶盒原理,机顶盒概述机顶盒(SetTopBox，STB)早期是指基于有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器；随着数字电视广播和因特网的迅速发展，用户对信息需求的不断增强，机顶盒演变成以电视机为显示终端的信息接收和处理设备，目前在市场上有接收数字电视的机顶盒和接入因特网的WebTV机顶盒。数字电视是一个从节目采集、制作、传输、到用户端机顶盒都以数字方式处理信号的端到端系统。现在世界上有3个主要的标准体系:ATSC、DVB和ISDB，都是基于MPEG-2的TS(传送流)机制，数字电视广播标准用来定义在
2、不同传输介质上如何实现TS流传输。随着数字电视技术领域的发展，开放式业务系统成为数字电视发展的主流，其中DVB组织建立的MHP(多媒体家庭平台)标准获得了大多数中间件厂家的支持，如OpenTV、MediaHighWay等都将过渡到以DVB/MHP为代表的开放式业务系统上。我国也相继公布了标准清晰度数字电视的传输标准，正在制定自主的开放式业务系统，这为有线台数字电视改造和机顶盒的研究、制造奠定了基础。数字机顶盒接收各种传输介质来的数字电视和各种数据信息，通过解调、解复用、解码和音视频编码(或者通过相应的数据解析模块)，在模拟电视机上观看数字电视节目和各种数据信息。根据信号传输介质的不同，数字机顶
3、盒分为有线、卫星和地面三种数字电视机顶盒，三种机顶盒的硬件结构主要区别在解调部分。目前，机顶盒主要提供基本音视频业务和数据应用，在一段时期后，将充分利用CATV网络的较宽带宽实现交互功能，最终发展成为集解压缩、Web浏览、解密收费和交互控制为一体的数字化终端设备。可以说，在未来10年内，机顶盒是模拟电视转向数字电视的桥梁。,有线数字电视机顶盒的主要功能和特点由于多种因素的限制，国内广播电视的数字化改造以有线电视作为发展重点，广电总局也于2001年5月发布了“有线数字电视广播信道编码与调制规范”。有线数字电视终端产品机顶盒在近几年获得快速发展，国际上主流芯片的机顶盒解决方案，如:ST、IBM、L
4、SILogic、Fujitsu、Philips，在国内均已产品化。机顶盒已经在开展数字电视广播的地区开始使用，根据用户需求和消费水平的差异，机顶盒支持的业务也不同，存在着多种类型的产品。1.普及型机顶盒:主要以接收基本的付费数字电视节目为主，满足大多数用户需求，并且具有良好的性能价格比。主要功能如下: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(EPG)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)。,2.增强型机顶盒:在普及型机顶盒基础上增加基本中间件软件系统，基于基本中间件可以实现数据信
5、息浏览、准视频点播、实时股票接收等多种应用。这款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。新增功能如下: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。3.交互式机顶盒: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。新增功能如下:集成MHP中间件系统。支
6、持交互式应用，如:视频点播、互动游戏、网上冲浪等。,1.机顶盒原理有线数字电视机顶盒接收数字电视节目、处理数据业务和完成多种应用的解析。信源在进入有线电视网络前完成两级编码，一是传输用的信道编码，另一级是音、视频信号的信源编码和所有信源封装成传输流。与前端相应，接收端机顶盒首先从传输层提取信道编码信号，完成信道解调;其次是还原压缩的信源编码信号，恢复原始音、视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、MPEG-2解码器、视频编码器、音频D/A、嵌入式CPU系统和外围接口、条件接收模块等组成。具有交互功能的机顶盒则需回传通道。高频头接收来自有线网的高
7、频信号，通过QAM解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音、视频和其它数据信息的传送流(TS)。传送流中一般包含多个音、视频流及一些数据信息。解复用器则用来区分不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流，送入MPEG-2解码器和相应的解析软件，完成数字信息的还原。对于付费电视，条件接收模块对音、视频流实施解扰，并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合法用户正常收看。MPEG-2解码器完成音、视频信号的解压缩，经视频编码器和音频D/A变换，还原出模拟音、视频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目。,机顶盒原理及关键技术,a.机顶盒硬件技术(1)信道解调技术:国际、国
8、内标准均规定，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。音频目前则有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音视
9、频解码器，NTSC/PAL编码器集成，形成STB的核心芯片。(4)上行数据的调制编码:开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有3种方式，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。,机顶盒关键技术,b.机顶盒软件结构广播数字化后，数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置。除了音视频的解码由硬件实现外，包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现，直至机顶盒和个人计算机的互联以及和Internet的互联都需要由软件来实现。除去硬件，第一层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序，第二层中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来
10、，使应用不依赖于具体的硬件平台，第三层应用软件包括本机存储的应用和用户即时下载的应用。(1)硬件驱动层软件:驱动程序驱动硬件功能，如射频解调器、传输解复用器、A/V解码器、OSD、视频编码器等。(2)实时操作系统:与PC操作系统不同，机顶盒中的操作系统采用实时操作系统(RTOS)，可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。目前流行的实时操作系统有VxWorks、Psos、OS20、WindowsCE等。这些操作系统各有所长，在机顶盒中都有应用。(3)中间件:在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题:实时多任务操作系统，硬件平台原理细节，复杂的行业标准，繁杂的用户界面以及实用功能等各项
11、跨行业的难题。为了解决上述问题，中间件技术应运而生，并成为数字电视核心技术，也就是我们前面提到的开放式业务平台。中间件是在数字电视接收机的应用程序和操作系统、硬件平台之间嵌入的一个中间层，定义一组较为完整的、标准的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从而将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。它通常由Java虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成。开放的业务平台上的特点在于产品的开发和生产以一个业务平台为基础，开放的业务平台为每个环节提供独立的运行模式，每个环节拥有自身的利润，能产生多个供应商。只有采用开放式业务平台才能保证机顶盒的扩展性，保证投资的有效回收。
12、(4)上层应用软件:执行服务商提供的各种服务功能，如:电子节目指南、准视频点播、数据广播、IP电话和可视电话等。上层应用软件独立于STB的硬件，它可以用于各种STB硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。,1.硬件平台从机顶盒发展趋势看，Tuner和解调芯片合二为一，物理上减小体积，降低成本，提高性能;或者采用芯片实现Tuner的功能。由于CPU与TS流解复用器，MPEG-2A/V解码器，视频编码器集成，形成STB的核心芯片，它的发展速度将决定机顶盒未来的方向。必然的趋势是CPU处理速度越来越快，存储器容量越来越大，MPEG解码器将同时支持多路节目的解码;同时用户可以直接看到的图形显示界面将从简单
13、的OSD，发展到强大的2D、3D图形引擎。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，可以实现各种交互式应用。通过上行通道和机顶盒，观众坐在家中就能享受到视频点播(VOD)、网上冲浪、远程购物、交互游戏等增值业务。这种交互性将极大地改变人们看电视的方式。因此，双向传输方案将成为机顶盒发展的主流。外部接口将更加丰富，通过USB口可以实现和数码相机的连接，通过IDE接口可以挂接硬盘实现节目存储等等。机顶盒是网络的终端产品，现实中存在着通信网、计算机网和广播电视网。虽说三网合一是必然趋势，而且三网在骨干网的传输技术上已经融合。最终将数字机顶盒发展成为家庭网关，将机顶盒与PC、打印机、
14、DVD机等数字设备连接起来，并通过双向模块与Internet相连，真正地成为信息家电。,机顶盒发展趋势,2.软件平台有线电视网络数字化改造的不断深入，开放式业务系统的广泛使用，运营商的利润增长点将从以前靠收视费和广告费转向靠多种应用去支撑。因此，机顶盒将支持越来越多的应用，如电子节目指南、PPV节目、IPPV节目、准视频点播、数据广播、Internet接入、电子邮件、视频点播以及IP电话和可视电话等。而上述应用的发展，必须依靠机顶盒的软件平台，也就是中间件。因此，机顶盒的发展趋势在很大程度上依靠中间件技术的发展方向。,国内外企业应对机顶盒芯片市场,在机顶盒中，主要的芯片有三部分：RF射频器件、
15、解调芯片及解码芯片。一些半导体企业对上述三种产品都提供，例如ST、Broadcom和NEC,也有一些半导体企业只针对某一种产品领域，例如Zarlink只专注在RF射频器件和解调芯片这两个前端芯片上,而富士通和Zoran只针对解码芯片领域。首先是芯片方案正在形成可以跨越不同产品的统一平台。其次，不少厂商通过芯片方案不断单芯片化，减少外围元器件数量，来提高芯片的性价比，降低机顶盒总体成本。最后是要扩充接口功能，以达到更强的互连性。国内企业要想与国外企业在同一市场竞争，法宝就要提供更高的性价比，只有提供最高的性价比产品，才能被整机企业渐渐采用。,ST高清数字电视机顶盒方案,高清数字电视机顶盒是一个重
16、要发展趋势。以高清平板电视为例，目前，中国国内市场上高清平板电视保有量已超过两千五百万台，而其中只有不到1%的用户能收看到13个高清节目频道。这就带来矛盾的局面:一方面大量用户拥有高清平板电视机，另一方面大量电视节目是模拟和数字的标清格式，决大多数已经部署的机顶盒只具有标清解码能力。可以预见，未来高清机顶盒将会占有相当大的市场份额。主要接收形式包括，有线机顶盒、地面波机顶、卫星机顶盒、一体机和IPTV。高清机顶盒技术发展与设计挑战 数字电视机顶盒的功能已经从开始的接收码流，解压缩视音频，显示EPG信息，简单的OSD菜单，到现在的增加交互功能，宽带网视音频应用，外围的数据接口也增加了高速USB，
17、以太网的接口，eSATA接口等一些PC常用的接口。这些接口的增加使得机顶盒的应用范围得到有效的扩展，现在也可以用意法半导体(ST)的高性能机顶盒芯片STi7105来实现家庭媒体中心的应用。所以高清机顶盒的应用开发已经不再是单一的功能的开发，而是如何利用高性能的机顶盒芯片来开发多功能的应用，最大可能利用芯片处理能力，这对机顶盒产品的开发是一个挑战。MPEG2作为数字电视采用的第一个标准已经用了10多年，新一代编码格式H.264也已大量的得到应用，中国的AVS编解码标准也在一些地方得到应用。同时支持有线数字电视和IPTV的双模机顶盒的应用也越来越多，因此，对于芯片产品而言，不但要支持现有标准，还需
18、要具有可升级的能力以便支持新的技术，所有这些都给机顶盒的开发提出更高要求，机顶盒的稳定性也面临更严格的挑战。,低成本、高性能、低功耗的产品要求已经开始变得非常重要。定义产品在各种状态下实现最低功耗也已成为设计工程师的一大挑战，他不仅需要了解芯片的低功耗的能力，还要知道如何用好这些能力，以实现产品的最优化并广为市场接受。在高性能的芯片上可以开发出很多复杂的应用，也必然使得软件，硬件开发的复杂度大大增加，怎样在短时间内，高质量地开发出满足市场要求的产品对研发工程师和项目管理人员提出了挑战。ST充分认识到了客户面对的挑战，因此ST在提供高性能芯片的同时，也提供操作系统如Linux，WinCE，OS2
19、1 和成熟的驱动软件，同时还提供能帮助研发工程师快速熟悉和使用的API源程序代码，以及3FX OpenGL ES1.1的API。,ST高清机顶盒解决方案,意法半导体(ST)是世界上最大的机顶盒(STB)芯片厂商，目前中国国内机顶盒厂家大量采用ST的芯片，ST的机顶盒芯片在国内市场份额最大。ST通过不断地推出新的产品，提高芯片性能，降低芯片成本，同时提升技术服务质量来实现并保持多年的市场领先地位。目前ST已经开发出了4代高清解码芯片，在高清数字电视单片解码SoC领域积累了丰富的经验，包括灵活的芯片技术架构设计，支持客户进行各种应用的开发，成熟的低成本的先进生产工艺等。其中STi7105 是一款高
20、性能H.264高清数字电视机顶盒SoC解码芯片，采用先进的半导体生产工艺和优化设计来完善，提升各个功能模块的性能，增加高速数据接口，降低耗电量，降低系统的整体材料成本。STi7105是一款应用范围很广的SoC芯片，主要用于有线高清数字电视机顶盒，卫星高清数字电视机顶盒，地面数字电视机顶盒，IPTV机顶盒，网络电视下载播放，多媒体手持设备，家用多媒体中心等等。,STi7105技术特点及关键应用 STi7105 芯片内部集成了一颗高性能的ST40 应用程序处理器，它的实时处理、运算能力超过900DMIPS，另外芯片内还集成有两颗实时运算加速器，如果需要的话，它们也可以用于各种运算要求的处理。如果把
21、芯片的整个计算能力加在一起，STi7105的实时处理、运算能力能够达到3,000DMIPS以上。这样的处理能力不但可以达到高清机顶盒的要求，还能够充分满足家庭多媒体中心的设计需求。STi7105的TS流输入处理模块可以支持4路TS流输入，1路TS流输出，这个处理模块内可以同时处理、分解多个码流，用于同时进行录像(PVR)、码流回放、画中画。这些码流可以从传统的数字电视广播通道过来，也可以来自CableModem、EoC、以太网IP、光纤的IP通道。这个高性能模块能为用户提供灵活的产品开发模式。芯片的安全性功能的支持：STi7105具有完整的嵌入式安全加密，解密功能，包括DES、AES和DVB解
22、扰器等等，将会支持所有的高级安全功能。目前，高级安全功能正处于主要CA厂家的认证阶段中，包括Nagra，NDS，Conax，Irdeto等等，ST也会和中国国内的CA厂家永新视博、天柏、数码视讯等公司展开认证工作。支持Windows DRM 10数字版权管理和安全视频处理器(SVP)标准。它也支持DVBCI及其他的机卡分离技术。,视频解码格式：STi7105集成了高性能的视音频解码器，其灵活的解码架构可以满足目前已有的各种视音频编码压缩格式的解码要求，也可以通过软件升级来支持这些标准，在视频编解码方面，它可以支持H.264，MPEG2 MPHL,VC-1 MPHL,APL3,MPEG4 P2
23、ASPL5,DiVx格式，RM，RMVB，中国自己的视频压缩格式 AVS，已知的一些用于流媒体的视音频格式和目前流行的Adobe Flash的格式。除了解码以外，7105还具有一定的视频的编码的能力。其解码器可以用于PVR，画中画功能。支持1080p 60帧的格式，这在目前的产品中是最先进的。内置的图像降噪声处理，增强优化的后处理电路能够给用户带来前所未有的优美图像。在音频编解码器方面，它可以支持MPEG-1 layer I/II,MP3,MPEG-2 layer II,AC-3 Dolby Digital,DD+，AAC,AAC+SBR等等，也可以支持杜比，DTS的新算法。同时可支持中国DR
24、A音频标准，还也可以用于音频编码。视音频接口方面，7105支持最新版本的HDMI 1.3接口标准，支持1080p 60帧的格式，支持各种隔行、逐行扫描显示格式，各种格式之间的互相转换，同时支持模拟的视频接口如YPbPr、CVBS 和数字视频信号的输入和输出，从而增强了7105的应用灵活性。STi7105使用的DDR2接口和32位统一存储系统，使设计人员可以使用成本更具竞争力的、高容量的DDR2外部存储器，DDR2的速率可以达到800MHz。高容量存储器在复杂系统的应用开发中可以降低系统成本，为客户提供最大的价值。,在同类产品中，STi7105具有最低的功耗和最好的散热性能，在客户设计出的机顶盒
25、产品中可以不使用散热片而可以长时间的正常工作。此外其先进的电源管理功能，独特的设计进一步提高STi7105的低功耗性能，有助于终端产品达到节能标准，7105的待机功耗小于0.1W，大大优于国际能源组织(IEA)“1W节能计划”的标准。STi7105同时支持多路高速USB2.0接口，高速以太网接口，配合高性能的芯片解码能力，适于机顶盒、汽车多媒体播放器或家庭多媒体中心等应用。SATA接口用于硬盘的连接，可用于PVR应用，MMC卡接口也集成到该芯片中。图形加速处理器的性能在机顶盒的应用中变得越来越重要，STi7105集成了高性能的2D加速器，其图形处理能力可应用于3D图形显示，从而丰富了应用的表现
26、能力。ST提供3FX OpenGL ES API接口。高速CPU加上高性能的图形加速器可以实现对下一代中间件、插件及Flash媒体播放功能的更好支持。,数字机顶盒的架构与设计关键,数字电视可说是手机之外的另一波杀手级应用，它以客厅为核心，不断地整合家庭中的其它视听及信息设备。形成多元应用的家庭网络；不仅如此，数字电视与手机也向整合之路发展，移动电视(Mobile TV)已在全球各地如火如荼的推动当中。当电视广播系统与网络、甚至是移动蜂窝系统结合时，包括视频、语音与数据的服务自然走向多元汇流的趋势，这是一个比过去独立形式复杂许多的应用环境，而数字机上盒(Set-top-box)正位于此架构的核心
27、位置，其面临的设计挑战确实繁重。根据电视节目发送管道的不同，数字机顶盒又可分为数字地面(Terrestrial)机顶盒、数字卫星(Satellite)机顶盒、数字有线(Cable)机顶盒，以及通过网络(xDSL、Cable Modem、光纤)的IP 机顶盒等形式。整体而言，数字机顶盒的技术主轴朝向支持HDTV(High Definition TV)及互动性(Interactive)发展，但不同市场区块仍有技术及应用上的偏重。为了达到产品的差异化定位，加入硬盘的数字视频录像机(DVR)及整合家庭网络功能的家庭网络网关器(Residential Gateway,RG)，也是数字机顶盒的重要设计方向
28、。,系统架构 一个数字机顶盒是由软、硬件所组成，在硬件方面的主要单元可分为接收广播信号，并将其转换为数字传输串流的前端(front-end,FE)芯片，即谐调器(tuner)和调节/解调器(modulator/demodulator)；后端芯片包括电视解码器/编码器(NTSC/PAL decoder/encoder)、MPEG-2 Transport、MPEG-2 MPML或HL解码器、微处理器、图形芯片、音频处理器、音频DAC、视频DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等内存、电源组件及其它标准离散组件。更高级产品还会整合安全芯片、调制解调器(modem)或家庭网络芯片，以及可录像的硬
29、盘(HDD)。,更强大及多元的功能及更高的整合度是数字机顶盒在硬件部分的发展趋势。在功能上，电视解码器强调要能做到dual-TV和dual-DVR，也就是除了能解码并显示数字和模拟两种电视广播信号外，还要能解码两个同步标准解析电视频号，再送到多台不同的电视机播放，或录制节目到硬盘中。此外还有所谓的PAP(高解析双画面)和PIP(子母画面)功能，能够在同一个屏幕上显示两个不同的高解析电视画面，可以分别并列或上下排列。在整合性上，为了保持设计弹性，一般在系统中前端及后端芯片是分离的配置，但也能将两者整合为单一封装，进而为大量生产的应用提供更佳的成本效益。芯片本身则朝SoC的方向发展，尤其是位居核心
30、的解码器芯片，此类芯片会采用90纳米等高级制程，在一颗芯片上整合各种主要功能，包括高性能的CPU、视频解码电路和各种外围设备，请参考(图2)。在软件部分则包括操作系统和实时操作系统(RTOS)、提供互动功能的MHP 等中介软件(Middleware)及应用程序接口(API)，以及电子节目表(EPG)等应用软件或条件式接取(Conditional Access,CA)安全功能。接口上则需要支持安全性模块(POD module)、共同接口(CI)、智能卡(smart card/reader)、高速界面(USB、IEEE 1394及序列ATA)等。CA、CI、POD等技术难度较高，也是设备商在选用视
31、频处理芯片解决方案后，仍需进一步整合开发的议题。,设计关键：视频转换处理 视频转换处理无疑是机顶盒最主要的功能，因此编码/解码器(CODEC)犹如机顶盒的心脏。目前电视广播界仍以MPEG-2为基本视频压缩规格，但已积极转向MPEG-4、H.264/AVC(即MPEG-4 Part 10)及VC-1等新一代编解码规格。采用新的规格对业者来说具有许多好处，最明显的例子在于他们能通过有限的频宽传送更多的节目频道，或提供高画质的电视节目。以MPEG-2和H.264来比较，在传输HDTV内容时，前者需要20Mbps频宽，后者只需8Mbps频宽就能提供相同的画质，两者差了2.5至3倍。除了频宽的考虑外，采
32、用新的视频压缩规格也能带来其它的优势，例如在具备节目录制PVR/DVR功能的机顶盒中，更大的压缩比意味着能储存更多的容量；此外，新的规格也提供了对象导向的互动功能，以及子母分割画面等加值功能。目前市场上并未明确的往特定的新一代规格靠拢，处在这个过渡期中，机顶盒只得同时支持多种规格。MPEG-4虽然问世较久，也有不少厂商大力支持，但它先天上存在着一些难以克服的瓶颈，让它在推展上显着举步维艰。MPEG-4最大的问题在于规格过于庞杂，视频只是MPEG-4定义中的一个部分(lS014496-2 MPEG-4 Part 2)。这种庞杂性就产生各部分兼容性的定问题：有些内容不够清楚，或不够开放；有些做了折
33、衷处理，反而造成互操作性的难题。举例来说，由于MPEG-4允许自订输出规格，因此造成各种规格并存的现象，例如较知名的Divx规格及微软的wmv规格，但过多规格也让服务业者望之却步。另一个令人诟病的原因，则在于要取得MPEG-4的商用取可证旷日废时，而且得负担高昂的使用费用。,相较之下，H.264虽然也是一个复杂的标准，但它只针对视频做制定，也已获得MPEG/lS0和ITU两大国际标准组织的支持，加上它是当前能提供最佳视频压缩效能的规格，也不存在使用费的问题，所以自2003年标准推出后，即对HDTV、HD-DVD、手机及视频串流等业者产生莫大的吸引力。不仅如此，H.264在制定时即考虑了与MPE
34、G-2既有系统的通用性问题，因此，在今日的基础建设中就能将H.264嵌入MPEG-2传送流(TS)中发送出去。H.264的应用情况与取样速率请参考(表1)。不过，在提升压缩效能的同时，H.264也存在编码计算复杂度大增的问题，因此需要消耗更大的运算资源。在此情况下，机顶盒必须采用更高效能的处理器，或以专属的CODEC加速器硬件来完成任务。此外，高质量、低复杂性算法对于H.264的编解码也有很大的帮助，以ST来说，就已提出运动估算与速率控制算法，以及用于H.264解码的错误检测与隐藏算法，能让解码器承担并隐藏数据封包损失，在无线封包网络上实现IP网络的最佳效能。,视频编码转换(Transcodi
35、ng)身为数字家庭网络核心位置的机顶盒，除了提供电视节目的视频转换播放之外，目前也成为家庭中如DVD、PMP、数字相机等各种不同设备的互连中心。为了让视频内容能在不同设备间进行播放及存取，机顶盒还得具有视频编码转换的能力，也就是调整位位速率以符合特殊的信道速率或储存格式；或是用来改变分辨率，如将高分辨率(HD)视频串流传送给标准分辨率(SD)电视，或是在CIF移动终端上显示SD视频等。ST先进系统技术(AST)小组所开发的动态位串流规划(Dynamic Bitstream Shaper，DBS)技术，即采取最佳化的算法来支持MPEG-2与H.264之间的位速率、讯框速率、讯框大小与编码标准变化
36、。它的开发目的在于降低视频编码转换的架构复杂性、运算耗能、内存需求，以及运算延迟等，让视频内容不需经过再编码(re-encoding)而能获得相同或更佳的质量。,设计关键：数字内容管理技术 进入数字内容的时代，复制盗版的难度大减，这也成了电视服务业者迈向数字电视或IPTV时最关心的问题之一，负责接收转换数字内容的机顶盒，自然就被赋与了版权管控的任务。目前对于数字电视内容管理的技术作法不少，其中以条件式接取(CA)和数字版权管理(DRM)被视为基本的保护机制，新兴的标准中较受重视的是安全视频处理器联盟(Secure Video Processor Alliance,SVPA)推出的SVP标准。以
37、下将分别进行探讨：条件式接取(CA)CA是系统服务业者经营数字电视业务的一项关键性机制，它能为广播式网络提供“寻址化管理”(Addressability)，其关注的重点是电视频道与用户的权限。用户需通过专属机顶盒或智慧卡来取得授权，才能解开扰码(Scrambling)。除了加解扰外，CA也能接收控制用户的管理信息，包括用户名称、地址、智能卡号、账单等等，并搭配后端客户管理及收费系统来提供更个人化的增值服务。由于CA得处理复杂的加解扰等演算问题，是机顶盒制造商较难跨越的一道门坎，也是掌握此技术公司的极大优势。过去CA往往与特定的系统设计公司的专属机顶盒绑在一起，用户一旦要换系统，就得连机顶盒一同
38、更换。这种情况除了造成系统公司与用户的困扰外，也让机顶盒因通用性低而受到局限，因此相关的组织或政府政策上都致力于推动CA从机顶盒中独立出来的机卡分离作法。以DVB来说，系统原先只就CA做了共同扰码(DVB Common Scrambling)的定义，操作(Operation)及管理(Management)则开放让系统设计公司可以自行开发。目前DVB已针对局端与客户端分别提出了同步加密(Simulcrypt)与多重解密(Multicrypt)的方案，以解决互通操作上的问题。此外，美国、欧洲及亚洲多国都已将机卡分离视为电视产业发展的既定政策。目前将CAM(CA模块)独立设计的作法有三种，分别是采P
39、CMCIA、USB或智能卡的方式，其中又以PCMCIA为市场主流，包括美国的POD标准及欧洲的DVB-C标准，都以PCMCIA为其基本的物理接口。,DRM CA的寻址化功能虽能对频道及用户做收视控管，但对于个别节目的内容保护与授权就力有未逮，在此情况下，有必要进一步采用DRM机制来提供内容管理。这两者是相辅相成的，CA是系统业者的收视管理及营运工具，而DRM则是内容发行商的自我保护机制。DRM 采取的是许可证管理(License Management)策略，也就是由数字内容发行商对原始档进行加密(一般采用128位或156位对称算法)，同时在添加的标头中加入作者、版本号、发行日期等版权信息。当用
40、户想通过网络或直接从光盘中取得内容时，系统会自动检查有没有相应的许可证(LICENSE)，认证的方式包括插入IC卡、IKEY(一种USB接口的身份认证令牌)，或经由网络认证服务器来认证其账号、密码。整个 DRM 的建置架构共分为 3 层：使用者接口应用软件、DRM 用户认证子系统，以及最基本的加密引擎。其中用户认证子系统是IPTV业务推行的关键，目前有许多认证系统，两种较典型的IPTV DRM系统分别采用Kerberos和PKI认证机制。此外，就DRM的规格来说，目前市场上的规格相当分歧，最受重视的无疑是Windows Media的DRM及开放移动联盟OMA推出的DRM 1.0/2.0规格，但
41、仍有包括UT-DRM、NDS、SecureMe dia、WideVine、BesDRM等规格并存。为了让用户能收看不同来源的视频内容，今日的机顶盒只得尽量支持市场上的DRM规格。DRM保护内容的立意虽好，但规格林立反而造成市场发展的阻碍，请参考(图4)。为了使各种DRM规格能够互通，包括惠普、飞利浦电子、ST、三星电子、索尼和20世纪福克斯电影公司等40个公司组成了Coral联盟，即致力于为基于WEB和家庭网络的设备安全传送内容提供互操作性。目前该组织已公布一种互操作层，能支持多种DRM方案，其架构请参考(图5)，不过，微软及Apple两大公司的规格仍是例外。,安全视频处理器(SVP)SVP标
42、准主要由SVP联盟推广，目前已获得20多家主要媒体与技术厂商支持，ST是该标准的发起会员之一。SVP联盟的主要工作是在数字家庭网络，以及数字电视、机顶盒、DVR、可携式媒体播放器等消费性电子应用中推广其SVP内容保护技术。SVP能与CA及DRM形成互补的机制，为数字内容提供更完善的保护管理。通过SVP技术，媒体公司可以自行设置其DRM规范来对其作品内容加以保护，并将来自CA系统的规则映像到SVP格式之中，最后再通过支持SVP功能的个人录像机、DVD录像机或PMP等设备解密还原为原始内容呈现给观众。基本上，SVP技术是一种以硬件为基础的安全方案，提供加密、传输和接收内容及关于如何通过安全信道使用
43、内容的规则。其硬件核心只需不到20万门电路闸，并在其上运行一个安全软件堆栈。这可以说是一种低成本、适合未来应用的解决方案，因此ST的数字视频处理器及解码器已普遍支持SVP标准。,结语 为了应对市场的变化，数字机顶盒必须具备提供产品开发的便利性及升级上的弹性，这包括设备开发层面及终端用户的使用层面。在开发层面，目前关键零组件的厂商会提供完善的设计参考平台，让设备商能够加速开发时程，而且能在既有的设计基础上，弹性地加入新的功能以推出差异化或升级的产品。在终端部分，机顶盒也需具有软件升级的功能，也就是只需通过远程网络的下载更新，就能升级其软件或韧体。由于数字机顶盒是一个集合各种功能于一身的Hub，加
44、上这一市场上的技术、标准与应用需求变化极快，要想推出满足各方需求且使用寿命长的通用型机顶盒，是一件很不容易的事。除了上述的视频转换处理及内容管理的设计关键外，在数字卫星、地面及有线电视的服务上，信号回传的互动性是整体系统上的重要瓶颈；在IPTV的部分，虽以互动性见长，但如何保证串流视频的服务质量(QoS)，并能提供HDTV的服务，也是很大的挑战。当然，还有更多的挑战及商机摆在眼前，例如数字电视与有线/移动电话的整合等，是值得我们不断去投入观察的。,欧盟委员会2008年10月27日发布了G/TBT/N/EEC/228号通报，标题为：委员会法规草案，执行关于简单数字机顶盒生态设计要求的欧洲议会和理
45、事会指令2005/32/EC，涉及简单数字机顶盒（数字转换器）。该委员会法规草案规定了简单数字机顶盒（SSTB）的最低能源性能要求。简单数字机顶盒是一种主要将卫星数字广播信号转换成适合于接收模拟信号的电视机的模拟信号的装置。由于欧盟在以后的8年中向数字广播的转换，贮存和销售这些装置，以及相关联的能源消耗将急剧增加的原因。同时也因为存在限制该能源消耗的具有成本效益的潜力，所以该法规提案规定了关于简单数字机顶盒活动状态和待机状态的能源性能要求。依照指令2005/32/EC的框架，不符合这些要求的产品将不允许投放内部市场。欧盟委员会2009年2月4日公布了“实施关于简单机顶盒的生态设计要求的欧洲议会
46、和理事会第2005/32/EC号指令”的第（EC）107/2009号法规，该法规自其在欧盟官方公报上公布之日起的第20天开始生效。主要内容包括：1.生效一年后，简单数字机顶盒应提供待机模式，配备自动关机系统或类似模式转换功能。2.法规生效一年后，市场上的简单数字机顶盒不应超过下列能耗限制（具备集成硬盘或/和带有第二个调谐器的简单数字机顶盒除外）：,绿色节能是机顶盒发展的要求,据调查，如要满足欧盟标准，据估算每件产品大约须增加12欧元制造成本，新增加成本相当于其销售价格的10左右。而目前我国机顶盒产品以中低端为主，新增成本将大大增加企业负担。这些规定无疑太高了我国的机顶盒的出口门槛，加之中国政府
47、从去年开始提出建设节能型社会的号召，所以笔者认为绿色节能是机顶盒的未来发展趋势。目前国内已经有了适应节能的低功耗机顶盒设计，在广电行业年度盛大会展CCBN2009期间，九联与有华为背景的芯片公司海思联手首先推出绿色机顶盒。近日，深圳市贸易工业局组织专家也对创维机顶盒节能技术项目进行了验收，验收组认为该项技术解决了市场上绝大多数机顶盒不能实现“真待机”的问题，通过超低功耗的Passive standby 技术，实现了低功耗真待机。据悉，该项目已经申请了6项专利，其中有5项发明专利。可见绿色节能是机顶盒的未来发展趋势，衷心希望有更多的厂商加入到绿色机顶盒生产之中，为节约能源做出贡献！,数字机顶盒就
48、是一种把数字信号转换成模拟信号的变换设备。我们大部分时候会产生这样的疑问，既然从电视台发出的是模拟信号，接收到电视机的也必须是模拟信号，那为什么还要用到数字机顶盒呢？现在生活中，我们总是希望自己的电视机能播放清晰度高的电视节目，从模拟电视向高清晰度数字电视过渡，是一个跨越式的过渡，可以说无法直接兼容，也就是说目前的所有的模拟电视是不能使用的，所以一步到位是不现实的。通常现在的做法是：电视台将模拟信号先转换成数字信号，传送到家中的数字机顶盒后，将数字信号转变成模拟信号输入给现在的模拟电视机显示信息，这样有效地避免了电视信号在传输过程中导致的干扰和损耗，电视接收的信号质量得到了很大程度的改善。数字
49、机顶盒的主要技术有：信道解码、信源解码、上行数据的调制编码、嵌入式CPU、MPEG2解压缩、机顶盒软件、显示控制和加解扰技术。(1)信道解码：数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。在数字电视机顶盒中，高频头是必须的，不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。根据DTV目前已有的调制方式，信道解码应包括QPSK、QAM、OFDM、VSB解调功能。(2)信源解码：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MPEG2视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有AC3和MPEG2两种标准。信源解码器必须适应不同编
50、码策略，正确还原原始音、视频数据。,数字机顶盒,(3)上行数据的调制编码：开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有3种方式，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。(4)嵌入式CPU：嵌入式CPU是数字电视机顶盒的心脏，当数据完成信道解码以后，首先要解复用，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在数字电视机顶盒专用的CPU中集成了32个以上可编程PID滤波器，其中两个用于视频和音频滤波，其余的用于PSI、SI和Private数据滤波。CPU是嵌入式操作系统的运行平台，它要和操作系统一起完成网络管理，显示管理、有条件接收管理
