IP网络上的IPTV终端及机顶盒技术

    阅读提示：未来电信业务将是以交互式多媒体应用为主的业务。

    作为支持交互式应用的IP机顶盒，将不仅支持IPTV业务，还将在更为广阔的交互式多媒体领域发挥作用。

    宽带网络和接入技术的发展，扩大了宽带业务的应用范围。大众熟悉的TV节目不仅可以通过Cable传输到TV上看，也可以利用宽带IP网络用PC、手机或机顶盒+TV的方式看电视，这就是IPTV的力量。IPTV概念的出现引起电视和电信两大行业的强烈争议，电视行业认为IPTV是数字电视的补充，应以IPoverDVB技术实现，电信行业则认为IPTV是IP网络上的一个增值业务，采用TVoverIP的方式实现。由于各行业实现IPTV采用的技术不同，使得呈现业务的用户终端也大有不同。数字电视是以Cable和卫星传送电视信号，用户终端是STB-C+TV或STB-S+TV；电信的用户IPTV终端主要有3种类型：个人电脑+软件播放器、电视机+机顶盒以及用于移动流媒体平台的多媒体手机。本文主要介绍用于IP网络上的IPTV终端和机顶盒技术。

    一、IPTV终端类型

    1.基于PC的终端系统

    基于PC的终端系统是沿用互联网视频的应用形式，利用网络流媒体技术传送某种格式的数据流，用户可在计算机上利用相应的播放器对压缩的视音频流媒体文件解压后进行播放。这种形式的终端硬件比较简单，只需要1台具有以太网卡的PC机安装相应的播放器应用软件就可以播放音视频节目和上网浏览。目前应用较多的播放器软件主要有微软的WindowsMediaPlayer、Apple公司的QuickTime和RealNetworks公司的RealPlayer。

    基于PC机的终端系统优点是简单，投资小，上网方便等。缺点首先是每一种播放器软件都局限于厂商私有的文件格式，通用性差。其次是利用PC显示器观看电视节目相对于电视机观看屏幕小并且舒适度差。再次是对于不会使用电脑的人来说根本无法享受此项业务。

    因此鉴于以上分析，利用PC作为IPTV终端系统只能是临时或在不适于摆放电视机的场所使用，并不适于大范围推广。

    2.基于STB的终端系统

    基于STB的终端系统是兼顾PC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，STB极有可能作为家庭网络/媒体中心出现在下一代家庭网络中。因此，IPTV终端更看好电视机+机顶盒方式，将成为IPTV业务终端的主流。

    基于STB的终端系统以电视机作为显示器，利用专用的IP-STB对网络音视频媒体数据接收和解压，转换为电视信号格式输送给TV播放。

    STB作为用户端设备要具备的功能包括以下方面：

    支持视频点播、组播和Internet浏览以及短消息、可视业务和网络游戏；

    支持目前应用较多的LAN、xDSL或WLAN等多种宽带接入方式，支持TCP/UDP/IP协议族，完成互操作信息的网络传输，接收及处理IP数据和视频流媒体数据；

    支持对多媒体码流的解码能力，电视屏幕显示和数字版权管理；

    支持内容缓存、交互控制、接入鉴权和业务及网络管理功能。

    3.移动终端系统

    提到用于IPTV的移动终端系统人们自然会想到3G手机，它能够处理图像、音乐、视频流等多媒体，并利用无线通信网络和互联网相结合提供网络电视、视频电话、网页浏览、电视会议、电子商务等多种媒体服务。

    IPTV的移动终端在应用中还有很多需要解决的问题。首先是在观看效果上，目前无论是采用什么技术播放的图像，其速度都会受到网络速度的制约，很难达到像电视一样实时传输的平滑效果。虽然目前利用手机观看网络视频的效果还不错，这是因为现在移动视频业务还限于少数高端用户使用。随着IPTV业务的发展和普及，用户量的上升，网络带宽和手机处理能力可能会成为一个瓶颈。再就是目前手机电源技术无法与IPTV移动终端的强大功能相匹配，手机的待机时间太短，而IPTV业务一部影片至少90分钟，消耗电量十分惊人，观看一小段节目尚可，但想看完一部长片就需要不断更换电池，这对于IPTV业务来说无疑是个很大的障碍。

    4.STB+TV将成为IPTV业务的主流终端

    IPTV业务可以由多种类型的终端实现，但最为实用和可以被广大消费者接受的应该是以机顶盒+电视机的组合。首先是这种方式保持了用户的休闲习惯，从人体生物学角度，最为舒适的观赏姿势是后仰30度，操作电脑的姿势是前倾30度，传统Internet视频用户是用PC作为显示终端，操作电脑的姿势要保持前倾，因此长时间操作电脑会很累，并容易患颈椎病肩周炎等疾病。

    其次是利用STB+TV方式不仅保持电视节目还可以将互联网内容从书房搬到了客厅，使不会操作电脑的人也能够上网，利用互联网收发邮件、聊天。将宽带用户从上网族扩展到非上网族，将宽带娱乐市场从2200多万宽带用户、8700多万网民，延伸到十几亿电视观众。

    总之，IPTV终端无论是采用STB+TV还是用PC，都应具有如下功能：通信接口、模拟信号的输出、外设控制能力、视频解码以及嵌入式实时操作系统，通过终端设备用户可以进行业务请求、视频/音频数据接收以及网络服务等。

    二、机顶盒概述

    1.什么是机顶盒

    机顶盒STB（Set-top-box）顾名思义是放在电视机上的盒子，源于数字电视。它是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备。在数字电视应用中主要根据传输网络不同有3类数字电视机顶盒：用于有线电视网的数字电视机顶盒STB-C、用于卫星电视网的数字电视机顶盒STB-S和用于地面广播网的数字电视机顶盒STB-T，它们分别满足数字电视的相应标准DVB-C、DVB-S和DVB-T。基于Internet协议(IP)的机顶盒的出现，是最近的事情。随着IPTV的发展，使这种产品获得了极大的发展动力。因为IP机顶盒不仅可以提供与大多数有线或卫星电视机顶盒相同的功能，而且还可以使用当前低成本的互联网和基于 IP 的网络设施。 另外，立足于双向的 IP 网络还可以本能地支持一系列的应用和交互式服务。

    2.机顶盒发展历程

    机顶盒STB（Set－Top－Box）起源于20世纪90年代初，当时在欧美作为收取有线电视费用的重要手段。有线电视经营者在每台用户的电视机之前安装一个密钥盒，只有交了费的用户才能对电视信号解密，正常收看电视。这就是最初的机顶盒。

    20世纪90年代中期，Internet在全世界迅速发展和不断普及，人们萌发了利用电视机上网的想法，于是开始研究可以上网的机顶盒。当时，计算机和网络设备厂商都期望可以上网的机顶盒能构成为新的家用电器。然而由于各方面技术不成熟，最终未成气候。

    20世纪末，在欧美开始试播数字电视（DTV）和高清晰度数字电视（HDTV）后，又一次掀起了机顶盒的高潮。这时机顶盒的主要作用是数字电视信号进行模拟转换，以保证用普通模拟电视机可以收看数字电视或数字高清晰度电视。

    IPTV的出现使机顶盒又有了进一步发展，机顶盒不仅用于数字电视，还作为IP网络与电视的桥梁，使宽带网络上丰富多彩的节目内容通过机顶盒展现在电视机上，为广大普通电视观众带来全新的数字生活新感受。

    3.IP机顶盒的功能

    IP机顶盒的基本功能是接收数字电视节目，同时具有所有广播、点播和交互式多媒体应用功能，还包括以下功能。

    (1)电子节目指南（EPG）：EPG可为用户提供一种界面友好、易于操作、可以快速访问节目的方式。用户可以通过EPG功能看到所有频道上近期将播放的电视节目以及可供用户点播选择的节目内容索引，主动检索点播。

    (2)交互式应用：为用户提供视频点播、组播和互动游戏。通过交互功能的应用，人们在点播时可以像操作家用DVD一样进行快进、快退、暂停；在组播时可以快速切换电视频道。通过交互功能的应用，人们还可以进行互动游戏。

    (3)软件在线升级：利用机顶盒中间件插件可以提供机顶盒能力探测，在线安装和更新机顶盒应用软件。机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。

    (4)互联网浏览和电子邮件：用户可以通过机顶盒内置的Internet浏览器上网，发送电子邮件。

    4.IP机顶盒的类型

    目前，应用于IPTV业务的机顶盒基本有两类：普通型和增强型。基本型机顶盒具有点播功能、广播功能、EPG浏览、WEB浏览和小游戏等业务能力；增强型机顶盒是在基本型的基础上增加个人视频存储(PVR)、网络游戏、视频通信、FLASH等业务能力。IPTV机顶盒接入宽带网络的方式可采用FTTB+LAN的接入方式、xDSL接入方式、WLAN的接入方式和其他宽带接入方式。IPTV机顶盒硬件平台一般有三种实现方式：基于专用芯片的STB、基于数字信号处理器DSP的STB、基于中央处理器CPU的STB。

    随IPTV业务的出现，许多机顶盒生产商和电信设备制造商积极研究用于IPTV的机顶盒，但目前研制的产品大多只适用于各自的IPTV业务系统。这种与系统绑定的机顶盒通用性很差，与其他IPTV系统根本无法互通。其结果将造成业务运营商在设备选型和成本控制上的被动，长此下去将阻碍了IPTV发展。解决这个问题的办法是尽快制定IPTV机顶盒技术标准，从业务功能、性能和安全等方面制定统一规范。

    三、IP机顶盒关键技术

    1.视频解码和播放

    视频编码技术种类很多，就目前宽带接入条件来看，适合于IPTV业务的视音频编解码技术主要有MPEG-4、H.264和WMV9等，不同的IPTV业务平台所采用的编码技术有所不同。

    MPEG-4：是“ISO/IEC14496信息技术－通用视听对象编码”标准，它是针对低速率下的视频、音频编码和交互播放开发的算法和工具，其显著特点是基于内容的编码。更加注重多媒体系统的交互性、互操作性和灵活性。MPFG-4标准对视音频编解码的贡献可分为以下3类。

    (1)基于内容的交互性：基于内容的多媒体数据存取工具；基于内容的码流操纵和编辑；自然与合成数据的混合编码；增强的时间域随机存取。

    (2)高压缩率：提高编码效率；对多个并发数据流的编码。

    (3)灵活多样的存取：错误易发环境中的抗错性；基于内容的尺度可变性。

    H.264：是国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）共同提出的继MPEG-4之后的新一代数字视频压缩格式，它既保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术无法比拟的许多优点。

    (1)低码流：和MPEG-2和MPEG-4ASP等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。显然，H.264压缩技术的采用将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。

    (2)高质量的图像：H.264能提供连续、流畅的高质量图象（DVD质量）。

    (3)容错能力强：H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。

    (4)网络适应性强：H.264提供了网络适应层,使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输。

    AC-1：是Microsoft的视频编码标准，是WMV9向SMPTE提交后采用的编码标准名称。SMPTE（SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers，美国电影与电视工程师协会）是得到美国国家标准研究所（ANSI）认证的、国际知名的视频、电视和电影工业标准开发组织，SMPTE在制定和发掘私有规范方面具有丰富经验，2003年09月，SMPTE接收WMV-9所采用的压缩技术规范作为一种视频编解码格式标准。

    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.图形和图像显示技术

    我国的电视机制式选用北美PAL制，IP机顶盒用TV作为显示器，故播放器必须支持PAL制720*576标清分辨率图像解码。满足ITU-RBT601要求，支持宽高比为4:3或16:9的视频解码。为适应不同IPTV平台的需要，IP机顶盒应支持多种显示分辨率和格式的图形显示，对于显示图形要求支持清晰度为720x576，352x 288，448 x 336，640 x 480，800 x 600的图形显示，每个像素至少支持16位彩色；可以自动按输入调整输出图形。

    而对于利用电视机进行互联网浏览，由于一般网页都是以PC机显示的，改用电视机作为显示需要适当的显示技术。就电视和计算机显示器而言，CRT显示是一种成熟的技术，但是用低分辨率的电视机显示文字，尤其是小于24×24的小字，问题就变得复杂了。电视机的显像管是大节距的低分辨率管，只适合显示720×576或640×480的图像，它的偏转系统是固定不变的，是为525行60Hz或625行50Hz设计的。上网则要符合VESA格式，显然，电视机的显示系统无法适应这么多格式。另外，电视采用低帧频的隔行扫描方式，当显示图形和文字时，亮度信号存在背景闪烁，水平直线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换到电视机上，水平边沿就会仅出现在奇场或偶场，屏显时间接近人眼的视觉暂留，会产生厉害的边缘闪烁现象，因而要用电视机上网，必须要补救电视机显示的缺陷。

    3.中间件技术

    中间件技术在计算机系统中早已经得到广泛的应用，现在也开始应用于机顶盒设计软件。中间件是指位于机顶盒的实时操作系统和应用程序之间，连接两部分的软件。中间件使机顶盒中的应用程序和低层的硬件和网络部件分离，使应用程序的开发与硬件低层和平台无关；提供通用的应用程序接口（API），能使应用程序的开发难度降低，提高效率。

    在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题:实时多任务操作系统，硬件平台原理细节，复杂的行业标准，繁杂的用户界面以及实用功能等各项跨行业的难题。为了解决上述问题，中间件技术应运而生，并成为数字电视核心技术，也就是我们前面提到的开放式业务平台。中间件是在数字电视接收机的应用程序和操作系统、硬件平台之间嵌入的一个中间层，定义一组较为完整的、标准的应用程序接口，使应用程序独立于操作系统和硬件平台，从而将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。它通常由Java虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成。开放的业务平台上的特点在于产品的开发和生产以一个业务平台为基础，开放的业务平台为每个环节提供独立的运行模式，每个环节拥有自身的利润，能产生多个供应商。只有采用开放式业务平台才能保证机顶盒的扩展性，保证投资的有效回收。

    4.嵌入式系统应用

    嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输处理技术，甚至传感器技术与具体应用对象相结合的产物，是技术密集、投资强度大、高度分散不断创新的知识密集型系统，反映当代最新科技的先进水平。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4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计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式芯片功能越来越强，体积越来越小。

    嵌入式实时操作系统是相对于桌面计算机操作系统而言的，它不装在硬盘中，系统结构紧凑，功能相对简单，资源开资较小，便于固化在存储器中。嵌入式操作系统的作用与PC机上的DOS和Windows相似，用户通过它进行人机对话，完成用户下达的指定。指定接收采用多种方式如：键盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。

    嵌入式CPU是IP机顶盒的核心，它要管理机顶盒的所有接口，包括网络侧接口、红外接口以及各类扩展接口，要处理IP协议栈，控制和调度所有底层设备驱动程序。它与媒体处理器或控制编解码芯片对接收到的音视频媒体流解码转换，使视频、音频和数据分离开，通过控制数字/模拟转换器还原成电视信号输出给TV显示出来。一般IP机顶盒专用的嵌入式CPU大多集成媒体处理能力，增强型机顶盒也可采用双CPU方式。

    嵌入式操作系统的运行平台所具有的功能包括网络管理，显示管理、智能卡管理（IC卡和Smart卡）、图文电视解码、数据解码、视频信号的上下变换以及交互式控制等功能。为了达到这些功能，嵌入式CPU就必须扩展新的功能，不断提高处理速度，才能适应未来业务的发展要求。

    四、结束语

    未来电信业务将是以交互式多媒体应用为主的业务。作为支持交互式应用的IP机顶盒，将不仅支持IPTV业务，还将在更为广阔的交互式多媒体领域发挥作用。因此，在研制IP机顶盒过程中，需要具有一定前瞻性，超前设计。充分发挥中间件的作用，使机顶盒这类设备具有功能扩展和平滑升级的能力，这样的产品才会具有强大的生命力。