IP STB高階系統挑戰

2005年4月A版
歐敏銓
    數字電視在全球的推動(dòng)已是行之有年，然而隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷推動(dòng)，通過(guò)電視這個(gè)媒介可以做的事和過(guò)去比已經(jīng)有很大的不同。在電視與網(wǎng)絡(luò )、計算機的融合下，電視系統的骨干與服務(wù)商都在持續地蛻變中。
    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，衛星廣播系統已是全面數字化了，線(xiàn)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(wù)業(yè)者也逐步擴充服務(wù)的內容，目前已可看到許多付費性的新服務(wù)，如音樂(lè )CD、MTV或游戲的下載，甚至也有網(wǎng)絡(luò )瀏覽、收發(fā)電子郵件的功能。

IP STB市場(chǎng)需求強勁
    在這個(gè)數字化的架構中，有一個(gè)關(guān)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(jìn)行接收、調變和譯碼（de-scrambling）的功能，這類(lèi)設備的過(guò)去二十年來(lái)的改變幅度很小。
    網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò )的出現是STB市場(chǎng)的一大轉折點(diǎn)，先出現的是讓收視戶(hù)可以通過(guò)客廳中的電視來(lái)接取網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò )的撥接STB（Dial-up set-top box, 又稱(chēng)TV上網(wǎng)機），如今當紅的產(chǎn)品則是IP STB。通過(guò)IP STB處理的串流內容一般是由衛星或線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )傳送到家中，但和線(xiàn)纜STB或衛星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(shí)也使用現存低成本的IP網(wǎng)絡(luò )架構，因此，IP STB能支持更廣泛的應用和交互式的服務(wù)。
    IP STB為網(wǎng)絡(luò )服務(wù)供貨商提供了新的服務(wù)商機，舉例來(lái)說(shuō)，終端用戶(hù)可以只要通過(guò)電視的接口就可以收看視頻或收聽(tīng)音樂(lè )內容，也可以瀏覽網(wǎng)絡(luò )、玩線(xiàn)上游戲和收發(fā)電子郵件，這些都是服務(wù)商的新收入來(lái)源，而這個(gè)接口就是IP STB。

    以數字STB來(lái)說(shuō)，可以分為入門(mén)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(gè)等級。IP STB屬于數字STB中的高階產(chǎn)品市場(chǎng)，這個(gè)市場(chǎng)的成長(cháng)趨勢相當被看好，Strategy Analytics機構就預測到2008年，全球市場(chǎng)高階STB裝置量將達4,000萬(wàn)臺，而其中最大的市場(chǎng)將在美國。
    越來(lái)越多的電信和IPTV供貨商通過(guò)IP和DSL提供視頻，他們的用戶(hù)將需要這些IP-STB和住宅網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)，以對信號進(jìn)行譯碼。IP-STB的數量現在不如常規數字STB多，但這顯然是STB中一個(gè)呈現高成長(cháng)的領(lǐng)域。In-Stat認為包括家用和商用的IP STB在全球的產(chǎn)量會(huì )不斷成長(cháng)，預估在未來(lái)三年的平均年成長(cháng)率將近200%，到了2007年可望有8百萬(wàn)臺的年度生產(chǎn)量。

不斷翻新的IP STB互動(dòng)服務(wù)
    通過(guò)電視系統可以提供的互動(dòng)數字內容服務(wù)包括電視點(diǎn)播（VoD）、數字視頻記錄（Digital Video Recorder , DVR）、電子節目指南（Electronic Program Guide, EPG）、電視商務(wù)（television commerce, t-commerce）、訊息服務(wù)、音樂(lè )、游戲、IP電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)器和網(wǎng)頁(yè)瀏覽等等，而且還不斷有新的服務(wù)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(jiǎn)單型和進(jìn)階式兩大類(lèi)。簡(jiǎn)單型是強調成本效益的入門(mén)級設備，主要是能提供基本的廣播電視服務(wù)、VoD、EPG和網(wǎng)絡(luò )瀏覽等功能；進(jìn)階型則定位為全功能的媒體中心，這類(lèi)產(chǎn)品往往在STB中置入硬盤(pán)（HDD），讓STB有足夠的儲存容量錄制節目，進(jìn)而能提供DVD播放和錄像、PVR和個(gè)人多媒體儲存功能，不僅如此，這類(lèi)設備還可能具有家庭網(wǎng)絡(luò )的連接端口，讓STB進(jìn)一步成為家用網(wǎng)關(guān)器（Residential Gateway）。 （請參考圖1）

IP STB的系統架構
    IP STB通過(guò)IP的連結即可傳送交互式、個(gè)人化的視頻內容到今日的電視上頭，為了提供安全、高品質(zhì)的內容，一個(gè)IP STB必需要建置一個(gè)彈性的平臺，才能支持符合產(chǎn)業(yè)標準的資料傳送和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。
    以IP STB的系統架構來(lái)說(shuō)，包含三個(gè)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(lái)處理數字串流信息；CA子系統讓服務(wù)商具有控制能力，能夠知道收視戶(hù)在何時(shí)收看什么節目；PC子系統多半是模塊式的設計，也就是說(shuō)STB的設計者可以依其需求而增加或減少這個(gè)系統中的組件，由于IP STB的目標是要提供網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)功能，它的PC系統方面就得提供TCP/IP的堆棧協(xié)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(mǎn)足定制化上的彈性需求；GPP則用來(lái)處理從各種接口來(lái)的控制及運算需求，這些接口包括硬盤(pán)總線(xiàn)接口、以太網(wǎng)及GPIO等有線(xiàn)接口，以及無(wú)線(xiàn)接口等，請參考圖2。

圖2　IP STB的處理器核心架構（參料來(lái)源：TI網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )控制器和USB 2.0主控制器。在這個(gè)架構下，這塊譯碼芯片可以處理從以太網(wǎng)、外接硬盤(pán)，以及從線(xiàn)纜、電話(huà)線(xiàn)、衛星或數字地面網(wǎng)絡(luò )接口模塊等特定外接接口來(lái)的串流內容。

IP STB的系統規劃
    對于STB來(lái)說(shuō)，如何以現有的頻寬提供高品質(zhì)的影音內容是一個(gè)重點(diǎn)，而這個(gè)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(shù)，也就是H.264或微軟的VC-1格式。
    以今日的MPEG-2格式來(lái)說(shuō)，要服務(wù)商提供多頻道的視頻節目是不可能的任務(wù)。在今日的環(huán)境下，每個(gè)收視戶(hù)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(guò)，若采用ISO編碼標準H.264壓縮技術(shù)（又稱(chēng)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）節目的播放是不成問(wèn)題的。如此一來(lái)，電信服務(wù)商就能以現有的網(wǎng)絡(luò )架構來(lái)為用戶(hù)提供數字廣播服務(wù)了。
    市場(chǎng)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(chǎng)商已陸續推出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(shí)，它將進(jìn)入幾乎所有的機頂盒中。在此情況下，也將帶動(dòng)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(zhì)H.264/ MPEG-4 AVC影像譯碼能力，它能提供高畫(huà)質(zhì)（high definition, HD）和標準畫(huà)質(zhì)（standard definition, SD）的視頻服務(wù)；此外，在聲音的譯碼上，這個(gè)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(mǎn)足今日多元的音訊處理環(huán)境。
    除了視頻服務(wù)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目指南與IPTV的互動(dòng)服務(wù)，進(jìn)而具有產(chǎn)品的差異性。此外，加入硬盤(pán)的IP STB，再配合軟件上的設計，就能提供包括個(gè)人觀(guān)看（viewing）和排程（scheduling）、視頻和資料推播、隨選視頻等新的服務(wù)。

結語(yǔ)
    服務(wù)商和市場(chǎng)用戶(hù)對功能的需求，正不斷推動(dòng)IP STB的向前發(fā)展。以服務(wù)商的角度來(lái)說(shuō)，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(kāi)發(fā)環(huán)境中，引進(jìn)確實(shí)能創(chuàng )造收入的新服務(wù)。在這些服務(wù)中，以多媒體和娛樂(lè )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(kāi)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(kāi)發(fā)者的共同需求。未來(lái)IP STB的開(kāi)發(fā)得滿(mǎn)足定制化的需求，同時(shí)遵循可靠和成熟的產(chǎn)業(yè)規范，以加速設計時(shí)程及降低開(kāi)發(fā)成本。一些國際組織的出面協(xié)調制定共通規范，對于STB的廣泛應用有很大的幫助。目前有兩個(gè)代表性的標準推動(dòng)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的參考設計規范。
    IP STB將會(huì )整合更多的功能，例如調制解調器、硬盤(pán)、MP3和DVD播放機，甚至是家庭網(wǎng)絡(luò )的功能，若要播放高畫(huà)質(zhì)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(shù)，如以H.264或VC-1取代今日的MPEG-2。
    然而，除了終端用戶(hù)的IP STB外，還需要有系統端的完整傳輸環(huán)境及相關(guān)設備技術(shù)，例如VOD后臺的整合技術(shù)、EPG的伺服/終端間中介軟件支持，和DVR引擎技術(shù)，才能提供端對端（end-to-end）的IP應用服務(wù)（請參考圖3）。不過(guò)，IP STB在新功能和新服務(wù)上的技術(shù)改變，仍是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)持續進(jìn)步的一大動(dòng)力。

圖3　STB在整體網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中之定位（資料來(lái)源：ITU-T/ ECCA）