最新IP机顶盒的结构及关键技术解析.docx

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateIP机顶盒的结构及关键技术解析IP机顶盒的结构及关键技术解析摘要：基于机顶盒的IPTV终端系统是兼顾了个人电脑和电视机的功能，既具有PC的处理能力，又具有电视机的观看效果，同时也符合中国国情。因此，电视机+机顶盒方式的IPTV终端将成为IPTV业务终端的主流。本文深入研究了新一代IPTV机顶盒的结构设计和核心技术的实现。首先从总体上介绍IPTV的发展状况；其次把IPT

2、V机顶盒结构设计做了详细研究；重点阐述了IPTV机顶盒的核心技术；最后对IPTV机顶盒的发展提出了建议性的意见。关键词：IPTV 机顶盒 嵌入式系统 视频编解码 接口随着全球范围内通信基础建设和信息技术的高速发展，宽带成本迅速下降，宽带接入用户迅速增加。在此背景下，IP多媒体技术已日渐成熟，融合多媒体内容平台、宽带网络平台和数字IPTV终端平台的宽带服务模式正在成为全球极具前景的产业。目前，中国的IPTV用户数呈稳步上升趋势，产业也呈现着良好的发展态势。宽带接入的大发展、技术平台的逐步成熟、节目资源的逐步丰富、盈利模式的初步建立等，都为IPTV的发展奠定了良好的基础。一、IPTV的发展状况目前

3、，在国内外IPTV系统的用户终端一般有以下3种接收方式：（1）通过IP网络直接连接到PC终端；（2）通过移动通信网络连接到手持移动终端；（3）通过IP网络连接到IP机顶盒和电视机。然而前两种方式都存在着一定的局限性：PC终端虽自身具备较强的处理能力，但其播放软件局限于厂商私有的文件格式，通用性差，而且不会使用电脑的人也无法享受此业务，因此利用PC机作为IPTV终端仅适合低成本推广IPTV业务的场合，不会成为发展的重点。手持移动终端作为IPTV终端设备，必须具备处理和显示数字视频信号的能力。而目前市场上具有处理显示动态画面的手机，受到网络传输速率和视频解码处理能力的限制，还无法提供比较流畅的视频

4、信号，虽然目前3G网络已投入运营，但尚未有更有效的编码方案，只有等编码方案成熟后，手机才能逐渐成为IPTV的终端设备。根据以上分析，本文研究系统采用了第三种接收方式，通过IP网络连接到IP机顶盒和电视机。IP机顶盒具备数据转换功能、接入支持、协议支持、解码支持能在内的多种功能，可以将接收到的网络数据转换成电视屏幕可以显示的数据，支持LAN/xDSL/WLAN/FTTH等多种宽带接入方式，支持TCP/UDP/IP协议族来完成互操作信息的网络传输，以及网络数据和流媒体数据的接收与处理工作，支持多媒体码流的解码能力，支持现有的国际标准（如MPEG-4，H.264等）以及中国标准AVS。这种形式的IP

5、TV终端兼顾了个人电脑和电视机的功能，可以直接利用家庭中已有的电视终端来扩展业务，因此成为目前发展的重点。 如上图所示，在IPTV整个运营图中，主要包括内容提供商、内容运营商、网络运营商和用户终端四大部分。本文主要研究用户终端播放设备中的核心器件机顶盒。IP机顶盒，是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，可以充当电视机和宽带网络之间的接口，其一端通过DSL或以太网方式接入IPTV网络，另一端将通过网络传输过来的媒体流等信息转换成模拟视音频输出至电视，相当于一台自带嵌入式操作系统的计算机。除了对电视信号进行解码并呈现其内容外，IP机顶盒还可以提供包括视频点播（VOD）、电子节目指南（EPG

6、）、数字权限管理（DRM）等多媒体服务在内的功能。IP机顶盒国内外发展状况如下：首先是基于专用芯片的结构：2005年1月5日，机顶盒芯片供应商ST（意法微电子）公司发布了世界上第一个支持H.264和VC-1高清晰度标准的解码芯片STB7100。2005年年底，ST公司又退出了STB7100的第二代产品STB7109，改进了安全性和连通性，增加了对新的DVD格式和安全标准的支持。2006年8月底，浙江大华数字科技有限公司推出了基于STB7100的第三代有线/IP双模机顶盒。Micrbonas与面向消费电子产业的嵌入式软件和开发工具供应商Planetweb结成联盟，联手推出用于IPTV和数字电视机

7、顶盒的参考设计。该设计整合了Micronas的DeCyhper DHM 8100高清多格式解码器和Planetweb的SpectraWorks用户界面平台和应用程序。荷兰飞利浦电子公司（Philips）也推出了Nexperia STB810 IP机顶盒解决方案。该方案包含了一个硬件开发平台、软件基础架构、主要编解码器和一些参考实例。对于基于数字媒体处理器的结构：美国德州仪器（TI）公司的TMS320 DM644x数字媒体处理器能够满足IP机顶盒对DSP的要求。中国康佳集团采用TI公司达芬奇技术开发出全新的IP机顶盒IPB5310。该机顶盒支持MPEG-2、MPEG-4、H.264等多种编解码标

8、准，其应用范围包括IP电视服务、视频点播、时移电视、Web浏览服务、短信通知服务、信息广播服务等。此外，美国模拟器件公司推出了BlackFin561双内核处理器的解决方案，也支持H.264编解码标准。二、IPTV机顶盒的结构设计机顶盒由软件和硬件两大部分组成，不同档次的机顶盒所采用的系统平台不同、软件构架也不尽相同，从而所实现的功能也不同。机顶盒的硬件结构上主要存在三种结构的平台，即基于专用芯片构架、基于多媒体信号处理构架和基于处理器构架的平台。软件结构大多采用层次化、模块化结构，或者采用中间件结构。1、机顶盒的硬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，如下图所示：

9、核心控制单元CPU媒体处理单元编解码器媒体播放接口网络通信接口控制接口各类外设及扩展接口上图、IPTV机顶盒的硬件结构（1）核心控制单元核心控制单元一般采用嵌入式系统处理器芯片，运行一个实时操作系统，用以管理机顶盒的活动和资源。其系统ROM中包含有自举代码和基本的操作系统服务程序，RAM则由操作系统、应用服务程序和数据所共享。（2）媒体处理单元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，也可采用软件解码实现。该单元的功能之一是对压缩视频流和音频流进行解码。（3）图形控制与媒体播放接口图形控制系统产生菜单等服务程序所需的图形界面。此外还用于视频游戏等应用中的图形加速显

10、示。图形控制系统的输出，通过叠加控制器与视频信号叠加到一起，经过编码输出到普通电视机上。媒体播放接口基本配置有复合视音频端子和S-Video端子，较高配置可有YPbPr、YCbCr和数字音频输出接口。（4）网络接口机顶盒的基本配置应具有上行网络接口和红外遥控接口, 根据应用需要还可以配置多种辅助接口, 譬如Wi- Fi和光纤等网络通信接口。（5）控制接口控制接口是指用户操作控制机顶盒的接口，一般以红外线为主，也有采用红外遥控器键盘或Wi- Fi技术。（6）外围设备控制接口为了在机顶盒上实现丰富的应用, 机顶盒需要提供各种外设与拓展接口, 譬如通过USB外接数码摄像头实现视频通信或者外接硬盘将节

11、目内容录制到本地硬盘等。目前比较流行的拓展接口有USB、1394、串口、智能卡等接口。由上图可以看出，IPTV机顶盒的核心是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。目前的机顶盒产品归纳起来主要有以下三种结构：（1）基于专用芯片组(ASIC/SOC编解码芯片)的机顶盒专用芯片组除了处理器以外，在芯片内还集成了一些其他的IP(LntelligentProperty)模块，如Videoin，Videoout，Audio in及Audio out等，有的还有图像压缩硬件加速模块等。由于专用视频压缩芯片携带固定压缩模块、固定的处理方式和固定的微码，所以传统的基于ASCI/S

12、OC的机顶盒产品价格比较低廉，但由于全硬件芯片的实现方案使得运营商无法通过软件升级来提升产品性能，另外这种机顶网络适应性也有较大问题。（2）基于X86平台基于X86架构CPU的嵌入式系统有如下优势：一是它可以对不同格式的文件进行编解码；二是X86架构的CPU有较齐全的应用软件，维护成本低；三是基于X86架构的嵌入式系统可以轻松与PC资源共享。（3）基于多媒体处理器技术 基于X86平台的方式在使用时要占据CPU的绝大部分处理能力。因此，在有些不适合采用这种方式。于是出现了基于多媒体处理器技术的独立机型的机顶盒。这种芯片高速的运算能力完全可以实现适合不同协议的通信终端。采用这些芯片可以很方便地实现

13、MPEG视频和音频处理、H.263视频处理，以及DVD、机顶盒、数字电视等。由于使用了实时视频解码功能芯片，视频处理速度明显提高，配合实时编码，全程视频处理时延小，特别适合视频直播系统应用；系统配有USB，IDE，PCMCIA和以太等接口，使IPTV终端功能可扩充性增强、内存占用少、硬件结构紧凑，成本不高。2、机顶盒的软件结构机顶盒作为一个客户端系统, 除了要具有良好的硬件平台外， 还需要配备不同的软件系统才能使其完成各种任务。机顶盒中的软件可以分成三个主要层: 应用层、中间解释层和资源层。每一层都包含了诸多的程序或接口等。如下图所示：上图、IPTV机顶盒的软件结构（1） 资源层资源层包括机顶

14、盒硬件的模块处理程序、接口驱动程序以及相应的实时操作系统, 它主要用于完成对硬件设备的操作。（2） 解释层解释层将STB的应用程序指令翻译成CPU能识别的指令，从而通过驱动层去调动硬件设备完成相应的操作。该层包括中间件适配层、中间件API接口和各类特定代码等。虽然中间件的使用可以给STB软件的设计和应用带来极大好处, 但高昂的使用费用、对硬件需求的增加以及技术上的不成熟都使中间件在国内鲜有应用。目前许多软件设计者都采用直接调用驱动层的软件来编写应用程序，这虽然可以满足一时的需求，但随着应用需求的增加，在STB中使用中间件才是最好的解决方案。（3） 应用层应用层包括各类内置插件、下载插件、浏览器

15、、EPG和一些特定应用。不同的STB软件设计理念使这两个部分包含的应用程序也不尽相同，合理规划这两部分的组成将有助于提高STB的可靠性和响应时间。目前国内机顶盒中的应用较少，主要以EPG、数据广播、股票、简单的下载游戏等为主，但数字电视的魅力其实并不在于看电视，而就在于这种基于数字电视平台的业务应用，这些应用将会提高人们的生活质量。随着双向网络的建设和交互式应用的普及，基于交互式的应用软件也将越来越多，这也会给运营商带来难以估量的增值收入。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,宽带网络将要的视频信号按照TCP/IP协议

16、经过机顶盒解码后在电视上输出，从而实现视频点播或网页浏览等功能。三、IPTV机顶盒的关键技术IPTV机顶盒的关键技术主要包括数字视频编解码技术、中间件技术、嵌入式操作系统、图形和图像显示技术。而机顶盒作为终端解码设备，其解码技术非常重要。下面论文将分别对每种技术进行介绍。1 、视频编解码技术视频编解码技术是IPTV网络电视发展的基本条件，怎么利用较小的宽带占用率去接收高清晰的数字节目，这就是视频编解码技术要解决的问题，该技术可以对视频信号中的图像信号进行压缩编码，剔除时间冗余和空间冗余，降低视频信号数码率，当视频信号中的亮度信号和色度信号进行编码后，数字信号的传输量就会减少，传输起来也更加方便

17、快捷。视频解码是编码的反过程。即从压缩过的编码码流中重建活动图像序列。解码不需要进行运动估计，相对编码要简单。码流数据根据相应标准规定的结构进行解码。解码器首先还原出图像的头信息，确定图像类型，然后对图像中的各个宏块进行解码。为适应不同IPTV业务平台提供的各种编码方式，要求IP机顶盒应具有支持一种以上的解码能力。可以支持1.2Mbit/s以上的MPEG-4码流解码，或支持H.264视频的解码，并且具有从MPEG-4向H.264升级的能力。机顶盒作为网络与用户之间沟通的桥梁，IP-STB不仅需要接收网络视频，同时还要将视频节目传送给TV（或显示器），因此要同时具备编码和播放功能。2 、中间件技

18、术中间件（Middleware）是位于IPTV机顶盒底层系统资源与应用程序之间的通用服务。这些服务具有开发的标准程序接口，能够适用于不同的操作系统和硬件平台。其作用是将机顶盒中的应用程序和底层的硬件、网络部分分离，任何按照某中间件提供的应用程序编程接口实现的应用程序都可以运行在该中间件之上。中间件执行层包含在中间件中，通过对底层系统资源的调用，完成对IPTV服务请求的解释，实现应用程序通过中间件与底层系统资源的隔离。其中，中间件API接口是中间件提供给应用程序的应用程序编程接口。中间件技术已成为IPTV交互式电视的核心技术，它通常有Java虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成，通过定义一

19、组完整的标准应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，使应用程序的开发变得更加简捷，产品的开发性和可移植性更强，以保证机顶盒的扩展性和投资的有效回收。3、 嵌入式操作系统机顶盒有软件和硬件两部分构成，一个好的软件操作系统，是决定一个机顶盒产品成功与否的关键，机顶盒的操作系统不大，但却要求可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行，这种操作系统称为实时操作系统（Real-Time Operating System, RTOS）。在目前已有的机顶盒产品中，主要的操作系统有嵌入式Linux、 WinCE和VxWorks三种，它们负责管理本地资源和网络资源，并提供基本的操作功能以及设备

20、的访问控制。（1）嵌入式WinCE终端WinCE最大特点是其API与Win32兼容，这有利于使用Windows环境开发WinCE应用，此外，WMV播放器还可直接运行于WinCEOS，许多现成的Windows组件稍加改造就能应用于终端上的网络管理以及视频流控制等功能，能够充分分享MMS等的WindowsMedia优秀成果。微软目前推出WinCE5.0，并扩大开放部分程序源代码。在这个开放了源代码计划授权下，微软开放250万行源代码程序作为评估套件，凡是个人、厂商都可以下载这些源代码加以修改使用。未来厂商OEM时，则需依执行时期授权，支付WinCE5.0核心每台机器数美元的授权费用。作为市场新进入

21、者，微软强调较低的开发成本。微软在WinCE加入了档案系统、IPv4/IPv6、WLAN、蓝牙等联网功能以及WindowsMediaCoder等功能。不过此类终端的弊端在于：应用源代码不公开，终端采用WinCE须向微软交纳版税；另外，WinCE代码庞大，占用很多的ROM和RAM，要求有高性能的X86微处理器支持，所有这些都造成了终端成本的居高不下。（2）嵌入式LINUX终端这种终端往往以专用的多媒体微处理器为核心，辅以以太接口和视频接口构成系统。多媒体微处理器本身不但具有嵌入式RISC(精简指令集CPU)去运行系统软件和应用软件，而且带MPEG2或MPEG4实时解码功能芯片，在引LinuxOS

22、和必要的视频以及各辅助接口驱动程序后，就成为一个完整的IPTV网络终端运用环境。使用Linux开发平台优点首先Linux源代码公开，有大量免费优秀开发工具和应用软件可用，无须为每例应用交纳许可证费；其次有庞大的开发群体，技术交流方便，软件开发和维护成本低;最后，Linux本身稳定，内核精焊，运行所需资源少，有优秀的网络功能，支持的硬件数量庞大。总之，性价比高是其最大特色。但是，这种系统适应低带宽能力存在一定的局限性。由于采用的是硬件实时解码，解码器性能提高受制于芯片技术发展，于是就省去QPEL和GMC编码工具，这就使得MPEG4ASP高清晰度性能、适合DSL低带宽网络传输的优点得不到充分发挥，

23、某些OS基于CLinux、解码器甚于不完全MPEG4ASP的终端，线路工作带宽在3Mbit/s，在同样播放分辩率D1下，适合DSL网络低带宽的能力比基于WMVx的Codec终端逊色。这种机顶盒的价格较低，但由于兼容性不好，系统服务器端的建设和媒体文件的采集成本会偏高。VxWorks是美国WindRiverSystem公司推出的一个实时操作系统。VxWorks是一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域，如卫星通信、军事演习、弹道制导、飞机导航等。四、IPTV机顶盒的发展IPTV机

24、顶盒作为家用消费终端，目前主要提供点播、直播、录播等视频内容服务，将来还将持通信、信息、游戏以及电子交易等增值应用服务。IPTV机顶盒的功能特性及业务支撑能力，直接制约着IPTV业务的推广普及，一定程度上决定着IPTV业务开展的成败。我认为，从业务运营的角度出发，机顶盒应该满足以下要求：(1)外形美观、轻便小巧；(2)用户体验良好，人性化操作；(3)支持各种网络接口和认证方式，如PPPOE、DHCP等；(4)终端可管理、可维护、可升级；(5)良好的扩展性，支持视频、V-Phone、GAME等丰富的业务；(6)成本适中。我认为，我国IPTV电视的发展下一步工作应该侧重于以下几个方面：制定机顶盒与

25、业务平台间接口规范，以及接口标准的处理模式；根据业务发展，不断补充细化对终端设备技术要求；明确机顶盒的体系架构，以及软/硬件架构分层定义；确定机顶盒安全架构与机制，包括对数字版权DRM的支持。IPTV产业的启动昭示着一个无限广阔的电子互动娱乐市场的启动，随着产业链的协调整合，将加速机顶盒相关技术的发展，推进机顶盒的成熟进程，实现IPTV产业的繁荣。主要参考文献1 黄孝建，陶蒙华 编著 IPTV关键技术详解 北京邮电大学出版社2 季伟，葛振斌，何青，陈春明 编著 IPTV关键技术及应用 机械工业出版社3 IP机顶盒关键技术及应用 4 许永明，谢质文，欧阳春 编著 IPTV技术与应用实践 电子工业出版社5 卢官明，宗昉 编著 IPTV技术及应用 北京：人民邮电出版社6 IPTV机顶盒演变的三个方向 7 中华人民共和国工业和信息化部意见征集：IPTV机顶盒技术要求 高清机顶盒等25项2010年第二批通信行业标准计划项目 -