數字電視可說是手機之外的另一波殺手級應用，它以客廳為核心，不斷地整合家庭中的其它視聽及信息設備，形成多元應用的家庭網絡；不僅如此，數字電視與手機也向整合之路發展，移動電視(Mobile TV)已在全球各地如火如荼的推動當中。當電視廣播系統與網絡、甚至是移動蜂窩系統結合時，包括視頻、語音與數據的服務自然走向多元匯流的趨勢，這是一個比過去獨立形式復雜許多的應用環境，而數字機上盒(Set-top-box)正位于此架構的核心位置，其面臨的設計挑戰確實繁重。
根據電視節目發送管道的不同，數字機頂盒又可分為數字地面(Terrestrial)機頂盒、數字衛星(Satellite)機頂盒、數字有線(Cable)機頂盒，以及通過網絡(xDSL、Cable Modem、光纖)的IP 機頂盒等形式。整體而言，數字機頂盒的技術主軸朝向支持HDTV(High Definition TV)及互動性(Interactive)發展，但不同市場區塊仍有技術及應用上的偏重。為了達到產品的差異化定位，加入硬盤的數字視頻錄像機(DVR)及整合家庭網絡功能的家庭網絡網關器(Residential Gateway, RG)，也是數字機頂盒的重要設計方向。
系統架構
一個數字機頂盒是由軟、硬件所組成，在硬件方面的主要單元可分為接收廣播信號，并將其轉換為數字傳輸串流的前端(front-end, FE)芯片，即諧調器(tuner)和調節/解調器(modulator/demodulator)；后端芯片包括電視解碼器/編碼器(NTSC/PAL decoder/encoder)、MPEG-2 Transport、MPEG-2 MP@ML或HL解碼器、微處理器、圖形芯片、音頻處理器、音頻DAC、視頻DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等內存、電源組件及其它標準離散組件。更高級產品還會整合安全芯片、調制解調器(modem)或家庭網絡芯片，以及可錄像的硬盤(HDD)。(圖1)為支持DVR功能的機頂盒解碼芯片方塊圖。
圖1 具有DVR功能的機頂盒解碼器方塊圖(以STx5100為例)
資料來源：ST
更強大及多元的功能及更高的整合度是數字機頂盒在硬件部分的發展趨勢。在功能上，電視解碼器強調要能做到dual-TV和dual-DVR，也就是除了能解碼并顯示數字和模擬兩種電視廣播信號外，還要能解碼兩個同步標準解析電視頻號，再送到多臺不同的電視機播放，或錄制節目到硬盤中。此外還有所謂的PAP(高解析雙畫面)和PIP(子母畫面)功能，能夠在同一個屏幕上顯示兩個不同的高解析電視畫面，可以分別并列或上下排列。
在整合性上，為了保持設計彈性，一般在系統中前端及后端芯片是分離的配置，但也能將兩者整合為單一封裝，進而為大量生產的應用提供更佳的成本效益。芯片本身則朝SoC的方向發展，尤其是位居核心的解碼器芯片，此類芯片會采用90納米等高級制程，在一顆芯片上整合各種主要功能，包括高性能的CPU、視頻解碼電路和各種外圍設備，請參考(圖2 
圖2 機頂盒單芯片iDTV處理器硬件架構方塊圖(以STD2000為例)
資料來源：ST
在軟件部分則包括操作系統和實時操作系統(RTOS)、提供互動功能的MHP 等中介軟件(Middleware)及應用程序接口(API)，以及電子節目表(EPG)等應用軟件或條件式接取(Conditional Access, CA)安全功能。接口上則需要支持安全性模塊(POD module)、共同接口(CI)、智能卡(smart card/reader)、高速界面(USB、IEEE 1394及序列ATA)等。CA、CI、POD等技術難度較高，也是設備商在選用視頻處理芯片解決方案后，仍需進一步整合開發的議題。
設計關鍵：視頻轉換處理
視頻轉換處理無疑是機頂盒最主要的功能，因此編碼/解碼器(CODEC)猶如機頂盒的心臟。目前電視廣播界仍以MPEG-2為基本視頻壓縮規格，但已積極轉向MPEG-4、H.264/AVC(即MPEG-4 Part 10)及VC-1等新一代編解碼規格。采用新的規格對業者來說具有許多好處，最明顯的例子在于他們能通過有限的頻寬傳送更多的節目頻道，或提供高畫質的電視節目。
以MPEG-2和H.264來比較，在傳輸HDTV內容時，前者需要20Mbps頻寬，后者只需8Mbps頻寬就能提供相同的畫質，兩者差了2.5至3倍。除了頻寬的考慮外，采用新的視頻壓縮規格也能帶來其它的優勢，例如在具備節目錄制PVR /DVR功能的機頂盒中，更大的壓縮比意味著能儲存更多的容量；此外，新的規格也提供了對象導向的互動功能，以及子母分割畫面等加值功能。
目前市場上并未明確的往特定的新一代規格靠攏，處在這個過渡期中，機頂盒只得同時支持多種規格。MPEG-4雖然問世較久，也有不少廠商大力支持，但它先天上存在著一些難以克服的瓶頸，讓它在推展上顯著舉步維艱。
MPEG-4最大的問題在于規格過于龐雜，視頻只是MPEG-4定義中的一個部分(lS014496-2 MPEG-4 Part 2)。這種龐雜性就產生各部分兼容性的定問題：有些內容不夠清楚，或不夠開放；有些做了折衷處理，反而造成互操作性的難題。舉例來說，由于MPEG-4允許自訂輸出規格，因此造成各種規格并存的現象，例如較知名的Divx規格及微軟的wmv規格，但過多規格也讓服務業者望之卻步。另一個令人詬病的原因，則在于要取得MPEG-4的商用取可證曠日廢時，而且得負擔高昂的使用費用。
相較之下，H.264雖然也是一個復雜的標準，但它只針對視頻做制定，也已獲得MPEG/lS0和ITU兩大國際標準組織的支持，加上它是當前能提供最佳視頻壓縮效能的規格，也不存在使用費的問題，所以自2003年標準推出后，即對HDTV、HD-DVD、手機及視頻串流等業者產生莫大的吸引力。不僅如此，H.264在制定時即考慮了與MPEG-2既有系統的通用性問題，因此，在今日的基礎建設中就能將H.264嵌入MPEG-2傳送流(TS)中發送出去。H.264的應用情況與取樣速率請參考(表1)。
不過，在提升壓縮效能的同時，H.264也存在編碼計算復雜度大增的問題，因此需要消耗更大的運算資源。在此情況下，機頂盒必須采用更高效能的處理器，或以專屬的CODEC加速器硬件來完成任務。此外，高質量、低復雜性算法對于H.264的編解碼也有很大的幫助，以ST來說，就已提出運動估算與速率控制算法，以及用于H.264解碼的錯誤檢測與隱藏算法，能讓解碼器承擔并隱藏數據封包損失，在無線封包網絡上實現IP網絡的最佳效能。
視頻編碼轉換(Transcoding)
身為數字家庭網絡核心位置的機頂盒，除了提供電視節目的視頻轉換播放之外，目前也成為家庭中如DVD、PMP、數字相機等各種不同設備的互連中心。為了讓視頻內容能在不同設備間進行播放及存取，機頂盒還得具有視頻編碼轉換的能力，也就是調整位位速率以符合特殊的信道速率或儲存格式；或是用來改變分辨率，如將高分辨率(HD)視頻串流傳送給標準分辨率(SD)電視，或是在CIF移動終端上顯示SD視頻等。
圖3 DBS MPEG-2轉H.264編碼轉換技術
資料來源：ST Journal of Research- Vol 2, No. 1
ST先進系統技術(AST)小組所開發的動態位串流規劃(Dynamic Bitstream Shaper，DBS)技術，即采取最佳化的算法來支持MPEG-2與H.264之間的位速率、訊框速率、訊框大小與編碼標準變化。它的開發目的在于降低視頻編碼轉換的架構復雜性、運算耗能、內存需求，以及運算延遲等，讓視頻內容不需經過再編碼(re-encoding)而能獲得相同或更佳的質量。
設計關鍵：數字內容管理技術
進入數字內容的時代，復制盜版的難度大減，這也成了電視服務業者邁向數字電視或IPTV時最關心的問題之一，負責接收轉換數字內容的機頂盒，自然就被賦與了版權管控的任務。目前對于數字電視內容管理的技術作法不少，其中以條件式接取(CA)和數字版權管理(DRM)被視為基本的保護機制，新興的標準中較受重視的是安全視頻處理器聯盟(Secure Video Processor Alliance, SVPA)推出的SVP標準。以下將分別進行探討：
條件式接取(CA)
CA是系統服務業者經營數字電視業務的一項關鍵性機制，它能為廣播式網絡提供“尋址化管理”(Addressability)，其關注的重點是電視頻道與用戶的權限。用戶需通過專屬機頂盒或智慧卡來取得授權，才能解開擾碼(Scrambling)。除了加解擾外，CA也能接收控制用戶的管理信息，包括用戶名稱、地址、智能卡號、賬單等等，并搭配后端客戶管理及收費系統來提供更個人化的增值服務。
由于CA得處理復雜的加解擾等演算問題，是機頂盒制造商較難跨越的一道門坎，也是掌握此技術公司的極大優勢。過去CA往往與特定的系統設計公司的專屬機頂盒綁在一起，用戶一旦要換系統，就得連機頂盒一同更換。這種情況除了造成系統公司與用戶的困擾外，也讓機頂盒因通用性低而受到局限，因此相關的組織或政府政策上都致力于推動CA從機頂盒中獨立出來的機卡分離作法。
以DVB來說，系統原先只就CA做了共同擾碼(DVB Common Scrambling)的定義，操作(Operation)及管理(Management)則開放讓系統設計公司可以自行開發。目前DVB已針對局端與客戶端分別提出了同步加密 (Simulcrypt) 與多重解密 (Multicrypt) 的方案，以解決互通操作上的問題。
此外，美國、歐洲及亞洲多國都已將機卡分離視為電視產業發展的既定政策。目前將CAM(CA模塊)獨立設計的作法有三種，分別是采PCMCIA、USB或智能卡的方式，其中又以PCMCIA為市場主流，包括美國的POD標準及歐洲的DVB-C標準，都以PCMCIA為其基本的物理接口。
DRM
CA的尋址化功能雖能對頻道及用戶做收視控管，但對于個別節目的內容保護與授權就力有未逮，在此情況下，有必要進一步采用DRM機制來提供內容管理。這兩者是相輔相成的，CA是系統業者的收視管理及營運工具，而DRM則是內容發行商的自我保護機制。
DRM 采取的是許可證管理(License Management)策略，也就是由數字內容發行商對原始檔進行加密(一般采用128位或156位對稱算法)，同時在添加的標頭中加入作者、版本號、發行日期等版權信息。當用戶想通過網絡或直接從光盤中取得內容時，系統會自動檢查有沒有相應的許可證(LICENSE)，認證的方式包括插入IC卡、IKEY(一種USB接口的身份認證令牌)，或經由網絡認證服務器來認證其賬號、密碼。
整個 DRM 的建置架構共分為 3 層：使用者接口應用軟件、DRM 用戶認證子系統，以及最基本的加密引擎。其中用戶認證子系統是IPTV業務推行的關鍵，目前有許多認證系統，兩種較典型的IPTV DRM系統分別采用Kerberos和PKI認證機制。
此外，就DRM的規格來說，目前市場上的規格相當分歧，最受重視的無疑是Windows Media的DRM及開放移動聯盟OMA推出的DRM 1.0/2.0規格，但仍有包括UT-DRM、NDS、SecureMe dia、WideVine、BesDRM等規格并存。為了讓用戶能收看不同來源的視頻內容，今日的機頂盒只得盡量支持市場上的DRM規格。
圖4 不同DRM規格的互通問題
資料來源：Coral聯盟
DRM保護內容的立意雖好，但規格林立反而造成市場發展的阻礙，請參考(圖4)。為了使各種DRM規格能夠互通，包括惠普、飛利浦電子、ST、三星電子、索尼和20世紀福克斯電影公司等40個公司組成了Coral聯盟，即致力于為基于WEB和家庭網絡的設備安全傳送內容提供互操作性。目前該組織已公布一種互操作層，能支持多種DRM方案，其架構請參考( 圖5)，不過，微軟及Apple兩大公司的規格仍是例外。
圖5 Coral聯盟提出的DRM互操作層節點作法
資料來源：Coral聯盟
安全視頻處理器(SVP)
SVP標準主要由SVP聯盟推廣，目前已獲得20多家主要媒體與技術廠商支持，ST是該標準的發起會員之一。SVP聯盟的主要工作是在數字家庭網絡，以及數字電視、機頂盒、DVR、可攜式媒體播放器等消費性電子應用中推廣其SVP內容保護技術。
SVP能與CA及DRM形成互補的機制，為數字內容提供更完善的保護管理。通過SVP技術，媒體公司可以自行設置其DRM規范來對其作品內容加以保護，并將來自CA系統的規則映像到SVP格式之中，最后再通過支持SVP功能的個人錄像機、DVD錄像機或PMP等設備解密還原為原始內容呈現給觀眾。
基本上，SVP技術是一種以硬件為基礎的安全方案，提供加密、傳輸和接收內容及關于如何通過安全信道使用內容的規則。其硬件核心只需不到20萬門電路閘，并在其上運行一個安全軟件堆棧。這可以說是一種低成本、適合未來應用的解決方案，因此ST的數字視頻處理器及解碼器已普遍支持SVP標準。
結語
為了應對市場的變化，數字機頂盒必須具備提供產品開發的便利性及升級上的彈性，這包括設備開發層面及終端用戶的使用層面。在開發層面，目前關鍵零組件的廠商會提供完善的設計參考平臺，讓設備商能夠加速開發時程，而且能在既有的設計基礎上，彈性地加入新的功能以推出差異化或升級的產品。在終端部分，機頂盒也需具有軟件升級的功能，也就是只需通過遠程網絡的下載更新，就能升級其軟件或韌體。
由于數字機頂盒是一個集合各種功能于一身的Hub，加上這一市場上的技術、標準與應用需求變化極快，要想推出滿足各方需求且使用壽命長的通用型機頂盒，是一件很不容易的事。除了上述的視頻轉換處理及內容管理的設計關鍵外，在數字衛星、地面及有線電視的服務上，信號回傳的互動性是整體系統上的重要瓶頸；在IPTV的部分，雖以互動性見長，但如何保證串流視頻的服務質量(QoS)，并能提供HDTV的服務，也是很大的挑戰。當然，還有更多的挑戰及商機擺在眼前，例如數字電視與有線/移動電話的整合等，是值得我們不斷去投入觀察的。
作者:電子產品世界特約撰稿人 Owen(臺灣)
