IPTV生态系统和基于DSP的IP机顶盒设计

    随着IPTV市场准备起飞，竞争生态系统数量的增加意味着STB开发商必须保持他们的实现方案选项具备开放性。

    未来几年，由电信业务提供商推动的IPTV市场(利用互联网协议传输数字电视)有望形成规模。然而，目前该市场陷入了各种硬件和软件解决方案的竞争之中，不同种类的压缩技术非常复杂，并与家庭网络应用存在潜在的融合。这些因素使工程师在设计IP机顶盒的时候面临决策困难，所以原始设备制造商(OEM)需要选择处理技术，以使他们保持实现方案选项的开放性。

    作为传输方案的焦点，STB必须能够适应它要部署的特殊IPTV“生态系统”的要求，因此，互通性以及处理高吞吐量的视频所需要的性能对于这些系统是至关重要的。对于IPTV网络可能提供的许多新应用，可伸缩性也很重要；而成本始终是消费电器面临的一个问题。STB设计工程师已经看到，高度集成的数字信号处理(DSP)能够满足这些要求，它不仅提供买得起的高度实时的性能，而且也便于重新编程以实现新的配置、刷新、升级和应用。

图1：IPTV生态系统

IPTV生态系统

    STB的设计牵涉到IPTV生态系统中的所有设备和软件，主要项目如图1所示。在前端，服务提供商从诸如地面广播、预先记录的专有内容、卫星电视频道之类的节目源为IPTV传输经过编码的视频；内容也可以由VOD服务商直接提供。

    为了确保正确的接收，所有这类内容的传输都通过条件接收服务器(SAS)，它通过加密、验证和鉴权等措施提供传输的安全性。中间件服务器负责协调这些单元，监测客户的请求、与其它服务器通信和调度传输，并为从事业务保障、收费、维护和其它必要服务的网络管理提供接口。这种服务器也与客户的STB通信，以管理这些请求并提供友好的图形用户界面(GUI)。

    图中的客户端显示了一个DSL调制接调器和STB，在一些情况下这两个功能可能会结合在单一盒中。STB从宽带连接接收和解码IPTV信号，然后，输出一路或更多视频流供电视机显示。需要注意的是：目前所提议的大多数方案不包括通过STB对互联网的宽带开放接入，但是，将来可能支持这种功能。

    STB浏览器和中间件

    在STB的顶层是承载浏览器的WinCE、Linux或VxWorks等操作系统(OS)，它的作用是图形引擎，通过它与中间件的互动，让用户方便地访问互动服务。中间件客户软件协调对网络的访问。一些浏览器和中间件客户是基于具备javascript的HTML；而其它是基于Java并运行在STB中的Java虚拟机(JVM)上。为了获得更为复杂的图形处理能力，新兴的选项集成具有Macromedia Flash或Dynamic HTML的中间件。

    这些选项的每一种依次更为复杂，需要更强的处理性能，所以，STB处理器需要具备可伸缩性，以便支持这些不同的组合。如果把图形和视频处理密集的任务从普通的操作任务中分离出来，处理架构就能够加速系统的整体性能，并为可伸缩性提供开销。

    服务提供商都建立了自有的系统，而STB必须与这些系统互通，以便被用于不同的IPTV环境。每一种部署都有独特的网络配置和一系列配套方案，所以，中间件、浏览器和其它软件会随着新功能和服务的加入而持续演进。OEM必须考虑给定的处理器的性能是否容许系统具有可伸缩性，以支持这些变化并执行新的任务。

    提供安全性

    基于软件的条件接收(CA)系统——非常类似数字版权管理(DRM)软件—采用诸如AES或3DES之类的安全标准，从而使针对条件接收的密钥交换成为可能。如果黑客试图打开密钥，可编程处理器就容许STB作出快速修改以增强安全级别。

    传统的基于硬件的CA方法采用智能卡和固定的硬件来保护系统免受不安全的访问。就像基于软件的系统一样，这些基于硬件的安全系统必须持续升级以击败黑客的攻击；因此，CA供应商在他们的设计中构建了不同级别的安全性，使之不仅支持老的用法，而且满足将来新的接收条件。(改写)

    这些安全功能要求把知识产权构建到处理器之中；而因为每一个CA供应商都有其自己的设置，STB制造商需要确保对所有主要的供应商都提供适当的支持。

    最近，水印系统已经引起了内容所有者、服务提供商和向他们提供IPTV设备的制造商的兴趣。在内容未经适当授权而被接收的情况下，水印技术容许服务提供商快速定位这种非法接收的地点，在那里要升级CA。

视频编码和VOD

    MPEG-2是目前业内所使用的老一代视频编解码(编码器/解码器)，它在标准清晰度电视中已经使用多年，而现在也常被用于高清晰度电视。最初推出的IPTV采用的就是MPEG-2标准，然而，为了提高带宽利用率和增加所容纳的家庭的数量，许多服务提供商正在采用更为先进的多媒体数字信号编解码器标准，如H.264/MPEG-4部分10/AVC和WMV9/VC1。这些较新的编解码器的带宽利用率通常比MPEG-2提高了两个数量级。除了这些流行的先进编解码器之外，中国正在部署其自己的新标准，即AVS。

    与视频编解码器配套的有采用各种音频压缩标准的音频编解码器。还要考虑的是：在每一种编解码器规范内，都有一些解释空间，让编码器供应商能够持续增强其产品，以实现更佳的品质并减少比特率。因此，存在若干可能的音频和视频编解码器的组合，它们在实现方案上与不同编码器供应商的方案略微不同。

    视频点播通信的基础是RTP和RTSP；RTP是下行传输的流协议，RTSP是针对数据的控制协议，两者都容许在实现中建立极大的灵活性。为了使互通性变得更为复杂，不同的VOD供应商采用完全具有自主编码特性的不同的离线编码器。为了减少问题，来自不同供应商的VoD服务器可能由一家IPTV服务提供商安装。

    面对多种编解码器、不同种类的编解码器组合和实现方案以及不同的协议解释，所有这些因素都要求待设计的STB具有灵活性和可伸缩性，以支持广泛变化、持续升级的互通性要求。

    家庭联网

    因为STB共享数字媒体适配器(DMA)所采用的大部分技术，STB也有望可能通过以太网、HomePlug、WLAN或Moca连接到家庭网络。STB然后可以接收并玩从个人电脑下载的内容，如显示照片夹、播放音乐或者甚至从互联网下载影片。应该考虑的是：STB也可能配备其自己的硬盘以记录IPTV播放的内容，然后这些内容可以通过互联网共享。

    如果STB被连接到娱乐系统，如网络DVD播放机、音响系统和游戏机，那么，融合的可能性就更为有趣。最终，诸如视频电话和在线赌博之类的应用也可能与STB融合，从而带来他们自身的一系列互通性问题。

    为了能够处理这些新的融合应用，至关重要的一点是STB必须支持各种各样家用电器系统所使用的标准，因为在家庭网络内存在不同的需求，它也为用户提供了各种服务。例如，如果把4Mbps MPEG2流转换并编码为1.5-Mbps WMV9流，就可以保持带宽并增加在给定的硬盘空间内所存储的内容。

    作为一个例子，从CA转换为DRM安全可以确保保护家庭网络内的视频内容。行业联盟—数字生活网络联盟所关心的是为家庭网络开发互通性标准，目前在家庭网络上最为流行的产品都遵循DLNA标准。

    STB对处理器的要求

    虽然人们正在部署不同的IPTV生态系统，在不同的系统和配置中实现互通性不仅从短期看很重要，而且从长期看也很重要，因为事物在持续地发展。随着不同的服务提供商开始配置由许多操作系统、压缩技术、中间件、浏览器、CA/DRM、实时编码器供应商和VoD服务器供应商的产品构成的可能组合方案，STB将不得不适应这种多组合的应用需求，同时，也是为了满足提供商向其产品中添加新服务所提出的要求。成功的STB设计将依赖于提供高性能、编程灵活性、可伸缩性和高系统级集成的处理解决方案。

    音视频编解码器、图形加速、通信和许多潜在融合的家庭应用将需要高级的性能，大多数是对实时信号处理能力的要求。通过使用加速器并把信号处理任务进行软件分区就可以增强性能，例如，视频解码最好由从事控制任务的DSP来处理，用户界面采用RISC处理器来处理就比较好。通过在处理器上运行最合适的任务，设计工程师能确保最高的性能和最高效率的产品设计。

    DSP媒体处理器的实例

    TI公司的TMS320DM644x数字媒体处理器能够满足IP STB对DSP的要求。先进的C64x+ DSP内核集成了提供视频编码和解码所需要的高速计算能力的视频协处理器以及处理用户界面、实现系统控制和便于应用编程的ARM926 RISC处理器。系统级芯片(SoC)中还集成了网络外设、音视频接口、高速存储子系统、外部存储接口和增强的直接存取接口(EDMA)，因此，BOM单中的硬件减少多达50%。

    图2显示了DM6443处理器的功能，它就是针对像STB这样的解码系统而设计的。另外一个器件，代码和引角兼容的DM6446为添加解码能力提供一种便利的升级方案。

图2：DM6443的方框图

DM644x处理器可以被编程为支持任何数量的音频和视频标准，并且能方便地通过下载网络配置和服务所需要的变更完成升级。通过对DSP和视频加速器上数学运算密集的信号处理以及在ARM处理器上的控制操作进行软件分区，可以为其它应用提供大量的性能开销。作为TI公司达芬奇技术的关键单元，DM644x处理器由基础软件和API支持，能够使视频系统开发更为直接，并简化客主之间的互通性。

    基于DSP的STB软件架构

    图3显示了基于DM644x的IP STB的基本软件架构图，其中包含诸如主操作系统、浏览器和堆栈中的中间件之类的应用软件。在基础部分是DSP/BIOS实时操作系统和链路以及RISC与DSP之间通信的框架。在该层的顶部是基本的视频表达和音视频(AV)媒体引擎的播放软件部分。

    采用其图形引擎的浏览器、客户中间件和条件接收都通过AV播放机连接到媒体引擎，它是应用和编解码器引擎之间的关键链路。各种应用软件连接到主操作系统之中，其中，还有提供通信和外部接口所必需的驱动器、TCP/IP堆栈和其它网络协议。

图3：IPTV客户软件系统

在变化市场中的互通性

    随着IPTV市场准备起飞，竞争生态系统的数量与日俱增，意味着STB开发商必须保持他们的实现方案选项具有开放性。互通性是目前市场环境中取得成功的关键。高性能DSP提供确保互通性所需要的编程灵活性，并确保在变化的IPTV生态环境中保持方案的通用性。SoC集成方案以买得起的价格带来了这些优势，并且软件使开发更快和更为简单。在不断演变的IPTV市场，基于DSP的STB将能够快速和有成效地适应变化。