IP STB高階系統挑戰(zhàn)

2005年4月A版
歐敏銓
    數字電視在全球的推動已是行之有年，然而隨著網絡技術的不斷推動，通過電視這個媒介可以做的事和過去比已經有很大的不同。在電視與網絡、計算機的融合下，電視系統的骨干與服務商都在持續(xù)地蛻變中。
    在基礎架構上，電視系統一步步的走向數字化，也就是將電視傳輸架構從模擬環(huán)境轉向數字化的環(huán)境，在這方面，衛(wèi)星廣播系統已是全面數字化了，線纜系統也已完成大部分改朝換代的工作；在數字化的條件下，電視服務業(yè)者也逐步擴充服務的內容，目前已可看到許多付費性的新服務，如音樂CD、MTV或游戲的下載，甚至也有網絡瀏覽、收發(fā)電子郵件的功能。

IP STB市場需求強勁
    在這個數字化的架構中，有一個關鍵性的設備，那就是置放在終端使用者處的機頂盒（Set-top box, STB）。從最早的模擬STB（選臺器）到今日的數字機頂盒（DSTB），STB的發(fā)展歷史已有二十多年。模擬STB至今仍然存在，它具有對電視信號進行接收、調變和譯碼（de-scrambling）的功能，這類設備的過去二十年來的改變幅度很小。
    網際網絡的出現是STB市場的一大轉折點，先出現的是讓收視戶可以通過客廳中的電視來接取網際網絡的撥接STB（Dial-up set-top box, 又稱TV上網機），如今當紅的產品則是IP STB。通過IP STB處理的串流內容一般是由衛(wèi)星或線纜網絡傳送到家中，但和線纜STB或衛(wèi)星STB的不同之處，在于IP STB除了具有和前兩者相同的功能，同時也使用現存低成本的IP網絡架構，因此，IP STB能支持更廣泛的應用和交互式的服務。
    IP STB為網絡服務供貨商提供了新的服務商機，舉例來說，終端用戶可以只要通過電視的接口就可以收看視頻或收聽音樂內容，也可以瀏覽網絡、玩線上游戲和收發(fā)電子郵件，這些都是服務商的新收入來源，而這個接口就是IP STB。

    以數字STB來說，可以分為入門級數位STB（Entry-level digital set-top boxes）、中階數字STB（Mid-range digital set-top box）和高階數字STB三個等級。IP STB屬于數字STB中的高階產品市場，這個市場的成長趨勢相當被看好，Strategy Analytics機構就預測到2008年，全球市場高階STB裝置量將達4,000萬臺，而其中最大的市場將在美國。
    越來越多的電信和IPTV供貨商通過IP和DSL提供視頻，他們的用戶將需要這些IP-STB和住宅網絡網關，以對信號進行譯碼。IP-STB的數量現在不如常規(guī)數字STB多，但這顯然是STB中一個呈現高成長的領域。In-Stat認為包括家用和商用的IP STB在全球的產量會不斷成長，預估在未來三年的平均年成長率將近200%，到了2007年可望有8百萬臺的年度生產量。

不斷翻新的IP STB互動服務
    通過電視系統可以提供的互動數字內容服務包括電視點播（VoD）、數字視頻記錄（Digital Video Recorder , DVR）、電子節(jié)目指南（Electronic Program Guide, EPG）、電視商務（television commerce, t-commerce）、訊息服務、音樂、游戲、IP電話、網絡網關器和網頁瀏覽等等，而且還不斷有新的服務在推陳出新。
    由于提供這些功能的難易程度不同，同樣是IP STB還可以再分為簡單型和進階式兩大類。簡單型是強調成本效益的入門級設備，主要是能提供基本的廣播電視服務、VoD、EPG和網絡瀏覽等功能；進階型則定位為全功能的媒體中心，這類產品往往在STB中置入硬盤（HDD），讓STB有足夠的儲存容量錄制節(jié)目，進而能提供DVD播放和錄像、PVR和個人多媒體儲存功能，不僅如此，這類設備還可能具有家庭網絡的連接端口，讓STB進一步成為家用網關器（Residential Gateway）。 （請參考圖1）

IP STB的系統架構
    IP STB通過IP的連結即可傳送交互式、個人化的視頻內容到今日的電視上頭，為了提供安全、高品質的內容，一個IP STB必需要建置一個彈性的平臺，才能支持符合產業(yè)標準的資料傳送和網絡協議。
    以IP STB的系統架構來說，包含三個獨立的子系統：TV單元、條件存?。╟onditional access, CA）單元和PC單元。TV子系統由調變器（tuner）和影像譯碼器組成，它們用來處理數字串流信息；CA子系統讓服務商具有控制能力，能夠知道收視戶在何時收看什么節(jié)目；PC子系統多半是模塊式的設計，也就是說STB的設計者可以依其需求而增加或減少這個系統中的組件，由于IP STB的目標是要提供網際網絡的服務功能，它的PC系統方面就得提供TCP/IP的堆棧協議，并具有更佳的儲存方案。
    在IP STB處理器架構的設計上，通常采用DSP和另一塊通用處理器（General Purpose Processor , GPP）的雙核架構，其中DSP主要用于視頻及音訊上的譯碼處理，目前多采用可程序化的DSP，以滿足定制化上的彈性需求；GPP則用來處理從各種接口來的控制及運算需求，這些接口包括硬盤總線接口、以太網及GPIO等有線接口，以及無線接口等，請參考圖2。

圖2　IP STB的處理器核心架構（參料來源：TI網站）
    以Broadcom的BCM7318系統單芯片為例，它具有MPEG-2影音譯碼功能、32位MIPS微處理器（266MHz）、10/100Mbps以太網絡控制器和USB 2.0主控制器。在這個架構下，這塊譯碼芯片可以處理從以太網、外接硬盤，以及從線纜、電話線、衛(wèi)星或數字地面網絡接口模塊等特定外接接口來的串流內容。

IP STB的系統規(guī)劃
    對于STB來說，如何以現有的頻寬提供高品質的影音內容是一個重點，而這個解決方案已浮出水面，也就是從現有的MPEG-2格式轉向新的高階影像壓縮技術，也就是H.264或微軟的VC-1格式。
    以今日的MPEG-2格式來說，要服務商提供多頻道的視頻節(jié)目是不可能的任務。在今日的環(huán)境下，每個收視戶能使用的頻寬通常都小于2Mbps，這還不足以順暢地傳送MPEG-2高容量多媒體信息。不過，若采用ISO編碼標準H.264壓縮技術（又稱為MPEG-4 part10/AVC），那就可以在1Mbps的頻寬下傳送極佳的數字串流影像，這對于標準型電視（SDTV）節(jié)目的播放是不成問題的。如此一來，電信服務商就能以現有的網絡架構來為用戶提供數字廣播服務了。
    市場調查公司ABI Research最近發(fā)表的一份研究報告即指出，目前約有30%的IP-STB支持H.264和VC-1。由于廠商已陸續(xù)推出H.264的高階視頻譯碼器硬件芯片方案，這將能提高IP STB在建置上的成本效益，ABI指出，這種高階視頻譯碼器將成為IP-STB的標準配備，預計到2008年時，它將進入幾乎所有的機頂盒中。在此情況下，也將帶動系統業(yè)者對IP STB的采用意愿。
    采用高階視頻譯碼器的IP STB，提供支持高品質H.264/ MPEG-4 AVC影像譯碼能力，它能提供高畫質（high definition, HD）和標準畫質（standard definition, SD）的視頻服務；此外，在聲音的譯碼上，這個譯碼器也得支持最新的多種音訊標準，包括MPEG-4 高效率AAC (AAC+)、MPEG-4 AAC (ACC-LC)、Dolby Digital Plus (Enhanced AC3)、Dolby Digital (AC3)、MPEG-1 Layer I, II, III (MP3)，和PCM (pulse code modulation)等，才能滿足今日多元的音訊處理環(huán)境。
    除了視頻服務外，高階IP STB也要求支持更多的功能，例如采用包含硬件繪圖加速器的2D圖形引擎，它可以支持高階的繪圖功能，也可以提升軟件式的電子節(jié)目指南與IPTV的互動服務，進而具有產品的差異性。此外，加入硬盤的IP STB，再配合軟件上的設計，就能提供包括個人觀看（viewing）和排程（scheduling）、視頻和資料推播、隨選視頻等新的服務。

結語
    服務商和市場用戶對功能的需求，正不斷推動IP STB的向前發(fā)展。以服務商的角度來說，他們希望在最小的投資費用下，以及更彈性及便利的系統開發(fā)環(huán)境中，引進確實能創(chuàng)造收入的新服務。在這些服務中，以多媒體和娛樂導向的新應用最受到重視，而為了保證有版權的內容能受到保護，不致于被非法散布，IP STB的開發(fā)上也不能忽視在數字版權管理（DRM）上的議題。
    此外，如何提供容易升級的IP STB設備，也成了開發(fā)者的共同需求。未來IP STB的開發(fā)得滿足定制化的需求，同時遵循可靠和成熟的產業(yè)規(guī)范，以加速設計時程及降低開發(fā)成本。一些國際組織的出面協調制定共通規(guī)范，對于STB的廣泛應用有很大的幫助。目前有兩個代表性的標準推動組織，一是歐洲的ECCA（European Cable Communications Association）和美國為主的CableLabs，分別已推出多項STB的參考設計規(guī)范。
    IP STB將會整合更多的功能，例如調制解調器、硬盤、MP3和DVD播放機，甚至是家庭網絡的功能，若要播放高畫質視頻內容，那就需要比標準視頻高出4~6倍的頻寬，還得采用更高效能的譯碼技術，如以H.264或VC-1取代今日的MPEG-2。
    然而，除了終端用戶的IP STB外，還需要有系統端的完整傳輸環(huán)境及相關設備技術，例如VOD后臺的整合技術、EPG的伺服/終端間中介軟件支持，和DVR引擎技術，才能提供端對端（end-to-end）的IP應用服務（請參考圖3）。不過，IP STB在新功能和新服務上的技術改變，仍是推動產業(yè)持續(xù)進步的一大動力。

圖3　STB在整體網絡環(huán)境中之定位（資料來源：ITU-T/ ECCA）