IP机顶盒(IP STB)的实现及核心器件的应用
作者：吴星华
摘要：本文通过数字电视机顶盒(STB)与IP STB对比导出IP STB系统架构与特征，并对实现IP STB系统的数字媒体处理器等核心器件的应用作出分析，从而说明IP
STB市埸前景。
关键词：机顶盒 视频点播 视频解码器 数字信号处理器
1、关于机顶盒(STB)与IP机顶盒(IP
STB)
高性能流式媒体技术将视频、话音和数据内容集成到许多新的多样应用中，从而彻底改变数字媒体内容的传输方式。而数字电视机顶盒(STB-Set-top box)和IP 机顶盒(IP STB)就是典型的代表。
STB是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，建有用户管理系统(SMS)和加密系统(CA)，通过它服务商可以对用户监控到户。而宽带连接的发展正在利用互联网协议涉足视频点播(VoD)和实时体育转播报务。为此，提供支持的技术除了宽带连接以外就是如今当红的产品-IP机顶盒(IP
STB)。当然IP STB属于数字STB中的高档产品，它属数字电视第三代机顶盒。
2、IP STB特征与系统架构
2.1互联网是IP
STB出现的转折
由于互联网的出现是STB市场的一大转折点，IP机顶盒是一种互联网和电视机之间的连接设备，提供VoD、网络广播(TV/Radio onIP)、数字权限管理(DRM)、电子节目指南(EPG)及各种交互式和多媒体服务功能。IP机顶盒支持用户占主动，如Web浏览、电子邮件及其附件浏览、PC连接、高级多媒体编解码、家庭网络、网关功能、即时信息(1M)和实时VoIP。
通过IP
STB处理的串流内容一般是由卫星或线缆网络传送到家中，但和线缆STB或卫星STB的不同之处，在于IP STB除了具有和前两者相同的功能，同时也使用现存低成本的IP网络架构，因此，IPSTB能支持更广泛的应用和交互式的服务。
举例来说，终端用户可以只要通过电视的接口就可以收看视频或收听音乐内容，也可以浏览网络、玩线上游戏和收发电子邮件，这些都是服务商的新收入来源，而这个接口就是IP
STB，即可用USB、IEEE1394、802.11等各总线网络通过其Host CPU(主控CPU)可与媒体处理器TMS320DM642相连(可从图1具有VoD功能的IP
STB组成框图中看出)。这些类型的高级功能将应用户要求而提供，它们扩展了网络运营商服务空间和收入来源。
2.2 IP
STB对于新兴编码解码器的支持更为成熟。
数字电视机顶盒(DSTB)最基本组成见图0(a)所示框图，即有高频头、解调器、音频解码器、视频解码器和主控CPU(Host CPU)五大部份组成。而新型实用的机顶盒应用单芯片设计方案组成见图0(b)
所示，其特点是融数字传输流解调器和MPEG2解码器于一体，它能适合有线、卫星或地面电视的应用需求。
该类数字机顶盒采用的是针对卫星和有线电视技术的Mpeg2视频编码解码器，这是因Mpeg2和Mpeg1主要是流式媒体技术，其中音频和视频内容是内在链接在一起的。在此，需要指出的是: 此数字机顶盒的视频解码器(可用IA021)内置RISC处理器和MPEG-2视频解码器，对数字信号主层主级(ISO1818-2)信号解码，且兼容MPEG-1系统层解码(1SO
IS11172)，可处理图像像素最高为720~480或30帧/s(NTSC制)和720x×576或25帧/s(PAL制)，即CCIR601标准；当然其音频解码器也遵循解复用标准ISO/IECl3818-3，并通过单片DVD用MPEG-2解码集成电路(可用L64021)，对杜比AC-3解码，通过多声道扩展还可输出5.1声道信号，或支持杜比ProLogic，处理成为2声道(R、L)立体声信号输出。
由此可知，虽数字机顶盒采用了Mpeg2视频编码解码器，但由于Mpeg2需要的带宽为2Mbit/s，对于卫星和有线电视这并没有什么问题。对于速率3-8 Mbit/s的高级ADSL服务，这也不是问题。问题是能够达到这一带宽水平的用户数量并不普遍，从而使得Mpeg2在宽带部署中被排除在外。恰恰由于这—点，而IP
STB领域对于新兴编码解码器的支持更为成熟。这是其Mpeg2编码解码器相对比较成熟并且通常用硬件实现，因为比较高效，但同时灵活性则不很高。另一方面，新兴的IP
STB编码解码器主要针对可编程解决方案，即媒体处理器而开发的。
2.3 IP
STB特征与系统架构
最初机顶盒只仅提供视频服务，即主要兴趣还是集中在视频部分，然而视频、语音(VoIP)和数据(因特网访问)的最终实现融合，成为所谓的三网合—服务(triple play service)，并通过同一设备单元提供，成为IP
STB。
真因为IP
STB可以成为同时提供视频、语音和数据三种服务的管道。再结合无线网络，就可以创建真正网络化的家庭环境。
IP机顶盒应用的一般架构为，宽带网络接入到机顶盒，通过PC或STB遥控器(配置键盘和鼠标)向宽带网络索要视频内容，宽带网络将需要的视频信号按照TCP/IP协议经过机顶盒解码后在电视上输出，实现了视频点播或网页浏览等。
那末与图0(a)(b)所示的有线数字机顶盒相比，IPSTB的系统架构应包含三个独立的子系统：TV单元、条件存取，即加密系统(CA)单元和PC单元。TV子系统由调频器(tuner)和影像译码器组成，它们用来处理数字串流信息；CA子系统让服务商具有控制能力，可以对用户监控到户，能够知道收视户在何时收看什节目；PC子系统多半是模块式的设计，也就是说STB的设计者可以依其需求而增加或减少这个系统中的组件，由于IPSTB的目标是要提供互联网的服务功能，它的PC系统方面就得提供TCP/IP的堆栈协议，并具有更佳的储存方案。
特别需要指出的是，IP STB中有两个最主要的支持器件，那就是网络处理器和媒体处理器(高性能数字信号处理器-TMS320DM641)，这当然还需要网络物理连接(如第三代集成IEEEl394a链路层/物理层解决方案)，通常是利用IEEEl394a或Ethernet(以太网)连接到一台路由器，然后再连接到宽带(×DSL)。
值此将当今通用型具有VoD(视频点播)功能的IPSTB(机顶盒)组成框图列出(见图1所示)，与图0有线数字机顶盒比较从中看出有很大的不同。它采用了高性能数字信号处理器-TMS320DM642作为媒体处理器，主要用于视频及音频上的译码处理，目前多采用可编程的DSP，以满足定制化的弹性需求；而Host
CPU(主控CPU) 用来处理从各种接口来的控制及运算需求，这些接口包括USB、IEEE1394、802.11等各总线网络、硬盘总线接口、以太网及GPIO等有线接口，以及无线接口等；USB、IEEE1394、802.11等各总线网络通过其Host
CPU(主控CPU)可与媒体处理器相连，即这个接口就是IPSTB。从而实现通过电视系统可以提供的互动数字内容服务，包括电视点播(VoD)、数字视频记录(DVR)、电子节目指南(EPG)、电视商务(t-commerce)、讯息服务、音乐、游戏、IP电话、网络网关器和网页浏览等等，据此将对实视IPSTB的主要部件作一介绍。
3、实视IP
STB系统核心器件的应用
3.1将高性能数字信号处理器DSP-TMS320DM641或TMS320DM642作为数字媒体处理器
其TMS320DM64x数字媒体处理器提供了高性能，并具有可编程性，从而可为您的代码投资提供保护。图2为TMS320DM642
DSP芯片方框图，芯片上视频端口提供了至视频设备的简易连接，并能够处理面向基于IP的视频基础设施应用的视频和音频编码/解码。
之所以采用高性能数字信号处理器TMS320DM642作为数字媒体处理器，是由于它具有：高达5760MIPS的处理性能(720MHz条件下)、能面向常用视频和音频格式的多输入/输出独立接口、高性能实时视频编码、解码/CODEC(编码/解码器)之间的代码转换、有三个双通道视频端口可支持同时视频输入/输出和采用10／100以太网MAC和66MHzPCI的高级连接以及更成熟与效能的即用型应用译软件、译码技术(比如，MPEG-4、MPEG-2，MPEG-1、WMV9、H.26L、H.263、H.261、
M-JPEG、jPEG2000、JPEG、H.264，等等)，等特点。
正因为这样，它应用除在IPSTB之外，还可以在基于IP的会议电视和基于IP的可视电话和基于网络摄像机的监控和P视频节点等领域。
3.2第三代集成IEEEl394a链路层/物理层解决方案
IP STB中除了有网络处理器和媒体处理器主要的支持器件外，还需要有网络物理连接，而采用TSB43DA42第三代集成化1394链路层／物理层解决方案(见图3所示)不失为是一种理想选择，因它是具有优化功能组合和增强型性能链路层：它集成了两端口、400Mbps
l394aPHY；能利用三个5C密码实现的DTCP内容保护以及利用硬件帮助来执行的全AKE；能支持IEC61883标准，包括MPEG-2、DirecTV(DSS)、DV和音频(A&M)；支持PCI、SRAM型或68K型外部CPU接口；利用DMA硬件增强实现了较高的异步吞吐量，以便支持更快的OSD(屏幕显示)和高速HDD(硬盘机)。应该说，它的应用除了数字电视机顶盒外是属于实现消费类电子设备的下一代数字连接。
3.3有失效功能的三通道、宽带、固定增益视频缓冲器放大器
OPA3692(图4所示)是提供一种易用、宽带、固定增益、三通道缓冲器力大器。它的封装引出脚配置支持信号直通式PCB布局。该三通道运算放大器还可用来驱动三通道视频ADC，以便对分量视频进行数字化处理。
之所以用它，是由于它具有：内部固定增益为+2或±1、又可在驱动双终接负载时简化PCB布局、是低电源电流5.1 mA/通道与高输出电流190mA以及灵活的电源电压范围+5V至+12V单电源-±2.5V至±6V双电源等优点。为此它不仅可在机顶盒上应用而且亦能在高清晰电视(HDTV)和数字摄像机上使用。
3.4PanelBusTM数字发送器TFP510(见图5所示)
由于TFP510能提供通用型接口，从而实现了与大多数常用图形控制器的独立连接。该通用型接口的诸多优点当中包括可选总线宽度、可调信号电平以及差分和单端定时，其DVI(数字视频互动)接口能支持24位真彩像素格式、分辨率高达UXGN/l65MHz的平板显示器。
之所以用它是由于TFP510最大特点是符合数字视频接口(DVI)标准，能支持的分辨率范围为VGA至UXGA(25 MHz至165 MHz像素频率)，其通用图形控制器接口包含有12位、双边缘和24位、单边缘输入模式、可调1.1
V至1.8V和标准3.3V CMOS输入信号电平、全差分和单端输入定时模式、与标准的Intel 12位数字视频端口兼容(如，同在Intel的81×芯片组上一样)，可采用
串行接口进行编程，利用热插拔进行的监视器检测和接收器检测等等。其封装型式为64引脚TQFPPowerPAD.真因为如此，
TFP510是实现IPSTB所需的一种选择。
TFP510除了应用在机顶盒外还可在DVD录像机/播放机上应用。
4、前景
由于国内市埸上销售的“数字电视机”，一般只在普通电视机加入了数字动态图像处理、数字解码与数字滤波等功能，从而在一定程度上改善节目图像的质量，但这些电视机的大部份只有数字电视机的转换显示部份，而没有数字电视机的接收处理部份，故不能直接收看数字电视节目，不是真正意义上的数字电视机。所以在今后一段时间内只要在有线电视的普通电视机上加装一个数字电视机顶盒就可以收看数字电视节目了，故目前一段时间内，数字电视机顶盒将是国内大多数常庭的首选。
然而由于IPSTB将会整合更多的功能，例如调制解调器、硬盘、MP3和DVD播放机，甚至是家庭网络的功能，若要播放高画质视频内容，己经那就需要比标准视频高出4-6倍的频宽和更高效能的应用软件、译码技术，如以H.264取代今日的MPEG-2(例上述的TMS320DM641或TMS320DM642数字媒体处理器)等技术设备与器件己经面世，因而IPSTB取代有线STB已为期不远了，其前景看好。
