IPTV机顶盒

       
       机顶盒(Set Top Box,STB)大规模应用源于数字电视，它是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备。在数字电视应用中主要根据传输网络不同存在三类数字电视机顶盒：用于有线电视网的数字电视机顶盒STB-C、用于卫星电视的数字电视机顶盒STB-S和用于地面广播的数字电视机顶盒STB-T,它们分别基于数字电视的相应标准DVB-C、DVB-S和DVB-TO基于IP协议的机顶盒是近来随着IPTV的发展岀现的。IP机顶盒不仅可以提供与大多数有线或卫星电视机顶盒相同的功能，而且还可以提供IP网络所支持的一系列双向应用和交互式服务。

       机顶盒这一形式的出现起源于20世纪90年代初，作为收取有线电视费用的重要手段。有线电视经营者在每台用户的电视机之前安装一个密钥盒，只有交费的用户才能对电视信号解密正常收看电视。20世纪末，在欧美开始试播数字电视和高清晰度数字电视后，又一次掀起了机顶盒应用的高潮。此时机顶盒的主要作用是对数字电视信号进行解码和模拟转换输出，以保证用普通模拟电视机可以收看数字电视或数字高清晰度电视。

       IPTV的出现使机顶盒有了进一步发展，IP机顶盒不仅用于数字电视，还作为IP网络与电视的桥梁，使宽带网络上丰富多彩的节目内容通过机顶盒展现在电视机上，为普通电视观众带来全新的数字生活感受。

       从用户使用的角度，IP机顶盒的基本业务能力就是通过IP网络接收数字电视节目，同时具备广播、点播和交互式多媒体应用功能。

      (1) 电子节目指南(EPG)：EPG可为用户提供一种界面友好、易于操作、可以快速访问节目的方式。用户可以通过EPG功能看到所有频道上近期将播放的电视节目以及可供用户点播选择的节目内容索引，主动检索点播。

       (2) 交互式应用：为用户提供视频点播、组播和互动游戏。通过交互功能的应用，人们在点播时可以像操作家用DVD一样进行快进、快退、暂停；在组播时可以快速切换电视频道。通过交互功能的应用，人们还可以进行互动游戏。

       (3) 软件在线升级:利用机顶盒中间件插件可以提供机顶盒能力探测，在线安装和更新机顶盒应用软件。机顶盒能识别软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。

     （4) 互联网浏览和电子邮件:用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子邮件。

从机顶盒要完成的功能这个角度来看，机顶盒既是用户选择节目的选择器，又是保障用户终端正常运行的控制器。按照此要求，机顶盒应具有如下功能：

       (1) 指示用户室内设备、IP网络以及节目资源的状态，利用用户电视屏幕显示服务提供者及节目信息提供者发出的消息和菜单；

       (2) 将用户的选择信息传送给服务器或节目信息提供者；

       (3) 向用户提供基本的终端控制功能，如在选择收看节目时，能进行快进、快倒、暂停和记录等VCR所具有的功能，以及电源的开/关、选择点播或标准电视操作；

       (4) 具有双向通信能力，能进行信号传输、调制和解调，能处理IP协议；

       (5) 能与家用计算机相连；

       (6) 能监测公用设备状态，进行信号传输性能的遥测和反馈。

       目前可支持IPTV业务的机顶盒产品大致有3个档次，即基本型、增强型和超强型。所谓基本型是指机顶盒可支持IPTV基本业务，提供电子节目单、实现网络电视节目的播放，进行基本播放控制。增强型机顶盒除具有基本型的功能外，还可提供互联网浏览、可视业务、文本信息接收显示和简单游戏等功能。而超强型高端机顶盒相当于一个家庭数字娱乐中心，不但可以提供IPTV的基本业务和扩展业务，还可以实现视频互动游戏、个人视频存储等高附加值功能。

       IPTV机顶盒接入宽带网络的方式可釆用FTTB+LAN、xDSL、WLAN等接入方式。IPTV机顶盒硬件平台一般有3种实现方式：基于专用芯片的STB、基于数字信号处理器DSP的STB、基于中央处理器CPU的STB。

随IPTV业务的岀现，许多机顶盒生产商和电信设备制造商积极研究用于IPTV的机顶盒，但目前研制的产品大多只适用于各自的IPTV业务系统。这种与系统绑定的机顶盒通用性较差，与其他IPTV系统无法互通。其结果造成了业务运营商在设备选型和成本控制上的被动，阻碍了IPTV发展。解决这个问题的办法是尽快制定IPTV机顶盒技术标准，从业务功能、性能和安全等方面制定统一规范。

       IPTV机顶盒在设计过程中要满足以上诸多需求，需要一系列关键技术的支持，主要包括视音频编解码技术、图形和图像显示技术、媒体流传输/控制技术(协议)、中间件技术、嵌入式系统和各类接口技术。

       视频编码技术种类很多，就目前宽带接入条件来看，适合于IPTV业务的视音频编解码技术主要有MPEG-4、H.264和AVS等,不同的IPTV业务平台所采用的编码技术有所不同。

       为适应不同IPTV业务平台提供的各种编码方式，要求IP机顶盒应具有支持一种以上的解码能力，可以支持L2Mbit/s以上的MPEG-4码流解码，或支持H.264视频的解码，并且具有从MPEG-4向H.264升级的能力。机顶盒作为网络与用户之间沟通的桥梁，IP机顶盒不仅需要接收网络视频，同时还要将视频节目传送给TV或显示器，因此要同时具备编码和播放功能。

       IP机顶盒采用电视机作为显示终端，因我国电视制式选甬PAL制，故播放器必须支持PAL制72。X576标清分辨率图像解码，即满足ITU-RBT.601要求，支持宽高比为4：3或16:9的视频解码。为适应不同IPTV平台的需要，IP机顶盒应支持多种显示分辨率和格式的图形显示，对于显示图形要求支持清晰度为720X576、352X288、448X336、640X480,800X600的图形显示，每个像素至少支持16位彩色；可以自动按输入调整输出图形。

       由于一般网页都是为计算机显示而设计的，对利用电视机做显示终端进行互联网浏览，机顶盒输出的视频信号格式要格外小心。因普通电视釆用低帧频的隔行扫描方式，只适合显示较低分辨率的图像。当用低分辨率的电视机显示含有大量文字的网页时，则会出现一定问题。当显示图形和文字时，亮度信号存在背景闪烁，水平直线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换到电视机上,水平边沿就会仅出现在奇场或偶场，屏显时间接近人眼的视觉暂留，会产生明显的边缘闪烁现象。因而要用电视机上网，必须要补救电视机显示的缺陷。幸运的是，大量平板电视机已经进入家庭，因其具备足够高的显示分辨率，且具有足够带宽的分量视频接口，使得这一问题变得相对容易解决。只要IP机顶盒具备相应的HDMI、WVGA、YCbCr等宽带接口，显示分辨率问题就不会成为主要障碍。

        中间件技术在计算机系统中早已经得到广泛的应用，现在也开始应用于机顶盒设计软件。中间件是指位于机顶盒的实时操作系统和应用程序之间，连接两部分的软件。中间件使机顶盒中的应用程序和底层的硬件及网络部件分离，使应用程序的开发与硬件低层和平台无关。通过提供通用的应用程序接口(API)，可使应用程序的开发难度降低,并提高效率。

       设计人员在开发机顶盒上层应用时常常会直接面对实时多任务操作系统、硬件平台的原理细节、复杂的行业标准、繁杂的用户界面以及众多的实用功能等问题。为了解决上述问题，中间件技术应运而生，并成为IP机顶盒核心技术。中间件是在机顶盒的应用程序和操作系统、硬件平台之间嵌入的一个中间层，通过定义一组较为完整的、标准的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从而将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。它通常由Java虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成。开放式业务平台的特点在于产品的开发和生产以一个业务平台为基础，为每个环节提供独立的运行模式，每个环节拥有自身的利润，能产生多个供应商。只有采用开放式业务平台才能保证机顶盒的扩展性，保证投资的有效回收。

       嵌入式系统是计算机、通信、半导体、微电子、语音图像数据传输处理、传感器技术与具体应用对象相结合的产物，是技术密集、投资强度大、高度分散不断创新的知识密集型系统。一般来说，嵌入式系统由嵌入式芯片、嵌入式软件、嵌入式操作系统及嵌入式系统开发工具4部分组成。

嵌入式芯片包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器以及嵌入式片上系统，随着RISC计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式芯片功能越来越强，体积越来越小。

       嵌入式实时操作系统是相对于桌面计算机操作系统而言的，它不装在硬盘中，系统结构紧凑，功能相对简单，资源开资较小，便于固化在存储器中。嵌入式操作系统的作用与PC上的DOS和Windows相似，用户通过它进行人机对话，完成用户下达的指令。指令接收可釆用多种方式，如键盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。

        嵌入式CPU是IP机顶盒的核心，它要管理机顶盒的所有接口，包括网络接口、红外接口以及各类扩展接口，要处理IP协议栈、控制和调度所有底层设备驱动程序。它与媒体处理器或编解码芯片对接收到的视音频媒体流解码转换，使视频、音频和数据分离，通过控制数字/模拟转换器还原电视信号并输出给电视显示。一般IP机顶盒专用的嵌入式CPU大多集成媒体处理能力，增强型机顶盒还可釆用双CPU方式。

        嵌入式操作系统的运行平台所具有的功能包括网络管理，显示管理、智能卡管理、图文电视解码、数据解码、视频信号的上下变换以及交互式控制等功能。为了达到这些功能，嵌入式CPU就必须扩展新的功能，不断提高处理速度，才能适应未来业务的发展要求。

       IPTV业务的目标是实现视频、语音和数据的融合，通过IPTV机顶盒提供三网融合的业务。正因为IPTV机顶盒可以成为同时提供视频、语音和数据融合业务的纽带，结合宽带接入和无线网络，就可以创建真正网络化的家庭环境。IPTV机顶盒的应用过程一般为业务内容通过宽带网络接入到机顶盒，利用机顶盒遥控器或遥控键盘向宽带网络索要节目内容，宽带网络将需要的多媒体节目信号传送到用户端，经过机顶盒解码后在电视上输出，实现视频点播或网页浏览等。

       机顶盒设备由硬件和软件两部分组成，不同档次的机顶盒所采用的系统平台不同、软件架构不同，从而所实现的功能也不同。在硬件结构上主要存在3种结构的平台，即基于专用芯片架构、基于多媒体数字信号处理器架构和基于通用处理器架构的平台。软件结构大多采用层次化、模块化结构，或者采用中间件结构。

机顶盒的硬件结构由核心控制单元、媒体处理单元以及各类接口组成，如图9-1所示。

图9-1   IPTV机顶盒的硬件结构

(1) 核心控制单元

核心控制单元一般采用嵌入式系统处理器芯片，运行一个实时操作系统，用以管理机顶盒的活动和资源。其系统ROM中包含有自举代码和基本的操作系统服务程序，RAM则由操作系统、应用服务程序和数据所共享。

(2) 媒体处理单元

       媒体处理单元一般根据机顶盒成本选用ASIC专用解码芯片或数字信号处理器，也可釆用软件解码实现。该单元的功能之一是对压缩视频流和音频流进行解码。随着微处理器功能的提高，解码工作也可以完全由软件实现。机顶盒在解码前，只需根据视频流的不同压缩标准，从服务器中下载不同的解码程序。这样便可以适应各种类型的编码视音频流。

（3）图形控制与媒体播放接口

       图形控制系统产生菜单等服务程序所需的图形界面。此外，它还用于视频游戏等应用中二维或三维图形的加速显示。图形控制系统的输出，通过叠加控制器与视频信号叠加到一起，经过编码输出到普通电视机上。媒体播放接口基本配置有复合视音频端子和S-Video端子,较高配置可有YPbPr、YCbCr和数字音频输出接口。

（4）网络接口

       网络接口根据网络接入方式的不同可配置成高速以太网接口、ADSL接口或无线局域网接口，甚至EPON或电缆接口。网络接口将机顶盒连接到网络上，处理有关网络协议，接收输入信息流，并通过它向服务器返回用户的控制命令。

（5）控制接口

       控制接口是指用户操作控制机顶盒的接口，一般以红外遥控器为主，也有采用红外遥控键盘或WiFi技术的。

（6）外围设备控制接口

       根据用户的需要，机顶盒还应该能提供更多的接口，如USB接口、串行接口、智能卡接口。除以上基本业务应用所必需的接口外，可根据业务需要配置游戏操纵杆、键盘、鼠标以及打印机、磁盘驱动器.CD-ROM,录像机等其他扩展设备。

       从图9-1中可以看出，IPTV机顶盒的核心是CPU和编解码器。机顶盒功能的强弱与选择不同档次的核心器件有直接关系。目前的机顶盒产品归纳起来主要基于以下3种结构：

     （1）基于专用芯片的结构（SoC+ASIC）

       专用视频图像处理芯片内部除了处理器以外，还集成了一些包含视音频输入输出的智能模块，有些集成了图像压缩、硬件加速等模块。从本质上讲，专用视频压缩芯片和通用视频处理芯片都属于SoC（System on Chip）,差异是前者带有固定的压缩模块、固定的处理方式和固定的微码，后者需要产品开发商开发视频压缩算法程序。

      基于ASIC/SoC结构的机顶盒，由于其全硬件芯片的实现方案使得运营商无法实现软件的有效升级，另外其网络适应性也存在一定问题。但基于这种结构的机顶盒成本较低，在IPTV业务起步阶段，一般由业务运营商向用户免费提供。选用专用芯片结构的机顶盒，在保证基本业务的前提下，能够使业务运营商节省运营开支，对业务推广会起到一定的作用。

      （2）基于多媒体数字信号处理器的结构

        基于多媒体处理器技术的IPTV机顶盒，釆用了高性能数字信号处理器和嵌入式系统芯片作为硬件平台。DSP主要用于视频和音频的解码处理，嵌入式实时操作系统芯片用来控制处理从各种接口来的数据以及运算需求。采用多媒体数字处理器结构可以很方便地实现MPEG-2/4视频和音频处理、H.264视频处理，同时还支持其他用于IPTV的编解码标准。考核IPTV机顶盒的首要指标就是其对媒体格式的支持能力。因为到目前为止，用于IPTV业务的媒体格式还没有统一标准，各运营商也处于测试选型阶段，因此基于多媒体数字信号处理器结构的机顶盒可以灵活编写不同编码或直接做成双解码形式。

        (3) 基于x86通用处理器的结构

        对比基于RISC架构CPU的嵌入式系统，基于x86架构CPU的嵌入式系统有如下优势：首先它可以对不同格式的文件进行编解码，如MPEG-2、MPEG-4、WMA等，使基于这种嵌入式平台的多媒体视音频设备可以处理各种各样的片源；其次Windows操作系统有一整套集成的多媒体功能和极为丰富的应用程序，使得开发IPTV机顶盒的周期更短,适用于开发高级的IPTV机项盒。该操作系统固有的桌面兼容性，使机顶盒开发商可以轻松地使用为Windows准备的大量应用程序来扩充IP机顶盒的功能。基于x86架构的机顶盒由于可以非常简单地内嵌WindowsCE实时操作系统，从而具有较齐全的应用软件，维护成本低，可以轻松地与PC资源共享。

       IPTV机顶盒作为客户端产品，除了具有良好的硬件平台外还需要软件系统的配合才能够实现IPTV业务功能。机顶盒的软件设计可以釆用一个层次型的结构，其优点在于使底层的硬件对上层软件透明，增加和替换硬件不用修改高层的软件，上层软件修改时不必了解硬件的结构。这样升级和扩展起来十分方便。

        机顶盒的软件一般分成3层：应用层、中间解释层和资源层，每一层都包括诸多程序和编程接口，如图9-2所示。

图9-2   IPTV机顶盒的软件结构

       在图9-2中所划分的机顶盒软件3层结构中，资源层又可进一步分成硬件抽象层和内核层，主要用于完成对硬件设备的操作。硬件抽象层提供了一个硬件设备的底层接口，程序员可以通过它来访问和控制视频、音频、图形、网络等子系统。该接口类似于PC中的BIOS。硬件抽象层将所有硬件特性，如寄存器、内存映射等都屏蔽起来，其作用是使上层软件不必修改即可与新的硬件相兼容。引入硬件抽象层的一个缺点是降低了运行速度，如基于显示无关的标准图形库显示速度慢、效率低。所以在一些机顶盒的软件结构设计中，为了提高速度，操作系统中的某些函数原形不经过硬件抽象层，直接在硬件中处理。

       内核层是一个位于硬件抽象层之上的一个小型实时操作系统，完成进程的创建和执行、进程间通信、资源的分配和管理。由操作系统管理的资源包括内存、信道和外围设备的访问权等。一个机顶盒的操作系统应该具有以下几个特点：

       • 支持实时的操作能力和多任务的控制。

       • 为用户提供一个易于使用的界面；为开发者提供一个面向对象、事件驱动的环境。

       • 为用于交互的数据链接提供一个综合的接口。一个解决的办法是，操作系统支持所有数据通信的底层协议，并建立一个数据库对交互的数据进行存储和调度。应用程序通过数据库进行数据输入和输出，数据链接的实现与应用程序无关。

       • 提供控制内部和外部音频、视频设备的能力。

       如同PC中的DOS,Windows一样，控制器的操作系统的选择同样也是非常重要的。由于机顶盒的功能要求很高，要求实时多任务的操作系统。机上变换器的主CPU将是有实时多任务支持能力的微处理芯片。由于控制系统的软件固化在ROM里，要更改错误、扩展功能、改善性能都很麻烦，因此定义一个灵活的有扩展性的平台将会获益匪浅。换而言之，这个平台应该是一个开放的工业标准平台。

       中间解释层的主要功能是将机顶盒应用程序翻译成CPU能识别的指令，去调动硬件设备完成相应的操作。中间层主要是一些驱动和库函数，为各应用程序提供共同的、常用的服务程序，包括的主要功能有：

       • 与业务有关的网络通信控制；

       • 视频控制；

       • 导航控制；

       • 应用协议处理；

       • 用户/业务管理；

       • 图形显示以及用户界面的编程接口。

       应用层可以分成内置应用程序和下载应用程序两部分，实现诸如TV播放、视频点播、EPG、DRM（数字版权管理）、游戏下载等业务应用。位于软件结构的最上层，不同的应用程序可以提供不同类型的交互式电视服务。可能的应用程序包括电子节目指南（EPG）、视频播放器、电子游戏、家庭购物等。

        不同的机顶盒生产厂家对IPTV机顶盒软件的设计理念不尽相同。在实现IPTV业务的设计中有采用基于业务平台和机顶盒之间定义的业务流程开发软件的，也有利用位于底层系统资源和业务应用之间的通用服务软件或中间件的。但总的趋势还是釆用业务应用软件与底层硬件和操作系统软件相隔离的方式，采用中间件的方式不失为一个很好的选择。中间件将机顶盒中的应用程序与底层系统部件相分离，使应用程序的开发与硬件平台无关。它可以提供一系列具有开放标准的应用编程接口（API）,适用于不同的操作系统和硬件环境。利用中间件技术可以降低应用程序的开发难度，提高研发效率。

        在IPTV系统的发送端，媒体服务器中存有大量的经过压缩的多媒体数据（包括电影、教育、销售和游戏等）。当用户向媒体服务器提岀访问请求时，服务器对被访问的数据进行协议处理，然后经过数据的打包和调制，通过IP网络将数据发送出去。每个机顶盒都拥有自己的实地址，实地址信息存储在机顶盒的ROM中。媒体服务器提供的每个线程都有一个虚地址与之对应。用户的机顶盒能对整个地址空间解码。当用户机顶盒需要节目时，将其实地址与其需求的虚地址相连，这样服务器便以虚地址向用户传送节目。

       机顶盒的加电自举程序如图9-3所示。可以自举的STB系统至少需要一个ROM,它装有如何执行初期通信将机顶盒固件装入RAM中的那些指令，同时，还需知道机顶盒模型定义和序列码，并能显示当前或未来节目的可浏览的选单序列，选单由前端服务器制作分发出来。 

       当机顶盒向媒体服务器提出选择请求时，媒体服务器即给机顶盒一个初始化连接。这个连接请求，可以是特定的实地址，也可以是通用的虚地址，但一个虚拟寻址序列总是跟在实寻址序列的后面。媒体服务器的实寻址可以用于收集机顶盒请求、状态、数据或诊断信息，或者用于向机顶盒发送一个虚地址。

       机顶盒的选择程序如图9-4所示，机顶盒所采用的遥控器有通用的IR多键遥控器，用户可以通过它来请求一个选单。

图9-3  机顶盒加电/自举                                         图9-4   机顶盒的选择程序

       当用户选定一个选单后，通过IP网络系统把选单传送给媒体服务器。在取得媒体服务器的授权后，即可接通相关信息通道使用户分享有关信息资料。如果在使用过程中发生错误，机顶盒还可以进行清除错误的状态处理。