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。

1 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 [email=MP@ML]MP@ML[/email]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，以及可录像的硬盘(HDD)。

(图1)为支持DVR功能的机顶盒解码芯片方块图。

图1 具有DVR功能的机顶盒解码器方块图(以STx5100为例)

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)。

图2 机顶盒单芯片iDTV处理器硬件架构方块图(以STD2000为例)

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频处理芯片解决方案后，仍需进一步整合开发的议题。

2 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MPEG-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。