IPTV生態(tài)系統(tǒng)和基于DSP的IP機(jī)頂盒設(shè)計(jì)
隨著IPTV市場準(zhǔn)備起飛，競爭生態(tài)系統(tǒng)數(shù)量的增加意味著STB開發(fā)商必須保持他們的實(shí)現(xiàn)方案選項(xiàng)具備開放性。
未來幾年，由電信業(yè)務(wù)提供商推動(dòng)的IPTV市場(利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳輸數(shù)字電視)有望形成規(guī)模。然而，目前該市場陷入了各種硬件和軟件解決方案的競爭之中，不同種類的壓縮技術(shù)非常復(fù)雜，并與家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用存在潛在的融合。這些因素使工程師在設(shè)計(jì)IP機(jī)頂盒的時(shí)候面臨決策困難，所以原始設(shè)備制造商(OEM)需要選擇處理技術(shù)，以使他們保持實(shí)現(xiàn)方案選項(xiàng)的開放性。
作為傳輸方案的焦點(diǎn)，STB必須能夠適應(yīng)它要部署的特殊IPTV“生態(tài)系統(tǒng)”的要求，因此，互通性以及處理高吞吐量的視頻所需要的性能對于這些系統(tǒng)是至關(guān)重要的。對于IPTV網(wǎng)絡(luò)可能提供的許多新應(yīng)用，可伸縮性也很重要；而成本始終是消費(fèi)電器面臨的一個(gè)問題。STB設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)看到，高度集成的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)能夠滿足這些要求，它不僅提供買得起的高度實(shí)時(shí)的性能，而且也便于重新編程以實(shí)現(xiàn)新的配置、刷新、升級和應(yīng)用。
IPTV生態(tài)系統(tǒng)
STB的設(shè)計(jì)牽涉到IPTV生態(tài)系統(tǒng)中的所有設(shè)備和軟件，主要項(xiàng)目如圖1所示。在前端，服務(wù)提供商從諸如地面廣播、預(yù)先記錄的專有內(nèi)容、衛(wèi)星電視頻道之類的節(jié)目源為IPTV傳輸經(jīng)過編碼的視頻；內(nèi)容也可以由VOD服務(wù)商直接提供。
為了確保正確的接收，所有這類內(nèi)容的傳輸都通過條件接收服務(wù)器(SAS)，它通過加密、驗(yàn)證和鑒權(quán)等措施提供傳輸?shù)陌踩?。中間件服務(wù)器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)這些單元，監(jiān)測客戶的請求、與其它服務(wù)器通信和調(diào)度傳輸，并為從事業(yè)務(wù)保障、收費(fèi)、維護(hù)和其它必要服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)管理提供接口。這種服務(wù)器也與客戶的STB通信，以管理這些請求并提供友好的圖形用戶界面(GUI)。
圖中的客戶端顯示了一個(gè)DSL調(diào)制接調(diào)器和STB，在一些情況下這兩個(gè)功能可能會(huì)結(jié)合在單一盒中。STB從寬帶連接接收和解碼IPTV信號(hào)，然后，輸出一路或更多視頻流供電視機(jī)顯示。需要注意的是：目前所提議的大多數(shù)方案不包括通過STB對互聯(lián)網(wǎng)的寬帶開放接入，但是，將來可能支持這種功能。
STB瀏覽器和中間件
在STB的頂層是承載瀏覽器的WinCE、Linux或VxWorks等操作系統(tǒng)(OS)，它的作用是圖形引擎，通過它與中間件的互動(dòng)，讓用戶方便地訪問互動(dòng)服務(wù)。中間件客戶軟件協(xié)調(diào)對網(wǎng)絡(luò)的訪問。一些瀏覽器和中間件客戶是基于具備JavaScript的HTML；而其它是基于Java并運(yùn)行在STB中的Java虛擬機(jī)(JVM)上。為了獲得更為復(fù)雜的圖形處理能力，新興的選項(xiàng)集成具有Macromedia Flash或Dynamic HTML的中間件。
這些選項(xiàng)的每一種依次更為復(fù)雜，需要更強(qiáng)的處理性能，所以，STB處理器需要具備可伸縮性，以便支持這些不同的組合。如果把圖形和視頻處理密集的任務(wù)從普通的操作任務(wù)中分離出來，處理架構(gòu)就能夠加速系統(tǒng)的整體性能，并為可伸縮性提供開銷。
服務(wù)提供商都建立了自有的系統(tǒng)，而STB必須與這些系統(tǒng)互通，以便被用于不同的IPTV環(huán)境。每一種部署都有獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)配置和一系列配套方案，所以，中間件、瀏覽器和其它軟件會(huì)隨著新功能和服務(wù)的加入而持續(xù)演進(jìn)。OEM必須考慮給定的處理器的性能是否容許系統(tǒng)具有可伸縮性，以支持這些變化并執(zhí)行新的任務(wù)。
提供安全性
基于軟件的條件接收(CA)系統(tǒng)——非常類似數(shù)字版權(quán)管理(DRM)軟件—采用諸如AES或3DES之類的安全標(biāo)準(zhǔn)，從而使針對條件接收的密鑰交換成為可能。如果黑客試圖打開密鑰，可編程處理器就容許STB作出快速修改以增強(qiáng)安全級別。
傳統(tǒng)的基于硬件的CA方法采用智能卡和固定的硬件來保護(hù)系統(tǒng)免受不安全的訪問。就像基于軟件的系統(tǒng)一樣，這些基于硬件的安全系統(tǒng)必須持續(xù)升級以擊敗黑客的攻擊；因此，CA供應(yīng)商在他們的設(shè)計(jì)中構(gòu)建了不同級別的安全性，使之不僅支持老的用法，而且滿足將來新的接收條件。(改寫)
這些安全功能要求把知識(shí)產(chǎn)權(quán)構(gòu)建到處理器之中；而因?yàn)槊恳粋€(gè)CA供應(yīng)商都有其自己的設(shè)置，STB制造商需要確保對所有主要的供應(yīng)商都提供適當(dāng)?shù)闹С帧?
最近，水印系統(tǒng)已經(jīng)引起了內(nèi)容所有者、服務(wù)提供商和向他們提供IPTV設(shè)備的制造商的興趣。在內(nèi)容未經(jīng)適當(dāng)授權(quán)而被接收的情況下，水印技術(shù)容許服務(wù)提供商快速定位這種非法接收的地點(diǎn)，在那里要升級CA。
視頻編碼和VOD
MPEG-2是目前業(yè)內(nèi)所使用的老一代視頻編解碼(編碼器/解碼器)，它在標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視中已經(jīng)使用多年，而現(xiàn)在也常被用于高清晰度電視。最初推出的IPTV采用的就是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，然而，為了提高帶寬利用率和增加所容納的家庭的數(shù)量，許多服務(wù)提供商正在采用更為先進(jìn)的多媒體數(shù)字信號(hào)編解碼器標(biāo)準(zhǔn)，如H.264/MPEG-4部分10/AVC和WMV9/VC1。這些較新的編解碼器的帶寬利用率通常比MPEG-2提高了兩個(gè)數(shù)量級。除了這些流行的先進(jìn)編解碼器之外，中國正在部署其自己的新標(biāo)準(zhǔn)，即AVS。
與視頻編解碼器配套的有采用各種音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的音頻編解碼器。還要考慮的是：在每一種編解碼器規(guī)范內(nèi)，都有一些解釋空間，讓編碼器供應(yīng)商能夠持續(xù)增強(qiáng)其產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)更佳的品質(zhì)并減少比特率。因此，存在若干可能的音頻和視頻編解碼器的組合，它們在實(shí)現(xiàn)方案上與不同編碼器供應(yīng)商的方案略微不同。
視頻點(diǎn)播通信的基礎(chǔ)是RTP和RTSP；RTP是下行傳輸?shù)牧鲄f(xié)議，RTSP是針對數(shù)據(jù)的控制協(xié)議，兩者都容許在實(shí)現(xiàn)中建立極大的靈活性。為了使互通性變得更為復(fù)雜，不同的VOD供應(yīng)商采用完全具有自主編碼特性的不同的離線編碼器。為了減少問題，來自不同供應(yīng)商的VoD服務(wù)器可能由一家IPTV服務(wù)提供商安裝。
面對多種編解碼器、不同種類的編解碼器組合和實(shí)現(xiàn)方案以及不同的協(xié)議解釋，所有這些因素都要求待設(shè)計(jì)的STB具有靈活性和可伸縮性，以支持廣泛變化、持續(xù)升級的互通性要求。
家庭聯(lián)網(wǎng)
因?yàn)镾TB共享數(shù)字媒體適配器(DMA)所采用的大部分技術(shù)，STB也有望可能通過以太網(wǎng)、HomePlug、WLAN或Moca連接到家庭網(wǎng)絡(luò)。STB然后可以接收并玩從個(gè)人電腦下載的內(nèi)容，如顯示照片夾、播放音樂或者甚至從互聯(lián)網(wǎng)下載影片。應(yīng)該考慮的是：STB也可能配備其自己的硬盤以記錄IPTV播放的內(nèi)容，然后這些內(nèi)容可以通過互聯(lián)網(wǎng)共享。
如果STB被連接到娛樂系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)DVD播放機(jī)、音響系統(tǒng)和游戲機(jī)，那么，融合的可能性就更為有趣。最終，諸如視頻電話和在線賭博之類的應(yīng)用也可能與STB融合，從而帶來他們自身的一系列互通性問題。
為了能夠處理這些新的融合應(yīng)用，至關(guān)重要的一點(diǎn)是STB必須支持各種各樣家用電器系統(tǒng)所使用的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵诩彝ゾW(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在不同的需求，它也為用戶提供了各種服務(wù)。例如，如果把4Mbps MPEG2流轉(zhuǎn)換并編碼為1.5-Mbps WMV9流，就可以保持帶寬并增加在給定的硬盤空間內(nèi)所存儲(chǔ)的內(nèi)容。
作為一個(gè)例子，從CA轉(zhuǎn)換為DRM安全可以確保保護(hù)家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的視頻內(nèi)容。行業(yè)聯(lián)盟—數(shù)字生活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(http://www.dlna.org)—所關(guān)心的是為家庭網(wǎng)絡(luò)開發(fā)互通性標(biāo)準(zhǔn)，目前在家庭網(wǎng)絡(luò)上最為流行的產(chǎn)品都遵循DLNA標(biāo)準(zhǔn)。
STB對處理器的要求
雖然人們正在部署不同的IPTV生態(tài)系統(tǒng)，在不同的系統(tǒng)和配置中實(shí)現(xiàn)互通性不僅從短期看很重要，而且從長期看也很重要，因?yàn)槭挛镌诔掷m(xù)地發(fā)展。隨著不同的服務(wù)提供商開始配置由許多操作系統(tǒng)、壓縮技術(shù)、中間件、瀏覽器、CA/DRM、實(shí)時(shí)編碼器供應(yīng)商和VoD服務(wù)器供應(yīng)商的產(chǎn)品構(gòu)成的可能組合方案，STB將不得不適應(yīng)這種多組合的應(yīng)用需求，同時(shí)，也是為了滿足提供商向其產(chǎn)品中添加新服務(wù)所提出的要求。成功的STB設(shè)計(jì)將依賴于提供高性能、編程靈活性、可伸縮性和高系統(tǒng)級集成的處理解決方案。
音視頻編解碼器、圖形加速、通信和許多潛在融合的家庭應(yīng)用將需要高級的性能，大多數(shù)是對實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力的要求。通過使用加速器并把信號(hào)處理任務(wù)進(jìn)行軟件分區(qū)就可以增強(qiáng)性能，例如，視頻解碼最好由從事控制任務(wù)的DSP來處理，用戶界面采用RISC處理器來處理就比較好。通過在處理器上運(yùn)行最合適的任務(wù)，設(shè)計(jì)工程師能確保最高的性能和最高效率的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
DSP媒體處理器的實(shí)例
TI公司的TMS320DM644x數(shù)字媒體處理器能夠滿足IP STB對DSP的要求。先進(jìn)的C64x+ DSP內(nèi)核集成了提供視頻編碼和解碼所需要的高速計(jì)算能力的視頻協(xié)處理器以及處理用戶界面、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和便于應(yīng)用編程的ARM926 RISC處理器。系統(tǒng)級芯片(SoC)中還集成了網(wǎng)絡(luò)外設(shè)、音視頻接口、高速存儲(chǔ)子系統(tǒng)、外部存儲(chǔ)接口和增強(qiáng)的直接存取接口(EDMA)，因此，BOM單中的硬件減少多達(dá)50%。
圖2顯示了DM6443處理器的功能，它就是針對像STB這樣的解碼系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。另外一個(gè)器件，代碼和引角兼容的DM6446為添加解碼能力提供一種便利的升級方案。
DM644x處理器可以被編程為支持任何數(shù)量的音頻和視頻標(biāo)準(zhǔn)，并且能方便地通過下載網(wǎng)絡(luò)配置和服務(wù)所需要的變更完成升級。通過對DSP和視頻加速器上數(shù)學(xué)運(yùn)算密集的信號(hào)處理以及在ARM處理器上的控制操作進(jìn)行軟件分區(qū)，可以為其它應(yīng)用提供大量的性能開銷。作為TI公司達(dá)芬奇技術(shù)的關(guān)鍵單元，DM644x處理器由基礎(chǔ)軟件和API支持，能夠使視頻系統(tǒng)開發(fā)更為直接，并簡化客主之間的互通性。
基于DSP的STB軟件架構(gòu)
圖3顯示了基于DM644x的IP STB的基本軟件架構(gòu)圖，其中包含諸如主操作系統(tǒng)、瀏覽器和堆棧中的中間件之類的應(yīng)用軟件。在基礎(chǔ)部分是DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和鏈路以及RISC與DSP之間通信的框架。在該層的頂部是基本的視頻表達(dá)和音視頻(AV)媒體引擎的播放軟件部分。
采用其圖形引擎的瀏覽器、客戶中間件和條件接收都通過AV播放機(jī)連接到媒體引擎，它是應(yīng)用和編解碼器引擎之間的關(guān)鍵鏈路。各種應(yīng)用軟件連接到主操作系統(tǒng)之中，其中，還有提供通信和外部接口所必需的驅(qū)動(dòng)器、TCP/IP堆棧和其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
圖3：IPTV客戶軟件系統(tǒng) |
在變化市場中的互通性
隨著IPTV市場準(zhǔn)備起飛，競爭生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量與日俱增，意味著STB開發(fā)商必須保持他們的實(shí)現(xiàn)方案選項(xiàng)具有開放性。互通性是目前市場環(huán)境中取得成功的關(guān)鍵。高性能DSP提供確?；ネㄐ运枰木幊天`活性，并確保在變化的IPTV生態(tài)環(huán)境中保持方案的通用性。SoC集成方案以買得起的價(jià)格帶來了這些優(yōu)勢，并且軟件使開發(fā)更快和更為簡單。在不斷演變的IPTV市場，基于DSP的STB將能夠快速和有成效地適應(yīng)變化。
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