數字機頂盒的架構與設計關鍵

    數字電視可說是手機之外的另一波殺手級應用，它以客廳為核心，不斷地整合家庭中的其它視聽及信息設備。

    形成多元應用的家庭網絡；不僅如此，數字電視與手機也向整合之路發展，移動電視(Mobile TV)已在全球各地如火如荼的推動當中。當電視廣播系統與網絡、甚至是移動蜂窩系統結合時，包括視頻、語音與數據的服務自然走向多元匯流的趨勢，這是一個比過去獨立形式復雜許多的應用環境，而數字機上盒(Set-top-box)正位于此架構的核心位置，其面臨的設計挑戰確實繁重。

    根據電視節目發送管道的不同，數字機頂盒又可分為數字地面(Terrestrial)機頂盒、數字衛星(Satellite)機頂盒、數字有線(Cable)機頂盒，以及通過網絡(xDSL、Cable Modem、光纖)的IP 機頂盒等形式。整體而言，數字機頂盒的技術主軸朝向支持HDTV(High Definition TV)及互動性(Interactive)發展，但不同市場區塊仍有技術及應用上的偏重。為了達到產品的差異化定位，加入硬盤的數字視頻錄像機(DVR)及整合家庭網絡功能的家庭網絡網關器(Residential Gateway, RG)，也是數字機頂盒的重要設計方向。

    系統架構

    一個數字機頂盒是由軟、硬件所組成，在硬件方面的主要單元可分為接收廣播信號，并將其轉換為數字傳輸串流的前端(front-end, FE)芯片，即諧調器(tuner)和調節/解調器(modulator/demodulator)；后端芯片包括電視解碼器/編碼器(NTSC/PAL decoder/encoder)、MPEG-2 Transport、MPEG-2 MP@ML或HL解碼器、微處理器、圖形芯片、音頻處理器、音頻DAC、視頻DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等內存、電源組件及其它標準離散組件。更高級產品還會整合安全芯片、調制解調器(modem)或家庭網絡芯片，以及可錄像的硬盤(HDD)。

    (圖1)為支持DVR功能的機頂盒解碼芯片方塊圖。

圖1  具有DVR功能的機頂盒解碼器方塊圖(以STx5100為例)

    更強大及多元的功能及更高的整合度是數字機頂盒在硬件部分的發展趨勢。在功能上，電視解碼器強調要能做到dual-TV和dual-DVR，也就是除了能解碼并顯示數字和模擬兩種電視廣播信號外，還要能解碼兩個同步標準解析電視頻號，再送到多臺不同的電視機播放，或錄制節目到硬盤中。此外還有所謂的PAP(高解析雙畫面)和PIP(子母畫面)功能，能夠在同一個屏幕上顯示兩個不同的高解析電視畫面，可以分別并列或上下排列。

    在整合性上，為了保持設計彈性，一般在系統中前端及后端芯片是分離的配置，但也能將兩者整合為單一封裝，進而為大量生產的應用提供更佳的成本效益。芯片本身則朝SoC的方向發展，尤其是位居核心的解碼器芯片，此類芯片會采用90納米等高級制程，在一顆芯片上整合各種主要功能，包括高性能的CPU、視頻解碼電路和各種外圍設備，請參考(圖2)。

圖2  機頂盒單芯片iDTV處理器硬件架構方塊圖(以STD2000為例)

    在軟件部分則包括操作系統和實時操作系統(RTOS)、提供互動功能的MHP 等中介軟件(Middleware)及應用程序接口(API)，以及電子節目表(EPG)等應用軟件或條件式接取(Conditional Access, CA)安全功能。接口上則需要支持安全性模塊(POD module)、共同接口(CI)、智能卡(smart card/reader)、高速界面(USB、IEEE 1394及序列ATA)等。CA、CI、POD等技術難度較高，也是設備商在選用視頻處理芯片解決方案后，仍需進一步整合開發的議題。

     設計關鍵：視頻轉換處理

    視頻轉換處理無疑是機頂盒最主要的功能，因此編碼/解碼器(CODEC)猶如機頂盒的心臟。目前電視廣播界仍以MPEG-2為基本視頻壓縮規格，但已積極轉向MPEG-4、H.264/AVC(即MPEG-4 Part 10)及VC-1等新一代編解碼規格。采用新的規格對業者來說具有許多好處，最明顯的例子在于他們能通過有限的頻寬傳送更多的節目頻道，或提供高畫質的電視節目。