數(shù)字機頂盒的架構(gòu)與設計關鍵

　　數(shù)字電視可說是手機之外的另一波殺手級應用，它以客廳為核心，不斷地整合家庭中的其它視聽及信息設備，形成多元應用的家庭網(wǎng)絡；不僅如此，數(shù)字電視與手機也向整合之路發(fā)展，移動電視(Mobile TV)已在全球各地如火如荼的推動當中。當電視廣播系統(tǒng)與網(wǎng)絡、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)的服務自然走向多元匯流的趨勢，這是一個比過去獨立形式復雜許多的應用環(huán)境，而數(shù)字機上盒(Set-top-box)正位于此架構(gòu)的核心位置，其面臨的設計挑戰(zhàn)確實繁重。

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

系統(tǒng)架構(gòu)

    一個數(shù)字機頂盒是由軟、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、電源組件及其它標準離散組件。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)絡芯片，以及可錄像的硬盤(HDD)。(圖1)為支持DVR功能的機頂盒解碼芯片方塊圖。

　　圖1  具有DVR功能的機頂盒解碼器方塊圖(以STx5100為例){{分頁}}

　　資料來源：ST

    更強大及多元的功能及更高的整合度是數(shù)字機頂盒在硬件部分的發(fā)展趨勢。在功能上，電視解碼器強調(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準解析電視頻號，再送到多臺不同的電視機播放，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，為了保持設計彈性，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，進而為大量生產(chǎn)的應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備，請參考(圖2)。

　　圖2  機頂盒單芯片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)和實時操作系統(tǒng)(RTOS)、提供互動功能的MHP 等中介軟件(Middleware)及應用程序接口(API)，以及電子節(jié)目表(EPG)等應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等技術難度較高，也是設備商在選用視頻處理芯片解決方案后，仍需進一步整合開發(fā)的議題。

設計關鍵：視頻轉(zhuǎn)換處理

    視頻轉(zhuǎn)換處理無疑是機頂盒最主要的功能，因此編碼/解碼器(CODEC)猶如機頂盒的心臟。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)格也提供了對象導向的互動功能，以及子母分割畫面等加值功能。{{分頁}}

    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，而且得負擔高昂的使用費用。

    相較之下，H.264雖然也是一個復雜的標準，但它只針對視頻做制定，也已獲得MPEG/lS0和ITU兩大國際標準組織的支持，加上它是當前能提供最佳視頻壓縮效能的規(guī)格，也不存在使用費的問題，所以自2003年標準推出后，即對HDTV、HD-DVD、手機及視頻串流等業(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，在今日的基礎建設中就能將H.264嵌入MPEG-2傳送流(TS)中發(fā)送出去。H.264的應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也存在編碼計算復雜度大增的問題，因此需要消耗更大的運算資源。在此情況下，機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。此外，高質(zhì)量、低復雜性算法對于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，能讓解碼器承擔并隱藏數(shù)據(jù)封包損失，在無線封包網(wǎng)絡上實現(xiàn)IP網(wǎng)絡的最佳效能。

視頻編碼轉(zhuǎn)換(Transcoding)

    身為數(shù)字家庭網(wǎng)絡核心位置的機頂盒，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)字相機等各種不同設備的互連中心。為了讓視頻內(nèi)容能在不同設備間進行播放及存取，機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)視頻串流傳送給標準分辨率(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

　　資料來源：ST Journal of Research- Vol 2, No. 1

    ST先進系統(tǒng)技術(AST)小組所開發(fā)的動態(tài)位串流規(guī)劃(Dynamic Bitstream Shaper，DBS)技術，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、訊框大小與編碼標準變化。它的開發(fā)目的在于降低視頻編碼轉(zhuǎn)換的架構(gòu)復雜性、運算耗能、內(nèi)存需求，以及運算延遲等，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。{{分頁}}

設計關鍵：數(shù)字內(nèi)容管理技術

    進入數(shù)字內(nèi)容的時代，復制盜版的難度大減，這也成了電視服務業(yè)者邁向數(shù)字電視或IPTV時最關心的問題之一，負責接收轉(zhuǎn)換數(shù)字內(nèi)容的機頂盒，自然就被賦與了版權管控的任務。目前對于數(shù)字電視內(nèi)容管理的技術作法不少，其中以條件式接取(CA)和數(shù)字版權管理(DRM)被視為基本的保護機制，新興的標準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標準。以下將分別進行探討：

條件式接取(CA)

    CA是系統(tǒng)服務業(yè)者經(jīng)營數(shù)字電視業(yè)務的一項關鍵性機制，它能為廣播式網(wǎng)絡提供“尋址化管理”(Addressability)，其關注的重點是電視頻道與用戶的權限。用戶需通過專屬機頂盒或智慧卡來取得授權，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系統(tǒng)來提供更個人化的增值服務。

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

    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)設計公司可以自行開發(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)獨立設計的作法有三種，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標準及歐洲的DVB-C標準，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)容保護與授權就力有未逮，在此情況下，有必要進一步采用DRM機制來提供內(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工具，而DRM則是內(nèi)容發(fā)行商的自我保護機制。

    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)行商對原始檔進行加密(一般采用128位或156位對稱算法)，同時在添加的標頭中加入作者、版本號、發(fā)行日期等版權信息。當用戶想通過網(wǎng)絡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的許可證(LICENSE)，認證的方式包括插入IC卡、IKEY(一種USB接口的身份認證令牌)，或經(jīng)由網(wǎng)絡認證服務器來認證其賬號、密碼。

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

    此外，就DRM的規(guī)格來說，目前市場上的規(guī)格相當分歧，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{{分頁}}

    DRM保護內(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世紀福克斯電影公司等40個公司組成了Coral聯(lián)盟，即致力于為基于WEB和家庭網(wǎng)絡的設備安全傳送內(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)點作法

　　資料來源：Coral聯(lián)盟

安全視頻處理器(SVP)

    SVP標準主要由SVP聯(lián)盟推廣，目前已獲得20多家主要媒體與技術廠商支持，ST是該標準的發(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，以及數(shù)字電視、機頂盒、DVR、可攜式媒體播放器等消費性電子應用中推廣其SVP內(nèi)容保護技術。

    SVP能與CA及DRM形成互補的機制，為數(shù)字內(nèi)容提供更完善的保護管理。通過SVP技術，媒體公司可以自行設置其DRM規(guī)范來對其作品內(nèi)容加以保護，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、DVD錄像機或PMP等設備解密還原為原始內(nèi)容呈現(xiàn)給觀眾。

    基本上，SVP技術是一種以硬件為基礎的安全方案，提供加密、傳輸和接收內(nèi)容及關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，并在其上運行一個安全軟件堆棧。這可以說是一種低成本、適合未來應用的解決方案，因此ST的數(shù)字視頻處理器及解碼器已普遍支持SVP標準。

結(jié)語

    為了應對市場的變化，數(shù)字機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，目前關鍵零組件的廠商會提供完善的設計參考平臺，讓設備商能夠加速開發(fā)時程，而且能在既有的設計基礎上，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，機頂盒也需具有軟件升級的功能，也就是只需通過遠程網(wǎng)絡的下載更新，就能升級其軟件或韌體。