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机顶盒数字电视芯片浅析数字机顶盒结构和技术发展趋势

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在数字电视的产业链中,数字电视机顶盒(STB)是一个既简单又复杂的消费类终端产品。说其简单是因为生产出一个机顶盒是十分简单的,行业准入的成本也不是十分高昂;说其复杂是因为要将机顶盒做得稳定可靠且功能强大,的确是一件十分复杂繁琐的工作,特别是在软件系统方面,由于STB性能的局限性和使用的实时性,它无法像PC那样可以支撑庞大的运行环境与程序,也缺乏完善的开发工具,这对软件开发者而言是一件很具有挑战性的工作。

  机顶盒的硬件结构

  从数字电视机顶盒的构成上看,主要包括硬件和软件两大部分。从结构上看,机顶盒一般由主芯片、内存、调谐解调器、回传通道、CA(ConditionalAccess)接口、外部存储控制器以及视音频输出等几大部分构成。

  调谐解调器

  调谐解调器部分的作用是将传输过来的调制数字信号解调还原成传输流,调谐解调器的不同就构成了不同的数字机顶盒,例如用于QPSK解调的卫星机顶盒(DVB-S),用于QAM解调的有线数字机顶盒(DVB-C)以及用于OFDM解调的地面传输数字机顶盒(DVB-T)。目前市场上比较流行的调谐解调器的生产厂商有Thomson、Sharp等,国内虽然也有一些厂商生产调谐解调器,但市场份额很小。

  主芯片

  随着芯片技术的发展,越来越多的厂家将机顶盒的功能更多地集成在一个主芯片里,例如现在大部分厂商都将CPU、解码器、解复用器、图形处理器与视音频处理器集成在芯片中,甚至一些以Philips为代表的芯片厂商将调谐解调器也集成在芯片中,形成一体化的芯片解决方案,有效地降低了器件成本并提高了可靠性。在主芯片中,首先根据传输流所传递的标志信息对接收到的传输流进行解复用,然后根据CA智能卡所传递的解扰信息对节目流进行解扰,解扰后的TS流送到视音频解码器中分别对其进行解码,还原成AV信号进行输出,同时,也分离出复用在TS流中的各类系统数据表,送给机顶盒处理器分别输出。

  另外,由于在主芯片中集成了CPU和图形管理器,使机顶盒可以完成更多的功能,它可以运行各种软件完成诸多任务,例如股票接收、网页浏览等,也可以通过图形管理器实现2D甚至3D的图形处理,为用户提供更美观的界面,实现交互式游戏等各种高画质应用。由于CPU是主芯片的核心,因此通常情况下CPU的性能就决定了主芯片的性能。CPU的性能一般是由主频决定的,主频越高则CPU的性能也越高。目前最快的CPU主频已经超过了400MIPS,即使是目前市场上流行、最基本的机顶盒中CPU的主频也超过了50MIPS。CPU速度同运行其上的业务系统有着必然的联系,如果需要在一个STB中运行一个HTML浏览器,100MIPS可能就是对CPU的最低要求,当然这还需要内存的配合。

  内存

  在某些方面,机顶盒同PC机有很多相似之处,甚至可以说是一台简化了的PC机,两者最相似之处就是内存。对机顶盒而言,内存主要分为Flash内存和SDRAM内存。Flash用来存贮机顶盒的系统软件、驱动软件、应用程序以及一些用户信息,在系统断电时内容还可保留,同时Flash可以通过在线的方式对其上所载的软件进行更新,达到机顶盒软件升级的目的。SDRAM主要是用来存储应用数据。机顶盒的许多功能都需要内存来实现,例如图形处理、视音频解码和解复用等,不同的应用需求,内存的大小配置也各不相同。容量大的Flash和SDRAM的配置虽然可以为将来的业务系统预留足够的内存空间,但内存并不是决定软件能否运行的因素,它需要配合CPU来工作,不切合实际的高配置只会造成资源浪费,而无助于STB性能的提高。

  外部存储设备

  外部存储设备一般指外挂式硬盘,大容量的硬盘可以用于存储节目流以满足用户的个性化需求。一个STB中能否外挂硬盘一般都是由主芯片所决定的,只有CPU的处理能力达到一定程度时才有可能支持硬盘的读写,而硬盘的读写也需要更多的内存空间。

  智能卡接口

  通过读卡器读取CA智能卡中的数据用于数字电视节目的解扰,特别是在付费电视发展的今天,这是大多数STB必不可少的部件。除了标准的读卡器外,在有些STB中也采用通用接口CI(CommonInterface)来完成对CA智能卡的读取。CI是一个由DVB组织为机顶盒和分离的硬件模块之间定义的标准接口。这种起源于PCMCIA的技术应用,使机顶盒可以批量生产,也为机顶盒带来了变化,有着广泛的应用前景。

  回传通信接口

  随着机顶盒应用的扩展,使用户对机顶盒的需求已经不单单停留在简单地收看视音频节目上了,交互式的需求使机顶盒中内嵌了回传设备,这些设备可以包括网络适配器、调制解调器等通信接口,用于满足用户将信息回传到前端。

  其他设备接口

  新技术的发展使机顶盒的物理接口也不断地增加,如RS232接口、红外遥控器接口、无线键盘接口、Wi-Fi接口等等,使STB可以同摄像机、DVD、PDA等众多设备进行连接。

机顶盒的软件系统

  机顶盒作为一个客户端系统,除了要具有良好的硬件平台外还需要配备不同的软件系统才能使其完成各种任务。机顶盒中的软件可以分成三个主要的层:应用层、中间解释层和驱动层,每一层都包含了诸多的程序或接口等。

  驱动层

  驱动层包括机顶盒硬件的驱动程序和API接口,它主要用于完成对硬件设备的操作。

  中间解释层

  中间解释层将STB的应用程序指令翻译成CPU能识别的指令,从而通过驱动层去调动硬件设备完成相应的操作。该层包括嵌入式操作系统、中间件、CA驻留软件等。虽然中间件的使用可以给STB软件的设计和应用带来极大好处,但高昂的使用费用,对硬件需求的增加以及技术上的不成熟使中间件在国内鲜有应用。目前许多软件设计者采用直接调用驱动层的软件来编写应用程序,这虽然可以满足一时的需求,但随着应用需求的增加,在STB中使用中间件才是一个很好的解决方案。

  应用层

  应用层可以分成驻留应用程序和可下载应用程序两部分,不同的STB软件设计理念使这两个部分包含的应用程序也不尽相同,合理规划这两部分的组成将有助于提高STB的可靠性和相应时间。目前国内机顶盒中的应用较少,主要以EPG、数据广播、股票、简单的下载游戏等为主,而数字电视的魅力并不在于看电视,而在于这种基于数字电视平台的业务应用,这些应用将会改善人们的一些日常生活习俗。随着双向网络的建设,交互式应用的普及,基于交互式的应用软件也将越来越多,这也会给运营商带来难以预料的增值收入。

  STB的分类与应用

  不同的运营商和不同的机顶盒厂商按照不同的应用习惯将STB分成基本型、增强型、交互型等几种,运营商对数字电视理解和应用水平的不同对STB的划分也有所不同。大多数的运营商将基本型定义成仅支持视音频服务和接收EPG信息,不支持数据浏览和其他应用,而将这些应用放在所谓的增强型中;把具有双向功能的STB定义为交互型。实际上从功能上很难区分什么是基本型什么是交互型,不同的商业目的就会有不同的划分,所谓的基本型和增强型往往都是使用同一个硬件平台,不同的只是软件而已,虽然也有厂商宣称他们的STB是交互型的或者可以开展交互式服务,但由于网络上的原因,在国内还没有一种成熟的交互式应用,目前所谓的交互式应用基本上都还停留在本地交互的基础上。

  选用的芯片不同,构成的硬件平台就不同,配备的其他设备和接口也不同,这就组成了多种多样的STB。例如,在STB中加上调制解调器或网卡,就构成了一个具有双向功能的机顶盒;加上硬盘就构成了个人视频录制器(PVR:PersonalVideoRecorder),当然这些都需要软件的配合。在同一个硬件平台上通过驻留不同的软件也可以构成不同应用的机顶盒,而多样化的STB满足了不同层次的需求。

  STB的发展趋势

庞大的市场空间,数百亿的产值吸引了众多的商家从事STB的生产制造,据估计国内大约有300余家企业都在从事STB的生产,而截至到2004年底,全国有线数字用户大约在80万户左右,除去以前累计发展的30多万户,实际去年一年新增用户不会超过50万户,市场竞争的残酷性使全行业处于一种亏损状态。虽然目前运营商在大规模推广数字电视,搞全网的整体平移,向用户免费发放STB,为此也创立了诸如青岛模式、佛山经验以及杭州模式等,但这一切并没有带来STB行业的繁荣,也没有促进STB技术的发展,反而给数字电视行业造成了很多的困惑。如何顺应技术的发展,把握技术发展的方向,可能不再仅仅是制造商需要关注的问题,也许更应当引起行业主管部门和运营商的关注,需要各方协同努力尽快为数字电视创造一个良好的可持续发展的空间。

  数字电视一体机

  目前国内使用的机顶盒大多都属于基本型的范畴,它们可以接收数字电视节目,也可以提供一些诸如电子政务服务类的应用。随着数字电视机技术的发展,带数字解码功能的新型电视机已经面世,目前正在处于投产前的大规模测试阶段。这种将最基本的STB和电视机的功能结合在一起的新型一体化电视机,将对STB的制造业和数字电视的运营产生重大影响,面对家电巨头们庞大的生产能力和新的技术产品,大多数STB生产商将面临重新洗牌的风险。

对运营商而言,一体机的出现也使运营发生了改变。过去运营商不仅要为节目传输操心,也要为用户的STB投入大量的精力,甚至为此背上沉重的包袱,特别是在整体平移的过程中,由于发送STB而背负了庞大的债务,而这一切都可能因为一体机的出现而得到很好的解决。在未来的2~3年内,按照国家产业的规划,国内生产的35%以上的电视机将带有STB功能,这意味着每年将有1500台以上的一体机投放市场,以后这个数字还将会不断攀升。

  机卡分离

  机卡分离和一体机几乎是天生的一对。电视机的大规模制造不仅提高了产品的可靠性,也降低生产的成本,而大规模制造的基础就是所生产的产品具有一致性,这不仅表现在硬件上也表现在软件上。由于软件的差异性使得制造商无法像生产电视机一样大规模地生产机顶盒。所以实现规模制造,CA是首先要解决的问题。

  机卡分离技术的含义在于让数字电视的接收设备(机)和CA智能卡及其软件(卡)无关,两者通过一个接口产品(大卡或CAM卡)来连接,电视机和STB预留这个通用的接口。在插入CA智能卡之前,所有的电视机和STB的软硬件都是相同的,而智能卡首先要插到一个与之适应的CAM卡中才能插到电视机或机顶盒上,解出相应的节目。虽然从表面上看由于使用了CAM卡增加了用户的接入成本,但由于脱离了CA的束缚给运营商和制造商都带来了使用和制造成本的降低,最终也带来了用户接入成本的降低。诸多的优点使机卡分离成为一种产业发展的趋势,美国已经把机卡分离作为数字电视机的标准,并为此定义了强制性的时间表。对中国这样一个电视机生产大国而言,机卡分离也将成为中国产业发展的趋势和标准。随着产品的批量投放市场,数字电视机的普及将有助于带动数字电视用户的发展。

  交互式STB

  虽然一体机可能代替普及型STB,但在数字电视发展中,由于业务的不断扩展,STB的软件也将不断完善,特别是在交互式领域,随着中间件的完善和应用,STB就成为一个价格低廉的硬件平台,可以通过更换不同的软件来实现多种应用。对运营商而言,交互式应用有着庞大的商业利益,是未来最重要的利润来源,而交互式STB的使用可以帮助实现这一目标。交互式STB也代表着机顶盒技术发展的最高水平,有着十分巨大的发展空间。

  在STB中加上存储设备就可以将自己喜欢的节目存储起来,这种STB就是PVR。虽然目前PVRSTB在国内还没有形成一定的市场,但国外每年几百万台销量的强劲增长就预示着国内未来市场的庞大,随着时间的推移,这种需求将会越来越大。

  双解码或多解码STB

  对国内的运营商而言,特别是在整体平移的过程中,如何解决用户两台以上的电视机收看数字电视节目是一个令开发人员十分头疼的问题,虽然可以通过强制性的行政行为达到一机一卡,提高收视费,但无法让用户理解这种运营模式,也使数字电视的推广面临很大的阻力。双解码STB是在一个STB中采用双解码芯片或在一个芯片中嵌入两个以上的解码电路,并配以两个解调器,进而使一个STB输出两路不同的节目,而STB的成本仅仅增加了30%~50%。这种新产品的出现,无疑对那些拥有两台以上电视机的用户是一个福音,当然对那些寄希望于用户购买两台以上的STB以及交两份以上的节目费的运营商而言,这并不是一个好消息。

  DVB和IP合二为一

  IP技术的飞速发展给数字电视带来了巨大威胁,但在短期内由于网络成本的原因使两者只能共存而无法替代。虽然目前国内市场上有所谓的带IP功能的STB,但这些机顶盒只是集成了网卡或带回传通道,由于它们无法满足流媒体等服务,因此还不完全是一个将DVB和IP合二为一的STB。随着具有MPEG-II和MPEG-IV双解码功能芯片的推出和完善,国外已经有此类STB投放市场,它可适应于不同的网络环境,有着广阔的发展前景。另外,这种技术的发展和整合可能会给人们带来一些意想不到的变化,也许在不久的将来,随着网络技术的发展,一个集DVB和IP于一体的终端产品将会成为家庭的一员,它连接着家庭的显示设备、计算机甚至其他的智能化设备,满足家庭信息化的需求。

  小结

  总之,机顶盒作为数字电视标志性的产品,有着广阔的发展空间。随着数字电视应用、芯片技术和软件技术的发展,STB的功能也必将越来越强大,可以为运营商和用户开展更多的服务,满足不同层次的需求

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