機(jī)頂盒與芯片解決方案

      一 前言


      機(jī)頂盒產(chǎn)品被認(rèn)為是繼個(gè)人電腦和手機(jī)之后，第三個(gè)拉動(dòng)半導(dǎo)體市場(chǎng)的整機(jī)產(chǎn)品，而中國(guó)又被看作是機(jī)頂盒的主要生產(chǎn)地之一。

      目前，機(jī)頂盒大致分為數(shù)字電視機(jī)頂盒和IP機(jī)頂盒，前者又分為DVB-S、DVB-C和DVB-T機(jī)頂盒。數(shù)字電視機(jī)頂盒的主要作用是提供數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，使用戶能夠用原有的模擬電視機(jī)收看數(shù)字電視節(jié)目。根據(jù)iSuppli的有關(guān)報(bào)告，2008年中國(guó)數(shù)字電視終端的產(chǎn)值將達(dá)到110億美元，出貨量將達(dá)到5200萬臺(tái)，全球80%的數(shù)字電視終端將產(chǎn)自中國(guó)。下圖給出了2001到2005年之間數(shù)字電視機(jī)頂盒的產(chǎn)量和年增長(zhǎng)率。


圖1 2001- 2005年有線機(jī)頂盒的產(chǎn)量和增長(zhǎng)率
資料來源：2005-2006年中國(guó)機(jī)頂盒產(chǎn)業(yè)及芯片市場(chǎng)研究年度報(bào)告

      今年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用日益廣泛，寬帶網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展十分迅速，這有力地推動(dòng)了IPTV業(yè)務(wù)的發(fā)展，電信設(shè)備制造商紛紛投入到IP機(jī)頂盒的研發(fā)生產(chǎn)。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司ABI Research新近發(fā)表的調(diào)查報(bào)告顯示，近期IP機(jī)頂盒(IP-STB)市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度將至少是cable或衛(wèi)星機(jī)頂盒的四倍，未來五年全球cable和衛(wèi)星機(jī)頂盒出貨量預(yù)計(jì)將以13-14%的年復(fù)合增率增長(zhǎng)，而同期IP-STB的增長(zhǎng)率將為60%以上。


      因此，整個(gè)機(jī)頂盒市場(chǎng)將引發(fā)價(jià)值超過十億美元的半導(dǎo)體銷售市場(chǎng)，受到了國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體廠商的格外關(guān)注。有不少?gòu)S商瞄準(zhǔn)機(jī)頂盒市場(chǎng)，推出了相應(yīng)的芯片及解決方案。在下文中，我們將對(duì)一些芯片和方案進(jìn)行介紹和分析。在此之前，我們先了解一下機(jī)頂盒的構(gòu)成與功能。

      二 機(jī)頂盒的構(gòu)成與功能


      機(jī)頂盒由軟件和硬件兩大部分組成。機(jī)頂盒的硬件結(jié)構(gòu)由核心控制單元、媒體處理單元以及各類接口組成，如圖2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(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。媒體處理單元一般根據(jù)機(jī)頂盒成本選用ASIC專用解碼芯片或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，也有采用軟件解碼實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字電視機(jī)頂盒的通信接口一般是傳輸流(TS)接口，其前端是RF調(diào)諧器和解調(diào)器。IPTV機(jī)頂盒的網(wǎng)絡(luò)通信接口根據(jù)網(wǎng)絡(luò)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)接口等。媒體播放接口基本配置有復(fù)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。控制接口是指用戶操作控制機(jī)頂盒的接口，一般以紅外遙控器為主。除以上基本業(yè)務(wù)應(yīng)用所必需的接口外，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要配置USB接口、串行接口、智能卡接口等其他擴(kuò)展接口。


圖2 機(jī)頂盒的硬件結(jié)構(gòu)

      軟件則一般分成應(yīng)用層、中間層、操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)層三層，每一層都包含了諸多的程序或接口等。


圖3 機(jī)頂盒的軟件結(jié)構(gòu)

      基于上面提到的硬件和軟件，除了基本的電視功能外，機(jī)頂盒也可以為用戶提供豐富的應(yīng)用和服務(wù)，包括視頻錄制、視頻點(diǎn)播、電子節(jié)目指南、電子郵件、Web瀏覽、即時(shí)信息、電視商務(wù)、可視電話、股票信息瀏覽、游戲、萬年歷等。 {{分頁(yè)}}

      三 幾類主要的機(jī)頂盒芯片解決方案


     從圖2可以看出，機(jī)頂盒硬件中的核心器件是核心控制單元（CPU）和媒體處理單元（編解碼器）。以數(shù)字電視機(jī)頂盒為例，圖4給出了2005年中國(guó)數(shù)字電視機(jī)頂盒產(chǎn)品中的主要芯片的成本構(gòu)成。不難看出，解碼芯片在整個(gè)成本中占有最大的比例，而且隨著前端的調(diào)諧器芯片(Tuner)和解調(diào)芯片(Demodulator)的集成，以及解碼芯片對(duì)更高級(jí)的音視頻格式和更豐富應(yīng)用的支持，解碼芯片在成本中將占有更大的比例。因此，核心控制單元和媒體處理單元在整個(gè)機(jī)頂盒硬件系統(tǒng)中將扮演更重要的角色。


圖4 2005年中國(guó)數(shù)字電視機(jī)頂盒芯片市場(chǎng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
資料來源：2005-2006年中國(guó)機(jī)頂盒產(chǎn)業(yè)及芯片市場(chǎng)研究年度報(bào)告

       以媒體處理單元為核心，在目前主流的機(jī)頂盒產(chǎn)品中，大致有如下三類芯片解決方案：

      (1) 基于專用SoC芯片的架構(gòu)（RISC CPU+ASIC）  


       專用SoC芯片內(nèi)部除了嵌入式CPU以外，還集成了專門的硬件模塊，用于音視頻解碼和后處理等，它一般還集成了一些外設(shè)接口，如音視頻輸入輸出、網(wǎng)絡(luò)連接、外部存儲(chǔ)接口等。嵌入式CPU可運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，其上可加載多種應(yīng)用程序。由于采用了硬件解碼，這種方案具有固定的微碼和固定的處理方式，無需開發(fā)復(fù)雜的多媒體算法程序，因而可縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。硬件解碼的另一個(gè)好處是功耗較低，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。


      基于這種結(jié)構(gòu)的機(jī)頂盒成本較低，在IPTV業(yè)務(wù)起步階段，一般由業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商向用戶免費(fèi)提供機(jī)頂盒，選用專用芯片結(jié)構(gòu)的機(jī)頂盒，在保證基本業(yè)務(wù)的前提下，能夠使業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商節(jié)省運(yùn)營(yíng)開支，對(duì)業(yè)務(wù)推廣無疑會(huì)起到很好的作用。
但這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于DSP和CPU方案而言，缺乏靈活性，只能支持有限的音視頻格式。

      (2) 基于多媒體數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的架構(gòu)


       基于多媒體處理器技術(shù)的IPTV機(jī)頂盒，采用了高性能數(shù)字信號(hào)處理器和嵌入式CPU作為核心芯片。DSP主要用于視頻和音頻的解碼處理，嵌入式CPU用來控制處理從各種接口來的數(shù)據(jù)以及運(yùn)算需求。采用多媒體數(shù)字處理器結(jié)構(gòu)可以靈活地實(shí)現(xiàn)多種音視頻格式的編解碼標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，用于IPTV業(yè)務(wù)的媒體格式還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各運(yùn)營(yíng)商也處于測(cè)試選型階段，因此基于多媒體數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)的機(jī)頂盒可以靈活編寫不同代碼提供多格式解碼能力。  
相對(duì)于(1)的架構(gòu)，基于DSP的方案的開發(fā)周期較長(zhǎng)，開發(fā)成本較高；功耗也較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；整機(jī)的成本也稍高。

      (3) 基于X86的架構(gòu)


       對(duì)比基于RISC架構(gòu)CPU的嵌入式系統(tǒng)，基于X86架構(gòu)CPU的嵌入式系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì)：它具有最高的靈活性，可以對(duì)不同格式的文件進(jìn)行編解碼；軟件開發(fā)的難度相對(duì)DSP開發(fā)而言較低?；赬86結(jié)構(gòu)的機(jī)頂盒一般都使用Windows系列操作系統(tǒng)，其上集成了大量的應(yīng)用軟件，可輕松地與PC共享資源。
這種機(jī)頂盒產(chǎn)品的功耗較大，發(fā)熱量高，穩(wěn)定性較差；而且價(jià)格較貴，只能面對(duì)高端消費(fèi)群體，在初期對(duì)于一般消費(fèi)者缺乏吸引力。

      四 機(jī)頂盒核心芯片及解決方案舉例

     (1) ST的STi5517


      意法半導(dǎo)體(STMicro)是世界上最大的MPEG-2解碼器芯片供應(yīng)商，其MPEG-2解碼器芯片對(duì)機(jī)頂盒廠商的出貨量達(dá)到6,600萬件（截至到2004年）。其STi5517是一款低成本的基于CPU+ASIC架構(gòu)的數(shù)字電視機(jī)頂盒核心芯片，內(nèi)置180MHz的32位CPU ST20和支持MPEG-2 MP@ML的硬件解碼器。內(nèi)置TS解復(fù)用模塊，內(nèi)含PAL/NTSC/SECAM視頻編碼器，支持RGB, CVBS, Y/C和YUV輸出。它還可通過電話線回傳實(shí)現(xiàn)交互式付費(fèi)電視的應(yīng)用。如圖5所示，配上ST的DVB-S, DVB-C或DVB-T前端芯片，就可以實(shí)現(xiàn)典型的數(shù)字電視機(jī)頂盒系統(tǒng)。


圖5 基于STi5517的數(shù)字電視機(jī)頂盒系統(tǒng)框圖 {{分頁(yè)}}

      類似的芯片還有ST的STi5188，LSI Logic的AVIA-9700和Conexant的CX22490/6等，它們的功能較簡(jiǎn)單，一般不帶有USB和硬盤接口，具有較好的成本優(yōu)勢(shì)。


       在中高端方案方面，這些芯片廠商推出的方案具有高集成度、高性能的特點(diǎn)。如LSI Logic的AVIA9600、ATI公司的XILLEON220和ST公司的STi5528。該些方案的共同特點(diǎn)是處理器性能得到很大提高，以STi5528為例，該芯片集成了雙CPU，其數(shù)據(jù)處理能力超過300MIPS。該類方案通常還集成了更多的外圍接口功能，如硬盤接口、IEEE1394和USB。此外，該類方案通常具有優(yōu)越的音頻和圖像處理功能。這類芯片的目標(biāo)應(yīng)用主要是具有網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能和多種交互式應(yīng)用的中高端機(jī)頂盒。


      現(xiàn)在一般的家庭已經(jīng)有多種數(shù)字設(shè)備，設(shè)備間的數(shù)字信號(hào)傳輸是這些設(shè)備必須具備的功能，因此機(jī)頂盒集成USB、IEEE1394將是必然的趨勢(shì)。 此外，機(jī)頂盒的DVR功能未來將成為其標(biāo)準(zhǔn)配置，目前在上海數(shù)字有線中應(yīng)用的機(jī)頂盒產(chǎn)品都集成了DVR功能。已有多家方案提供商都提供帶DVR功能的方案，如Conexant公司的CX2416x提供了SATA硬盤驅(qū)動(dòng)接口，ST的STi5514和STx5524提供全功能DVR。  

     (2) TI的DM642


      TI的DM642是一款專門面向多媒體應(yīng)用的專用DSP，時(shí)鐘高達(dá)600MHz，具有8個(gè)并行運(yùn)算單元，處理能力高達(dá)4800MIPS。此外，它還集成了3個(gè)可配置的視頻端口、面向音頻應(yīng)用的McASP、10/100Mbps的以太網(wǎng)MAC等外設(shè)。通過編程，DM642可靈活地支持MPEG-1/2/4, WMV9, Real Video, H.264等格式的D1尺寸的實(shí)時(shí)解碼。DM642方案已經(jīng)得到機(jī)頂盒制造商Humax等的采用。


      DM642具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，但不能很方便地支持操作系統(tǒng)，需要開發(fā)人員自行開發(fā)，對(duì)開發(fā)人員要求較高；而ADI的Blackfin本身支持Linux，無需設(shè)計(jì)人員再花費(fèi)額外精力。Blackfin匯聚了控制處理、媒體處理、多?；鶐ㄐ诺裙δ埽捎昧巳诤蟁ISC/DSP的新興架構(gòu)。


      TI于去年推出了達(dá)芬奇平臺(tái)，采用了90納米的制造工藝，集成了DSP內(nèi)核、ARM926處理器以及視頻加速協(xié)處理器，并整合了各種組件和開發(fā)工具，降低了開發(fā)的門檻。但是達(dá)芬奇平臺(tái)的成本還是比較高。


      在IPTV機(jī)頂盒方面，一些公司推出了兩種基于TI DSP的解決方案。一種是采用單片DM642的解決方案；另一種是采用DM642+DM342的雙核方案，由于價(jià)格較高，目前主要是在日本和臺(tái)灣等地采用。


     在大陸市場(chǎng)，IPTV機(jī)頂盒往往是通過運(yùn)營(yíng)商贈(zèng)送給用戶，因此對(duì)于方案提供商來講，價(jià)格便宜是主要的考慮。Blackfin具有價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，因此更適合用于IPTV機(jī)頂盒的市場(chǎng)推廣。  

     (3) Intel 854芯片組


      X86架構(gòu)的代表廠商如英特爾、威盛近年都在加速其向消費(fèi)電子領(lǐng)域進(jìn)軍的步伐，如英特爾在2005年推出了854芯片組，主要面向IP機(jī)頂盒和數(shù)字錄像機(jī)應(yīng)用。854芯片組支持2GB的DDR 333MHz系統(tǒng)存儲(chǔ)器以及整合式繪圖引擎，內(nèi)含一個(gè)400MHz的系統(tǒng)總線，以支持超低電壓版Intel Celeron M處理器(600MHz)；采用該款處理器與芯片組的平臺(tái)可使用一個(gè)被動(dòng)式(無風(fēng)扇)散熱解決方案。除了支持整合式10/100M LAN網(wǎng)絡(luò)外，該芯片組還支持6個(gè)USB 2.0/1.1接口和2個(gè)Ultra ATA/100(IDE)信道，以連結(jié)硬盤與其它儲(chǔ)存裝置。該平臺(tái)還針對(duì)Microsoft WinCE 5.0操作系統(tǒng)提供板級(jí)支持包(BSP)。


      威盛最新推出的VIA Eden處理器也可以用于機(jī)頂盒。與VIA Eden處理器家族先前的產(chǎn)品相比，這款處理器在業(yè)界主要的測(cè)評(píng)中平均性能普遍提升了30%以上。


       基于X86架構(gòu)的解決方案非常靈活，功能齊備，而且能與PC共享應(yīng)用資源，但是價(jià)格較高，目前在成本、功耗和面積方面出于劣勢(shì)。

     (4) 上海杰得的X900

      杰得 X900是一款0.13微米工藝的高集成度的多媒體SoC芯片，提供高性能、低功耗的音視頻處理能力。它集成了ARM926嵌入式CPU，內(nèi)建了硬件MPEG-4 VGA編解碼器、H.264和VC-1標(biāo)清解碼器、硬件視頻處理單元及視頻傳感器接口；還提供了眾多外設(shè)接口，比如紅外、智能卡、視頻輸入輸出、音頻輸入輸出、高速USB、PCI等。如下是基于X900的高端IP機(jī)頂盒解決方案的系統(tǒng)框圖，除了IP機(jī)頂盒的一般功能外，它還具有PVR、可視電話和視頻監(jiān)控等功能。


圖6 基于杰得X900的高端IP機(jī)頂盒方案系統(tǒng)框圖 {{分頁(yè)}}

      X900的ARM926EJ的主頻可達(dá)266MHz，可運(yùn)行WinCE和Linux等嵌入式操作系統(tǒng)及上面的應(yīng)用程序。杰得提供全套板級(jí)支持包，包括引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)、中間件、示例應(yīng)用程序及相關(guān)文檔。X900用硬件解碼支持MPEG-4，H.264和VC-1，涵蓋了目前IP機(jī)頂盒需要支持的視頻格式，硬解碼滿足了系統(tǒng)對(duì)高性能、低功耗和低成本的要求。


       X900支持到標(biāo)清格式的解碼，可滿足未來兩三年內(nèi)的商用需要。杰得的下一代芯片將支持多格式的高清解碼，以適應(yīng)未來機(jī)頂盒和數(shù)字家庭的發(fā)展趨勢(shì)。


       目前，Broadcom、Sigmadesigns、ST等都已推出多格式的解碼芯片，用于高清DVD、數(shù)字電視或機(jī)頂盒等市場(chǎng)。

       五 機(jī)頂盒發(fā)展趨勢(shì)


      隨著3C的日益融合和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)頂盒及其核心芯片也呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)。


     （1）多種視頻標(biāo)準(zhǔn)并存，單芯片多格式解碼日趨主流


       近年來，具有更高壓縮效率的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)不斷推出，改變了MPEG-2一統(tǒng)江湖的局面。開源軟件推動(dòng)MPEG-4成為Internet和PC上的主流格式；Microsoft憑借其在操作系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì)地位和在美國(guó)產(chǎn)業(yè)界的影響，推動(dòng)它的WMV9技術(shù)成為被SMPTE采納的VC-1標(biāo)準(zhǔn)，其DRM（數(shù)字權(quán)利管理）技術(shù)也贏得了部分內(nèi)容提供商的青睞；新近推出的H.264標(biāo)準(zhǔn)更是憑借其出色的編碼效率，贏得了產(chǎn)業(yè)界的一致認(rèn)同；中國(guó)的AVS標(biāo)準(zhǔn)也初露頭角，成為了中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但在某些領(lǐng)域，特別是數(shù)字電視和廣播業(yè)界，由于支持MPEG-2的系統(tǒng)和設(shè)備也已成熟，在短期內(nèi)也不可能全盤替換。所以在未來幾年，機(jī)頂盒市場(chǎng)將呈現(xiàn)多種視頻標(biāo)準(zhǔn)并存的局面。這種局面給機(jī)頂盒的核心解碼芯片設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如上文所述，國(guó)內(nèi)外多家公司都已單芯片支持多格式解碼為目標(biāo)，推出了芯片及解決方案。隨著機(jī)頂盒市場(chǎng)的增長(zhǎng)，芯片的成本將逐漸降低，單芯片多格式解碼將成為主流。


     （2）標(biāo)清向高清過渡，高清時(shí)代正在來臨


       在今年的CCBN展會(huì)上，眾多機(jī)頂盒廠商都展出了各式各樣的高清機(jī)頂盒。隨著高清內(nèi)容的日益豐富，平板高清電視走入日常百姓家，以及高清衛(wèi)星頻道的開通，美國(guó)、歐洲和日本的高清市場(chǎng)已走入正軌，中國(guó)也開始具備少量高清節(jié)目源，例如CCTV今年1月正式播出高清節(jié)目，上海和深圳也開始了高清的試播，因此，高清解碼芯片成為亮點(diǎn)，比市場(chǎng)要早走一兩步的芯片方案也越來越多地支持高清解碼和顯示。


      目前高清市場(chǎng)有兩大特點(diǎn)：一是部分電視運(yùn)營(yíng)商要通過原先傳輸標(biāo)清節(jié)目的窄信道發(fā)射需要更大帶寬的高清節(jié)目，引進(jìn)了一種名為DOCSIS3.0的信道捆綁技術(shù)，這就要求機(jī)頂盒芯片與之呼應(yīng)；其次，高清節(jié)目的碼率更高，需要效率更高的解碼芯片。


     （3）機(jī)頂盒與數(shù)字家庭融合，向數(shù)字娛樂存儲(chǔ)中心發(fā)展


圖7 機(jī)頂盒和數(shù)字家庭

      隨著更高性價(jià)比芯片方案的推出以及整個(gè)市場(chǎng)的啟動(dòng)，作為與寬帶資源連接同時(shí)與家庭最大的顯示設(shè)備相連的機(jī)頂盒(如圖7所示)，其功能將可能發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變，交互式應(yīng)用功能將大大增強(qiáng)并集成更多的應(yīng)用。此外，機(jī)頂盒具有友好的應(yīng)用界面，將可能部分替代PC，作為家庭數(shù)據(jù)儲(chǔ)存中心，甚至是家庭多媒體網(wǎng)關(guān)。 其核心芯片在強(qiáng)化多媒體處理能力的同時(shí)，也將具備更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)處理能力，以適應(yīng)未來數(shù)字家庭對(duì)多媒體與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步融合的要求。

      六 結(jié)語(yǔ)


      隨著模擬電視向數(shù)字電視的過渡和寬帶網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，機(jī)頂盒市場(chǎng)將進(jìn)一步升溫，進(jìn)入快速成長(zhǎng)的階段。在機(jī)頂盒產(chǎn)品中，音視頻解碼芯片處于核心地位，在很大程度上決定了機(jī)頂盒的功能和成本。本文對(duì)市場(chǎng)上主流的音視頻解碼芯片的架構(gòu)進(jìn)行了介紹，并著重分析了幾款具有代表性的機(jī)頂盒核心芯片。隨著3C的日益融合和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)頂盒市場(chǎng)呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)，也給核心芯片的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。