為IPTV技術(shù)解決DSL機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)與部署難題
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作者：Michael VanBreda 與 Neil Quarmby
時(shí)間：2006-07-07
來源：電子產(chǎn)品世界
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基于 DSL 的IPTV 市場增長
有線多服務(wù)運(yùn)營商采用混合光纖／同軸線纜基礎(chǔ)設(shè)施，并租用線路為用戶提供三重業(yè)務(wù)整合視頻服務(wù)、基于線纜調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)服務(wù)及語音服務(wù)，已取得了相當(dāng)大的成功。目前，電信公司根據(jù)形勢的發(fā)展，加強(qiáng)了 DSL 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并借助高效利用帶寬的視頻編解碼器新推出了因特網(wǎng)協(xié)議電視 (IPTV) 服務(wù)，這有利于寬帶技術(shù)的全面推廣，并實(shí)現(xiàn)自身的三重業(yè)務(wù)整合功能。IPTV 的重要優(yōu)勢在于，能夠支持多個(gè)視頻通道，特別在采用高級編解碼器時(shí)功能更強(qiáng)。針對美國多數(shù)家庭都擁有多部電視機(jī)的情況而言，該解決方案非常具有吸引力。
預(yù)計(jì)，IPTV 十年后將占數(shù)字電視市場份額的三分之一。電信公司采用ADSL/ADSL2+ 或 VDSL 技術(shù)向他們的消費(fèi)者客戶家庭提供 IPTV 三重業(yè)務(wù)服務(wù)。眾多運(yùn)營商和服務(wù)供應(yīng)商都在宣稱將開展小區(qū)Video-over-ADSL技術(shù)試運(yùn)行。大量分析報(bào)告指出，2004 年全球 DSL 機(jī)頂盒 (STB) 出貨量將超過 130 萬部。到 2008 年，市場銷售量將達(dá)700萬部以上，銷售收入將超過 7 億美元。
單個(gè)頻道的 HDTV 內(nèi)容要求 20 Mbps，SDTV 內(nèi)容則要求 4 Mbps 的帶寬（采用 MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)）。服務(wù)供應(yīng)商似乎認(rèn)為最少也應(yīng)滿足兩個(gè)頻道的內(nèi)容，因此顯然需要效率更高的編解碼器。兩大主要的競爭候選對象分別是 MPEG-4 Part 10 的 H.264 格式和 VC-1 高級編解碼器，兩者均比采用 MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)的帶寬利用率高出 2.5 到 3 倍。在高級編解碼器上，只需近 1.5 Mbps 帶寬就能傳輸要求 3.5 到 5 Mbps 帶寬的 SDTV 內(nèi)容。高級編解碼器還能經(jīng)濟(jì)有效地?cái)U(kuò)展 IPTV 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，使我們能夠向更多家庭提供這一服務(wù)。
開發(fā)集成式 DSL STB 所面臨的挑戰(zhàn)
盡管眾多運(yùn)營商和服務(wù)供應(yīng)商已經(jīng)宣稱將開展小區(qū) Video-over-ADSL技術(shù)試運(yùn)行，但 STB 對他們而言仍存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。消費(fèi)者期望視頻質(zhì)量達(dá)到目前電視服務(wù)水平，這就要求采用先進(jìn)的 QoS 方案，以避免大容量文件下載干擾電視信號接收等問題的出現(xiàn)。銅質(zhì)線路上會隨機(jī)出現(xiàn)大量噪聲，這也是一大難題。此外，新型編解碼器和 INP 方案不斷涌現(xiàn)，帶動(dòng)了技術(shù)領(lǐng)域的快速變化，這都要求解決方案具備較高的靈活性才能快速實(shí)施最新技術(shù)。
為了解決上述難題，運(yùn)營商希望 STB OEM 廠商和 ODM 廠商能夠超越現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，即實(shí)現(xiàn)電視機(jī)、DSL 調(diào)制解調(diào)器以及 IP STB 的結(jié)合。如果采用兩個(gè)不同的機(jī)頂盒，就意味著成本增加，用戶使用更復(fù)雜，發(fā)生故障的幾率也更大。如果采用一體化的機(jī)頂盒，那么保護(hù)影片內(nèi)容也更容易。運(yùn)營商希望將更多功能集成到 STB 中，如無線局域網(wǎng) (LAN) 和個(gè)人視頻記錄器 (PVR) 等。
大多數(shù)運(yùn)營商希望集中優(yōu)勢資源從事增值服務(wù)，讓 OEM 廠商和 ODM廠商來妥善處理設(shè)備設(shè)計(jì)問題和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。不過到目前為止，OEM 廠商和 ODM 廠商尚未進(jìn)入集成的 DSL/IP STB 市場，這或許是因?yàn)樗麄儾辉笧閯倓倣渎额^角的新市場承擔(dān)昂貴的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，這也是可以理解的。因此，一些以集成式解決方案進(jìn)入本市場的領(lǐng)導(dǎo)潮流發(fā)展的公司不得不自行設(shè)計(jì)客戶端產(chǎn)品 (CPE) 并與承包制造商合作。意大利的 FastWeb、法國的 Free 和英國的 Homechoice 等供應(yīng)商都采取了這一方案。
新一代開發(fā)板
AR7 開發(fā)板集成了 DSL 與視頻芯片
目前市場已出現(xiàn)了新一代開發(fā)板，不僅可大幅節(jié)約集成式 DSL STB 所需的開發(fā)時(shí)間及成本，而且還能顯著降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。TI 的 AR7 就是新一代開發(fā)板中的一員，基集成了 AR7 DSL 和 DM642 視頻芯片，這些芯片目前已廣泛用于大多數(shù)集成式 STB 中，包括上述三家公司提供的新產(chǎn)品。DM642 基于 TI TMD320C64x 數(shù)字信號處理器 (DSP) 內(nèi)核之上，并且還采用了可加速視頻與圖形應(yīng)用的指令集擴(kuò)展，因此能提供全面的軟件可編程性。這使用戶能實(shí)現(xiàn)各種功能，如先推出 MPEG 2 產(chǎn)品，隨后再升級到 H.264 視頻編解碼器。AR7 是首款單芯片 DSL 路由器，在本市場領(lǐng)域中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。AR7 片上路由器所采用的 MIPS CPU 負(fù)責(zé)管理 DSL 鏈路，執(zhí)行 IP 路由功能，并傳輸進(jìn)行解多路復(fù)用的數(shù)據(jù)流，為 DSP 提供原始的壓縮音頻與視頻數(shù)據(jù)。
主要接口
開發(fā)板處理集成問題。
DSL 與視頻芯片的集成管理是新一代開發(fā)板節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間的最重要的方式。舉例來說，外部存儲器接口 (EMIF) 通常用于連接 DSP 與不同類型的存儲器器件，如 SRAM、Flash RAM、DDR-RAM 等。AR7 上的接口用于從 AR7 向 DM642 的 HPI 視頻接口傳輸流量，這時(shí) AR7 作為主機(jī)，而 DM642 作為從機(jī)。在啟動(dòng)時(shí)，AR7 首先啟動(dòng)，再帶動(dòng)DM642。這時(shí)，視頻提供給 DM642 中的批隊(duì)列 (bulk queue)。AR7 處理批隊(duì)列中的流量控制，而 DM642 的視頻驅(qū)動(dòng)器將視頻移動(dòng)至芯片上的四個(gè)隊(duì)列中。DM642 隨后將視頻流解碼，再在屏幕上顯示圖形。
我們致力于接口開發(fā)，以便使為 STB 添加更多特性的任務(wù)變得更簡單，如無線局域網(wǎng) (LAN)、因特網(wǎng)協(xié)議語音 (VoIP) 等。舉例來說，VLYNQ 就是我們希望添加的一種新技術(shù)，其能提供至其他技術(shù)的連接。該接口采用 3 引腳或 5 引腳串行總線，不管是 3 引腳還是 5 引腳，都有引腳作為命令線 (command line)，三引腳情況下有一個(gè)引腳作命令線，五引腳情況下有兩個(gè)引腳作命令線，分別用作傳輸與接收線路。這種接口使兩個(gè)器件能通過接口連接，彼此實(shí)現(xiàn)存儲器映射，大幅簡化了集成更多芯片的工作。這意味著程序不管運(yùn)行哪個(gè)芯片，都能訪問另一芯片的存儲器，而調(diào)用的命令都一樣。這大幅縮短了設(shè)計(jì)或修改軟件以實(shí)現(xiàn)新功能所需要的時(shí)間，而且特別易于在芯片間傳輸數(shù)據(jù)包，滿足增加常見 STB 插件的需求。現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 開發(fā)商已通過提供擴(kuò)展技術(shù)開始支持上述技術(shù)，以便于在有關(guān)部件上集成上述接口。應(yīng)當(dāng)注意的是，這種串行接口不適用于數(shù)據(jù)帶寬高于20Mbps的應(yīng)用。
QoS 與 INP
服務(wù)質(zhì)量對 DSL STB 至關(guān)重要，因?yàn)槲覀冺毞直娉鐾ㄟ^路由器的視頻、數(shù)據(jù)與語音數(shù)據(jù)包，并為其賦予適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級，目標(biāo)就是避免在用戶通過計(jì)算機(jī)下載大容量文件時(shí)導(dǎo)致電視畫面立即受影響的情況。通常，分組加速器利用優(yōu)先級隊(duì)列特性在其它上行流量之前發(fā)送優(yōu)先級高的 TCP Ack 數(shù)據(jù)包，從而使數(shù)據(jù)吞吐能力增加兩倍。視頻分組通常標(biāo)有服務(wù)類型 (TOS) 位，因此專門排在自己的隊(duì)列中以確保在其他數(shù)據(jù)包之前提交，從而避免電視廣播頻道受影響。另一特性是向 IGMP 分組中的 DSLAM 發(fā)送加入請求，因此還能接收多廣播頻道。顯然，該特性必須同時(shí)得到 STB 與后臺辦公 (back office) 軟件的支持。
另一非常復(fù)雜的問題就是能否實(shí)現(xiàn)唇型同步分析 (lip-sync)，或者說，能否實(shí)現(xiàn)視頻與音頻解碼匹配，這樣，視頻中說話人嘴唇移動(dòng)時(shí)揚(yáng)聲器能播放出相應(yīng)的聲音。音頻流與視頻流數(shù)據(jù)包都有自己的時(shí)間標(biāo)記，以表明創(chuàng)建的時(shí)間。由于視頻數(shù)據(jù)包解碼所花的時(shí)間要長得多，因此要在 DSP 上用相關(guān)算法延遲音頻數(shù)據(jù)包的解碼，確保其解碼速度與相應(yīng)視頻數(shù)據(jù)包同步。如果數(shù)據(jù)包丟失，那么有關(guān)算法將生成空的數(shù)據(jù)包來填補(bǔ)空白?？上攵?，在這種情況下，快進(jìn)與倒退操作會給算法帶來相當(dāng)大的壓力。
用于 DSL 傳輸?shù)扔猛镜你~質(zhì)線路會受到脈沖噪聲的影響，這通常是由電磁干擾引發(fā)的。脈沖噪聲會導(dǎo)致循環(huán)校驗(yàn) (CRC) 錯(cuò)誤，降低吞吐量，并要求重新調(diào)校 DSL 線路。提供 IPTV 服務(wù)或 DSL 服務(wù)的運(yùn)營商自然會非常重視避免 IPTV 電視廣播受到此類噪聲的干擾。INP 錯(cuò)誤校正法結(jié)合采用 Reed-Solomon 編碼與卷積交錯(cuò) (convolutional interleaving) 技術(shù)，可在標(biāo)準(zhǔn)所指定值的范圍內(nèi)選擇成幀參數(shù)。交叉技術(shù)將數(shù)據(jù)包分開，間隔發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而降低長時(shí)間丟失信號的可能性。
成幀參數(shù)表明了為填補(bǔ)噪聲情況下丟失的數(shù)據(jù)包所發(fā)送的冗余信息量。成幀參數(shù)為 1，可避免 250 μs 的突波；成幀參數(shù)為 2，則可避免500 μs 的突波，以此類推。當(dāng)然，增加成幀參數(shù)的值也會提高 DSL 處理器的存儲器要求。ADSL2 中引入了 INP 技術(shù)。更高的值可針對脈沖噪聲提供更大防護(hù)，不過會降低服務(wù)速度。ADSL2+ 標(biāo)準(zhǔn)的 G.995.5 Amendment 3 支持大于 2 的成幀參數(shù)。INP 值大于 2 的擴(kuò)展成幀參數(shù)，對成功實(shí)現(xiàn) IPTV over DSL 服務(wù)非常重要。德州儀器 (TI) 的最新 DSL 固件可支持?jǐn)U展成幀參數(shù) (G.995.5 Amendment3)，這一技術(shù)已用于 Belgacom TV 的 IPTV 部署中。TI 目前為 INP 值大于 2 的可選成幀參數(shù)提供更多支持，并將于 2006 年第一季度支持 ADSL2+ 附錄 A 和 B。
在設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)先的集成式DSL 調(diào)制解調(diào)器/IPTV STB 方面，集成式開發(fā)板幫助 OEM 與 ODM 廠商開了個(gè)好頭。第三方產(chǎn)品可為視頻、圖形及算法開發(fā)、系統(tǒng)集成以及操作系統(tǒng)支持等提供流媒體解決方案，從而進(jìn)一步縮短產(chǎn)品從概念到投產(chǎn)盈利的時(shí)間。相關(guān)的 DSL 小區(qū)網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)還可添加 VoIP 與無線家庭網(wǎng)絡(luò)功能。制造商可用上述開發(fā)板快速設(shè)計(jì)出全面的高質(zhì)量運(yùn)營商產(chǎn)品，并在相關(guān)產(chǎn)品系列已在寬帶實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行廣泛檢測的基礎(chǔ)上，充分利用實(shí)際部署積累起來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為部署做好準(zhǔn)備。
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