机顶盒原理

机顶盒原理

数字电视可说是手机之外的另一波杀手级应用，它以客厅为核心，不断地整合家庭中的其他视听及IT设备，形成多元应用的家庭网络；不仅如此，数字电视与手机也朝向整合之路发展，移动电视（Mobile TV）已在全球各地如火如荼的推动当中。当电视广播系统与网络、甚至是移动通讯系统结合时，包括视频、语音与数据的服务自然走向多元汇流的趋势，这是一个比过去独立型式复杂许多的应用环境，而数字机顶盒（Set-top-box；STB）正位于此架构的核心位置，其面临的设计挑战确实繁重。

根据电视节目发送管道的不同，数字STB又可分为数字地面（Terrestrial）STB、数字卫星（Satellite）STB、数字有线（Cable）STB，以及通过网络（xDSL、Cable Modem、光纤）的IP STB等型式。整体而言，数字STB的技术主轴朝向支持HDTV（High Definition TV）及互动性（Interactive）发展，但不同市场区块仍有其技术及应用上的偏重。为了达到产品的差异化定位，加入硬盘的数字录像机（DVR）及整合家庭网络功能的家庭网络网关（Residential Gateway；RG），也是数字STB的重要设计方向。

系统架构

一个数字STB是由软、硬件所组成，在硬件方面的主要单元可分为接收广播信号，并将其转换为数字传输串流的前端（front-end；FE）芯片，即调谐器（tuner）和调变/解调变器（modulator/demodulator）；后端芯片包括电视解码器/编码器（NTSC/PAL decoder/encoder）、MPEG-2 Transport、MPEG-2 MP@ML或HL解码器、微处理器、绘图芯片、音频处理器、音频DAC、视频DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等存储、电源元件及其他标准离散元件。更高端产品还会整合安全芯片、调制解调器（modem）或家庭网络芯片，以及可录像的硬盘（HDD）。下图为支持DVR功能的STB解码芯片方块图。

具有DVR功能的STB解码器方块图

更强大及多元的功能及更高的整合度是数字STB在硬件部分的发展趋势。在功能上，电视解码器强调要能做到dual-TV和dual-DVR，也就是除了能解码并显示数字和模拟两种电视广播信号外，还要能解码两个同步标准解析电视信号，再送到多台不同的电视机播放或录制节目到硬盘中。此外还有所谓的PAP（高解析双画面）和PIP（子母画面）功能，能够在同一个屏幕上显示两个不同的高解析电视画面，可以分别并列或上下排列。

在整合性上，为了保持设计弹性，一般在系统中前端及后端芯片是分

离的配置，但也能将两者整合为单一封装，进而为大量生产的应用提供更佳的成本效益。芯片本身则朝SoC的方向发展，尤其是位居核心的解码器芯片，此类芯片会采用90奈米等高端制程，在一颗芯片上整合各种主要功能，包括高性能的CPU、视频解码电路和各种周边设备。

STB单芯片iDTV处理器硬件架构方块图

在软件部分则包括操作系统和即时操作系统（RTOS）、提供互动功能的MHP等中介软件（Middleware）及应用软件接口（API），以及电子节目表（EPG）等应用软件或条件式接取（Conditional Access；CA）安全功能。接口上则需要支持安全性模组（POD module）、共同接口（CI）、智能卡（smart card/reader）、高速接口（USB、IEEE 1394及序列ATA）等。CA、CI、POD等技术难度较高，也是设备商在选用视频处理芯片解决方案后，仍需进一步整合开发的议题。

视频转换处理

视频转换处理无疑是STB最主要的功能，因此编码/解码器（CODEC）犹如STB的心脏。目前电视广播业界仍以MPEG-2为基本视频压缩规格，但已积极转向MPEG-4、H.264/AVC（即MPEG-4 Part 10）及VC-1等新一代编解码规格。采用新的规格对业者来说具有许多好处，最明显的例子在于能通过有限的频宽传送更多的节目频道，或提供

高画质的电视节目。

以MPEG-2和H.264来比较，在传输HDTV内容时，前者需要20Mbps频宽，后者只需8Mbps频宽就能提供相同的画质，两者差了2.5至3倍。除了频宽的考虑外，采用新的视频压缩规格也能带来其他的优势，例如在具备节目录制PVR/DVR功能的STB中，更大的压缩比意味着能储存更多的容量；此外，新的规格也提供了物件导向的互动功能，以及子母分割画面等加值功能。

目前市场上并未明确的往特定的新一代规格靠拢，处在这个过渡期中，STB只得同时支持多种规格。MPEG-4虽然问世比较久，也有不少厂商大力支持，但它先天上存在着一些难以克服的瓶颈，让它在推展上显着的举步维艰。

MPEG-4最大的问题在于规格过于庞杂，视频只是MPEG-4定义中的一个部分（lS014496-2 MPEG-4 Part 2）。这种庞杂性就产生各部分相容性的制定问题：有些内容不够清楚，或不够开放；有些做了折衷处理，反而造成互操作性的难题。举例来说，由于MPEG-4允许业者自订输出规格，因此造成各种规格并存的现象，例如较知名的Divx规格及微软的wmv规格，但过多规格也让服务业者望而却步。另一个令人诟病的原因，则在于要取得MPEG-4的商用许可证，得负担高昂的使用费用。

相比较之下，H.264虽然也是一个复杂的标准，但它只针对视频做制定，也已获得MPEG/lS0和ITU两大国际标准组织的支持，加上它是当前能提供最佳视频压缩性能的规格，也不存在使用费的问题，所以自2003年标准推出后，即对HDTV、HD-DVD、手机及视频串流等业者产生莫大的吸引力。不仅如此，H.264在制定时即考虑了与MPEG-2既有系统的通用性问题，因此，在今日的基础建设中就能将H.264嵌入MPEG-2传送流（TS）中发送出去。

不过，在提升压缩性能的同时，H.264也存在编码计算复杂度大增的问题，因此需要消耗更大的运算资源。在此情况下，STB必须采用更高性能的处理器，或以专属的CODEC加速器硬件来完成任务。此外，高品质、低复杂性演算法对于H.264的编解码也有很大的帮助，以ST来说，就已提出运动估算与速率控制演算法，以及用于H.264解码的错误检测与隐藏演算法，能让解码器承担并隐藏数据封包损失，在无线封包网络上实现IP网络的最佳性能。

视频编码转换

身为数字家庭网络核心位置的STB，除了提供电视节目的视频转换播放之外，目前也成为家庭中如DVD、PMP、数码相机等各种不同设备的互连中心。为了让视频内容能在不同设备间进行播放及存取，STB还得具有视频编码转换的能力，也就是调整位元速率以符合特殊的通道速率或储存格式；或是用来改变分辨率，如将高分辨率（HD）视频串流传送给标准分辨率（SD）电视，或是在CIF移动终端上显示SD视频等。

动态位元串流规划（Dynamic Bitstream Shaper；DBS）技术，即采取最佳化的演算法来支持MPEG-2与H.264之间的位元速率、讯框速率、讯框大小与编码标准变化。它的开发目的在于降低视频编码转换的架构复杂性、运算耗能、存储需求，以及运算延迟等，让视频内容不需经过再编码（re-encoding）而能获得相同或更佳的品质。

DBS MPEG-2转H.264编码转换技术

数字内容管理技术

进入数字内容的时代，复制盗版的难度大减，这也成了电视服务业者迈向数字电视或IPTV时最关心的问题之一，负责接收转换数字内容的STB，自然就被赋与了版权管控的任务。目前对于数字电视内容管理的技术作法不少，其中以条件式接取（CA）和数字版权管理（DRM）被视为基本的保护机制，新兴的标准中比较受重视的是安全视频处理器联盟（Secure Video Processor Alliance；SVPA）推出的SVP标准。以下将

分别进行探讨：

·条件式接取（CA）

CA是系统服务业者经营数字电视业务的一项关键性机制，它能为广播式网络提供定址化管理（Addressability），其关注的重点是电视频道与收视户的权限。收视户需通过专属STB或智能卡来取得授权，才能解开扰码（Scrambling）。除了加解扰外，CA也能接收控制用户的管理信息，包括用户名称、位址、智能卡号、账单等等，并搭配后端客户管理及账目系统来提供更个人化的加值服务。

由于CA得处理复杂的加解扰等演算问题，是STB制造商比较难跨越的一道门槛，也是掌握此技术者的极大优势。过去CA往往与特定系统业者的专属STB绑在一起，收视户一旦要换系统业者，就得连STB一同更换。这种情况除了造成系统业者与用户的困扰之外，也让STB因通用性低而受到局限，因此相关的组织或政府政策上都致力于推动CA从STB中独立出来的机卡分离作法。

以DVB来说，此系统原先只就CA做了共同扰码（DVB Common Scrambling）的定义，上层运营面的操作（Operation）及管理（Management）则开放让系统业者可以自行发展。目前DVB已针对头端与用户端分别提出了同步加密（Simulcrypt）与多重解密（Multicrypt）的方案，以解决互通运营上的问题。

此外，美国、欧洲及亚洲多国都已将机卡分离视为电视产业发展的既定政策。目前将CAM（CA模组）独立设计的作法有三种，分别是采用PCMCIA、USB或智能卡的方式，其中又以PCMCIA为市场主流，包括美国的POD标准及欧洲的DVB-C标准，都以PCMCIA为其基本的物理接口。

不同DRM规格的互通问题

数字内容管理技术－DRM

CA的定址化功能虽能对频道及用户做收视控管，但对于个别节目的内容保护与授权就力有未逮，在此情况下，有必要进一步采用DRM机制来提供内容管理。这两者是相辅相成的，CA是系统业者的收视管理及运营工具，而DRM则是内容发行商的自我保护机制。

DRM 采取的是许可证管理（License Management）策略，也就是由数字内容发行商对原始档进行加密（一般采用128位元或156位元对称演算法），同时在添加的标头中加入作者、版本号、发行日期等版权信息。当用户想通过网络或直接从光盘中取得内容时，系统会自动检查有没有相应的许可证（License），认证的方式包括插入IC卡、IKEY（一种USB接口的身份认证权限），或经由网络认证服务起来认证其账号、密码。

整个DRM 的建置架构共分为三层：使用者应用软件、DRM 用户认证子系统，以及最基本的加密引擎。其中用户认证子系统是IPTV业务推行的关键，目前有许多认证系统，两种比较典型的IPTV DRM系统分别采用Kerberos和PKI认证机制。

此外，就DRM的规格来说，目前市场上的规格相当分歧，最受重视的无疑是Windows Media的DRM及开放移动联盟OMA推出的DRM 1.0/2.0规格，但仍有包括UT-DRM、NDS、SecureMedia、WideVine、BesDRM等规格并存。为了让用户能收看不同来源的视频内容，今日的

STB只得尽量支持市场上的DRM规格。

DRM保护内容的立意虽好，但规格林立反而造成市场发展的阻碍，如上图所示。为了使各种DRM规格能够互通，包括惠普、飞利浦电子、ST、三星电子、索尼和20世纪福克斯电影公司等四十个公司组成了Coral联盟，即致力于为基于WEB和家庭网络的设备安全传送内容提供互操作性。目前该组织已公布一种互操作层，能支持多种DRM方案，其架构请参考下图，不过，微软及Apple两大公司的规格仍是例外。

Coral联盟提出的DRM互操作层节点作法

·安全视频处理器（SVP）

SVP标准主要由SVP联盟推广，目前已获得20多家主要媒体与技术厂商支持，ST是该标准的发起会员之一。SVP联盟的主要工作是在数字家庭网络以及数字电视、STB、DVR、可携式媒体播放器等消费性电子应用中推广其SVP内容保护技术。

SVP能与CA及DRM形成互补的机制，为数字内容提供更完善的保护管理。通过SVP技术，数字内容供应商可以自行设置其DRM规范来对其作品内容加以保护，并将来自CA系统的规则映射到SVP格式之中，最后再通过支持SVP功能的个人录像机、DVD录像机或PMP等设备解密还原为原始内容呈现给观众。

基本上，SVP技术是一种以硬件为基础的安全方案，提供加密、传输和接收内容及关于如何通过安全通道使用内容的规则。其硬件核心IC只需不到20万电路闸，并在其上运作一个安全软件堆叠。这可以说是一种低成本、适合未来应用的解决方案。

总结

为了因应市场的变化，数字STB必须具备提供产品开发的便利性及升级上的弹性，这包括设备开发层面及终端用户的使用层面。在开发层面，目前关键零组件的厂商会提供完善的设计参考平台，让设备商能够加速开发时程，而且能在既有的设计基础上，弹性地加入新的功能以推出差异化或升级的产品。在终端部分，STB也需具有软件升级的功能，也就是只需通过远端网络的下载更新，就能升级其软件。

笔者认为：由于数字STB是一个集合各种功能于一身的Hub，加上此一市场上的技术、标准与应用需求变化极快，要想推出满足各方需求并且使用寿命长的通用型STB，是一件很不容易的事。除了上述的视频转换处理及内容管理的设计关键外，在数字卫星、地面及有线电视的服务上，信号回传的互动性是整体系统上的重要瓶颈；在IPTV的部分，虽以互动性见长，但如何保证串流视频的服务品质（QoS），并能提供HDTV的服务，也是很大的挑战。当然，还有更多的挑战及商机摆在眼前，例如数字电视与有线/移动电话的整合等，是值得我们不断去投入观察的。(Apple)