IP網(wǎng)絡(luò)上的IPTV終端及機頂盒技術(shù)-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯IP網(wǎng)絡(luò)上的IPTV終端及機頂盒技術(shù)-基礎(chǔ)電子作為支持交互式應(yīng)用的IP機頂盒，將不僅支持IPTV業(yè)務(wù)，還將在更為廣闊的交互式多媒體領(lǐng)域發(fā)揮作用。

寬帶網(wǎng)絡(luò)和接入技術(shù)的發(fā)展，擴大了寬帶業(yè)務(wù)的應(yīng)用范圍。大眾熟悉的TV節(jié)目不僅可以通過Cable傳輸?shù)絋V上看，也可以利用寬帶IP網(wǎng)絡(luò)用PC、手機或機頂盒+TV的方式看電視，這就是IPTV的力量。IPTV概念的出現(xiàn)引起電視和電信兩大行業(yè)的強烈爭議，電視行業(yè)認(rèn)為IPTV是數(shù)字電視的補充，應(yīng)以IPoverDVB技術(shù)實現(xiàn)，電信行業(yè)則認(rèn)為IPTV是IP網(wǎng)絡(luò)上的一個增值業(yè)務(wù)，采用TVoverIP的方式實現(xiàn)。由于各行業(yè)實現(xiàn)IPTV采用的技術(shù)不同，使得呈現(xiàn)業(yè)務(wù)的用戶終端也大有不同。數(shù)字電視是以Cable和衛(wèi)星傳送電視信號，用戶終端是STB-C+TV或STB-S+TV；電信的用戶IPTV終端主要有3種類型：個人電腦+軟件播放器、電視機+機頂盒以及用于移動流媒體平臺的多媒體手機。本文主要介紹用于IP網(wǎng)絡(luò)上的IPTV終端和機頂盒技術(shù)。

一、IPTV終端類型

1.基于PC的終端系統(tǒng)

基于PC的終端系統(tǒng)是沿用互聯(lián)網(wǎng)視頻的應(yīng)用形式，利用網(wǎng)絡(luò)流媒體技術(shù)傳送某種格式的數(shù)據(jù)流，用戶可在計算機上利用相應(yīng)的播放器對壓縮的視音頻流媒體文件解壓后進行播放。這種形式的終端硬件比較簡單，只需要1臺具有以太網(wǎng)卡的PC機安裝相應(yīng)的播放器應(yīng)用軟件就可以播放音視頻節(jié)目和上網(wǎng)瀏覽。目前應(yīng)用較多的播放器軟件主要有微軟的WindowsMediaPlayer、Apple公司的QuickTime和RealNetworks公司的RealPlayer。

基于PC機的終端系統(tǒng)優(yōu)點是簡單，投資小，上網(wǎng)方便等。缺點首先是每一種播放器軟件都局限于廠商私有的文件格式，通用性差。其次是利用PC顯示器觀看電視節(jié)目相對于電視機觀看屏幕小并且舒適度差。再次是對于不會使用電腦的人來說根本無法享受此項業(yè)務(wù)。

因此鑒于以上分析，利用PC作為IPTV終端系統(tǒng)只能是臨時或在不適于擺放電視機的場所使用，并不適于大范圍推廣。

2.基于STB的終端系統(tǒng)

基于STB的終端系統(tǒng)是兼顧PC和電視機的功能，既具有PC的處理能力，又具有電視機的觀看效果。同時，STB極有可能作為家庭網(wǎng)絡(luò)/媒體中心出現(xiàn)在下一代家庭網(wǎng)絡(luò)中。因此，IPTV終端更看好電視機+機頂盒方式，將成為IPTV業(yè)務(wù)終端的主流。

基于STB的終端系統(tǒng)以電視機作為顯示器，利用專用的IP-STB對網(wǎng)絡(luò)音視頻媒體數(shù)據(jù)接收和解壓，轉(zhuǎn)換為電視信號格式輸送給TV播放。

STB作為用戶端設(shè)備要具備的功能包括以下方面：

支持視頻點播、組播和Internet瀏覽以及短消息、可視業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)游戲；

支持目前應(yīng)用較多的LAN、xDSL或WLAN等多種寬帶接入方式，支持TCP/UDP/IP協(xié)議族，完成互操作信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸，接收及處理IP數(shù)據(jù)和視頻流媒體數(shù)據(jù)；

支持對多媒體碼流的解碼能力，電視屏幕顯示和數(shù)字版權(quán)管理；

支持內(nèi)容緩存、交互控制、接入鑒權(quán)和業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)管理功能。

3.移動終端系統(tǒng)

提到用于IPTV的移動終端系統(tǒng)人們自然會想到3G手機，它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多媒體，并利用無線通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合提供網(wǎng)絡(luò)電視、視頻電話、網(wǎng)頁瀏覽、電視會議、電子商務(wù)等多種媒體服務(wù)。

IPTV的移動終端在應(yīng)用中還有很多需要解決的問題。首先是在觀看效果上，目前無論是采用什么技術(shù)播放的圖像，其速度都會受到網(wǎng)絡(luò)速度的制約，很難達到像電視一樣實時傳輸?shù)钠交Чｋm然目前利用手機觀看網(wǎng)絡(luò)視頻的效果還不錯，這是因為現(xiàn)在移動視頻業(yè)務(wù)還限于少數(shù)高端用戶使用。隨著IPTV業(yè)務(wù)的發(fā)展和普及，用戶量的上升，網(wǎng)絡(luò)帶寬和手機處理能力可能會成為一個瓶頸。再就是目前手機電源技術(shù)無法與IPTV移動終端的強大功能相匹配，手機的待機時間太短，而IPTV業(yè)務(wù)一部影片至少90分鐘，消耗電量十分驚人，觀看一小段節(jié)目尚可，但想看完一部長片就需要不斷更換電池，這對于IPTV業(yè)務(wù)來說無疑是個很大的障礙。

4.STB+TV將成為IPTV業(yè)務(wù)的主流終端

IPTV業(yè)務(wù)可以由多種類型的終端實現(xiàn)，但為實用和可以被廣大消費者接受的應(yīng)該是以機頂盒+電視機的組合。首先是這種方式保持了用戶的休閑習(xí)慣，從人體生物學(xué)角度，為舒適的觀賞姿勢是后仰30度，操作電腦的姿勢是前傾30度，傳統(tǒng)Internet視頻用戶是用PC作為顯示終端，操作電腦的姿勢要保持前傾，因此長時間操作電腦會很累，并容易患頸椎病肩周炎等疾病。

其次是利用STB+TV方式不僅保持電視節(jié)目還可以將互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容從書房搬到了客廳，使不會操作電腦的人也能夠上網(wǎng)，利用互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)郵件、聊天。將寬帶用戶從上網(wǎng)族擴展到非上網(wǎng)族，將寬帶娛樂市場從2200多萬寬帶用戶、8700多萬網(wǎng)民，延伸到十幾億電視觀眾。

總之，IPTV終端無論是采用STB+TV還是用PC，都應(yīng)具有如下功能：通信接口、模擬信號的輸出、外設(shè)控制能力、視頻解碼以及嵌入式實時操作系統(tǒng)，通過終端設(shè)備用戶可以進行業(yè)務(wù)請求、視頻/音頻數(shù)據(jù)接收以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。

二、機頂盒概述1.什么是機頂盒

機頂盒STB（Set-top-box）顧名思義是放在電視機上的盒子，源于數(shù)字電視。它是一種將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的變換設(shè)備。在數(shù)字電視應(yīng)用中主要根據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)不同有3類數(shù)字電視機頂盒：用于有線電視網(wǎng)的數(shù)字電視機頂盒STB-C、用于衛(wèi)星電視網(wǎng)的數(shù)字電視機頂盒STB-S和用于地面廣播網(wǎng)的數(shù)字電視機頂盒STB-T，它們分別滿足數(shù)字電視的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)DVB-C、DVB-S和DVB-T。基于Internet協(xié)議(IP)的機頂盒的出現(xiàn)，是近的事情。隨著IPTV的發(fā)展，使這種產(chǎn)品獲得了極大的發(fā)展動力。因為IP機頂盒不僅可以提供與大多數(shù)有線或衛(wèi)星電視機頂盒相同的功能，而且還可以使用當(dāng)前低成本的互聯(lián)網(wǎng)和基于IP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。另外，立足于雙向的IP網(wǎng)絡(luò)還可以本能地支持一系列的應(yīng)用和交互式服務(wù)。

2.機頂盒發(fā)展歷程

機頂盒STB（Set－Top－Box）起源于20世紀(jì)90年代初，當(dāng)時在歐美作為收取有線電視費用的重要手段。有線電視經(jīng)營者在每臺用戶的電視機之前安裝一個密鑰盒，只有交了費的用戶才能對電視信號解密，正常收看電視。這就是初的機頂盒。

20世紀(jì)90年代中期，Internet在全世界迅速發(fā)展和不斷普及，人們萌發(fā)了利用電視機上網(wǎng)的想法，于是開始研究可以上網(wǎng)的機頂盒。當(dāng)時，計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商都期望可以上網(wǎng)的機頂盒能構(gòu)成為新的家用電器。然而由于各方面技術(shù)不成熟，終未成氣候。

20世紀(jì)末，在歐美開始試播數(shù)字電視（DTV）和高清晰度數(shù)字電視（HDTV）后，又掀起了機頂盒的高潮。這時機頂盒的主要作用是數(shù)字電視信號進行模擬轉(zhuǎn)換，以保證用普通模擬電視機可以收看數(shù)字電視或數(shù)字高清晰度電視。

IPTV的出現(xiàn)使機頂盒又有了進一步發(fā)展，機頂盒不僅用于數(shù)字電視，還作為IP網(wǎng)絡(luò)與電視的橋梁，使寬帶網(wǎng)絡(luò)上豐富多彩的節(jié)目內(nèi)容通過機頂盒展現(xiàn)在電視機上，為廣大普通電視觀眾帶來全新的數(shù)字生活新感受。

3.IP機頂盒的功能

IP機頂盒的基本功能是接收數(shù)字電視節(jié)目，同時具有所有廣播、點播和交互式多媒體應(yīng)用功能，還包括以下功能。

(1)電子節(jié)目指南（EPG）：EPG可為用戶提供一種界面友好、易于操作、可以快速訪問節(jié)目的方式。用戶可以通過EPG功能看到所有頻道上近期將播放的電視節(jié)目以及可供用戶點播選擇的節(jié)目內(nèi)容索引，主動檢索點播。

(2)交互式應(yīng)用：為用戶提供視頻點播、組播和互動游戲。通過交互功能的應(yīng)用，人們在點播時可以像操作家用DVD一樣進行快進、快退、暫停；在組播時可以快速切換電視頻道。通過交互功能的應(yīng)用，人們還可以進行互動游戲。

(3)軟件在線升級：利用機頂盒中間件插件可以提供機頂盒能力探測，在線安裝和更新機頂盒應(yīng)用軟件。機頂盒能識別該軟件的版本號，在版本不同時接收該軟件，并對保存在存儲器中的軟件進行更新。

(4)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽和電子郵件：用戶可以通過機頂盒內(nèi)置的Internet瀏覽器上網(wǎng)，發(fā)送電子郵件。

4.IP機頂盒的類型

目前，應(yīng)用于IPTV業(yè)務(wù)的機頂盒基本有兩類：普通型和增強型。基本型機頂盒具有點播功能、廣播功能、EPG瀏覽、WEB瀏覽和小游戲等業(yè)務(wù)能力；增強型機頂盒是在基本型的基礎(chǔ)上增加個人視頻存儲(PVR)、網(wǎng)絡(luò)游戲、視頻通信、FLASH等業(yè)務(wù)能力。IPTV機頂盒接入寬帶網(wǎng)絡(luò)的方式可采用FTTB+LAN的接入方式、xDSL接入方式、WLAN的接入方式和其他寬帶接入方式。IPTV機頂盒硬件平臺一般有三種實現(xiàn)方式：基于專用芯片的STB、基于數(shù)字信號處理器DSP的STB、基于中央處理器CPU的STB。

隨IPTV業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，許多機頂盒生產(chǎn)商和電信設(shè)備制造商積極研究用于IPTV的機頂盒，但目前研制的產(chǎn)品大多只適用于各自的IPTV業(yè)務(wù)系統(tǒng)。這種與系統(tǒng)綁定的機頂盒通用性很差，與其他IPTV系統(tǒng)根本無法互通。其結(jié)果將造成業(yè)務(wù)運營商在設(shè)備選型和成本控制上的被動，長此下去將阻礙了IPTV發(fā)展。解決這個問題的辦法是盡快制定IPTV機頂盒技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從業(yè)務(wù)功能、性能和安全等方面制定統(tǒng)一規(guī)范。

三、IP機頂盒關(guān)鍵技術(shù)

1.視頻解碼和播放

視頻編碼技術(shù)種類很多，就目前寬帶接入條件來看，適合于IPTV業(yè)務(wù)的視音頻編解碼技術(shù)主要有MPEG-4、H.264和WMV9等，不同的IPTV業(yè)務(wù)平臺所采用的編碼技術(shù)有所不同。

MPEG-4：是“ISO/IEC14496信息技術(shù)－通用視聽對象編碼”標(biāo)準(zhǔn)，它是針對低速率下的視頻、音頻編碼和交互播放開發(fā)的算法和工具，其顯著特點是基于內(nèi)容的編碼。更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性、互操作性和靈活性。MPFG-4標(biāo)準(zhǔn)對視音頻編解碼的貢獻可分為以下3類。

(1)基于內(nèi)容的交互性：基于內(nèi)容的多媒體數(shù)據(jù)存取工具；基于內(nèi)容的碼流操縱和編輯；自然與合成數(shù)據(jù)的混合編碼；增強的時間域隨機存取。

(2)高壓縮率：提高編碼效率；對多個并發(fā)數(shù)據(jù)流的編碼。

(3)靈活多樣的存?。哄e誤易發(fā)環(huán)境中的抗錯性；基于內(nèi)容的尺度可變性。

H.264：是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）共同提出的繼MPEG-4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，它既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點和精華又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的許多優(yōu)點。

(1)低碼流：和MPEG-2和MPEG-4ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的時間和數(shù)據(jù)流量收費。

(2)高質(zhì)量的圖像：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。

(3)容錯能力強：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。

(4)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層,使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

AC-1：是Microsoft的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，是WMV9向SMPTE提交后采用的編碼標(biāo)準(zhǔn)名稱。SMPTE（SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers，美國電影與電視工程師協(xié)會）是得到美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所（ANSI）的、國際的視頻、電視和電影工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織，SMPTE在制定和發(fā)掘私有規(guī)范方面具有豐富經(jīng)驗，2022年09月，SMPTE接收WMV-9所采用的壓縮技術(shù)規(guī)范作為一種視頻編解碼格式標(biāo)準(zhǔn)。

為適應(yīng)不同IPTV業(yè)務(wù)平臺提供的各種編碼方式，要求IP機頂盒應(yīng)具有支持一種以上的解碼能力?？梢灾С?.2Mbit/s以上的MPEG-4碼流解碼，或支持H.264視頻的解碼，并且具有從MPEG-4向H.264升級的能力。機頂盒作為網(wǎng)絡(luò)與用戶之間溝通的橋梁，IP-STB不僅需要接收網(wǎng)絡(luò)視頻，同時還要將視頻節(jié)目傳送給TV（或顯示器），因此要同時具備編碼和播放功能。

2.圖形和圖像顯示技術(shù)

我國的電視機制式選用北美PAL制，IP機頂盒用TV作為顯示器，故播放器必須支持PAL制720*576標(biāo)清分辨率圖像解碼。滿足ITU-RBT601要求，支持寬高比為4:3或16:9的視頻解碼。為適應(yīng)不同IPTV平臺的需要，IP機頂盒應(yīng)支持多種顯示分辨率和格式的圖形顯示，對于顯示圖形要求支持清晰度為720x576，352x288，448x336，640x480，800x600的圖形顯示，每個像素至少支持16位彩色；可以自動按輸入調(diào)整輸出圖形。

而對于利用電視機進行互聯(lián)網(wǎng)瀏覽，由于一般網(wǎng)頁都是以PC機顯示的，改用電視機作為顯示需要適當(dāng)?shù)娘@示技術(shù)。就電視和計算機顯示器而言，CRT顯示是一種成熟的技術(shù)，但是用低分辨率的電視機顯示文字，尤其是小于24×24的小字，問題就變得復(fù)雜了。電視機的顯像管是大節(jié)距的低分辨率管，只適合顯示720×576或640×480的圖像，它的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是固定不變的，是為525行60Hz或625行50Hz設(shè)計的。上網(wǎng)則要符合VESA格式，顯然，電視機的顯示系統(tǒng)無法適應(yīng)這么多格式。另外，電視采用低幀頻的隔行掃描方式，當(dāng)顯示圖形和文字時，亮度信號存在背景閃爍，水平直線存在行間閃爍。如果把逐行掃描的計算機圖文轉(zhuǎn)換到電視機上，水平邊沿就會僅出現(xiàn)在奇場或偶場，屏顯時間接近人眼的視覺暫留，會產(chǎn)生厲害的邊緣閃爍現(xiàn)象，因而要用電視機上網(wǎng)，必須要補救電視機顯示的缺陷。

3.中間件技術(shù)

中間件技術(shù)在計算機系統(tǒng)中早已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在也開始應(yīng)用于機頂盒設(shè)計軟件。中間件是指位于機頂盒的實時操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間，連接兩部分的軟件。中間件使機頂盒中的應(yīng)用程序和低層的硬件和網(wǎng)絡(luò)部件分離，使應(yīng)用程序的開發(fā)與硬件低層和平臺無關(guān)；提供通用的應(yīng)用程序接口（API），能使應(yīng)用程序的開發(fā)難度降低，提高效率。

在開發(fā)機頂盒上層應(yīng)用中常常會面對如下問題:實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，硬件平臺原理細(xì)節(jié)，復(fù)雜的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，繁雜的用戶界面以及實用功能等各項跨行業(yè)的難題。為了解決上述問題，中間件技術(shù)應(yīng)運而生，并成為數(shù)字電視技術(shù)，也就是我們前面提到的開放式業(yè)務(wù)平臺。中間件是在數(shù)字電視接收機的應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)、硬件平臺之間嵌入的一個中間層，定義一組較為完整的、標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，使應(yīng)用程序獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，從而將應(yīng)用的開發(fā)變得更加簡捷，使產(chǎn)品的開放性和可移植性更強。它通常由Java虛擬機、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成。開放的業(yè)務(wù)平臺上的特點在于產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)以一個業(yè)務(wù)平臺為基礎(chǔ)，開放的業(yè)務(wù)平臺為每個環(huán)節(jié)提供獨立的運行模式，每個環(huán)節(jié)擁有自身的利潤，能產(chǎn)生多個供應(yīng)商。只有采用開放式業(yè)務(wù)平臺才能保證機頂盒的擴展性，保證投資的有效回收。

4.嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸處理技術(shù)，甚至傳感器技術(shù)與具體應(yīng)用對象相結(jié)合的產(chǎn)物，是技術(shù)密集、投資強度大、高度分散不斷創(chuàng)新的知識密集型系統(tǒng)，反映當(dāng)代科技的先進水平。一般來說，嵌入式系統(tǒng)由嵌入式芯片、嵌入式軟件、嵌入式操作系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具4部分組成。嵌入式芯片包括嵌入式微處理器、嵌入式微控制