关于PTV机顶盒技术解决方案与发展趋势的研究

1、机顶盒的发展历程

机顶盒（set top box，STB）起源于20世纪90年代初，当时主要是欧美国家有线电视台为解决有线电视收视费问题而设计的一个解扰设备。机顶盒作为数字电视（DTV）辅助设备是从20世纪90年代后期欧美国家试播数字电视和高清数字电视（HDTV）开始的。它的主要作用是使用户能够用原有的模拟电视机收看数字电视节目和高清数字电视节目，即提供数／模信号转换功能，通常把这类机顶盒称为数字电视机顶盒。数字电视机顶盒具有网络环境特征和条件接收功能。所谓网络环境特征是指在不同的电视广播网中使用的机顶盒不同。根据ETSI定义的三种数字电视传输制式可有：用于接收有线电视的数字电视机顶盒DVB-C、接收数字卫星电视的数字电视机顶盒DVB-S、接收地面广播电视的数字电视机顶盒DVB-T三种类型。

近年来，随着宽带网络的发展，互联网应用越来越广泛，人们萌发了利用互联网收看电视的想法。特别是IPTV如火如荼的发展带动了终端市场的活跃，电信设备制造商纷纷投入机顶盒的研发生产，原有数字电视机顶盒厂商也在试水双向IP机顶盒。机顶盒由原来单一的解扰或数／模转换专用机顶盒，发展到支持多种接入方式和IP，具有多种解编码能力和图形浏览器功能，可以支持包括数字电视在内的视频点播、时移电视、网络浏览、信息服务、远程教学和医疗、互动游戏等业务功能的IPTV机顶盒。未来IPTV机顶盒将作为一种家用数字平台被广泛用于不断扩大的交互式多媒体数字内容服务领域。

2、IPTV机顶盒的技术需求

IPTV业务是一个全新的业务模式，它给消费者带来的是集信息、娱乐、学习、购物于一体的网络享受。个人电脑、机顶盒+电视机或3G手机都可以作为IPTV业务的终端。从适合广大用户消费习惯和舒适度角度考虑，机顶盒+电视机应是IPTV未来的主流终端。谈到对IPTV机顶盒的技术需求，这里主要从两个方面考虑，一是实现业务的需求，二是用户体验的需求。

IPTV可提供的业务有电视直播、视频点播、时移电视、可视业务、信息业务、网络浏览、互动游戏，以及未来可扩充的业务。IPTV的主要业务特征体现在交互式多媒体检索和播放形式上。交互需要网络具有双向能力，检索需要双向信息交互。播控也需要交互；播放需要足够的接入带宽和媒体传输协议；多媒体需要音视频编解码能力。因此，为实现IPTV业务应用，要求IPTV机顶盒具有支持接收网络直播电视节目，进行视频点播、时移点播等基本业务功能，同时还要具有互联网浏览和信息服务、电子节目指南（EPG）和节目检索，以及互动游戏和软件在线升级等扩展功能。作为IPTV业务终端的机顶盒设备要具有开放式系统结构，以适应不断升级和扩展的业务需求；充分考虑网络环境和协议因素，要求其具有不少于两种的上行网络接口，支持多种接入认证协议和IP；要求具有音视频媒体编解码功能，以及业务应用和管理功能等。总之，从业务角度需要IPTV机顶盒具有开放型业务能力，以满足不断发展的业务需求。

从用户体验的需求考虑，IPTV业务所带来的改变是将传统互联网PC终端观看流媒体视频的书房体验转移到客厅，将前倾坐姿变为后仰坐姿，将键盘操作改为遥控器操作。这些改变要求IPTV机顶盒的设计要充分考虑习惯于操作电视机的广大用户群体，应尽量保持操作简单、性价比适中和耐用的特点。根据用户不同消费需要。机顶盒应设计成高、中、低不同档次，满足各种层次的消费群体。

IPTV机顶盒在设计过程中要满足以上诸多需求，需要一系列关键技术的支持，主要包括音视频编解码技术、图形和图像显示技术、媒体流传输／控制技术（协议）、中间件技术、嵌入式系统和各类接口技术。

3、IPTV机顶盒的技术方案

早期的机顶盒只能提供视频服务，技术重点主要集中在视频部分。而IPTV业务的最终目标是实现视频、语音和数据的融合，通过IPTV机顶盒提供三网融合的业务。正因为IPTV机顶盒可以成为同时提供视频、语音和数据融合业务的纽带，结合宽带接入和无线网络，就可以创建真正网络化的家庭环境。

IPTV机顶盒的应用过程一般为业务内容通过宽带网络接入到机顶盒，利用机顶盒遥控器或遥控键盘向宽带网络索要视频内容，宽带网络将需要的视频信号传送到用户端，经过机顶盒解码后在电视上输出。实现视频点播或网页浏览等。

目前可支持IPTV业务的机顶盒产品大致有三个档次，即基本型、增强型和超强型。所谓基本型是指机顶盒可支持IPTV基本业务，提供电子节目单、实现网络电视节目的播放，可以进行基本播放控制。增强型机顶盒除具有基本型的功能外，还可提供互联网浏览、可视业务、文本信息和简单游戏等功能。而超强型高端机顶盒相当于一个家庭数字娱乐中心，不但可以提供IPTV的基本业务和扩展业务，还可以实现视频互动游戏、个人视频存储等高附加值功能。

3.1　IPTV机顶盒的硬件结构

机顶盒设备是由硬件和软件两部分组成，不同档次的机顶盒所采用的系统平台不同，软件架构不同，从而它们所实现的功能也不同。在硬件结构上基本存在三种结构的平台，即基于专用芯片架构、基于多媒体数字信号处理器（DSP）架构和基于X86架构的平台。软件结构大多采用层次化、模块化结构，也有采用中间件结构。

机顶盒的硬件结构由核心控制单元、媒体处理单元以及各类接口组成，如图1所示。核心控制单元一般采用嵌入式系统处理器芯片，可以运行实时操作系统。媒体处理单元一般根据机顶盒成本选用ASIC专用解码芯片或数字信号处理器，也有采用软件解码实现的。IPTV机顶盒接口比其他电视机顶盒要丰富得多，网络侧接口根据网络接入方式的不同可配置成高速以太网接口、ADSL接口或无线局域网接口，甚至EPON或电缆接口。媒体播放接口基本配置有复合音视频端子和S端子，较高配置可有YpbPr、YCbCr和数字音频输出接口。控制接口是指用户操作控制机顶盒的接口，一般以红外遥控器为主，也有采用红外遥控键盘或WiFi技术的。除以上基本业务应用所必需的接口外，可根据业务需要配置USB接口、串行接口、Z接口、智能卡接口等其他扩展接口。

从图1中可以看出，IPTV机顶盒的核心成分是CPU和编解码器。机顶盒功能的强弱与选择不同档次的核心器件有直接关系。目前可见的机顶盒产品归纳起来主要基于以下三种结构：

图1 IPTV机顶盒的硬件结构

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（1）基于专用芯片的结构（SOC+ASIC）

专用视频图像处理芯片内部除了处理器以外，还集成了一些智能模块，如音视频输入输出等，有些还集成了图像压缩、硬件加速模块。从本质上讲，专用视频压缩芯片和通用视频处理芯片都属于SOC（system on chip），差异是前者带有固定的压缩模块、固定的处理方式和固定的微码，后者需要产品开发商开发视频压缩算法程序。

传统的基于ASIC／SOC结构的机顶盒，由于其全硬件芯片的实现方案使得运营商无法实现软件的有效升级，另外其网络适应性也有较大问题。但由于基于这种结构的机顶盒成本较低，在IPTV业务起步阶段，一般由业务运营商向用户免费提供机顶盒，选用专用芯片结构的机顶盒，在保证基本业务的前提下，能够使业务运营商节省运营开支，对业务推广无疑会起到很好的作用。

（2）基于多媒体数字信号处理器的结构

基于多媒体处理器技术的IPTV机顶盒，采用了高性能数字信号处理器和嵌入式系统芯片作为硬件平台。DSP主要用于视频和音频的解码处理，嵌入式实时操作系统芯片用来控制处理从各种接口来的数据以及运算需求。采用多媒体数字处理器结构可以很方便地实现MPEG-2／4视频和音频处理、H.264视频处理，同时还支持其他用于IPTV的编解码标准。考核IPTV机顶盒的首要指标就是其对媒体格式的支持能力。因为到目前为止，用于IPTV业务的媒体格式还没有统一标准，各运营商也处于测试选型阶段，因此基于多媒体数字信号处理器结构的机顶盒可以灵活编写不同编码或直接做成双解码形式。

嵌入式系统是计算机、通信、半导体、微电子、语音／图像／数据传输处理等技术与具体应用对象相结合的产物。一般来说，嵌入式系统由嵌入式芯片、嵌入式软件、嵌入式操作系统及嵌入式系统开发工具等四部分组成。嵌入式芯片包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器以及嵌入式片上系统，随着RISC（精简指令集计算机）技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式芯片的功能越来越强，体积越来越小。

嵌入式实时操作系统与桌面计算机操作系统不同，它不安装在硬盘中，而是固化在存储器中。嵌入式操作系统结构紧凑，功能相对简单，资源开销较小，目前主要有三种：Windows CE、Linux、VxWork，其中应用较多的是前两种。Windows CE主要用于高端机顶盒上面，对机顶盒和PC等设备的联网带来了方便。但费用不菲。对于中档机顶盒产品，选用Linux操作系统更为合理。据市场调查公司 Strategy Analytics发布的一份报告。全球机顶盒市场上，Linux操作平台已成为IPTV机顶盒的主要选择。因为Linux平台不但可支持许多高级功能，例如录像与IP传输，并且非常经济，不需要许可费。

（3）基于X86的结构

对比基于RISC架构CPU的嵌入式系统，基于X86架构CPU的嵌入式系统有如下优势：首先它可以对不同格式的文件进行编解码，如MPEG-2、MPEG-4、WMA等，使基于这种嵌入式平台的多媒体音视频设备可以处理各种各样的片源。其次Windows CE操作系统有一整套集成的多媒体功能和极为丰富的应用程序，使得开发IPTV机顶盒的周期更短，适用于开发高级的IPTV机顶盒。该操作系统固有的桌面兼容性，使机顶盒开发商可以轻松地使用为Windows XP准备的大量应用程序来扩充IP机顶盒的功能。

基于X86架构的机顶盒由于内嵌Windows CE实时操作系统，从而具有较齐全的应用软件，维护成本低，可以轻松地与PC资源共享。由于这种机顶盒产品开发成本高，虽然功能强，可与PC媲美，但只能面对高端消费群体，起码初期对于一般消费者不会有很大吸引力。

3.2　IPTV机顶盒的软件结构

IPTV机顶盒作为客户端产品，除了具有良好的硬件平台外还需要软件系统的配合才能够实现IPTV业务功能。机顶盒的软件大多采用分层结构，一般分成三层：应用层、中间解释层和资源层，每一层都包括诸多程序和编程接口，如图2所示。

图2 IPTV机顶盒的软件结构

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图2划分了机顶盒软件的三层结构，其中资源层软件包括实时操作系统及机顶盒硬件的驱动程序，主要用于完成对硬件设备的操作。解释层的主要功能是将机顶盒应用程序翻译成CPU能识别的指令，去调动硬件设备完成相应的操作。应用层可以分成内置应用程序和下载应用程序两部分，实现诸如TV播放、视频点播、 EPG、DRM（数字版权管理）、游戏下载等业务应用。

不同的机顶盒生产厂家对IPTV机顶盒软件的设计理念不尽相同。在实现 IPTV业务的设计中有采用基于业务平台和机顶盒之间定义的业务流程开发软件的，也有利用位于底层系统资源和业务应用之间的通用服务软件或中间件的。但总的趋势还是采用业务应用软件与底层硬件和操作系统软件相隔离的方式，采用中间件的方式不失为一个很好的选择。中间件将机顶盒中的应用程序与底层系统部件相分离，使应用程序的开发与硬件平台无关。它可以提供一系列具有开放标准的应用编程接口（API），适用于不同的操作系统和硬件环境。利用中间件技术可以降低应用程序的开发难度，提高研发效率。

4、IPTV机顶盒标准化进程和未来发展方向

IPTV作为一种新兴的宽带网络业务，越来越为业界广泛重视。特别是像机顶盒这种类似家用数字平台的产品，更为电信设备制造商、电视设备制造商以及电脑和家电产品制造商所争相追捧。由于行业间对IPTV业务的理解不同，产品设计理念也不同，致使IPTV机顶盒产品功能、性能和应用环境要求差异很大，五花八门不具有通用性。这种状态极不利于产业发展，长此下去可能会导致一个新业务的夭折。因此，中国通信标准化协会于2005年8月成立了IPTV业务特别工作组，重点研究IPTV业务系列标准，其中就包括IPTV机顶盒技术要求。在此标准中对IPTV机顶盒的业务能力、功能要求、硬件系统、软件系统、管理功能要求、性能要求、安全和应用环境等给出了具体技术要求。

IPTV机顶盒技术标准的研究过程中，充分参考了现有IPTV机顶盒的功能和软硬件结构，对目前争议比较大的编解码格式和是否采用中间件技术等，标准中没有规定惟一方式，而是采取规定多选项，留给制造商更多的选择。但无论选择哪一种选项都要求所实现的功能和接口一致，以力求此标准对所有IPTV机顶盒的研发、制造、检测和应用都具有实际指导意义。

目前 IPTV机顶盒技术标准已进行到征求意见稿阶段，在听取相关行业内各方专家的意见后将进一步完善和修改。与此同时。与IPTV业务和机顶盒相关的数字电视中间件技术标准和我国自行研制的音视频编解码标准也在制定和完善之中，预计很快会有一整套系统的IPTV行业标准出现。用于指导IPTV业务的顺利开展。

随着IPTV业务系统化、产业化发展，IPTV机顶盒产业也会不断壮大。未来机顶盒的发展可能会出现分支，一方面可能会向消费电子类产品方向发展，将机顶盒功能集成在电视机中。这种电视机顶盒一体机所提供的功能可以涵盖IPTV业务的一般性功能，包括直播电视节目、视频点播、信息接收和下载以及简单的游戏功能。另一方面，IPTV机顶盒可能向家用数字平台方向发展，功能比较强大，具有丰富的外设接口，除可以支持IPTV基本业务以外，还可以支持可视电话业务、互动游戏业务、互联网购物、互动教学等交互性、实时性很强的业务。另外，随着下一代网络的发展和电信、电视、互联网三网融合的大趋势，IPTV机顶盒还会出现双模机顶盒。随着微电子技术的进一步发展，双解码芯片、大容量存储芯片将不断出现，将给机顶盒带来更多功能，具有双解码能力和本地个人视频存储能力的机顶盒会越来越多。总之，随着科学的进步和技术的发展，IPTV机顶盒产品会越来越成熟，功能越来越强大。在不远的将来人们将可以通过机顶盒体验到IPTV业务带来的足不出户便可纵览世界、娱乐购物，相隔万里也似亲临其境的超时空享受。

5、结束语

展望IPTV机顶盒的前景无限美好，但我们脚下的路还很崎岖，摆在我们面前的困难也很多。首先是音视频编解码技术的选择，目前用于IPTV业务的音视频编解码标准主要有MPEG-4和H.264协议，这两个标准都存在十分苛刻的专利收费条件，在我国这样人口众多的国家，无论是对IPTV业务运营商还是机顶盒设备制造商都是一笔非常可观的投入。而我国自行研制的音视频编解码标准对于IPTV业务目前还没有达到成熟商用阶段。如何选择编解码标准是一个需要研究的问题。其次是协议封装问题。IPTV的流传输应该建立在通用的公开标准之上。所以利用IP传输MPEG-4和H.264的IPTV解决方案中大多采用 Stream DATA／TS／UDP／IP、Stream DATA／TS／RTP／UDP／IP、Stream DATA／RTP／UDP／IP三种封装方式。其中前两种方式携带信息丰富，包括EPG信息，但封装包小，浪费带宽。第三种方式比较适合IP网络的特点，但携带信息不如前两种。还有诸如中间件技术的选择、信息安全与数字版权保护、图形与图像显示等很多问题都需要在机顶盒开发过程中做认真细致的工作。结合 IPTV业务发展趋势，选择符合并略有超前于业务的技术方案，采用开放式结构，提供可平滑升级业务的能力，才能保证所研制的产品满足IPTV机顶盒的需求。