數(shù)字機(jī)頂盒的結(jié)構(gòu)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

   本文首先描述了數(shù)字機(jī)頂盒的硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)字機(jī)頂盒的應(yīng)用和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)單介紹。

    引言

    在數(shù)字電視的產(chǎn)業(yè)鏈中，數(shù)字電視機(jī)頂盒（STB）是一個(gè)既簡(jiǎn)單又復(fù)雜的消費(fèi)類終端產(chǎn)品。說(shuō)其簡(jiǎn)單是因?yàn)樯�產(chǎn)出一個(gè)機(jī)頂盒是十分簡(jiǎn)單的，行業(yè)準(zhǔn)入的成本也不是十分高昂；說(shuō)其復(fù)雜是因?yàn)橐獙�機(jī)頂盒做得穩(wěn)定可靠且功能強(qiáng)大，的確是一件十分復(fù)雜繁瑣的工作，特別是在軟件系統(tǒng)方面，由于STB性能的局限性和使用的實(shí)時(shí)性，它無(wú)法像PC那樣可以支撐龐大的運(yùn)行環(huán)境與程序，也缺乏完善的開(kāi)發(fā)工具，這對(duì)軟件開(kāi)發(fā)者而言是一件很具有挑戰(zhàn)性的工作。

    機(jī)頂盒的硬件結(jié)構(gòu)

    從數(shù)字電視機(jī)頂盒的構(gòu)成上看，主要包括硬件和軟件兩大部分。

    從結(jié)構(gòu)上看，機(jī)頂盒一般由主芯片、內(nèi)存、調(diào)諧解調(diào)器、回傳通道、CA（ConditionalAccess）接口、外部存儲(chǔ)控制器以及視音頻輸出等幾大部分構(gòu)成。

    調(diào)諧解調(diào)器

    調(diào)諧解調(diào)器部分的作用是將傳輸過(guò)來(lái)的調(diào)制數(shù)字信號(hào)解調(diào)還原成傳輸流，調(diào)諧解調(diào)器的不同就構(gòu)成了不同的數(shù)字機(jī)頂盒，例如用于QPSK解調(diào)的衛(wèi)星機(jī)頂盒（DVB-S），用于QAM解調(diào)的有線數(shù)字機(jī)頂盒（DVB-C）以及用于OFDM解調(diào)的地面?zhèn)鬏敂?shù)字機(jī)頂盒（DVB-T）。目前市場(chǎng)上比較流行的調(diào)諧解調(diào)器的生產(chǎn)廠商有Thomson、Sharp等，國(guó)內(nèi)雖然也有一些廠商生產(chǎn)調(diào)諧解調(diào)器，但市場(chǎng)份額很小。

    主芯片

    隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的廠家將機(jī)頂盒的功能更多地集成在一個(gè)主芯片里，例如現(xiàn)在大部分廠商都將CPU、解碼器、解復(fù)用器、圖形處理器與視音頻處理器集成在芯片中，甚至一些以Philips為代表的芯片廠商將調(diào)諧解調(diào)器也集成在芯片中，形成一體化的芯片解決方案，有效地降低了器件成本并提高了可靠性。

    在主芯片中，首先根據(jù)傳輸流所傳遞的標(biāo)志信息對(duì)接收到的傳輸流進(jìn)行解復(fù)用，然后根據(jù)CA智能卡所傳遞的解擾信息對(duì)節(jié)目流進(jìn)行解擾，解擾后的TS流送到視音頻解碼器中分別對(duì)其進(jìn)行解碼，還原成AV信號(hào)進(jìn)行輸出，同時(shí)，也分離出復(fù)用在TS流中的各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)表，送給機(jī)頂盒處理器分別輸出。

    另外，由于在主芯片中集成了CPU和圖形管理器，使機(jī)頂盒可以完成更多的功能，它可以運(yùn)行各種軟件完成諸多任務(wù)，例如股票接收、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等，也可以通過(guò)圖形管理器實(shí)現(xiàn)2D甚至3D的圖形處理，為用戶提供更美觀的界面，實(shí)現(xiàn)交互式游戲等各種高畫(huà)質(zhì)應(yīng)用。

    由于CPU是主芯片的核心，因此通常情況下CPU的性能就決定了主芯片的性能。CPU的性能一般是由主頻決定的，主頻越高則CPU的性能也越高。目前最快的CPU主頻已經(jīng)超過(guò)了400MIPS，即使是目前市場(chǎng)上流行、最基本的機(jī)頂盒中CPU的主頻也超過(guò)了50MIPS。CPU速度同運(yùn)行其上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)有著必然的聯(lián)系，如果需要在一個(gè)STB中運(yùn)行一個(gè)HTML瀏覽器，100MIPS可能就是對(duì)CPU的最低要求，當(dāng)然這還需要內(nèi)存的配合。

    內(nèi)存

    在某些方面，機(jī)頂盒同PC機(jī)有很多相似之處，甚至可以說(shuō)是一臺(tái)簡(jiǎn)化了的PC機(jī)，兩者最相似之處就是內(nèi)存。對(duì)機(jī)頂盒而言，內(nèi)存主要分為Flash內(nèi)存和SDRAM內(nèi)存。Flash用來(lái)存貯機(jī)頂盒的系統(tǒng)軟件、驅(qū)動(dòng)軟件、應(yīng)用程序以及一些用戶信息，在系統(tǒng)斷電時(shí)內(nèi)容還可保留，同時(shí)Flash可以通過(guò)在線的方式對(duì)其上所載的軟件進(jìn)行更新，達(dá)到機(jī)頂盒軟件升級(jí)的目的。SDRAM主要是用來(lái)存儲(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)。機(jī)頂盒的許多功能都需要內(nèi)存來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如圖形處理、視音頻解碼和解復(fù)用等，不同的應(yīng)用需求，內(nèi)存的大小配置也各不相同。容量大的Flash和SDRAM的配置雖然可以為將來(lái)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)預(yù)留足夠的內(nèi)存空間，但內(nèi)存并不是決定軟件能否運(yùn)行的因素，它需要配合CPU來(lái)工作，不切合實(shí)際的高配置只會(huì)造成資源浪費(fèi)，而無(wú)助于STB性能的提高。

    外部存儲(chǔ)設(shè)備

    外部存儲(chǔ)設(shè)備一般指外掛式硬盤，大容量的硬盤可以用于存儲(chǔ)節(jié)目流以滿足用戶的個(gè)性化需求。一個(gè)STB中能否外掛硬盤一般都是由主芯片所決定的，只有CPU的處理能力達(dá)到一定程度時(shí)才有可能支持硬盤的讀寫，而硬盤的讀寫也需要更多的內(nèi)存空間。

    智能卡接口

    通過(guò)讀卡器讀取CA智能卡中的數(shù)據(jù)用于數(shù)字電視節(jié)目的解擾，特別是在付費(fèi)電視發(fā)展的今天，這是大多數(shù)STB必不可少的部件。除了標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器外，在有些STB中也采用通用接口CI（CommonInterface）來(lái)完成對(duì)CA智能卡的讀取。CI是一個(gè)由DVB組織為機(jī)頂盒和分離的硬件模塊之間定義的標(biāo)準(zhǔn)接口。這種起源于PCMCIA的技術(shù)應(yīng)用，使機(jī)頂盒可以批量生產(chǎn)，也為機(jī)頂盒帶來(lái)了變化，有著廣泛的應(yīng)用前景。

    回傳通信接口

    隨著機(jī)頂盒應(yīng)用的擴(kuò)展，使用戶對(duì)機(jī)頂盒的需求已經(jīng)不單單停留在簡(jiǎn)單地收看視音頻節(jié)目上了，交互式的需求使機(jī)頂盒中內(nèi)嵌了回傳設(shè)備，這些設(shè)備可以包括網(wǎng)絡(luò)適配器、調(diào)制解調(diào)器等通信接口，用于滿足用戶將信息回傳到前端。

    其他設(shè)備接口

    新技術(shù)的發(fā)展使機(jī)頂盒的物理接口也不斷地增加，如RS232接口、紅外遙控器接口、無(wú)線鍵盤接口、Wi-Fi接口等等，使STB可以同攝像機(jī)、DVD、PDA等眾多設(shè)備進(jìn)行連接。

    機(jī)頂盒的軟件系統(tǒng)

    機(jī)頂盒作為一個(gè)客戶端系統(tǒng)，除了要具有良好的硬件平臺(tái)外還需要配備不同的軟件系統(tǒng)才能使其完成各種任務(wù)。機(jī)頂盒中的軟件可以分成三個(gè)主要的層：應(yīng)用層、中間解釋層和驅(qū)動(dòng)層，每一層都包含了諸多的程序或接口等，如圖2所示。

    驅(qū)動(dòng)層

    驅(qū)動(dòng)層包括機(jī)頂盒硬件的驅(qū)動(dòng)程序和API接口，它主要用于完成對(duì)硬件設(shè)備的操作。

    中間解釋層

    中間解釋層將STB的應(yīng)用程序指令翻譯成CPU能識(shí)別的指令，從而通過(guò)驅(qū)動(dòng)層去調(diào)動(dòng)硬件設(shè)備完成相應(yīng)的操作。該層包括嵌入式操作系統(tǒng)、中間件、CA駐留軟件等。雖然中間件的使用可以給STB軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)極大好處，但高昂的使用費(fèi)用，對(duì)硬件需求的增加以及技術(shù)上的不成熟使中間件在國(guó)內(nèi)鮮有應(yīng)用。目前許多軟件設(shè)計(jì)者采用直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)層的軟件來(lái)編寫應(yīng)用程序，這雖然可以滿足一時(shí)的需求，但隨著應(yīng)用需求的增加，在STB中使用中間件才是一個(gè)很好的解決方案。

    應(yīng)用層

    應(yīng)用層可以分成駐留應(yīng)用程序和可下載應(yīng)用程序兩部分，不同的STB軟件設(shè)計(jì)理念使這兩個(gè)部分包含的應(yīng)用程序也不盡相同，合理規(guī)劃這兩部分的組成將有助于提高STB的可靠性和相應(yīng)時(shí)間。目前國(guó)內(nèi)機(jī)頂盒中的應(yīng)用較少，主要以EPG、數(shù)據(jù)廣播、股票、簡(jiǎn)單的下載游戲等為主，而數(shù)字電視的魅力并不在于看電視，而在于這種基于數(shù)字電視平臺(tái)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，這些應(yīng)用將會(huì)改善人們的一些日常生活習(xí)俗。隨著雙向網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，交互式應(yīng)用的普及，基于交互式的應(yīng)用軟件也將越來(lái)越多，這也會(huì)給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)難以預(yù)料的增值收入。

    STB的分類與應(yīng)用

    不同的運(yùn)營(yíng)商和不同的機(jī)頂盒廠商按照不同的應(yīng)用習(xí)慣將STB分成基本型、增強(qiáng)型、交互型等幾種，運(yùn)營(yíng)商對(duì)數(shù)字電視理解和應(yīng)用水平的不同對(duì)STB的劃分也有所不同。大多數(shù)的運(yùn)營(yíng)商將基本型定義成僅支持視音頻服務(wù)和接收EPG信息，不支持?jǐn)?shù)據(jù)瀏覽和其他應(yīng)用，而將這些應(yīng)用放在所謂的增強(qiáng)型中；把具有雙向功能的STB定義為交互型。實(shí)際上從功能上很難區(qū)分什么是基本型什么是交互型，不同的商業(yè)目的就會(huì)有不同的劃分，所謂的基本型和增強(qiáng)型往往都是使用同一個(gè)硬件平臺(tái)，不同的只是軟件而已，雖然也有廠商宣稱他們的STB是交互型的或者可以開(kāi)展交互式服務(wù)，但由于網(wǎng)絡(luò)上的原因，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一種成熟的交互式應(yīng)用，目前所謂的交互式應(yīng)用基本上都還停留在本地交互的基礎(chǔ)上。

    選用的芯片不同，構(gòu)成的硬件平臺(tái)就不同，配備的其他設(shè)備和接口也不同，這就組成了多種多樣的STB。例如，在STB中加上調(diào)制解調(diào)器或網(wǎng)卡，就構(gòu)成了一個(gè)具有雙向功能的機(jī)頂盒；加上硬盤就構(gòu)成了個(gè)人視頻錄制器(PVR：PersonalVideoRecorder)，當(dāng)然這些都需要軟件的配合。在同一個(gè)硬件平臺(tái)上通過(guò)駐留不同的軟件也可以構(gòu)成不同應(yīng)用的機(jī)頂盒，而多樣化的STB滿足了不同層次的需求。

    STB的發(fā)展趨勢(shì)

    龐大的市場(chǎng)空間，數(shù)百億的產(chǎn)值吸引了眾多的商家從事STB的生產(chǎn)制造，據(jù)估計(jì)國(guó)內(nèi)大約有300余家企業(yè)都在從事STB的生產(chǎn)，而截至到2004年底，全國(guó)有線數(shù)字用戶大約在80萬(wàn)戶左右，除去以前累計(jì)發(fā)展的30多萬(wàn)戶，實(shí)際去年一年新增用戶不會(huì)超過(guò)50萬(wàn)戶，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的殘酷性使全行業(yè)處于一種虧損狀態(tài)。

    雖然目前運(yùn)營(yíng)商在大規(guī)模推廣數(shù)字電視，搞全網(wǎng)的整體平移，向用戶免費(fèi)發(fā)放STB，為此也創(chuàng)立了諸如青島模式、佛山經(jīng)驗(yàn)以及杭州模式等，但這一切并沒(méi)有帶來(lái)STB行業(yè)的繁榮，也沒(méi)有促進(jìn)STB技術(shù)的發(fā)展，反而給數(shù)字電視行業(yè)造成了很多的困惑。如何順應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，把握技術(shù)發(fā)展的方向，可能不再僅僅是制造商需要關(guān)注的問(wèn)題，也許更應(yīng)當(dāng)引起行業(yè)主管部門和運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注，需要各方協(xié)同努力盡快為數(shù)字電視創(chuàng)造一個(gè)良好的可持續(xù)發(fā)展的空間。

    數(shù)字電視一體機(jī)

    目前國(guó)內(nèi)使用的機(jī)頂盒大多都屬于基本型的范疇，它們可以接收數(shù)字電視節(jié)目，也可以提供一些諸如電子政務(wù)服務(wù)類的應(yīng)用。隨著數(shù)字電視機(jī)技術(shù)的發(fā)展，帶數(shù)字解碼功能的新型電視機(jī)已經(jīng)面世，目前正在處于投產(chǎn)前的大規(guī)模測(cè)試階段。這種將最基本的STB和電視機(jī)的功能結(jié)合在一起的新型一體化電視機(jī)，將對(duì)STB的制造業(yè)和數(shù)字電視的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生重大影響，面對(duì)家電巨頭們龐大的生產(chǎn)能力和新的技術(shù)產(chǎn)品，大多數(shù)STB生產(chǎn)商將面臨重新洗牌的風(fēng)險(xiǎn)。

    對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言，一體機(jī)的出現(xiàn)也使運(yùn)營(yíng)發(fā)生了改變。過(guò)去運(yùn)營(yíng)商不僅要為節(jié)目傳輸操心，也要為用戶的STB投入大量的精力，甚至為此背上沉重的包袱，特別是在整體平移的過(guò)程中，由于發(fā)送STB而背負(fù)了龐大的債務(wù)，而這一切都可能因?yàn)橐惑w機(jī)的出現(xiàn)而得到很好的解決。在未來(lái)的2～3年內(nèi)，按照國(guó)家產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的35%以上的電視機(jī)將帶有STB功能，這意味著每年將有1500臺(tái)以上的一體機(jī)投放市場(chǎng)，以后這個(gè)數(shù)字還將會(huì)不斷攀升。

    機(jī)卡分離

    機(jī)卡分離和一體機(jī)幾乎是天生的一對(duì)。電視機(jī)的大規(guī)模制造不僅提高了產(chǎn)品的可靠性，也降低生產(chǎn)的成本，而大規(guī)模制造的基礎(chǔ)就是所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有一致性，這不僅表現(xiàn)在硬件上也表現(xiàn)在軟件上。由于軟件的差異性使得制造商無(wú)法像生產(chǎn)電視機(jī)一樣大規(guī)模地生產(chǎn)機(jī)頂盒。所以實(shí)現(xiàn)規(guī)模制造，CA是首先要解決的問(wèn)題。

    機(jī)卡分離技術(shù)的含義在于讓數(shù)字電視的接收設(shè)備（機(jī)）和CA智能卡及其軟件（卡）無(wú)關(guān)，兩者通過(guò)一個(gè)接口產(chǎn)品（大卡或CAM卡）來(lái)連接，電視機(jī)和STB預(yù)留這個(gè)通用的接口。在插入CA智能卡之前，所有的電視機(jī)和STB的軟硬件都是相同的，而智能卡首先要插到一個(gè)與之適應(yīng)的CAM卡中才能插到電視機(jī)或機(jī)頂盒上，解出相應(yīng)的節(jié)目。雖然從表面上看由于使用了CAM卡增加了用戶的接入成本，但由于脫離了CA的束縛給運(yùn)營(yíng)商和制造商都帶來(lái)了使用和制造成本的降低，最終也帶來(lái)了用戶接入成本的降低。諸多的優(yōu)點(diǎn)使機(jī)卡分離成為一種產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，美國(guó)已經(jīng)把機(jī)卡分離作為數(shù)字電視機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，并為此定義了強(qiáng)制性的時(shí)間表。對(duì)中國(guó)這樣一個(gè)電視機(jī)生產(chǎn)大國(guó)而言，機(jī)卡分離也將成為中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)。隨著產(chǎn)品的批量投放市場(chǎng)，數(shù)字電視機(jī)的普及將有助于帶動(dòng)數(shù)字電視用戶的發(fā)展。

    交互式STB

    雖然一體機(jī)可能代替普及型STB，但在數(shù)字電視發(fā)展中，由于業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)展，STB的軟件也將不斷完善，特別是在交互式領(lǐng)域，隨著中間件的完善和應(yīng)用，STB就成為一個(gè)價(jià)格低廉的硬件平臺(tái)，可以通過(guò)更換不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言，交互式應(yīng)用有著龐大的商業(yè)利益，是未來(lái)最重要的利潤(rùn)來(lái)源，而交互式STB的使用可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。交互式STB也代表著機(jī)頂盒技術(shù)發(fā)展的最高水平，有著十分巨大的發(fā)展空間。

    PVRSTB

    在STB中加上存儲(chǔ)設(shè)備就可以將自己喜歡的節(jié)目存儲(chǔ)起來(lái)，這種STB就是PVR。雖然目前PVRSTB在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成一定的市場(chǎng)，但國(guó)外每年幾百萬(wàn)臺(tái)銷量的強(qiáng)勁增長(zhǎng)就預(yù)示著國(guó)內(nèi)未來(lái)市場(chǎng)的龐大，隨著時(shí)間的推移，這種需求將會(huì)越來(lái)越大。

    雙解碼或多解碼STB

    對(duì)國(guó)內(nèi)的運(yùn)營(yíng)商而言，特別是在整體平移的過(guò)程中，如何解決用戶兩臺(tái)以上的電視機(jī)收看數(shù)字電視節(jié)目是一個(gè)令開(kāi)發(fā)人員十分頭疼的問(wèn)題，雖然可以通過(guò)強(qiáng)制性的行政行為達(dá)到一機(jī)一卡，提高收視費(fèi)，但無(wú)法讓用戶理解這種運(yùn)營(yíng)模式，也使數(shù)字電視的推廣面臨很大的阻力。

    雙解碼STB是在一個(gè)STB中采用雙解碼芯片或在一個(gè)芯片中嵌入兩個(gè)以上的解碼電路，并配以兩個(gè)解調(diào)器，進(jìn)而使一個(gè)STB輸出兩路不同的節(jié)目，而STB的成本僅僅增加了30％～50％。這種新產(chǎn)品的出現(xiàn)，無(wú)疑對(duì)那些擁有兩臺(tái)以上電視機(jī)的用戶是一個(gè)福音，當(dāng)然對(duì)那些寄希望于用戶購(gòu)買兩臺(tái)以上的STB以及交納兩份以上的節(jié)目費(fèi)的運(yùn)營(yíng)商而言，這并不是一個(gè)好消息。

    DVB和IP合二為一

    IP技術(shù)的飛速發(fā)展給數(shù)字電視帶來(lái)了巨大威脅，但在短期內(nèi)由于網(wǎng)絡(luò)成本的原因使兩者只能共存而無(wú)法替代。雖然目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有所謂的帶IP功能的STB，但這些機(jī)頂盒只是集成了網(wǎng)卡或帶回傳通道，由于它們無(wú)法滿足流媒體等服務(wù)，因此還不完全是一個(gè)將DVB和IP合二為一的STB。隨著具有MPEG-II和MPEG-IV雙解碼功能芯片的推出和完善，國(guó)外已經(jīng)有此類STB投放市場(chǎng)，它可適應(yīng)于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，有著廣闊的發(fā)展前景。另外，這種技術(shù)的發(fā)展和整合可能會(huì)給人們帶來(lái)一些意想不到的變化，也許在不久的將來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)集DVB和IP于一體的終端產(chǎn)品將會(huì)成為家庭的一員，它連接著家庭的顯示設(shè)備、計(jì)算機(jī)甚至其他的智能化設(shè)備，滿足家庭信息化的需求。

    小結(jié)

    總之，機(jī)頂盒作為數(shù)字電視標(biāo)志性的產(chǎn)品，有著廣闊的發(fā)展空間。隨著數(shù)字電視應(yīng)用、芯片技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，STB的功能也必將越來(lái)越強(qiáng)大，可以為運(yùn)營(yíng)商和用戶開(kāi)展更多的服務(wù)，滿足不同層次的需求。