關于IPTV機頂盒現(xiàn)狀與趨勢的研究
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1、機頂盒的發(fā)展歷程
機頂盒（set top box，STB）起源于20世紀90年代初，當時主要是歐美國家有線電視臺為解決有線電視收視費問題而設計的一個解擾設備。機頂盒作為數(shù)字電視（DTV）輔助設備是從20世紀90年代后期歐美國家試播數(shù)字電視和高清數(shù)字電視（HDTV）開始的。它的主要作用是使用戶能夠用原有的模擬電視機收看數(shù)字電視節(jié)目和高清數(shù)字電視節(jié)目，即提供數(shù)／模信號轉(zhuǎn)換功能，通常把這類機頂盒稱為數(shù)字電視機頂盒。數(shù)字電視機頂盒具有網(wǎng)絡環(huán)境特征和條件接收功能。所謂網(wǎng)絡環(huán)境特征是指在不同的電視廣播網(wǎng)中使用的機頂盒不同。根據(jù)ETSI定義的三種數(shù)字電視傳輸制式可有：用于接收有線電視的數(shù)字電視機頂盒DVB-C、接收數(shù)字衛(wèi)星電視的數(shù)字電視機頂盒DVB-S、接收地面廣播電視的數(shù)字電視機頂盒DVB-T三種類型。
近年來，隨著寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應用越來越廣泛，人們萌發(fā)了利用互聯(lián)網(wǎng)收看電視的想法。特別是IPTV如火如荼的發(fā)展帶動了終端市場的活躍，電信設備制造商紛紛投入機頂盒的研發(fā)生產(chǎn)，原有數(shù)字電視機頂盒廠商也在試水雙向IP機頂盒。機頂盒由原來單一的解擾或數(shù)／模轉(zhuǎn)換專用機頂盒，發(fā)展到支持多種接入方式和IP，具有多種編解碼能力和圖形瀏覽器功能，可以支持包括數(shù)字電視在內(nèi)的視頻點播、時移電視、網(wǎng)絡瀏覽、信息服務、遠程教學和醫(yī)療、互動游戲等業(yè)務功能的IPTV機頂盒。未來IPTV機頂盒將作為一種家用數(shù)字平臺被廣泛用于不斷擴大的交互式多媒體數(shù)字內(nèi)容服務領域。
2、IPTV機頂盒的技術需求
IPTV業(yè)務是一個全新的業(yè)務模式，它給消費者帶來的是集信息、娛樂、學習、購物于一體的網(wǎng)絡享受。個人電腦、機頂盒+電視機或3G手機都可以作為IPTV業(yè)務的終端。從適合廣大用戶消費習慣和舒適度角度考慮，機頂盒+電視機應是IPTV未來的主流終端。談到對IPTV機頂盒的技術需求，這里主要從兩個方面考慮，一是實現(xiàn)業(yè)務的需求，二是用戶體驗的需求。
IPTV可提供的業(yè)務有電視直播、視頻點播、時移電視、可視業(yè)務、信息業(yè)務、網(wǎng)絡瀏覽、互動游戲，以及未來可擴充的業(yè)務。IPTV的主要業(yè)務特征體現(xiàn)在交互式多媒體檢索和播放形式上。交互需要網(wǎng)絡具有雙向能力，檢索需要雙向信息交互。播控也需要交互；播放需要足夠的接入帶寬和媒體傳輸協(xié)議；多媒體需要音視頻編解碼能力。因此，為實現(xiàn)IPTV業(yè)務應用，要求IPTV機頂盒具有支持接收網(wǎng)絡直播電視節(jié)目，進行視頻點播、時移點播等基本業(yè)務功能，同時還要具有互聯(lián)網(wǎng)瀏覽和信息服務、電子節(jié)目指南（EPG）和節(jié)目檢索，以及互動游戲和軟件在線升級等擴展功能。作為IPTV業(yè)務終端的機頂盒設備要具有開放式系統(tǒng)結構，以適應不斷升級和擴展的業(yè)務需求；充分考慮網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議因素，要求其具有不少于兩種的上行網(wǎng)絡接口，支持多種接入認證協(xié)議和IP；要求具有音視頻媒體編解碼功能，以及業(yè)務應用和管理功能等?？傊?，從業(yè)務角度需要IPTV機頂盒具有開放型業(yè)務能力，以滿足不斷發(fā)展的業(yè)務需求。
從用戶體驗的需求考慮，IPTV業(yè)務所帶來的改變是將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)PC終端觀看流媒體視頻的書房體驗轉(zhuǎn)移到客廳，將前傾坐姿變?yōu)楹笱鲎?，將鍵盤操作改為遙控器操作。這些改變要求IPTV機頂盒的設計要充分考慮習慣于操作電視機的廣大用戶群體，應盡量保持操作簡單、性價比適中和耐用的特點。根據(jù)用戶不同消費需要。機頂盒應設計成高、中、低不同檔次，滿足各種層次的消費群體。
IPTV機頂盒在設計過程中要滿足以上諸多需求，需要一系列關鍵技術的支持，主要包括音視頻編解碼技術、圖形和圖像顯示技術、媒體流傳輸／控制技術（協(xié)議）、中間件技術、嵌入式系統(tǒng)和各類接口技術。
3、IPTV機頂盒的技術方案
早期的機頂盒只能提供視頻服務，技術重點主要集中在視頻部分。而IPTV業(yè)務的最終目標是實現(xiàn)視頻、語音和數(shù)據(jù)的融合，通過IPTV機頂盒提供三網(wǎng)融合的業(yè)務。正因為IPTV機頂盒可以成為同時提供視頻、語音和數(shù)據(jù)融合業(yè)務的紐帶，結合寬帶接入和無線網(wǎng)絡，就可以創(chuàng)建真正網(wǎng)絡化的家庭環(huán)境。
IPTV機頂盒的應用過程一般為業(yè)務內(nèi)容通過寬帶網(wǎng)絡接入到機頂盒，利用機頂盒遙控器或遙控鍵盤向?qū)拵ЬW(wǎng)絡索要視頻內(nèi)容，寬帶網(wǎng)絡將需要的視頻信號傳送到用戶端，經(jīng)過機頂盒解碼后在電視上輸出。實現(xiàn)視頻點播或網(wǎng)頁瀏覽等。
目前可支持IPTV業(yè)務的機頂盒產(chǎn)品大致有三個檔次，即基本型、增強型和超強型。所謂基本型是指機頂盒可支持IPTV基本業(yè)務，提供電子節(jié)目單、實現(xiàn)網(wǎng)絡電視節(jié)目的播放，可以進行基本播放控制。增強型機頂盒除具有基本型的功能外，還可提供互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、可視業(yè)務、文本信息和簡單游戲等功能。而超強型高端機頂盒相當于一個家庭數(shù)字娛樂中心，不但可以提供IPTV的基本業(yè)務和擴展業(yè)務，還可以實現(xiàn)視頻互動游戲、個人視頻存儲等高附加值功能。
3.1 IPTV機頂盒的硬件結構
機頂盒設備是由硬件和軟件兩部分組成，不同檔次的機頂盒所采用的系統(tǒng)平臺不同，軟件架構不同，從而它們所實現(xiàn)的功能也不同。在硬件結構上基本存在三種結構的平臺，即基于專用芯片架構、基于多媒體數(shù)字信號處理器（DSP）架構和基于X86架構的平臺。軟件結構大多采用層次化、模塊化結構，也有采用中間件結構。
機頂盒的硬件結構由核心控制單元、媒體處理單元以及各類接口組成，如圖1所示。核心控制單元一般采用嵌入式系統(tǒng)處理器芯片，可以運行實時操作系統(tǒng)。媒體處理單元一般根據(jù)機頂盒成本選用ASIC專用解碼芯片或數(shù)字信號處理器，也有采用軟件解碼實現(xiàn)的。IPTV機頂盒接口比其他電視機頂盒要豐富得多，網(wǎng)絡側接口根據(jù)網(wǎng)絡接入方式的不同可配置成高速以太網(wǎng)接口、ADSL接口或無線局域網(wǎng)接口，甚至EPON或電纜接口。媒體播放接口基本配置有復合音視頻端子和S端子，較高配置可有YpbPr、YCbCr和數(shù)字音頻輸出接口?？刂平涌谑侵赣脩舨僮骺刂茩C頂盒的接口，一般以紅外遙控器為主，也有采用紅外遙控鍵盤或WiFi技術的。除以上基本業(yè)務應用所必需的接口外，可根據(jù)業(yè)務需要配置USB接口、串行接口、Z接口、智能卡接口等其他擴展接口。
從圖1中可以看出，IPTV機頂盒的核心成分是CPU和編解碼器。機頂盒功能的強弱與選擇不同檔次的核心器件有直接關系。目前可見的機頂盒產(chǎn)品歸納起來主要基于以下三種結構：
圖1 IPTV機頂盒的硬件結構
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?。?）基于專用芯片的結構（SOC+ASIC）
專用視頻圖像處理芯片內(nèi)部除了處理器以外，還集成了一些智能模塊，如音視頻輸入輸出等，有些還集成了圖像壓縮、硬件加速模塊。從本質(zhì)上講，專用視頻壓縮芯片和通用視頻處理芯片都屬于SOC（system on chip），差異是前者帶有固定的壓縮模塊、固定的處理方式和固定的微碼，后者需要產(chǎn)品開發(fā)商開發(fā)視頻壓縮算法程序。
傳統(tǒng)的基于ASIC／SOC結構的機頂盒，由于其全硬件芯片的實現(xiàn)方案使得運營商無法實現(xiàn)軟件的有效升級，另外其網(wǎng)絡適應性也有較大問題。但由于基于這種結構的機頂盒成本較低，在IPTV業(yè)務起步階段，一般由業(yè)務運營商向用戶免費提供機頂盒，選用專用芯片結構的機頂盒，在保證基本業(yè)務的前提下，能夠使業(yè)務運營商節(jié)省運營開支，對業(yè)務推廣無疑會起到很好的作用。
（2）基于多媒體數(shù)字信號處理器的結構
基于多媒體處理器技術的IPTV機頂盒，采用了高性能數(shù)字信號處理器和嵌入式系統(tǒng)芯片作為硬件平臺。DSP主要用于視頻和音頻的解碼處理，嵌入式實時操作系統(tǒng)芯片用來控制處理從各種接口來的數(shù)據(jù)以及運算需求。采用多媒體數(shù)字處理器結構可以很方便地實現(xiàn)MPEG-2／4視頻和音頻處理、H.264視頻處理，同時還支持其他用于IPTV的編解碼標準。考核IPTV機頂盒的首要指標就是其對媒體格式的支持能力。因為到目前為止，用于IPTV業(yè)務的媒體格式還沒有統(tǒng)一標準，各運營商也處于測試選型階段，因此基于多媒體數(shù)字信號處理器結構的機頂盒可以靈活編寫不同編碼或直接做成雙解碼形式。
嵌入式系統(tǒng)是計算機、通信、半導體、微電子、語音／圖像／數(shù)據(jù)傳輸處理等技術與具體應用對象相結合的產(chǎn)物。一般來說，嵌入式系統(tǒng)由嵌入式芯片、嵌入式軟件、嵌入式操作系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具等四部分組成。嵌入式芯片包括嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式數(shù)字信號處理器以及嵌入式片上系統(tǒng)，隨著RISC（精簡指令集計算機）技術和微電子技術的迅速發(fā)展，嵌入式芯片的功能越來越強，體積越來越小。
嵌入式實時操作系統(tǒng)與桌面計算機操作系統(tǒng)不同，它不安裝在硬盤中，而是固化在存儲器中。嵌入式操作系統(tǒng)結構緊湊，功能相對簡單，資源開銷較小，目前主要有三種：Windows CE、Linux、VxWork，其中應用較多的是前兩種。Windows CE主要用于高端機頂盒上面，對機頂盒和PC等設備的聯(lián)網(wǎng)帶來了方便。但費用不菲。對于中檔機頂盒產(chǎn)品，選用Linux操作系統(tǒng)更為合理。據(jù)市場調(diào)查公司 Strategy Analytics發(fā)布的一份報告。全球機頂盒市場上，Linux操作平臺已成為IPTV機頂盒的主要選擇。因為Linux平臺不但可支持許多高級功能，例如錄像與IP傳輸，并且非常經(jīng)濟，不需要許可費。
?。?）基于X86的結構
對比基于RISC架構CPU的嵌入式系統(tǒng)，基于X86架構CPU的嵌入式系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：首先它可以對不同格式的文件進行編解碼，如MPEG-2、MPEG-4、WMA等，使基于這種嵌入式平臺的多媒體音視頻設備可以處理各種各樣的片源。其次Windows CE操作系統(tǒng)有一整套集成的多媒體功能和極為豐富的應用程序，使得開發(fā)IPTV機頂盒的周期更短，適用于開發(fā)高級的IPTV機頂盒。該操作系統(tǒng)固有的桌面兼容性，使機頂盒開發(fā)商可以輕松地使用為Windows XP準備的大量應用程序來擴充IP機頂盒的功能。
基于X86架構的機頂盒由于內(nèi)嵌Windows CE實時操作系統(tǒng)，從而具有較齊全的應用軟件，維護成本低，可以輕松地與PC資源共享。由于這種機頂盒產(chǎn)品開發(fā)成本高，雖然功能強，可與PC媲美，但只能面對高端消費群體，起碼初期對于一般消費者不會有很大吸引力。
3.2 IPTV機頂盒的軟件結構
IPTV機頂盒作為客戶端產(chǎn)品，除了具有良好的硬件平臺外還需要軟件系統(tǒng)的配合才能夠?qū)崿F(xiàn)IPTV業(yè)務功能。機頂盒的軟件大多采用分層結構，一般分成三層：應用層、中間解釋層和資源層，每一層都包括諸多程序和編程接口，如圖2所示。
圖2 IPTV機頂盒的軟件結構
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圖2劃分了機頂盒軟件的三層結構，其中資源層軟件包括實時操作系統(tǒng)及機頂盒硬件的驅(qū)動程序，主要用于完成對硬件設備的操作。解釋層的主要功能是將機頂盒應用程序翻譯成CPU能識別的指令，去調(diào)動硬件設備完成相應的操作。應用層可以分成內(nèi)置應用程序和下載應用程序兩部分，實現(xiàn)諸如TV播放、視頻點播、 EPG、DRM（數(shù)字版權管理）、游戲下載等業(yè)務應用。
不同的機頂盒生產(chǎn)廠家對IPTV機頂盒軟件的設計理念不盡相同。在實現(xiàn) IPTV業(yè)務的設計中有采用基于業(yè)務平臺和機頂盒之間定義的業(yè)務流程開發(fā)軟件的，也有利用位于底層系統(tǒng)資源和業(yè)務應用之間的通用服務軟件或中間件的。但總的趨勢還是采用業(yè)務應用軟件與底層硬件和操作系統(tǒng)軟件相隔離的方式，采用中間件的方式不失為一個很好的選擇。中間件將機頂盒中的應用程序與底層系統(tǒng)部件相分離，使應用程序的開發(fā)與硬件平臺無關。它可以提供一系列具有開放標準的應用編程接口（API），適用于不同的操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境。利用中間件技術可以降低應用程序的開發(fā)難度，提高研發(fā)效率。
4、IPTV機頂盒標準化進程和未來發(fā)展方向
IPTV作為一種新興的寬帶網(wǎng)絡業(yè)務，越來越為業(yè)界廣泛重視。特別是像機頂盒這種類似家用數(shù)字平臺的產(chǎn)品，更為電信設備制造商、電視設備制造商以及電腦和家電產(chǎn)品制造商所爭相追捧。由于行業(yè)間對IPTV業(yè)務的理解不同，產(chǎn)品設計理念也不同，致使IPTV機頂盒產(chǎn)品功能、性能和應用環(huán)境要求差異很大，五花八門不具有通用性。這種狀態(tài)極不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，長此下去可能會導致一個新業(yè)務的夭折。因此，中國通信標準化協(xié)會于2005年8月成立了IPTV業(yè)務特別工作組，重點研究IPTV業(yè)務系列標準，其中就包括IPTV機頂盒技術要求。在此標準中對IPTV機頂盒的業(yè)務能力、功能要求、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、管理功能要求、性能要求、安全和應用環(huán)境等給出了具體技術要求。
IPTV機頂盒技術標準的研究過程中，充分參考了現(xiàn)有IPTV機頂盒的功能和軟硬件結構，對目前爭議比較大的編解碼格式和是否采用中間件技術等，標準中沒有規(guī)定惟一方式，而是采取規(guī)定多選項，留給制造商更多的選擇。但無論選擇哪一種選項都要求所實現(xiàn)的功能和接口一致，以力求此標準對所有IPTV機頂盒的研發(fā)、制造、檢測和應用都具有實際指導意義。
目前 IPTV機頂盒技術標準已進行到征求意見稿階段，在聽取相關行業(yè)內(nèi)各方專家的意見后將進一步完善和修改。與此同時。與IPTV業(yè)務和機頂盒相關的數(shù)字電視中間件技術標準和我國自行研制的音視頻編解碼標準也在制定和完善之中，預計很快會有一整套系統(tǒng)的IPTV行業(yè)標準出現(xiàn)。用于指導IPTV業(yè)務的順利開展。
隨著IPTV業(yè)務系統(tǒng)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，IPTV機頂盒產(chǎn)業(yè)也會不斷壯大。未來機頂盒的發(fā)展可能會出現(xiàn)分支，一方面可能會向消費電子類產(chǎn)品方向發(fā)展，將機頂盒功能集成在電視機中。這種電視機頂盒一體機所提供的功能可以涵蓋IPTV業(yè)務的一般性功能，包括直播電視節(jié)目、視頻點播、信息接收和下載以及簡單的游戲功能。另一方面，IPTV機頂盒可能向家用數(shù)字平臺方向發(fā)展，功能比較強大，具有豐富的外設接口，除可以支持IPTV基本業(yè)務以外，還可以支持可視電話業(yè)務、互動游戲業(yè)務、互聯(lián)網(wǎng)購物、互動教學等交互性、實時性很強的業(yè)務。另外，隨著下一代網(wǎng)絡的發(fā)展和電信、電視、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合的大趨勢，IPTV機頂盒還會出現(xiàn)雙模機頂盒。隨著微電子技術的進一步發(fā)展，雙解碼芯片、大容量存儲芯片將不斷出現(xiàn)，將給機頂盒帶來更多功能，具有雙解碼能力和本地個人視頻存儲能力的機頂盒會越來越多?？傊?，隨著科學的進步和技術的發(fā)展，IPTV機頂盒產(chǎn)品會越來越成熟，功能越來越強大。在不遠的將來人們將可以通過機頂盒體驗到IPTV業(yè)務帶來的足不出戶便可縱覽世界、娛樂購物，相隔萬里也似親臨其境的超時空享受。
5、結束語
展望IPTV機頂盒的前景無限美好，但我們腳下的路還很崎嶇，擺在我們面前的困難也很多。首先是音視頻編解碼技術的選擇，目前用于IPTV業(yè)務的音視頻編解碼標準主要有MPEG-4和H.264協(xié)議，這兩個標準都存在十分苛刻的專利收費條件，在我國這樣人口眾多的國家，無論是對IPTV業(yè)務運營商還是機頂盒設備制造商都是一筆非?？捎^的投入。而我國自行研制的音視頻編解碼標準對于IPTV業(yè)務目前還沒有達到成熟商用階段。如何選擇編解碼標準是一個需要研究的問題。其次是協(xié)議封裝問題。IPTV的流傳輸應該建立在通用的公開標準之上。所以利用IP傳輸MPEG-4和H.264的IPTV解決方案中大多采用 Stream DATA／TS／UDP／IP、Stream DATA／TS／RTP／UDP／IP、Stream DATA／RTP／UDP／IP三種封裝方式。其中前兩種方式攜帶信息豐富，包括EPG信息，但封裝包小，浪費帶寬。第三種方式比較適合IP網(wǎng)絡的特點，但攜帶信息不如前兩種。還有諸如中間件技術的選擇、信息安全與數(shù)字版權保護、圖形與圖像顯示等很多問題都需要在機頂盒開發(fā)過程中做認真細致的工作。結合 IPTV業(yè)務發(fā)展趨勢，選擇符合并略有超前于業(yè)務的技術方案，采用開放式結構，提供可平滑升級業(yè)務的能力，才能保證所研制的產(chǎn)品滿足IPTV機頂盒的需求。
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