機頂盒與芯片解決方案

      一 前言


      機頂盒產品被認為是繼個人電腦和手機之后，第三個拉動半導體市場的整機產品，而中國又被看作是機頂盒的主要生產地之一。

      目前，機頂盒大致分為數字電視機頂盒和IP機頂盒，前者又分為DVB-S、DVB-C和DVB-T機頂盒。數字電視機頂盒的主要作用是提供數模信號轉換的功能，使用戶能夠用原有的模擬電視機收看數字電視節目。根據iSuppli的有關報告，2008年中國數字電視終端的產值將達到110億美元，出貨量將達到5200萬臺，全球80%的數字電視終端將產自中國。下圖給出了2001到2005年之間數字電視機頂盒的產量和年增長率。


圖1 2001- 2005年有線機頂盒的產量和增長率
資料來源：2005-2006年中國機頂盒產業及芯片市場研究年度報告

      今年來，隨著互聯網的應用日益廣泛，寬帶網絡的建設與發展十分迅速，這有力地推動了IPTV業務的發展，電信設備制造商紛紛投入到IP機頂盒的研發生產。據市場調研公司ABI Research新近發表的調查報告顯示，近期IP機頂盒(IP-STB)市場的增長速度將至少是cable或衛星機頂盒的四倍，未來五年全球cable和衛星機頂盒出貨量預計將以13-14%的年復合增率增長，而同期IP-STB的增長率將為60%以上。


      因此，整個機頂盒市場將引發價值超過十億美元的半導體銷售市場，受到了國內外半導體廠商的格外關注。有不少廠商瞄準機頂盒市場，推出了相應的芯片及解決方案。在下文中，我們將對一些芯片和方案進行介紹和分析。在此之前，我們先了解一下機頂盒的構成與功能。

      二 機頂盒的構成與功能


      機頂盒由軟件和硬件兩大部分組成。機頂盒的硬件結構由核心控制單元、媒體處理單元以及各類接口組成，如圖2所示。


       核心控制單元一般采用嵌入式系統處理器芯片，可以運行實時操作系統。媒體處理單元一般根據機頂盒成本選用ASIC專用解碼芯片或數字信號處理器(DSP)，也有采用軟件解碼實現的。數字電視機頂盒的通信接口一般是傳輸流(TS)接口，其前端是RF調諧器和解調器。IPTV機頂盒的網絡通信接口根據網絡接入方式的不同可配置成高速以太網接口、ADSL接口或無線局域網接口等。媒體播放接口基本配置有復合音視頻端子和S端子，較高配置可有YPbPr、YCbCr和數字音頻輸出接口?？刂平涌谑侵赣脩舨僮骺刂茩C頂盒的接口，一般以紅外遙控器為主。除以上基本業務應用所必需的接口外，可根據業務需要配置USB接口、串行接口、智能卡接口等其他擴展接口。


圖2 機頂盒的硬件結構

      軟件則一般分成應用層、中間層、操作系統和驅動層三層，每一層都包含了諸多的程序或接口等。


圖3 機頂盒的軟件結構

      基于上面提到的硬件和軟件，除了基本的電視功能外，機頂盒也可以為用戶提供豐富的應用和服務，包括視頻錄制、視頻點播、電子節目指南、電子郵件、Web瀏覽、即時信息、電視商務、可視電話、股票信息瀏覽、游戲、萬年歷等。 {{分頁}}

      三 幾類主要的機頂盒芯片解決方案


     從圖2可以看出，機頂盒硬件中的核心器件是核心控制單元（CPU）和媒體處理單元（編解碼器）。以數字電視機頂盒為例，圖4給出了2005年中國數字電視機頂盒產品中的主要芯片的成本構成。不難看出，解碼芯片在整個成本中占有最大的比例，而且隨著前端的調諧器芯片(Tuner)和解調芯片(Demodulator)的集成，以及解碼芯片對更高級的音視頻格式和更豐富應用的支持，解碼芯片在成本中將占有更大的比例。因此，核心控制單元和媒體處理單元在整個機頂盒硬件系統中將扮演更重要的角色。


圖4 2005年中國數字電視機頂盒芯片市場產品結構
資料來源：2005-2006年中國機頂盒產業及芯片市場研究年度報告

       以媒體處理單元為核心，在目前主流的機頂盒產品中，大致有如下三類芯片解決方案：

      (1) 基于專用SoC芯片的架構（RISC CPU+ASIC）  


       專用SoC芯片內部除了嵌入式CPU以外，還集成了專門的硬件模塊，用于音視頻解碼和后處理等，它一般還集成了一些外設接口，如音視頻輸入輸出、網絡連接、外部存儲接口等。嵌入式CPU可運行嵌入式操作系統，其上可加載多種應用程序。由于采用了硬件解碼，這種方案具有固定的微碼和固定的處理方式，無需開發復雜的多媒體算法程序，因而可縮短開發周期，降低開發成本。硬件解碼的另一個好處是功耗較低，系統穩定性好。


      基于這種結構的機頂盒成本較低，在IPTV業務起步階段，一般由業務運營商向用戶免費提供機頂盒，選用專用芯片結構的機頂盒，在保證基本業務的前提下，能夠使業務運營商節省運營開支，對業務推廣無疑會起到很好的作用。
但這種結構相對于DSP和CPU方案而言，缺乏靈活性，只能支持有限的音視頻格式。

      (2) 基于多媒體數字信號處理器(DSP)的架構


       基于多媒體處理器技術的IPTV機頂盒，采用了高性能數字信號處理器和嵌入式CPU作為核心芯片。DSP主要用于視頻和音頻的解碼處理，嵌入式CPU用來控制處理從各種接口來的數據以及運算需求。采用多媒體數字處理器結構可以靈活地實現多種音視頻格式的編解碼標準。到目前為止，用于IPTV業務的媒體格式還沒有統一標準，各運營商也處于測試選型階段，因此基于多媒體數字信號處理器結構的機頂盒可以靈活編寫不同代碼提供多格式解碼能力。  
相對于(1)的架構，基于DSP的方案的開發周期較長，開發成本較高；功耗也較大，系統穩定性較差；整機的成本也稍高。

      (3) 基于X86的架構


       對比基于RISC架構CPU的嵌入式系統，基于X86架構CPU的嵌入式系統有如下優勢：它具有最高的靈活性，可以對不同格式的文件進行編解碼；軟件開發的難度相對DSP開發而言較低。基于X86結構的機頂盒一般都使用Windows系列操作系統，其上集成了大量的應用軟件，可輕松地與PC共享資源。
這種機頂盒產品的功耗較大，發熱量高，穩定性較差；而且價格較貴，只能面對高端消費群體，在初期對于一般消費者缺乏吸引力。

      四 機頂盒核心芯片及解決方案舉例

     (1) ST的STi5517


      意法半導體(STMicro)是世界上最大的MPEG-2解碼器芯片供應商，其MPEG-2解碼器芯片對機頂盒廠商的出貨量達到6,600萬件（截至到2004年）。其STi5517是一款低成本的基于CPU+ASIC架構的數字電視機頂盒核心芯片，內置180MHz的32位CPU ST20和支持MPEG-2 MP@ML的硬件解碼器。內置TS解復用模塊，內含PAL/NTSC/SECAM視頻編碼器，支持RGB, CVBS, Y/C和YUV輸出。它還可通過電話線回傳實現交互式付費電視的應用。如圖5所示，配上ST的DVB-S, DVB-C或DVB-T前端芯片，就可以實現典型的數字電視機頂盒系統。


圖5 基于STi5517的數字電視機頂盒系統框圖 {{分頁}}

      類似的芯片還有ST的STi5188，LSI Logic的AVIA-9700和Conexant的CX22490/6等，它們的功能較簡單，一般不帶有USB和硬盤接口，具有較好的成本優勢。


       在中高端方案方面，這些芯片廠商推出的方案具有高集成度、高性能的特點。如LSI Logic的AVIA9600、ATI公司的XILLEON220和ST公司的STi5528。該些方案的共同特點是處理器性能得到很大提高，以STi5528為例，該芯片集成了雙CPU，其數據處理能力超過300MIPS。該類方案通常還集成了更多的外圍接口功能，如硬盤接口、IEEE1394和USB。此外，該類方案通常具有優越的音頻和圖像處理功能。這類芯片的目標應用主要是具有網絡瀏覽功能和多種交互式應用的中高端機頂盒。


      現在一般的家庭已經有多種數字設備，設備間的數字信號傳輸是這些設備必須具備的功能，因此機頂盒集成USB、IEEE1394將是必然的趨勢。 此外，機頂盒的DVR功能未來將成為其標準配置，目前在上海數字有線中應用的機頂盒產品都集成了DVR功能。已有多家方案提供商都提供帶DVR功能的方案，如Conexant公司的CX2416x提供了SATA硬盤驅動接口，ST的STi5514和STx5524提供全功能DVR。  

     (2) TI的DM642


      TI的DM642是一款專門面向多媒體應用的專用DSP，時鐘高達600MHz，具有8個并行運算單元，處理能力高達4800MIPS。此外，它還集成了3個可配置的視頻端口、面向音頻應用的McASP、10/100Mbps的以太網MAC等外設。通過編程，DM642可靈活地支持MPEG-1/2/4, WMV9, Real Video, H.264等格式的D1尺寸的實時解碼。DM642方案已經得到機頂盒制造商Humax等的采用。


      DM642具有很強的運算能力，但不能很方便地支持操作系統，需要開發人員自行開發，對開發人員要求較高；而ADI的Blackfin本身支持Linux，無需設計人員再花費額外精力。Blackfin匯聚了控制處理、媒體處理、多?；鶐ㄐ诺裙δ?，采用了融合RISC/DSP的新興架構。


      TI于去年推出了達芬奇平臺，采用了90納米的制造工藝，集成了DSP內核、ARM926處理器以及視頻加速協處理器，并整合了各種組件和開發工具，降低了開發的門檻。但是達芬奇平臺的成本還是比較高。


      在IPTV機頂盒方面，一些公司推出了兩種基于TI DSP的解決方案。一種是采用單片DM642的解決方案；另一種是采用DM642+DM342的雙核方案，由于價格較高，目前主要是在日本和臺灣等地采用。


     在大陸市場，IPTV機頂盒往往是通過運營商贈送給用戶，因此對于方案提供商來講，價格便宜是主要的考慮。Blackfin具有價格的優勢，因此更適合用于IPTV機頂盒的市場推廣。  

     (3) Intel 854芯片組


      X86架構的代表廠商如英特爾、威盛近年都在加速其向消費電子領域進軍的步伐，如英特爾在2005年推出了854芯片組，主要面向IP機頂盒和數字錄像機應用。854芯片組支持2GB的DDR 333MHz系統存儲器以及整合式繪圖引擎，內含一個400MHz的系統總線，以支持超低電壓版Intel Celeron M處理器(600MHz)；采用該款處理器與芯片組的平臺可使用一個被動式(無風扇)散熱解決方案。除了支持整合式10/100M LAN網絡外，該芯片組還支持6個USB 2.0/1.1接口和2個Ultra ATA/100(IDE)信道，以連結硬盤與其它儲存裝置。該平臺還針對Microsoft WinCE 5.0操作系統提供板級支持包(BSP)。


      威盛最新推出的VIA Eden處理器也可以用于機頂盒。與VIA Eden處理器家族先前的產品相比，這款處理器在業界主要的測評中平均性能普遍提升了30%以上。


       基于X86架構的解決方案非常靈活，功能齊備，而且能與PC共享應用資源，但是價格較高，目前在成本、功耗和面積方面出于劣勢。

     (4) 上海杰得的X900

      杰得 X900是一款0.13微米工藝的高集成度的多媒體SoC芯片，提供高性能、低功耗的音視頻處理能力。它集成了ARM926嵌入式CPU，內建了硬件MPEG-4 VGA編解碼器、H.264和VC-1標清解碼器、硬件視頻處理單元及視頻傳感器接口；還提供了眾多外設接口，比如紅外、智能卡、視頻輸入輸出、音頻輸入輸出、高速USB、PCI等。如下是基于X900的高端IP機頂盒解決方案的系統框圖，除了IP機頂盒的一般功能外，它還具有PVR、可視電話和視頻監控等功能。


圖6 基于杰得X900的高端IP機頂盒方案系統框圖 {{分頁}}

      X900的ARM926EJ的主頻可達266MHz，可運行WinCE和Linux等嵌入式操作系統及上面的應用程序。杰得提供全套板級支持包，包括引導程序、操作系統、硬件驅動、中間件、示例應用程序及相關文檔。X900用硬件解碼支持MPEG-4，H.264和VC-1，涵蓋了目前IP機頂盒需要支持的視頻格式，硬解碼滿足了系統對高性能、低功耗和低成本的要求。


       X900支持到標清格式的解碼，可滿足未來兩三年內的商用需要。杰得的下一代芯片將支持多格式的高清解碼，以適應未來機頂盒和數字家庭的發展趨勢。


       目前，Broadcom、Sigmadesigns、ST等都已推出多格式的解碼芯片，用于高清DVD、數字電視或機頂盒等市場。

       五 機頂盒發展趨勢


      隨著3C的日益融合和信息技術的不斷進步，機頂盒及其核心芯片也呈現出新的發展趨勢。


     （1）多種視頻標準并存，單芯片多格式解碼日趨主流


       近年來，具有更高壓縮效率的視頻編碼標準不斷推出，改變了MPEG-2一統江湖的局面。開源軟件推動MPEG-4成為Internet和PC上的主流格式；Microsoft憑借其在操作系統上的優勢地位和在美國產業界的影響，推動它的WMV9技術成為被SMPTE采納的VC-1標準，其DRM（數字權利管理）技術也贏得了部分內容提供商的青睞；新近推出的H.264標準更是憑借其出色的編碼效率，贏得了產業界的一致認同；中國的AVS標準也初露頭角，成為了中國的國家標準。但在某些領域，特別是數字電視和廣播業界，由于支持MPEG-2的系統和設備也已成熟，在短期內也不可能全盤替換。所以在未來幾年，機頂盒市場將呈現多種視頻標準并存的局面。這種局面給機頂盒的核心解碼芯片設計帶來了巨大的挑戰。如上文所述，國內外多家公司都已單芯片支持多格式解碼為目標，推出了芯片及解決方案。隨著機頂盒市場的增長，芯片的成本將逐漸降低，單芯片多格式解碼將成為主流。


     （2）標清向高清過渡，高清時代正在來臨


       在今年的CCBN展會上，眾多機頂盒廠商都展出了各式各樣的高清機頂盒。隨著高清內容的日益豐富，平板高清電視走入日常百姓家，以及高清衛星頻道的開通，美國、歐洲和日本的高清市場已走入正軌，中國也開始具備少量高清節目源，例如CCTV今年1月正式播出高清節目，上海和深圳也開始了高清的試播，因此，高清解碼芯片成為亮點，比市場要早走一兩步的芯片方案也越來越多地支持高清解碼和顯示。


      目前高清市場有兩大特點：一是部分電視運營商要通過原先傳輸標清節目的窄信道發射需要更大帶寬的高清節目，引進了一種名為DOCSIS3.0的信道捆綁技術，這就要求機頂盒芯片與之呼應；其次，高清節目的碼率更高，需要效率更高的解碼芯片。


     （3）機頂盒與數字家庭融合，向數字娛樂存儲中心發展


圖7 機頂盒和數字家庭

      隨著更高性價比芯片方案的推出以及整個市場的啟動，作為與寬帶資源連接同時與家庭最大的顯示設備相連的機頂盒(如圖7所示)，其功能將可能發生明顯的轉變，交互式應用功能將大大增強并集成更多的應用。此外，機頂盒具有友好的應用界面，將可能部分替代PC，作為家庭數據儲存中心，甚至是家庭多媒體網關。 其核心芯片在強化多媒體處理能力的同時，也將具備更強的網絡處理能力，以適應未來數字家庭對多媒體與網絡進一步融合的要求。

      六 結語


      隨著模擬電視向數字電視的過渡和寬帶網絡的迅速普及，機頂盒市場將進一步升溫，進入快速成長的階段。在機頂盒產品中，音視頻解碼芯片處于核心地位，在很大程度上決定了機頂盒的功能和成本。本文對市場上主流的音視頻解碼芯片的架構進行了介紹，并著重分析了幾款具有代表性的機頂盒核心芯片。隨著3C的日益融合和信息技術的不斷進步，機頂盒市場呈現出新的發展趨勢，也給核心芯片的設計帶來了新的挑戰。