IP STB高阶系统挑战

2005年4月A版
欧敏铨
    数字电视在全球的推动已是行之有年，然而随着网络技术的不断推动，通过电视这个媒介可以做的事和过去比已经有很大的不同。在电视与网络、计算机的融合下，电视系统的骨干与服务商都在持续地蜕变中。
    在基础架构上，电视系统一步步的走向数字化，也就是将电视传输架构从模拟环境转向数字化的环境，在这方面，卫星广播系统已是全面数字化了，线缆系统也已完成大部分改朝换代的工作；在数字化的条件下，电视服务业者也逐步扩充服务的内容，目前已可看到许多付费性的新服务，如音乐CD、MTV或游戏的下载，甚至也有网络浏览、收发电子邮件的功能。

IP STB市场需求强劲
    在这个数字化的架构中，有一个关键性的设备，那就是置放在终端使用者处的机顶盒（Set-top box, STB）。从最早的模拟STB（选台器）到今日的数字机顶盒（DSTB），STB的发展历史已有二十多年。模拟STB至今仍然存在，它具有对电视信号进行接收、调变和译码（de-scrambling）的功能，这类设备的过去二十年来的改变幅度很小。
    网际网络的出现是STB市场的一大转折点，先出现的是让收视户可以通过客厅中的电视来接取网际网络的拨接STB（Dial-up set-top box, 又称TV上网机），如今当红的产品则是IP STB。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，IP STB能支持更广泛的应用和交互式的服务。
    IP STB为网络服务供货商提供了新的服务商机，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。

    以数字STB来说，可以分为入门级数位STB（Entry-level digital set-top boxes）、中阶数字STB（Mid-range digital set-top box）和高阶数字STB三个等级。IP STB属于数字STB中的高阶产品市场，这个市场的成长趋势相当被看好，Strategy Analytics机构就预测到2008年，全球市场高阶STB装置量将达4,000万台，而其中最大的市场将在美国。
    越来越多的电信和IPTV供货商通过IP和DSL提供视频，他们的用户将需要这些IP-STB和住宅网络网关，以对信号进行译码。IP-STB的数量现在不如常规数字STB多，但这显然是STB中一个呈现高成长的领域。In-Stat认为包括家用和商用的IP STB在全球的产量会不断成长，预估在未来三年的平均年成长率将近200%，到了2007年可望有8百万台的年度生产量。

不断翻新的IP STB互动服务
    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（Digital Video Recorder , DVR）、电子节目指南（Electronic Program Guide, EPG）、电视商务（television commerce, 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，而且还不断有新的服务在推陈出新。
    由于提供这些功能的难易程度不同，同样是IP STB还可以再分为简单型和进阶式两大类。简单型是强调成本效益的入门级设备，主要是能提供基本的广播电视服务、VoD、EPG和网络浏览等功能；进阶型则定位为全功能的媒体中心，这类产品往往在STB中置入硬盘（HDD），让STB有足够的储存容量录制节目，进而能提供DVD播放和录像、PVR和个人多媒体储存功能，不仅如此，这类设备还可能具有家庭网络的连接端口，让STB进一步成为家用网关器（Residential Gateway）。 （请参考图1）

IP STB的系统架构
    IP STB通过IP的连结即可传送交互式、个人化的视频内容到今日的电视上头，为了提供安全、高品质的内容，一个IP STB必需要建置一个弹性的平台，才能支持符合产业标准的资料传送和网络协议。
    以IP STB的系统架构来说，包含三个独立的子系统：TV单元、条件存取（conditional access, CA）单元和PC单元。TV子系统由调变器（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，能够知道收视户在何时收看什么节目；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IP STB的目标是要提供网际网络的服务功能，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。
    在IP STB处理器架构的设计上，通常采用DSP和另一块通用处理器（General Purpose Processor , GPP）的双核架构，其中DSP主要用于视频及音讯上的译码处理，目前多采用可程序化的DSP，以满足定制化上的弹性需求；GPP则用来处理从各种接口来的控制及运算需求，这些接口包括硬盘总线接口、以太网及GPIO等有线接口，以及无线接口等，请参考图2。

图2　IP STB的处理器核心架构（参料来源：TI网站）
    以Broadcom的BCM7318系统单芯片为例，它具有MPEG-2影音译码功能、32位MIPS微处理器（266MHz）、10/100Mbps以太网络控制器和USB 2.0主控制器。在这个架构下，这块译码芯片可以处理从以太网、外接硬盘，以及从线缆、电话线、卫星或数字地面网络接口模块等特定外接接口来的串流内容。

IP STB的系统规划
    对于STB来说，如何以现有的频宽提供高品质的影音内容是一个重点，而这个解决方案已浮出水面，也就是从现有的MPEG-2格式转向新的高阶影像压缩技术，也就是H.264或微软的VC-1格式。
    以今日的MPEG-2格式来说，要服务商提供多频道的视频节目是不可能的任务。在今日的环境下，每个收视户能使用的频宽通常都小于2Mbps，这还不足以顺畅地传送MPEG-2高容量多媒体信息。不过，若采用ISO编码标准H.264压缩技术（又称为MPEG-4 part10/AVC），那就可以在1Mbps的频宽下传送极佳的数字串流影像，这对于标准型电视（SDTV）节目的播放是不成问题的。如此一来，电信服务商就能以现有的网络架构来为用户提供数字广播服务了。
    市场调查公司ABI Research最近发表的一份研究报告即指出，目前约有30%的IP-STB支持H.264和VC-1。由于厂商已陆续推出H.264的高阶视频译码器硬件芯片方案，这将能提高IP STB在建置上的成本效益，ABI指出，这种高阶视频译码器将成为IP-STB的标准配备，预计到2008年时，它将进入几乎所有的机顶盒中。在此情况下，也将带动系统业者对IP STB的采用意愿。
    采用高阶视频译码器的IP STB，提供支持高品质H.264/ MPEG-4 AVC影像译码能力，它能提供高画质（high definition, HD）和标准画质（standard definition, SD）的视频服务；此外，在声音的译码上，这个译码器也得支持最新的多种音讯标准，包括MPEG-4 高效率AAC (AAC+)、MPEG-4 AAC (ACC-LC)、Dolby Digital Plus (Enhanced AC3)、Dolby Digital (AC3)、MPEG-1 Layer I, II, III (MP3)，和PCM (pulse code modulation)等，才能满足今日多元的音讯处理环境。
    除了视频服务外，高阶IP STB也要求支持更多的功能，例如采用包含硬件绘图加速器的2D图形引擎，它可以支持高阶的绘图功能，也可以提升软件式的电子节目指南与IPTV的互动服务，进而具有产品的差异性。此外，加入硬盘的IP STB，再配合软件上的设计，就能提供包括个人观看（viewing）和排程（scheduling）、视频和资料推播、随选视频等新的服务。

结语
    服务商和市场用户对功能的需求，正不断推动IP STB的向前发展。以服务商的角度来说，他们希望在最小的投资费用下，以及更弹性及便利的系统开发环境中，引进确实能创造收入的新服务。在这些服务中，以多媒体和娱乐导向的新应用最受到重视，而为了保证有版权的内容能受到保护，不致于被非法散布，IP STB的开发上也不能忽视在数字版权管理（DRM）上的议题。
    此外，如何提供容易升级的IP STB设备，也成了开发者的共同需求。未来IP STB的开发得满足定制化的需求，同时遵循可靠和成熟的产业规范，以加速设计时程及降低开发成本。一些国际组织的出面协调制定共通规范，对于STB的广泛应用有很大的帮助。目前有两个代表性的标准推动组织，一是欧洲的ECCA（European Cable Communications Association）和美国为主的CableLabs，分别已推出多项STB的参考设计规范。
    IP STB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，那就需要比标准视频高出4~6倍的频宽，还得采用更高效能的译码技术，如以H.264或VC-1取代今日的MPEG-2。
    然而，除了终端用户的IP STB外，还需要有系统端的完整传输环境及相关设备技术，例如VOD后台的整合技术、EPG的伺服/终端间中介软件支持，和DVR引擎技术，才能提供端对端（end-to-end）的IP应用服务（请参考图3）。不过，IP STB在新功能和新服务上的技术改变，仍是推动产业持续进步的一大动力。

图3　STB在整体网络环境中之定位（资料来源：ITU-T/ ECCA）