數(shù)字機(jī)頂盒的架構(gòu)與設(shè)計(jì)關(guān)鍵

數(shù)字電視可說是手機(jī)之外的另一波殺手級應(yīng)用，它以客廳為核心，不斷地整合家庭中的其它視聽及信息設(shè)備，形成多元應(yīng)用的家庭網(wǎng)絡(luò)；不僅如此，數(shù)字電視與手機(jī)也向整合之路發(fā)展，移動電視(Mobile TV)已在全球各地如火如荼的推動當(dāng)中。當(dāng)電視廣播系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、甚至是移動蜂窩系統(tǒng)結(jié)合時，包括視頻、語音與數(shù)據(jù)的服務(wù)自然走向多元匯流的趨勢，這是一個比過去獨(dú)立形式復(fù)雜許多的應(yīng)用環(huán)境，而數(shù)字機(jī)上盒(Set-top-box)正位于此架構(gòu)的核心位置，其面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)確實(shí)繁重。

根據(jù)電視節(jié)目發(fā)送管道的不同，數(shù)字機(jī)頂盒又可分為數(shù)字地面(Terrestrial)機(jī)頂盒、數(shù)字衛(wèi)星(Satellite)機(jī)頂盒、數(shù)字有線(Cable)機(jī)頂盒，以及通過網(wǎng)絡(luò)(xDSL、Cable Modem、光纖)的IP 機(jī)頂盒等形式。整體而言，數(shù)字機(jī)頂盒的技術(shù)主軸朝向支持HDTV(High Definition TV)及互動性(Interactive)發(fā)展，但不同市場區(qū)塊仍有技術(shù)及應(yīng)用上的偏重。為了達(dá)到產(chǎn)品的差異化定位，加入硬盤的數(shù)字視頻錄像機(jī)(DVR)及整合家庭網(wǎng)絡(luò)功能的家庭網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)器(Residential Gateway, RG)，也是數(shù)字機(jī)頂盒的重要設(shè)計(jì)方向。

系統(tǒng)架構(gòu)

一個數(shù)字機(jī)頂盒是由軟、硬件所組成，在硬件方面的主要單元可分為接收廣播信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳輸串流的前端(front-end, FE)芯片，即諧調(diào)器(tuner)和調(diào)節(jié)/解調(diào)器(modulator/demodulator)；后端芯片包括電視解碼器/編碼器(NTSC/PAL decoder/encoder)、MPEG-2 Transport、MPEG-2 MP@ML或HL解碼器、微處理器、圖形芯片、音頻處理器、音頻DAC、視頻DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等內(nèi)存、電源組件及其它標(biāo)準(zhǔn)離散組件。更高級產(chǎn)品還會整合安全芯片、調(diào)制解調(diào)器(modem)或家庭網(wǎng)絡(luò)芯片，以及可錄像的硬盤(HDD)。(圖1)為支持DVR功能的機(jī)頂盒解碼芯片方塊圖。

圖1  具有DVR功能的機(jī)頂盒解碼器方塊圖(以STx5100為例)
資料來源：ST

更強(qiáng)大及多元的功能及更高的整合度是數(shù)字機(jī)頂盒在硬件部分的發(fā)展趨勢。在功能上，電視解碼器強(qiáng)調(diào)要能做到dual-TV和dual-DVR，也就是除了能解碼并顯示數(shù)字和模擬兩種電視廣播信號外，還要能解碼兩個同步標(biāo)準(zhǔn)解析電視頻號，再送到多臺不同的電視機(jī)播放，或錄制節(jié)目到硬盤中。此外還有所謂的PAP(高解析雙畫面)和PIP(子母畫面)功能，能夠在同一個屏幕上顯示兩個不同的高解析電視畫面，可以分別并列或上下排列。

在整合性上，為了保持設(shè)計(jì)彈性，一般在系統(tǒng)中前端及后端芯片是分離的配置，但也能將兩者整合為單一封裝，進(jìn)而為大量生產(chǎn)的應(yīng)用提供更佳的成本效益。芯片本身則朝SoC的方向發(fā)展，尤其是位居核心的解碼器芯片，此類芯片會采用90納米等高級制程，在一顆芯片上整合各種主要功能，包括高性能的CPU、視頻解碼電路和各種外圍設(shè)備，請參考(圖2)。

圖2  機(jī)頂盒單芯片iDTV處理器硬件架構(gòu)方塊圖(以STD2000為例)
資料來源：ST

在軟件部分則包括操作系統(tǒng)和實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)、提供互動功能的MHP 等中介軟件(Middleware)及應(yīng)用程序接口(API)，以及電子節(jié)目表(EPG)等應(yīng)用軟件或條件式接取(Conditional Access, CA)安全功能。接口上則需要支持安全性模塊(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等技術(shù)難度較高，也是設(shè)備商在選用視頻處理芯片解決方案后，仍需進(jìn)一步整合開發(fā)的議題。

設(shè)計(jì)關(guān)鍵：視頻轉(zhuǎn)換處理

視頻轉(zhuǎn)換處理無疑是機(jī)頂盒最主要的功能，因此編碼/解碼器(CODEC)猶如機(jī)頂盒的心臟。目前電視廣播界仍以MPEG-2為基本視頻壓縮規(guī)格，但已積極轉(zhuǎn)向MPEG-4、H.264/AVC(即MPEG-4 Part 10)及VC-1等新一代編解碼規(guī)格。采用新的規(guī)格對業(yè)者來說具有許多好處，最明顯的例子在于他們能通過有限的頻寬傳送更多的節(jié)目頻道，或提供高畫質(zhì)的電視節(jié)目。

以MPEG-2和H.264來比較，在傳輸HDTV內(nèi)容時，前者需要20Mbps頻寬，后者只需8Mbps頻寬就能提供相同的畫質(zhì)，兩者差了2.5至3倍。除了頻寬的考慮外，采用新的視頻壓縮規(guī)格也能帶來其它的優(yōu)勢，例如在具備節(jié)目錄制PVR　/DVR功能的機(jī)頂盒中，更大的壓縮比意味著能儲存更多的容量；此外，新的規(guī)格也提供了對象導(dǎo)向的互動功能，以及子母分割畫面等加值功能。

目前市場上并未明確的往特定的新一代規(guī)格靠攏，處在這個過渡期中，機(jī)頂盒只得同時支持多種規(guī)格。MPEG-4雖然問世較久，也有不少廠商大力支持，但它先天上存在著一些難以克服的瓶頸，讓它在推展上顯著舉步維艱。

MPEG-4最大的問題在于規(guī)格過于龐雜，視頻只是MPEG-4定義中的一個部分(lS014496-2 MPEG-4 Part 2)。這種龐雜性就產(chǎn)生各部分兼容性的定問題：有些內(nèi)容不夠清楚，或不夠開放；有些做了折衷處理，反而造成互操作性的難題。舉例來說，由于MPEG-4允許自訂輸出規(guī)格，因此造成各種規(guī)格并存的現(xiàn)象，例如較知名的Divx規(guī)格及微軟的wmv規(guī)格，但過多規(guī)格也讓服務(wù)業(yè)者望之卻步。另一個令人詬病的原因，則在于要取得MPEG-4的商用取可證曠日廢時，而且得負(fù)擔(dān)高昂的使用費(fèi)用。

相較之下，H.264雖然也是一個復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，但它只針對視頻做制定，也已獲得MPEG/lS0和ITU兩大國際標(biāo)準(zhǔn)組織的支持，加上它是當(dāng)前能提供最佳視頻壓縮效能的規(guī)格，也不存在使用費(fèi)的問題，所以自2003年標(biāo)準(zhǔn)推出后，即對HDTV、HD-DVD、手機(jī)及視頻串流等業(yè)者產(chǎn)生莫大的吸引力。不僅如此，H.264在制定時即考慮了與MPEG-2既有系統(tǒng)的通用性問題，因此，在今日的基礎(chǔ)建設(shè)中就能將H.264嵌入MPEG-2傳送流(TS)中發(fā)送出去。H.264的應(yīng)用情況與取樣速率請參考(表1)。

不過，在提升壓縮效能的同時，H.264也存在編碼計(jì)算復(fù)雜度大增的問題，因此需要消耗更大的運(yùn)算資源。在此情況下，機(jī)頂盒必須采用更高效能的處理器，或以專屬的CODEC加速器硬件來完成任務(wù)。此外，高質(zhì)量、低復(fù)雜性算法對于H.264的編解碼也有很大的幫助，以ST來說，就已提出運(yùn)動估算與速率控制算法，以及用于H.264解碼的錯誤檢測與隱藏算法，能讓解碼器承擔(dān)并隱藏?cái)?shù)據(jù)封包損失，在無線封包網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)的最佳效能。

視頻編碼轉(zhuǎn)換(Transcoding)

身為數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)核心位置的機(jī)頂盒，除了提供電視節(jié)目的視頻轉(zhuǎn)換播放之外，目前也成為家庭中如DVD、PMP、數(shù)字相機(jī)等各種不同設(shè)備的互連中心。為了讓視頻內(nèi)容能在不同設(shè)備間進(jìn)行播放及存取，機(jī)頂盒還得具有視頻編碼轉(zhuǎn)換的能力，也就是調(diào)整位位速率以符合特殊的信道速率或儲存格式；或是用來改變分辨率，如將高分辨率(HD)視頻串流傳送給標(biāo)準(zhǔn)分辨率(SD)電視，或是在CIF移動終端上顯示SD視頻等。

圖3  DBS MPEG-2轉(zhuǎn)H.264編碼轉(zhuǎn)換技術(shù)
資料來源：ST Journal of Research- Vol 2, No. 1

ST先進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)(AST)小組所開發(fā)的動態(tài)位串流規(guī)劃(Dynamic Bitstream Shaper，DBS)技術(shù)，即采取最佳化的算法來支持MPEG-2與H.264之間的位速率、訊框速率、訊框大小與編碼標(biāo)準(zhǔn)變化。它的開發(fā)目的在于降低視頻編碼轉(zhuǎn)換的架構(gòu)復(fù)雜性、運(yùn)算耗能、內(nèi)存需求，以及運(yùn)算延遲等，讓視頻內(nèi)容不需經(jīng)過再編碼(re-encoding)而能獲得相同或更佳的質(zhì)量。

設(shè)計(jì)關(guān)鍵：數(shù)字內(nèi)容管理技術(shù)

進(jìn)入數(shù)字內(nèi)容的時代，復(fù)制盜版的難度大減，這也成了電視服務(wù)業(yè)者邁向數(shù)字電視或IPTV時最關(guān)心的問題之一，負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)換數(shù)字內(nèi)容的機(jī)頂盒，自然就被賦與了版權(quán)管控的任務(wù)。目前對于數(shù)字電視內(nèi)容管理的技術(shù)作法不少，其中以條件式接取(CA)和數(shù)字版權(quán)管理(DRM)被視為基本的保護(hù)機(jī)制，新興的標(biāo)準(zhǔn)中較受重視的是安全視頻處理器聯(lián)盟(Secure Video Processor Alliance, SVPA)推出的SVP標(biāo)準(zhǔn)。以下將分別進(jìn)行探討：

條件式接取(CA)

CA是系統(tǒng)服務(wù)業(yè)者經(jīng)營數(shù)字電視業(yè)務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵性機(jī)制，它能為廣播式網(wǎng)絡(luò)提供“尋址化管理”(Addressability)，其關(guān)注的重點(diǎn)是電視頻道與用戶的權(quán)限。用戶需通過專屬機(jī)頂盒或智慧卡來取得授權(quán)，才能解開擾碼(Scrambling)。除了加解擾外，CA也能接收控制用戶的管理信息，包括用戶名稱、地址、智能卡號、賬單等等，并搭配后端客戶管理及收費(fèi)系統(tǒng)來提供更個人化的增值服務(wù)。

由于CA得處理復(fù)雜的加解擾等演算問題，是機(jī)頂盒制造商較難跨越的一道門坎，也是掌握此技術(shù)公司的極大優(yōu)勢。過去CA往往與特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)公司的專屬機(jī)頂盒綁在一起，用戶一旦要換系統(tǒng)，就得連機(jī)頂盒一同更換。這種情況除了造成系統(tǒng)公司與用戶的困擾外，也讓機(jī)頂盒因通用性低而受到局限，因此相關(guān)的組織或政府政策上都致力于推動CA從機(jī)頂盒中獨(dú)立出來的機(jī)卡分離作法。

以DVB來說，系統(tǒng)原先只就CA做了共同擾碼(DVB Common Scrambling)的定義，操作(Operation)及管理(Management)則開放讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)公司可以自行開發(fā)。目前DVB已針對局端與客戶端分別提出了同步加密 (Simulcrypt) 與多重解密 (Multicrypt) 的方案，以解決互通操作上的問題。

此外，美國、歐洲及亞洲多國都已將機(jī)卡分離視為電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展的既定政策。目前將CAM(CA模塊)獨(dú)立設(shè)計(jì)的作法有三種，分別是采PCMCIA、USB或智能卡的方式，其中又以PCMCIA為市場主流，包括美國的POD標(biāo)準(zhǔn)及歐洲的DVB-C標(biāo)準(zhǔn)，都以PCMCIA為其基本的物理接口。

DRM

CA的尋址化功能雖能對頻道及用戶做收視控管，但對于個別節(jié)目的內(nèi)容保護(hù)與授權(quán)就力有未逮，在此情況下，有必要進(jìn)一步采用DRM機(jī)制來提供內(nèi)容管理。這兩者是相輔相成的，CA是系統(tǒng)業(yè)者的收視管理及營運(yùn)工具，而DRM則是內(nèi)容發(fā)行商的自我保護(hù)機(jī)制。

DRM 采取的是許可證管理(License Management)策略，也就是由數(shù)字內(nèi)容發(fā)行商對原始檔進(jìn)行加密(一般采用128位或156位對稱算法)，同時在添加的標(biāo)頭中加入作者、版本號、發(fā)行日期等版權(quán)信息。當(dāng)用戶想通過網(wǎng)絡(luò)或直接從光盤中取得內(nèi)容時，系統(tǒng)會自動檢查有沒有相應(yīng)的許可證(LICENSE)，認(rèn)證的方式包括插入IC卡、IKEY(一種USB接口的身份認(rèn)證令牌)，或經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證服務(wù)器來認(rèn)證其賬號、密碼。

整個 DRM 的建置架構(gòu)共分為 3 層：使用者接口應(yīng)用軟件、DRM 用戶認(rèn)證子系統(tǒng)，以及最基本的加密引擎。其中用戶認(rèn)證子系統(tǒng)是IPTV業(yè)務(wù)推行的關(guān)鍵，目前有許多認(rèn)證系統(tǒng)，兩種較典型的IPTV DRM系統(tǒng)分別采用Kerberos和PKI認(rèn)證機(jī)制。

此外，就DRM的規(guī)格來說，目前市場上的規(guī)格相當(dāng)分歧，最受重視的無疑是Windows Media的DRM及開放移動聯(lián)盟OMA推出的DRM 1.0/2.0規(guī)格，但仍有包括UT-DRM、NDS、SecureMe dia、WideVine、BesDRM等規(guī)格并存。為了讓用戶能收看不同來源的視頻內(nèi)容，今日的機(jī)頂盒只得盡量支持市場上的DRM規(guī)格。

圖4  不同DRM規(guī)格的互通問題
資料來源：Coral聯(lián)盟

DRM保護(hù)內(nèi)容的立意雖好，但規(guī)格林立反而造成市場發(fā)展的阻礙，請參考(圖4)。為了使各種DRM規(guī)格能夠互通，包括惠普、飛利浦電子、ST、三星電子、索尼和20世紀(jì)?？怂闺娪肮镜?0個公司組成了Coral聯(lián)盟，即致力于為基于WEB和家庭網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備安全傳送內(nèi)容提供互操作性。目前該組織已公布一種互操作層，能支持多種DRM方案，其架構(gòu)請參考( 圖5)，不過，微軟及Apple兩大公司的規(guī)格仍是例外。

圖5  Coral聯(lián)盟提出的DRM互操作層節(jié)點(diǎn)作法
資料來源：Coral聯(lián)盟

安全視頻處理器(SVP)

SVP標(biāo)準(zhǔn)主要由SVP聯(lián)盟推廣，目前已獲得20多家主要媒體與技術(shù)廠商支持，ST是該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)起會員之一。SVP聯(lián)盟的主要工作是在數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，以及數(shù)字電視、機(jī)頂盒、DVR、可攜式媒體播放器等消費(fèi)性電子應(yīng)用中推廣其SVP內(nèi)容保護(hù)技術(shù)。

SVP能與CA及DRM形成互補(bǔ)的機(jī)制，為數(shù)字內(nèi)容提供更完善的保護(hù)管理。通過SVP技術(shù)，媒體公司可以自行設(shè)置其DRM規(guī)范來對其作品內(nèi)容加以保護(hù)，并將來自CA系統(tǒng)的規(guī)則映像到SVP格式之中，最后再通過支持SVP功能的個人錄像機(jī)、DVD錄像機(jī)或PMP等設(shè)備解密還原為原始內(nèi)容呈現(xiàn)給觀眾。

基本上，SVP技術(shù)是一種以硬件為基礎(chǔ)的安全方案，提供加密、傳輸和接收內(nèi)容及關(guān)于如何通過安全信道使用內(nèi)容的規(guī)則。其硬件核心只需不到20萬門電路閘，并在其上運(yùn)行一個安全軟件堆棧。這可以說是一種低成本、適合未來應(yīng)用的解決方案，因此ST的數(shù)字視頻處理器及解碼器已普遍支持SVP標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

為了應(yīng)對市場的變化，數(shù)字機(jī)頂盒必須具備提供產(chǎn)品開發(fā)的便利性及升級上的彈性，這包括設(shè)備開發(fā)層面及終端用戶的使用層面。在開發(fā)層面，目前關(guān)鍵零組件的廠商會提供完善的設(shè)計(jì)參考平臺，讓設(shè)備商能夠加速開發(fā)時程，而且能在既有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，彈性地加入新的功能以推出差異化或升級的產(chǎn)品。在終端部分，機(jī)頂盒也需具有軟件升級的功能，也就是只需通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的下載更新，就能升級其軟件或韌體。

由于數(shù)字機(jī)頂盒是一個集合各種功能于一身的Hub，加上這一市場上的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用需求變化極快，要想推出滿足各方需求且使用壽命長的通用型機(jī)頂盒，是一件很不容易的事。除了上述的視頻轉(zhuǎn)換處理及內(nèi)容管理的設(shè)計(jì)關(guān)鍵外，在數(shù)字衛(wèi)星、地面及有線電視的服務(wù)上，信號回傳的互動性是整體系統(tǒng)上的重要瓶頸；在IPTV的部分，雖以互動性見長，但如何保證串流視頻的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，并能提供HDTV的服務(wù)，也是很大的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，還有更多的挑戰(zhàn)及商機(jī)擺在眼前，例如數(shù)字電視與有線/移動電話的整合等，是值得我們不斷去投入觀察的。