關(guān)于IPTV機頂盒現(xiàn)狀與趨勢的研究

摘要：從機頂盒發(fā)展歷程可以看出不同時期機頂盒有著不同的功能與作用。在IPTV業(yè)務(wù)興起和成熟的過程中，對機頂盒也有新的需求。本文首先介紹了目前IPTV機頂盒技術(shù)解決方案并同時進行了分析和比較，然后介紹了IPTV機頂盒標準的進展情況和對未來IPTV機頂盒發(fā)展前景的看法。本文對IPTV機頂盒設(shè)備的研發(fā)有一定的參考作用。

　　1、機頂盒的發(fā)展歷程 

　　機頂盒（set top box，STB）起源于20世紀90年代初，當(dāng)時主要是歐美國家有線電視臺為解決有線電視收視費問題而設(shè)計的一個解擾設(shè)備。機頂盒作為數(shù)字電視（DTV）輔助設(shè)備是從20世紀90年代后期歐美國家試播數(shù)字電視和高清數(shù)字電視（HDTV）開始的。它的主要作用是使用戶能夠用原有的模擬電視機收看數(shù)字電視節(jié)目和高清數(shù)字電視節(jié)目，即提供數(shù)／模信號轉(zhuǎn)換功能，通常把這類機頂盒稱為數(shù)字電視機頂盒。數(shù)字電視機頂盒具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特征和條件接收功能。所謂網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特征是指在不同的電視廣播網(wǎng)中使用的機頂盒不同。根據(jù)ETSI定義的三種數(shù)字電視傳輸制式可有：用于接收有線電視的數(shù)字電視機頂盒DVB-C、接收數(shù)字衛(wèi)星電視的數(shù)字電視機頂盒DVB-S、接收地面廣播電視的數(shù)字電視機頂盒DVB-T三種類型。 

　　近年來，隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用越來越廣泛，人們萌發(fā)了利用互聯(lián)網(wǎng)收看電視的想法。特別是IPTV如火如荼的發(fā)展帶動了終端市場的活躍，電信設(shè)備制造商紛紛投入機頂盒的研發(fā)生產(chǎn)，原有數(shù)字電視機頂盒廠商也在試水雙向IP機頂盒。機頂盒由原來單一的解擾或數(shù)／模轉(zhuǎn)換專用機頂盒，發(fā)展到支持多種接入方式和IP，具有多種編解碼能力和圖形瀏覽器功能，可以支持包括數(shù)字電視在內(nèi)的視頻點播、時移電視、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、信息服務(wù)、遠程教學(xué)和醫(yī)療、互動游戲等業(yè)務(wù)功能的IPTV機頂盒。未來IPTV機頂盒將作為一種家用數(shù)字平臺被廣泛用于不斷擴大的交互式多媒體數(shù)字內(nèi)容服務(wù)領(lǐng)域。 

　　2、IPTV機頂盒的技術(shù)需求

　　IPTV業(yè)務(wù)是一個全新的業(yè)務(wù)模式，它給消費者帶來的是集信息、娛樂、學(xué)習(xí)、購物于一體的網(wǎng)絡(luò)享受。個人電腦、機頂盒+電視機或3G手機都可以作為IPTV業(yè)務(wù)的終端。從適合廣大用戶消費習(xí)慣和舒適度角度考慮，機頂盒+電視機應(yīng)是IPTV未來的主流終端。談到對IPTV機頂盒的技術(shù)需求，這里主要從兩個方面考慮，一是實現(xiàn)業(yè)務(wù)的需求，二是用戶體驗的需求。

　　IPTV可提供的業(yè)務(wù)有電視直播、視頻點播、時移電視、可視業(yè)務(wù)、信息業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、互動游戲，以及未來可擴充的業(yè)務(wù)。IPTV的主要業(yè)務(wù)特征體現(xiàn)在交互式多媒體檢索和播放形式上。交互需要網(wǎng)絡(luò)具有雙向能力，檢索需要雙向信息交互。播控也需要交互；播放需要足夠的接入帶寬和媒體傳輸協(xié)議；多媒體需要音視頻編解碼能力。因此，為實現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)應(yīng)用，要求IPTV機頂盒具有支持接收網(wǎng)絡(luò)直播電視節(jié)目，進行視頻點播、時移點播等基本業(yè)務(wù)功能，同時還要具有互聯(lián)網(wǎng)瀏覽和信息服務(wù)、電子節(jié)目指南（EPG）和節(jié)目檢索，以及互動游戲和軟件在線升級等擴展功能。作為IPTV業(yè)務(wù)終端的機頂盒設(shè)備要具有開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不斷升級和擴展的業(yè)務(wù)需求；充分考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議因素，要求其具有不少于兩種的上行網(wǎng)絡(luò)接口，支持多種接入認證協(xié)議和IP；要求具有音視頻媒體編解碼功能，以及業(yè)務(wù)應(yīng)用和管理功能等?？傊瑥臉I(yè)務(wù)角度需要IPTV機頂盒具有開放型業(yè)務(wù)能力，以滿足不斷發(fā)展的業(yè)務(wù)需求。

　　從用戶體驗的需求考慮，IPTV業(yè)務(wù)所帶來的改變是將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)PC終端觀看流媒體視頻的書房體驗轉(zhuǎn)移到客廳，將前傾坐姿變?yōu)楹笱鲎?，將鍵盤操作改為遙控器操作。這些改變要求IPTV機頂盒的設(shè)計要充分考慮習(xí)慣于操作電視機的廣大用戶群體，應(yīng)盡量保持操作簡單、性價比適中和耐用的特點。根據(jù)用戶不同消費需要。機頂盒應(yīng)設(shè)計成高、中、低不同檔次，滿足各種層次的消費群體。

　　IPTV機頂盒在設(shè)計過程中要滿足以上諸多需求，需要一系列關(guān)鍵技術(shù)的支持，主要包括音視頻編解碼技術(shù)、圖形和圖像顯示技術(shù)、媒體流傳輸／控制技術(shù)（協(xié)議）、中間件技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和各類接口技術(shù)。

　　3、IPTV機頂盒的技術(shù)方案

　　早期的機頂盒只能提供視頻服務(wù)，技術(shù)重點主要集中在視頻部分。而IPTV業(yè)務(wù)的最終目標是實現(xiàn)視頻、語音和數(shù)據(jù)的融合，通過IPTV機頂盒提供三網(wǎng)融合的業(yè)務(wù)。正因為IPTV機頂盒可以成為同時提供視頻、語音和數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)的紐帶，結(jié)合寬帶接入和無線網(wǎng)絡(luò)，就可以創(chuàng)建真正網(wǎng)絡(luò)化的家庭環(huán)境。

　　IPTV機頂盒的應(yīng)用過程一般為業(yè)務(wù)內(nèi)容通過寬帶網(wǎng)絡(luò)接入到機頂盒，利用機頂盒遙控器或遙控鍵盤向?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)索要視頻內(nèi)容，寬帶網(wǎng)絡(luò)將需要的視頻信號傳送到用戶端，經(jīng)過機頂盒解碼后在電視上輸出。實現(xiàn)視頻點播或網(wǎng)頁瀏覽等。

　　目前可支持IPTV業(yè)務(wù)的機頂盒產(chǎn)品大致有三個檔次，即基本型、增強型和超強型。所謂基本型是指機頂盒可支持IPTV基本業(yè)務(wù)，提供電子節(jié)目單、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電視節(jié)目的播放，可以進行基本播放控制。增強型機頂盒除具有基本型的功能外，還可提供互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、可視業(yè)務(wù)、文本信息和簡單游戲等功能。而超強型高端機頂盒相當(dāng)于一個家庭數(shù)字娛樂中心，不但可以提供IPTV的基本業(yè)務(wù)和擴展業(yè)務(wù)，還可以實現(xiàn)視頻互動游戲、個人視頻存儲等高附加值功能。

　　3.1　IPTV機頂盒的硬件結(jié)構(gòu)

　　機頂盒設(shè)備是由硬件和軟件兩部分組成，不同檔次的機頂盒所采用的系統(tǒng)平臺不同，軟件架構(gòu)不同，從而它們所實現(xiàn)的功能也不同。在硬件結(jié)構(gòu)上基本存在三種結(jié)構(gòu)的平臺，即基于專用芯片架構(gòu)、基于多媒體數(shù)字信號處理器（DSP）架構(gòu)和基于X86架構(gòu)的平臺。軟件結(jié)構(gòu)大多采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)，也有采用中間件結(jié)構(gòu)。

　　機頂盒的硬件結(jié)構(gòu)由核心控制單元、媒體處理單元以及各類接口組成，如圖1所示。核心控制單元一般采用嵌入式系統(tǒng)處理器芯片，可以運行實時操作系統(tǒng)。媒體處理單元一般根據(jù)機頂盒成本選用ASIC專用解碼芯片或數(shù)字信號處理器，也有采用軟件解碼實現(xiàn)的。IPTV機頂盒接口比其他電視機頂盒要豐富得多，網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入方式的不同可配置成高速以太網(wǎng)接口、ADSL接口或無線局域網(wǎng)接口，甚至EPON或電纜接口。媒體播放接口基本配置有復(fù)合音視頻端子和S端子，較高配置可有YpbPr、YCbCr和數(shù)字音頻輸出接口?？刂平涌谑侵赣脩舨僮骺刂茩C頂盒的接口，一般以紅外遙控器為主，也有采用紅外遙控鍵盤或WiFi技術(shù)的。除以上基本業(yè)務(wù)應(yīng)用所必需的接口外，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要配置USB接口、串行接口、Z接口、智能卡接口等其他擴展接口。

　　從圖1中可以看出，IPTV機頂盒的核心成分是CPU和編解碼器。機頂盒功能的強弱與選擇不同檔次的核心器件有直接關(guān)系。目前可見的機頂盒產(chǎn)品歸納起來主要基于以下三種結(jié)構(gòu)：



圖1  IPTV機頂盒的硬件結(jié)構(gòu)

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　?。?）基于專用芯片的結(jié)構(gòu)（SOC+ASIC）

　　專用視頻圖像處理芯片內(nèi)部除了處理器以外，還集成了一些智能模塊，如音視頻輸入輸出等，有些還集成了圖像壓縮、硬件加速模塊。從本質(zhì)上講，專用視頻壓縮芯片和通用視頻處理芯片都屬于SOC（system on chip），差異是前者帶有固定的壓縮模塊、固定的處理方式和固定的微碼，后者需要產(chǎn)品開發(fā)商開發(fā)視頻壓縮算法程序。

　　傳統(tǒng)的基于ASIC／SOC結(jié)構(gòu)的機頂盒，由于其全硬件芯片的實現(xiàn)方案使得運營商無法實現(xiàn)軟件的有效升級，另外其網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性也有較大問題。但由于基于這種結(jié)構(gòu)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)運營商向用戶免費提供機頂盒，選用專用芯片結(jié)構(gòu)的機頂盒，在保證基本業(yè)務(wù)的前提下，能夠使業(yè)務(wù)運營商節(jié)省運營開支，對業(yè)務(wù)推廣無疑會起到很好的作用。

（2）基于多媒體數(shù)字信號處理器的結(jié)構(gòu)

　　基于多媒體處理器技術(shù)的IPTV機頂盒，采用了高性能數(shù)字信號處理器和嵌入式系統(tǒng)芯片作為硬件平臺。DSP主要用于視頻和音頻的解碼處理，嵌入式實時操作系統(tǒng)芯片用來控制處理從各種接口來的數(shù)據(jù)以及運算需求。采用多媒體數(shù)字處理器結(jié)構(gòu)可以很方便地實現(xiàn)MPEG-2／4視頻和音頻處理、H.264視頻處理，同時還支持其他用于IPTV的編解碼標準?？己薎PTV機頂盒的首要指標就是其對媒體格式的支持能力。因為到目前為止，用于IPTV業(yè)務(wù)的媒體格式還沒有統(tǒng)一標準，各運營商也處于測試選型階段，因此基于多媒體數(shù)字信號處理器結(jié)構(gòu)的機頂盒可以靈活編寫不同編碼或直接做成雙解碼形式。

　　嵌入式系統(tǒng)是計算機、通信、半導(dǎo)體、微電子、語音／圖像／數(shù)據(jù)傳輸處理等技術(shù)與具體應(yīng)用對象相結(jié)合的產(chǎn)物。一般來說，嵌入式系統(tǒng)由嵌入式芯片、嵌入式軟件、嵌入式操作系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具等四部分組成。嵌入式芯片包括嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式數(shù)字信號處理器以及嵌入式片上系統(tǒng)，隨著RISC（精簡指令集計算機）技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式芯片的功能越來越強，體積越來越小。

　　嵌入式實時操作系統(tǒng)與桌面計算機操作系統(tǒng)不同，它不安裝在硬盤中，而是固化在存儲器中。嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能相對簡單，資源開銷較小，目前主要有三種：Windows CE、Linux、VxWork，其中應(yīng)用較多的是前兩種。Windows CE主要用于高端機頂盒上面，對機頂盒和PC等設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)帶來了方便。但費用不菲。對于中檔機頂盒產(chǎn)品，選用Linux操作系統(tǒng)更為合理。據(jù)市場調(diào)查公司 Strategy Analytics發(fā)布的一份報告。全球機頂盒市場上，Linux操作平臺已成為IPTV機頂盒的主要選擇。因為Linux平臺不但可支持許多高級功能，例如錄像與IP傳輸，并且非常經(jīng)濟，不需要許可費。

　?。?）基于X86的結(jié)構(gòu)

　　對比基于RISC架構(gòu)CPU的嵌入式系統(tǒng)，基于X86架構(gòu)CPU的嵌入式系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：首先它可以對不同格式的文件進行編解碼，如MPEG-2、MPEG-4、WMA等，使基于這種嵌入式平臺的多媒體音視頻設(shè)備可以處理各種各樣的片源。其次Windows CE操作系統(tǒng)有一整套集成的多媒體功能和極為豐富的應(yīng)用程序，使得開發(fā)IPTV機頂盒的周期更短，適用于開發(fā)高級的IPTV機頂盒。該操作系統(tǒng)固有的桌面兼容性，使機頂盒開發(fā)商可以輕松地使用為Windows XP準備的大量應(yīng)用程序來擴充IP機頂盒的功能。

　　基于X86架構(gòu)的機頂盒由于內(nèi)嵌Windows CE實時操作系統(tǒng)，從而具有較齊全的應(yīng)用軟件，維護成本低，可以輕松地與PC資源共享。由于這種機頂盒產(chǎn)品開發(fā)成本高，雖然功能強，可與PC媲美，但只能面對高端消費群體，起碼初期對于一般消費者不會有很大吸引力。

　　3.2　IPTV機頂盒的軟件結(jié)構(gòu)

　　IPTV機頂盒作為客戶端產(chǎn)品，除了具有良好的硬件平臺外還需要軟件系統(tǒng)的配合才能夠?qū)崿F(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)功能。機頂盒的軟件大多采用分層結(jié)構(gòu)，一般分成三層：應(yīng)用層、中間解釋層和資源層，每一層都包括諸多程序和編程接口，如圖2所示。



圖2  IPTV機頂盒的軟件結(jié)構(gòu)

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　　圖2劃分了機頂盒軟件的三層結(jié)構(gòu)，其中資源層軟件包括實時操作系統(tǒng)及機頂盒硬件的驅(qū)動程序，主要用于完成對硬件設(shè)備的操作。解釋層的主要功能是將機頂盒應(yīng)用程序翻譯成CPU能識別的指令，去調(diào)動硬件設(shè)備完成相應(yīng)的操作。應(yīng)用層可以分成內(nèi)置應(yīng)用程序和下載應(yīng)用程序兩部分，實現(xiàn)諸如TV播放、視頻點播、 EPG、DRM（數(shù)字版權(quán)管理）、游戲下載等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

　　不同的機頂盒生產(chǎn)廠家對IPTV機頂盒軟件的設(shè)計理念不盡相同。在實現(xiàn) IPTV業(yè)務(wù)的設(shè)計中有采用基于業(yè)務(wù)平臺和機頂盒之間定義的業(yè)務(wù)流程開發(fā)軟件的，也有利用位于底層系統(tǒng)資源和業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的通用服務(wù)軟件或中間件的。但總的趨勢還是采用業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件與底層硬件和操作系統(tǒng)軟件相隔離的方式，采用中間件的方式不失為一個很好的選擇。中間件將機頂盒中的應(yīng)用程序與底層系統(tǒng)部件相分離，使應(yīng)用程序的開發(fā)與硬件平臺無關(guān)。它可以提供一系列具有開放標準的應(yīng)用編程接口（API），適用于不同的操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境。利用中間件技術(shù)可以降低應(yīng)用程序的開發(fā)難度，提高研發(fā)效率。

　　4、IPTV機頂盒標準化進程和未來發(fā)展方向

　　IPTV作為一種新興的寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，越來越為業(yè)界廣泛重視。特別是像機頂盒這種類似家用數(shù)字平臺的產(chǎn)品，更為電信設(shè)備制造商、電視設(shè)備制造商以及電腦和家電產(chǎn)品制造商所爭相追捧。由于行業(yè)間對IPTV業(yè)務(wù)的理解不同，產(chǎn)品設(shè)計理念也不同，致使IPTV機頂盒產(chǎn)品功能、性能和應(yīng)用環(huán)境要求差異很大，五花八門不具有通用性。這種狀態(tài)極不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，長此下去可能會導(dǎo)致一個新業(yè)務(wù)的夭折。因此，中國通信標準化協(xié)會于2005年8月成立了IPTV業(yè)務(wù)特別工作組，重點研究IPTV業(yè)務(wù)系列標準，其中就包括IPTV機頂盒技術(shù)要求。在此標準中對IPTV機頂盒的業(yè)務(wù)能力、功能要求、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、管理功能要求、性能要求、安全和應(yīng)用環(huán)境等給出了具體技術(shù)要求。

　　IPTV機頂盒技術(shù)標準的研究過程中，充分參考了現(xiàn)有IPTV機頂盒的功能和軟硬件結(jié)構(gòu)，對目前爭議比較大的編解碼格式和是否采用中間件技術(shù)等，標準中沒有規(guī)定惟一方式，而是采取規(guī)定多選項，留給制造商更多的選擇。但無論選擇哪一種選項都要求所實現(xiàn)的功能和接口一致，以力求此標準對所有IPTV機頂盒的研發(fā)、制造、檢測和應(yīng)用都具有實際指導(dǎo)意義。

　　目前 IPTV機頂盒技術(shù)標準已進行到征求意見稿階段，在聽取相關(guān)行業(yè)內(nèi)各方專家的意見后將進一步完善和修改。與此同時。與IPTV業(yè)務(wù)和機頂盒相關(guān)的數(shù)字電視中間件技術(shù)標準和我國自行研制的音視頻編解碼標準也在制定和完善之中，預(yù)計很快會有一整套系統(tǒng)的IPTV行業(yè)標準出現(xiàn)。用于指導(dǎo)IPTV業(yè)務(wù)的順利開展。

　　隨著IPTV業(yè)務(wù)系統(tǒng)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，IPTV機頂盒產(chǎn)業(yè)也會不斷壯大。未來機頂盒的發(fā)展可能會出現(xiàn)分支，一方面可能會向消費電子類產(chǎn)品方向發(fā)展，將機頂盒功能集成在電視機中。這種電視機頂盒一體機所提供的功能可以涵蓋IPTV業(yè)務(wù)的一般性功能，包括直播電視節(jié)目、視頻點播、信息接收和下載以及簡單的游戲功能。另一方面，IPTV機頂盒可能向家用數(shù)字平臺方向發(fā)展，功能比較強大，具有豐富的外設(shè)接口，除可以支持IPTV基本業(yè)務(wù)以外，還可以支持可視電話業(yè)務(wù)、互動游戲業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)購物、互動教學(xué)等交互性、實時性很強的業(yè)務(wù)。另外，隨著下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和電信、電視、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合的大趨勢，IPTV機頂盒還會出現(xiàn)雙模機頂盒。隨著微電子技術(shù)的進一步發(fā)展，雙解碼芯片、大容量存儲芯片將不斷出現(xiàn)，將給機頂盒帶來更多功能，具有雙解碼能力和本地個人視頻存儲能力的機頂盒會越來越多?？傊?，隨著科學(xué)的進步和技術(shù)的發(fā)展，IPTV機頂盒產(chǎn)品會越來越成熟，功能越來越強大。在不遠的將來人們將可以通過機頂盒體驗到IPTV業(yè)務(wù)帶來的足不出戶便可縱覽世界、娛樂購物，相隔萬里也似親臨其境的超時空享受。

　　5、結(jié)束語

　　展望IPTV機頂盒的前景無限美好，但我們腳下的路還很崎嶇，擺在我們面前的困難也很多。首先是音視頻編解碼技術(shù)的選擇，目前用于IPTV業(yè)務(wù)的音視頻編解碼標準主要有MPEG-4和H.264協(xié)議，這兩個標準都存在十分苛刻的專利收費條件，在我國這樣人口眾多的國家，無論是對IPTV業(yè)務(wù)運營商還是機頂盒設(shè)備制造商都是一筆非?？捎^的投入。而我國自行研制的音視頻編解碼標準對于IPTV業(yè)務(wù)目前還沒有達到成熟商用階段。如何選擇編解碼標準是一個需要研究的問題。其次是協(xié)議封裝問題。IPTV的流傳輸應(yīng)該建立在通用的公開標準之上。所以利用IP傳輸MPEG-4和H.264的IPTV解決方案中大多采用 Stream DATA／TS／UDP／IP、Stream DATA／TS／RTP／UDP／IP、Stream DATA／RTP／UDP／IP三種封裝方式。其中前兩種方式攜帶信息豐富，包括EPG信息，但封裝包小，浪費帶寬。第三種方式比較適合IP網(wǎng)絡(luò)的特點，但攜帶信息不如前兩種。還有諸如中間件技術(shù)的選擇、信息安全與數(shù)字版權(quán)保護、圖形與圖像顯示等很多問題都需要在機頂盒開發(fā)過程中做認真細致的工作。結(jié)合 IPTV業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢，選擇符合并略有超前于業(yè)務(wù)的技術(shù)方案，采用開放式結(jié)構(gòu)，提供可平滑升級業(yè)務(wù)的能力，才能保證所研制的產(chǎn)品滿足IPTV機頂盒的需求。