機頂盒與芯片解決方案

      一 前言


      機頂盒產(chǎn)品被認為是繼個(gè)人電腦和手機之后，第三個(gè)拉動(dòng)半導體市場(chǎng)的整機產(chǎn)品，而中國又被看作是機頂盒的主要生產(chǎn)地之一。

      目前，機頂盒大致分為數字電視機頂盒和IP機頂盒，前者又分為DVB-S、DVB-C和DVB-T機頂盒。數字電視機頂盒的主要作用是提供數模信號轉換的功能，使用戶(hù)能夠用原有的模擬電視機收看數字電視節目。根據iSuppli的有關(guān)報告，2008年中國數字電視終端的產(chǎn)值將達到110億美元，出貨量將達到5200萬(wàn)臺，全球80%的數字電視終端將產(chǎn)自中國。下圖給出了2001到2005年之間數字電視機頂盒的產(chǎn)量和年增長(cháng)率。


圖1 2001- 2005年有線(xiàn)機頂盒的產(chǎn)量和增長(cháng)率
資料來(lái)源：2005-2006年中國機頂盒產(chǎn)業(yè)及芯片市場(chǎng)研究年度報告

      今年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的應用日益廣泛，寬帶網(wǎng)絡(luò )的建設與發(fā)展十分迅速，這有力地推動(dòng)了IPTV業(yè)務(wù)的發(fā)展，電信設備制造商紛紛投入到IP機頂盒的研發(fā)生產(chǎn)。據市場(chǎng)調研公司ABI Research新近發(fā)表的調查報告顯示，近期IP機頂盒(IP-STB)市場(chǎng)的增長(cháng)速度將至少是cable或衛星機頂盒的四倍，未來(lái)五年全球cable和衛星機頂盒出貨量預計將以13-14%的年復合增率增長(cháng)，而同期IP-STB的增長(cháng)率將為60%以上。


      因此，整個(gè)機頂盒市場(chǎng)將引發(fā)價(jià)值超過(guò)十億美元的半導體銷(xiāo)售市場(chǎng)，受到了國內外半導體廠(chǎng)商的格外關(guān)注。有不少廠(chǎng)商瞄準機頂盒市場(chǎng)，推出了相應的芯片及解決方案。在下文中，我們將對一些芯片和方案進(jìn)行介紹和分析。在此之前，我們先了解一下機頂盒的構成與功能。

      二 機頂盒的構成與功能


      機頂盒由軟件和硬件兩大部分組成。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(lèi)接口組成，如圖2所示。


       核心控制單元一般采用嵌入式系統處理器芯片，可以運行實(shí)時(shí)操作系統。媒體處理單元一般根據機頂盒成本選用ASIC專(zhuān)用解碼芯片或數字信號處理器(DSP)，也有采用軟件解碼實(shí)現的。數字電視機頂盒的通信接口一般是傳輸流(TS)接口，其前端是RF調諧器和解調器。IPTV機頂盒的網(wǎng)絡(luò )通信接口根據網(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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接口等。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和數字音頻輸出接口?？刂平涌谑侵赣脩?hù)操作控制機頂盒的接口，一般以紅外遙控器為主。除以上基本業(yè)務(wù)應用所必需的接口外，可根據業(yè)務(wù)需要配置USB接口、串行接口、智能卡接口等其他擴展接口。


圖2 機頂盒的硬件結構

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


圖3 機頂盒的軟件結構

      基于上面提到的硬件和軟件，除了基本的電視功能外，機頂盒也可以為用戶(hù)提供豐富的應用和服務(wù)，包括視頻錄制、視頻點(diǎn)播、電子節目指南、電子郵件、Web瀏覽、即時(shí)信息、電視商務(wù)、可視電話(huà)、股票信息瀏覽、游戲、萬(wàn)年歷等。 {{分頁(yè)}}

      三 幾類(lèi)主要的機頂盒芯片解決方案


     從圖2可以看出，機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）。以數字電視機頂盒為例，圖4給出了2005年中國數字電視機頂盒產(chǎn)品中的主要芯片的成本構成。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(zhù)前端的調諧器芯片(Tuner)和解調芯片(Demodulator)的集成，以及解碼芯片對更高級的音視頻格式和更豐富應用的支持，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)機頂盒硬件系統中將扮演更重要的角色。


圖4 2005年中國數字電視機頂盒芯片市場(chǎng)產(chǎn)品結構
資料來(lái)源：2005-2006年中國機頂盒產(chǎn)業(yè)及芯片市場(chǎng)研究年度報告

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

      (1) 基于專(zhuān)用SoC芯片的架構（RISC CPU+ASIC）  


       專(zhuān)用SoC芯片內部除了嵌入式CPU以外，還集成了專(zhuān)門(mén)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接口，如音視頻輸入輸出、網(wǎng)絡(luò )連接、外部存儲接口等。嵌入式CPU可運行嵌入式操作系統，其上可加載多種應用程序。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(wú)需開(kāi)發(fā)復雜的多媒體算法程序，因而可縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。硬件解碼的另一個(gè)好處是功耗較低，系統穩定性好。


      基于這種結構的機頂盒成本較低，在IPTV業(yè)務(wù)起步階段，一般由業(yè)務(wù)運營(yíng)商向用戶(hù)免費提供機頂盒，選用專(zhuān)用芯片結構的機頂盒，在保證基本業(yè)務(wù)的前提下，能夠使業(yè)務(wù)運營(yíng)商節省運營(yíng)開(kāi)支，對業(yè)務(wù)推廣無(wú)疑會(huì )起到很好的作用。
但這種結構相對于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) 基于多媒體數字信號處理器(DSP)的架構


       基于多媒體處理器技術(shù)的IPTV機頂盒，采用了高性能數字信號處理器和嵌入式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(lái)控制處理從各種接口來(lái)的數據以及運算需求。采用多媒體數字處理器結構可以靈活地實(shí)現多種音視頻格式的編解碼標準。到目前為止，用于IPTV業(yè)務(wù)的媒體格式還沒(méi)有統一標準，各運營(yíng)商也處于測試選型階段，因此基于多媒體數字信號處理器結構的機頂盒可以靈活編寫(xiě)不同代碼提供多格式解碼能力。  
相對于(1)的架構，基于DSP的方案的開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)，開(kāi)發(fā)成本較高；功耗也較大，系統穩定性較差；整機的成本也稍高。

      (3) 基于X86的架構


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

      四 機頂盒核心芯片及解決方案舉例

     (1) ST的STi5517


      意法半導體(STMicro)是世界上最大的MPEG-2解碼器芯片供應商，其MPEG-2解碼器芯片對機頂盒廠(chǎng)商的出貨量達到6,600萬(wàn)件（截至到2004年）。其STi5517是一款低成本的基于CPU+ASIC架構的數字電視機頂盒核心芯片，內置180MHz的32位CPU ST20和支持MPEG-2 MP@ML的硬件解碼器。內置TS解復用模塊，內含PAL/NTSC/SECAM視頻編碼器，支持RGB, CVBS, Y/C和YUV輸出。它還可通過(guò)電話(huà)線(xiàn)回傳實(shí)現交互式付費電視的應用。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)現典型的數字電視機頂盒系統。


圖5 基于STi5517的數字電視機頂盒系統框圖 {{分頁(yè)}}

      類(lèi)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(pán)接口，具有較好的成本優(yōu)勢。


       在中高端方案方面，這些芯片廠(chǎng)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，其數據處理能力超過(guò)300MIPS。該類(lèi)方案通常還集成了更多的外圍接口功能，如硬盤(pán)接口、IEEE1394和USB。此外，該類(lèi)方案通常具有優(yōu)越的音頻和圖像處理功能。這類(lèi)芯片的目標應用主要是具有網(wǎng)絡(luò )瀏覽功能和多種交互式應用的中高端機頂盒。


      現在一般的家庭已經(jīng)有多種數字設備，設備間的數字信號傳輸是這些設備必須具備的功能，因此機頂盒集成USB、IEEE1394將是必然的趨勢。 此外，機頂盒的DVR功能未來(lái)將成為其標準配置，目前在上海數字有線(xiàn)中應用的機頂盒產(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(pán)驅動(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(zhuān)門(mén)面向多媒體應用的專(zhuān)用DSP，時(shí)鐘高達600MHz，具有8個(gè)并行運算單元，處理能力高達4800MIPS。此外，它還集成了3個(gè)可配置的視頻端口、面向音頻應用的McASP、10/100Mbps的以太網(wǎng)MAC等外設。通過(guò)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)得到機頂盒制造商Humax等的采用。


      DM642具有很強的運算能力，但不能很方便地支持操作系統，需要開(kāi)發(fā)人員自行開(kāi)發(fā)，對開(kāi)發(fā)人員要求較高；而ADI的Blackfin本身支持Linux，無(wú)需設計人員再花費額外精力。Blackfin匯聚了控制處理、媒體處理、多?；鶐ㄐ诺裙δ?，采用了融合RISC/DSP的新興架構。


      TI于去年推出了達芬奇平臺，采用了90納米的制造工藝，集成了DSP內核、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(kāi)發(fā)工具，降低了開(kāi)發(fā)的門(mén)檻。但是達芬奇平臺的成本還是比較高。


      在IPTV機頂盒方面，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灣等地采用。


     在大陸市場(chǎng)，IPTV機頂盒往往是通過(guò)運營(yíng)商贈送給用戶(hù)，因此對于方案提供商來(lái)講，價(jià)格便宜是主要的考慮。Blackfin具有價(jià)格的優(yōu)勢，因此更適合用于IPTV機頂盒的市場(chǎng)推廣。  

     (3) Intel 854芯片組


      X86架構的代表廠(chǎng)商如英特爾、威盛近年都在加速其向消費電子領(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機頂盒和數字錄像機應用。854芯片組支持2GB的DDR 333MHz系統存儲器以及整合式繪圖引擎，內含一個(gè)400MHz的系統總線(xiàn)，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可使用一個(gè)被動(dòng)式(無(wú)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，以連結硬盤(pán)與其它儲存裝置。該平臺還針對Microsoft WinCE 5.0操作系統提供板級支持包(BSP)。


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


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

     (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，內建了硬件MPEG-4 VGA編解碼器、H.264和VC-1標清解碼器、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機頂盒解決方案的系統框圖，除了IP機頂盒的一般功能外，它還具有PVR、可視電話(huà)和視頻監控等功能。


圖6 基于杰得X900的高端IP機頂盒方案系統框圖 {{分頁(yè)}}

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


       X900支持到標清格式的解碼，可滿(mǎn)足未來(lái)兩三年內的商用需要。杰得的下一代芯片將支持多格式的高清解碼，以適應未來(lái)機頂盒和數字家庭的發(fā)展趨勢。


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

       五 機頂盒發(fā)展趨勢


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


     （1）多種視頻標準并存，單芯片多格式解碼日趨主流


       近年來(lái)，具有更高壓縮效率的視頻編碼標準不斷推出，改變了MPEG-2一統江湖的局面。開(kāi)源軟件推動(dòng)MPEG-4成為Internet和PC上的主流格式；Microsoft憑借其在操作系統上的優(yōu)勢地位和在美國產(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標準，其DRM（數字權利管理）技術(shù)也贏(yíng)得了部分內容提供商的青睞；新近推出的H.264標準更是憑借其出色的編碼效率，贏(yíng)得了產(chǎn)業(yè)界的一致認同；中國的AVS標準也初露頭角，成為了中國的國家標準。但在某些領(lǐng)域，特別是數字電視和廣播業(yè)界，由于支持MPEG-2的系統和設備也已成熟，在短期內也不可能全盤(pán)替換。所以在未來(lái)幾年，機頂盒市場(chǎng)將呈現多種視頻標準并存的局面。這種局面給機頂盒的核心解碼芯片設計帶來(lái)了巨大的挑戰。如上文所述，國內外多家公司都已單芯片支持多格式解碼為目標，推出了芯片及解決方案。隨著(zhù)機頂盒市場(chǎng)的增長(cháng)，芯片的成本將逐漸降低，單芯片多格式解碼將成為主流。


     （2）標清向高清過(guò)渡，高清時(shí)代正在來(lái)臨


       在今年的CCBN展會(huì )上，眾多機頂盒廠(chǎng)商都展出了各式各樣的高清機頂盒。隨著(zhù)高清內容的日益豐富，平板高清電視走入日常百姓家，以及高清衛星頻道的開(kāi)通，美國、歐洲和日本的高清市場(chǎng)已走入正軌，中國也開(kāi)始具備少量高清節目源，例如CCTV今年1月正式播出高清節目，上海和深圳也開(kāi)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(lái)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)：一是部分電視運營(yíng)商要通過(guò)原先傳輸標清節目的窄信道發(fā)射需要更大帶寬的高清節目，引進(jìn)了一種名為DOCSIS3.0的信道捆綁技術(shù)，這就要求機頂盒芯片與之呼應；其次，高清節目的碼率更高，需要效率更高的解碼芯片。


     （3）機頂盒與數字家庭融合，向數字娛樂(lè )存儲中心發(fā)展


圖7 機頂盒和數字家庭

      隨著(zhù)更高性?xún)r(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備相連的機頂盒(如圖7所示)，其功能將可能發(fā)生明顯的轉變，交互式應用功能將大大增強并集成更多的應用。此外，機頂盒具有友好的應用界面，將可能部分替代PC，作為家庭數據儲存中心，甚至是家庭多媒體網(wǎng)關(guān)。 其核心芯片在強化多媒體處理能力的同時(shí)，也將具備更強的網(wǎng)絡(luò )處理能力，以適應未來(lái)數字家庭對多媒體與網(wǎng)絡(luò )進(jìn)一步融合的要求。

      六 結語(yǔ)


      隨著(zhù)模擬電視向數字電視的過(guò)渡和寬帶網(wǎng)絡(luò )的迅速普及，機頂盒市場(chǎng)將進(jìn)一步升溫，進(jìn)入快速成長(cháng)的階段。在機頂盒產(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頂盒的功能和成本。本文對市場(chǎng)上主流的音視頻解碼芯片的架構進(jìn)行了介紹，并著(zhù)重分析了幾款具有代表性的機頂盒核心芯片。隨著(zhù)3C的日益融合和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，機頂盒市場(chǎng)呈現出新的發(fā)展趨勢，也給核心芯片的設計帶來(lái)了新的挑戰。