机顶盒与芯片解决方案

      一 前言


      机顶盒产品被认为是继个人电脑和手机之后，第三个拉动半导体市场的整机产品，而中国又被看作是机顶盒的主要生产地之一。

      目前，机顶盒大致分为数字电视机顶盒和IP机顶盒，前者又分为DVB-S、DVB-C和DVB-T机顶盒。数字电视机顶盒的主要作用是提供数模信号转换的功能，使用户能够用原有的模拟电视机收看数字电视节目。根据iSuppli的有关报告，2008年中国数字电视终端的产值将达到110亿美元，出货量将达到5200万台，全球80%的数字电视终端将产自中国。下图给出了2001到2005年之间数字电视机顶盒的产量和年增长率。


图1 2001- 2005年有线机顶盒的产量和增长率
资料来源：2005-2006年中国机顶盒产业及芯片市场研究年度报告

      今年来，随着互联网的应用日益广泛，宽带网络的建设与发展十分迅速，这有力地推动了IPTV业务的发展，电信设备制造商纷纷投入到IP机顶盒的研发生产。据市场调研公司ABI Research新近发表的调查报告显示，近期IP机顶盒(IP-STB)市场的增长速度将至少是cable或卫星机顶盒的四倍，未来五年全球cable和卫星机顶盒出货量预计将以13-14%的年复合增率增长，而同期IP-STB的增长率将为60%以上。


      因此，整个机顶盒市场将引发价值超过十亿美元的半导体销售市场，受到了国内外半导体厂商的格外关注。有不少厂商瞄准机顶盒市场，推出了相应的芯片及解决方案。在下文中，我们将对一些芯片和方案进行介绍和分析。在此之前，我们先了解一下机顶盒的构成与功能。

      二 机顶盒的构成与功能


      机顶盒由软件和硬件两大部分组成。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，如图2所示。


       核心控制单元一般采用嵌入式系统处理器芯片，可以运行实时操作系统。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(DSP)，也有采用软件解码实现的。数字电视机顶盒的通信接口一般是传输流(TS)接口，其前端是RF调谐器和解调器。IPTV机顶盒的网络通信接口根据网络接入方式的不同可配置成高速以太网接口、ADSL接口或无线局域网接口等。媒体播放接口基本配置有复合音视频端子和S端子，较高配置可有YPbPr、YCbCr和数字音频输出接口。控制接口是指用户操作控制机顶盒的接口，一般以红外遥控器为主。除以上基本业务应用所必需的接口外，可根据业务需要配置USB接口、串行接口、智能卡接口等其他扩展接口。


图2 机顶盒的硬件结构

      软件则一般分成应用层、中间层、操作系统和驱动层三层，每一层都包含了诸多的程序或接口等。


图3 机顶盒的软件结构

      基于上面提到的硬件和软件，除了基本的电视功能外，机顶盒也可以为用户提供丰富的应用和服务，包括视频录制、视频点播、电子节目指南、电子邮件、Web浏览、即时信息、电视商务、可视电话、股票信息浏览、游戏、万年历等。 {{分页}}

      三 几类主要的机顶盒芯片解决方案


     从图2可以看出，机顶盒硬件中的核心器件是核心控制单元（CPU）和媒体处理单元（编解码器）。以数字电视机顶盒为例，图4给出了2005年中国数字电视机顶盒产品中的主要芯片的成本构成。不难看出，解码芯片在整个成本中占有最大的比例，而且随着前端的调谐器芯片(Tuner)和解调芯片(Demodulator)的集成，以及解码芯片对更高级的音视频格式和更丰富应用的支持，解码芯片在成本中将占有更大的比例。因此，核心控制单元和媒体处理单元在整个机顶盒硬件系统中将扮演更重要的角色。


图4 2005年中国数字电视机顶盒芯片市场产品结构
资料来源：2005-2006年中国机顶盒产业及芯片市场研究年度报告

       以媒体处理单元为核心，在目前主流的机顶盒产品中，大致有如下三类芯片解决方案：

      (1) 基于专用SoC芯片的架构（RISC CPU+ASIC）  


       专用SoC芯片内部除了嵌入式CPU以外，还集成了专门的硬件模块，用于音视频解码和后处理等，它一般还集成了一些外设接口，如音视频输入输出、网络连接、外部存储接口等。嵌入式CPU可运行嵌入式操作系统，其上可加载多种应用程序。由于采用了硬件解码，这种方案具有固定的微码和固定的处理方式，无需开发复杂的多媒体算法程序，因而可缩短开发周期，降低开发成本。硬件解码的另一个好处是功耗较低，系统稳定性好。


      基于这种结构的机顶盒成本较低，在IPTV业务起步阶段，一般由业务运营商向用户免费提供机顶盒，选用专用芯片结构的机顶盒，在保证基本业务的前提下，能够使业务运营商节省运营开支，对业务推广无疑会起到很好的作用。
但这种结构相对于DSP和CPU方案而言，缺乏灵活性，只能支持有限的音视频格式。

      (2) 基于多媒体数字信号处理器(DSP)的架构


       基于多媒体处理器技术的IPTV机顶盒，采用了高性能数字信号处理器和嵌入式CPU作为核心芯片。DSP主要用于视频和音频的解码处理，嵌入式CPU用来控制处理从各种接口来的数据以及运算需求。采用多媒体数字处理器结构可以灵活地实现多种音视频格式的编解码标准。到目前为止，用于IPTV业务的媒体格式还没有统一标准，各运营商也处于测试选型阶段，因此基于多媒体数字信号处理器结构的机顶盒可以灵活编写不同代码提供多格式解码能力。  
相对于(1)的架构，基于DSP的方案的开发周期较长，开发成本较高；功耗也较大，系统稳定性较差；整机的成本也稍高。

      (3) 基于X86的架构


       对比基于RISC架构CPU的嵌入式系统，基于X86架构CPU的嵌入式系统有如下优势：它具有最高的灵活性，可以对不同格式的文件进行编解码；软件开发的难度相对DSP开发而言较低。基于X86结构的机顶盒一般都使用Windows系列操作系统，其上集成了大量的应用软件，可轻松地与PC共享资源。
这种机顶盒产品的功耗较大，发热量高，稳定性较差；而且价格较贵，只能面对高端消费群体，在初期对于一般消费者缺乏吸引力。

      四 机顶盒核心芯片及解决方案举例

     (1) ST的STi5517


      意法半导体(STMicro)是世界上最大的MPEG-2解码器芯片供应商，其MPEG-2解码器芯片对机顶盒厂商的出货量达到6,600万件（截至到2004年）。其STi5517是一款低成本的基于CPU+ASIC架构的数字电视机顶盒核心芯片，内置180MHz的32位CPU ST20和支持MPEG-2 MP@ML的硬件解码器。内置TS解复用模块，内含PAL/NTSC/SECAM视频编码器，支持RGB, CVBS, Y/C和YUV输出。它还可通过电话线回传实现交互式付费电视的应用。如图5所示，配上ST的DVB-S, DVB-C或DVB-T前端芯片，就可以实现典型的数字电视机顶盒系统。


图5 基于STi5517的数字电视机顶盒系统框图 {{分页}}

      类似的芯片还有ST的STi5188，LSI Logic的AVIA-9700和Conexant的CX22490/6等，它们的功能较简单，一般不带有USB和硬盘接口，具有较好的成本优势。


       在中高端方案方面，这些芯片厂商推出的方案具有高集成度、高性能的特点。如LSI Logic的AVIA9600、ATI公司的XILLEON220和ST公司的STi5528。该些方案的共同特点是处理器性能得到很大提高，以STi5528为例，该芯片集成了双CPU，其数据处理能力超过300MIPS。该类方案通常还集成了更多的外围接口功能，如硬盘接口、IEEE1394和USB。此外，该类方案通常具有优越的音频和图像处理功能。这类芯片的目标应用主要是具有网络浏览功能和多种交互式应用的中高端机顶盒。


      现在一般的家庭已经有多种数字设备，设备间的数字信号传输是这些设备必须具备的功能，因此机顶盒集成USB、IEEE1394将是必然的趋势。 此外，机顶盒的DVR功能未来将成为其标准配置，目前在上海数字有线中应用的机顶盒产品都集成了DVR功能。已有多家方案提供商都提供带DVR功能的方案，如Conexant公司的CX2416x提供了SATA硬盘驱动接口，ST的STi5514和STx5524提供全功能DVR。  

     (2) TI的DM642


      TI的DM642是一款专门面向多媒体应用的专用DSP，时钟高达600MHz，具有8个并行运算单元，处理能力高达4800MIPS。此外，它还集成了3个可配置的视频端口、面向音频应用的McASP、10/100Mbps的以太网MAC等外设。通过编程，DM642可灵活地支持MPEG-1/2/4, WMV9, Real Video, H.264等格式的D1尺寸的实时解码。DM642方案已经得到机顶盒制造商Humax等的采用。


      DM642具有很强的运算能力，但不能很方便地支持操作系统，需要开发人员自行开发，对开发人员要求较高；而ADI的Blackfin本身支持Linux，无需设计人员再花费额外精力。Blackfin汇聚了控制处理、媒体处理、多模基带通信等功能，采用了融合RISC/DSP的新兴架构。


      TI于去年推出了达芬奇平台，采用了90纳米的制造工艺，集成了DSP内核、ARM926处理器以及视频加速协处理器，并整合了各种组件和开发工具，降低了开发的门槛。但是达芬奇平台的成本还是比较高。


      在IPTV机顶盒方面，一些公司推出了两种基于TI DSP的解决方案。一种是采用单片DM642的解决方案；另一种是采用DM642+DM342的双核方案，由于价格较高，目前主要是在日本和台湾等地采用。


     在大陆市场，IPTV机顶盒往往是通过运营商赠送给用户，因此对于方案提供商来讲，价格便宜是主要的考虑。Blackfin具有价格的优势，因此更适合用于IPTV机顶盒的市场推广。  

     (3) Intel 854芯片组


      X86架构的代表厂商如英特尔、威盛近年都在加速其向消费电子领域进军的步伐，如英特尔在2005年推出了854芯片组，主要面向IP机顶盒和数字录像机应用。854芯片组支持2GB的DDR 333MHz系统存储器以及整合式绘图引擎，内含一个400MHz的系统总线，以支持超低电压版Intel Celeron M处理器(600MHz)；采用该款处理器与芯片组的平台可使用一个被动式(无风扇)散热解决方案。除了支持整合式10/100M LAN网络外，该芯片组还支持6个USB 2.0/1.1接口和2个Ultra ATA/100(IDE)信道，以连结硬盘与其它储存装置。该平台还针对Microsoft WinCE 5.0操作系统提供板级支持包(BSP)。


      威盛最新推出的VIA Eden处理器也可以用于机顶盒。与VIA Eden处理器家族先前的产品相比，这款处理器在业界主要的测评中平均性能普遍提升了30%以上。


       基于X86架构的解决方案非常灵活，功能齐备，而且能与PC共享应用资源，但是价格较高，目前在成本、功耗和面积方面出于劣势。

     (4) 上海杰得的X900

      杰得 X900是一款0.13微米工艺的高集成度的多媒体SoC芯片，提供高性能、低功耗的音视频处理能力。它集成了ARM926嵌入式CPU，内建了硬件MPEG-4 VGA编解码器、H.264和VC-1标清解码器、硬件视频处理单元及视频传感器接口；还提供了众多外设接口，比如红外、智能卡、视频输入输出、音频输入输出、高速USB、PCI等。如下是基于X900的高端IP机顶盒解决方案的系统框图，除了IP机顶盒的一般功能外，它还具有PVR、可视电话和视频监控等功能。


图6 基于杰得X900的高端IP机顶盒方案系统框图 {{分页}}

      X900的ARM926EJ的主频可达266MHz，可运行WinCE和Linux等嵌入式操作系统及上面的应用程序。杰得提供全套板级支持包，包括引导程序、操作系统、硬件驱动、中间件、示例应用程序及相关文档。X900用硬件解码支持MPEG-4，H.264和VC-1，涵盖了目前IP机顶盒需要支持的视频格式，硬解码满足了系统对高性能、低功耗和低成本的要求。


       X900支持到标清格式的解码，可满足未来两三年内的商用需要。杰得的下一代芯片将支持多格式的高清解码，以适应未来机顶盒和数字家庭的发展趋势。


       目前，Broadcom、Sigmadesigns、ST等都已推出多格式的解码芯片，用于高清DVD、数字电视或机顶盒等市场。

       五 机顶盒发展趋势


      随着3C的日益融合和信息技术的不断进步，机顶盒及其核心芯片也呈现出新的发展趋势。


     （1）多种视频标准并存，单芯片多格式解码日趋主流


       近年来，具有更高压缩效率的视频编码标准不断推出，改变了MPEG-2一统江湖的局面。开源软件推动MPEG-4成为Internet和PC上的主流格式；Microsoft凭借其在操作系统上的优势地位和在美国产业界的影响，推动它的WMV9技术成为被SMPTE采纳的VC-1标准，其DRM（数字权利管理）技术也赢得了部分内容提供商的青睐；新近推出的H.264标准更是凭借其出色的编码效率，赢得了产业界的一致认同；中国的AVS标准也初露头角，成为了中国的国家标准。但在某些领域，特别是数字电视和广播业界，由于支持MPEG-2的系统和设备也已成熟，在短期内也不可能全盘替换。所以在未来几年，机顶盒市场将呈现多种视频标准并存的局面。这种局面给机顶盒的核心解码芯片设计带来了巨大的挑战。如上文所述，国内外多家公司都已单芯片支持多格式解码为目标，推出了芯片及解决方案。随着机顶盒市场的增长，芯片的成本将逐渐降低，单芯片多格式解码将成为主流。


     （2）标清向高清过渡，高清时代正在来临


       在今年的CCBN展会上，众多机顶盒厂商都展出了各式各样的高清机顶盒。随着高清内容的日益丰富，平板高清电视走入日常百姓家，以及高清卫星频道的开通，美国、欧洲和日本的高清市场已走入正轨，中国也开始具备少量高清节目源，例如CCTV今年1月正式播出高清节目，上海和深圳也开始了高清的试播，因此，高清解码芯片成为亮点，比市场要早走一两步的芯片方案也越来越多地支持高清解码和显示。


      目前高清市场有两大特点：一是部分电视运营商要通过原先传输标清节目的窄信道发射需要更大带宽的高清节目，引进了一种名为DOCSIS3.0的信道捆绑技术，这就要求机顶盒芯片与之呼应；其次，高清节目的码率更高，需要效率更高的解码芯片。


     （3）机顶盒与数字家庭融合，向数字娱乐存储中心发展


图7 机顶盒和数字家庭

      随着更高性价比芯片方案的推出以及整个市场的启动，作为与宽带资源连接同时与家庭最大的显示设备相连的机顶盒(如图7所示)，其功能将可能发生明显的转变，交互式应用功能将大大增强并集成更多的应用。此外，机顶盒具有友好的应用界面，将可能部分替代PC，作为家庭数据储存中心，甚至是家庭多媒体网关。 其核心芯片在强化多媒体处理能力的同时，也将具备更强的网络处理能力，以适应未来数字家庭对多媒体与网络进一步融合的要求。

      六 结语


      随着模拟电视向数字电视的过渡和宽带网络的迅速普及，机顶盒市场将进一步升温，进入快速成长的阶段。在机顶盒产品中，音视频解码芯片处于核心地位，在很大程度上决定了机顶盒的功能和成本。本文对市场上主流的音视频解码芯片的架构进行了介绍，并着重分析了几款具有代表性的机顶盒核心芯片。随着3C的日益融合和信息技术的不断进步，机顶盒市场呈现出新的发展趋势，也给核心芯片的设计带来了新的挑战。