机顶盒档案

钟玉琢、王艺梅
1999年 第38期 33版


    机顶盒（STB－Set Top Box）是消费类电子产品，它提供与电视机的接口以及附加的各种服务。机顶盒的数据及电视节目通常通过下述四种通道接收：有线电视电缆（CATV电缆）；电话线；DBS（Direct－Broadcast Satellite）业务；Video－CD播放器。下面所述机顶盒主要是前两种。 
#1    机顶盒的产生和发展
    最初，机顶盒的引进是为了弥补电视调谐器能力的不足。如果调谐器屏蔽不够好，无线广播的电视信号将混入电缆传输的有线电视信号中，影响图像质量。于是出现了一个类似黑盒子的设备，用它接收电缆信号，把信号频率移到广播所不占用的频带上，这便是最早的机顶盒。第二代机顶盒增加了可编址的能力，即每个机顶盒对于视频服务器具有唯一的地址，这样，用户从有线电视广播的信号中选择与自己地址相匹配的数据接收，通过这种方法，视频服务器可以对用户有选择地发送视频信号。目前的机顶盒已进入了交互式的一代，它无论在解码能力、显示效果还是交互性方面，都远远超过了前两代。
    S－A（Scientific－Atlanta）在1994年为Time Warner Cable公司设计了第一个数字机顶盒（Digital Set Top Box），采用SGI的MIPS芯片和软件技术，从此，数字机顶盒将计算机技术引入到家电领域；1997年6月，Microsoft公司用10亿美元收购了美国Comcast有线电视公司11.5％的股份，从此介入有线电视领域，并提出一套简单的技术解决方案，开始进行数字机顶盒的设计，Microsoft公司提出将Cable Modem与数字机顶盒结合成一体，操作平台是为手持电脑设计的Windows CE操作系统，这样就把电脑编程技术广泛地应用到数字电视和Internet及各种消费类电子产品中。（^383301a^） 
#1    机顶盒的分类
#1    1.模拟型机顶盒和数字型机顶盒：
    模拟型机顶盒接收和处理模拟信号。这意味着数据解码和数/模转换的功能需要在传输之前由视频服务器进行。另外，对网络的传输能力也有很大的要求。
    数字型机顶盒接收的信号是压缩数字视频信号。因此，机顶盒本身需要具有解压缩和模拟电视信号编码的能力，其价格要大大高于模拟型机顶盒。
    采用模拟型机顶盒的系统把费用由机顶盒转向了服务，由于机顶盒的数量很多，所以系统整体的价格降低了。但是，服务器解码的能力有限，所以限制了用户的数量。目前的交互式电视系统使用的基本上是数字型机顶盒。
#1    2.非智能型机顶盒和智能型机顶盒：
    非智能型机顶盒只负责将用户的交互请求传送到服务器，所以交互服务的处理都在服务器中完成。由于服务器具有大容量的存储器，应用程序的开发可以按照常规方式进行。
    智能型机顶盒本身执行一部分应用程序，对于高度交互的服务（如交互式视频游戏）可以提供立即的响应。智能型机顶盒需要大容量的内存和较高的处理能力。
#1    3.基于计算机的机顶盒和基于电视的机顶盒：
    机顶盒的设计可以基于一台工作站或PC的硬件，并在计算机的屏幕上进行输出；也可以单独设计硬件，连接到电视机上，并用遥控器进行控制。
    但是两种类型的机顶盒今后几年内不可能完全融合，因为在使用上，电视和计算机具有以下几点基本差异：
    ·电视一般屏幕较大，而同样尺寸大小的计算机监视器十分昂贵。
    ·我们在收看电视时，习惯上是被动的，而计算机的使用具有高度的交互性。
    ·电视很容易使用，而计算机具有复杂的界面，需要经过专门学习。
    ·电视机用遥控器控制，而计算机有许多接口设备，如键盘、鼠标、游戏杆等。
    ·电视的使用目的主要是娱乐，而计算机主要用来处理信息、办理业务等。
    所以，选用哪种类型的机顶盒需要根据系统提供的主要类型而定。 
#1    机顶盒的功能
    机顶盒作为用户前端设备，它是用户控制交互式电视的接口。所以除了能提供一定质量的音频与视频输出之外，还应该完全支持系统交互。一个交互式电视机顶盒，应该具有以下几项功能：
#1    1.提供与网络的接口：
    这是机顶盒的一个最基本的功能。机顶盒从网络中选择接收所需信息，并把用户的命令经过返回通道送给服务器。
#1    2.音频与视频的解码：
    机顶盒需要能够提供高质量的视频和音频输出。用户希望视频质量能够达到广播级：NTSC格式的分辨率为720×486，而HDTV格式则需要1920×1080。此外，用户希望能提供CD质量的音频，即以44.1KHz或更高的速率对每个声道进行16位采样。
#1    3.用户界面的图形控制：
    机顶盒应该具有电子节目导游（EPG－Electronic Program Guide）功能，通过交互选择，使用户能方便地从众多服务中挑选自己所需要的。
#1    4.外围设备控制：
    最普通的外围控制设备是红外线遥控器。为了支持视频游戏，机顶盒可以连接游戏操纵杆。此外，机顶盒还可以连接CD－ROM、录像机、打印机、键盘等，提供更多的功能。
#1    5.安全与权限管理：
    安全与权限管理是机顶盒与一般计算机的一个关键区别。于一般计算机所不同的是，机顶盒的基本功能是提供付费服务，这保证了视频提供者获得一定的报酬，并向用户合理地收费。机顶盒还包括其它扩展功能，这些功能可以通过可选件的形式实现，由用户根据需要，选择购买使用。 
#1    机顶盒的硬件结构
#1    1.系统控制子系统：
    系统控制子系统中运行着一个实时操作系统，用以管理机顶盒的活动和资源。系统ROM中包含有自举代码和基本操作系统的服务程序，RAM则由操作系统、应用服务程序和数据所共享。
    目前有不少CPU可以用于机顶盒的控制系统。其中使用最多的是Motorola 68000系统微处理器。还有一些系统使用的是Power PC。Power PC在外围设备控制、通讯等方面的性能和集成度都比68000要强。Philips公司1996年在国际市场上推出了Timedia芯片，将视频和音频的输入输出部件、编码/译码协处理器（可支持MPEG－1和MPEG－2标准），和图像协处理器与CPU做在同一个芯片上，具有多种多媒体操作功能，对机顶盒的设计可提供强有力的支持。
#1    2.视频控制子系统：
    视频控制子系统对压缩视频流进行解码。目前视频的压缩基本上采用的是MPEG（Motion Pictures Experts Group—运动图像专家组）标准。随着微处理器功能的提高，解码工作将完全由软件实现。机顶盒在解码前，只需根据视频流的不同压缩标准，从服务器中下载不同的解码程序，这样可以适应各种类型的编码视频流。
#1    3.音频控制子系统：
    音频控制子系统通过对音频数据流的解码，产生与视频同步的音频输出，或游戏及其它服务程序的背景音乐。作为可扩展的功能，音频子系统还可以用于实现高保真的音响服务。
#1    4.图形控制子系统：
    图形控制子系统产生菜单服务器程序所需的图形界面。此外，它还用于视频游戏等二维或三维图形的加速显示。
    机顶盒图形界面的要求由服务的种类和机顶盒的复杂程序决定。将来的服务类型对机顶盒的图形显示具有很高的要求，如32767种颜色、至少640×480的分辨率等，以支持各种复杂的界面。
#1    5.网络接口子系统：
    网络接口子系统将机顶盒连接到网络上，处理有关网络协议，接收输入信息流，并返回用户的控制命令。
#1    6.外围设备控制子系统：
    外围设备控制子系统使用户可以把多种外设连接到机顶盒上。其中，最基本的外设接口是红外线遥控器，使用这种单键遥控器，可以获得类似鼠标的功能。
    根据用户的需要，机顶盒还可以提供更多的接口，如：游戏操纵杆、键盘、鼠标以及打印机、磁盘驱动器、CD－ROM、录像机等等。
    随着半导体工业的发展，机顶盒的硬件结构将高度地集成化，主要功能将集中到4个芯片上：
    （1）中央处理器：包括一个高性能的CPU、时钟和系统存储器；
    （2）媒体处理器：包括视频、音频的解压缩器、图形加速器、显示控制器等；
    （3）外设控制器：集成了外围设备控制的所有功能；
    （4）网络通讯芯片：包括所有通讯和网络接口功能，如调制与解调、加密与解密、权限管理等。
    机顶盒硬件的高度集成，使其价格可以降低，但带来的一个问题是难以扩展和升级。由于数字信号拥有模拟信号无法相比的优点，而且传输信号、视频信号等都是数字信号，机顶盒也将是全数字式的。
    将来的机顶盒的硬件结构与目前的大不相同，高速的微处理器将代替几乎所有功能模块，存储系统在机顶盒中占有重要的地位。考虑到价格的因素，用户可以根据所需的性能要求和服务种类选择内存的大小。
    最终的机顶盒结构将取决于处理器的能力和人们对机顶盒性能的要求。
#1    数字机顶盒支持的主要业务
    ·模拟电视广播（现有PAL、NTSC电视节目）
    ·模拟加扰电视广播（一有模拟和数字加扰方式）
    ·模拟付费电视服务（Pay－Per－View）
    ·数字电视广播（DVB MPEG－2）
    ·数字加扰电视广播（MPEG－2 数字加密）
    ·数字付费电视（MPEG－2）
    ·数字准视频点播（Near Video－On－Demand MPEG－2）
    ·数字视频点播（Video－On－Demand MPEG－2）
    ·单向数据服务（下行使用同轴电缆，上行采用电话线）
    ·双向数据服务
     

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