数字化进程中的机顶盒

摘要：介绍了机顶盒的功能结构、关键技术和其应用范围，对国外机顶盒产业现状进行了综述，并提出对国内发展的观点和建议。
1　引言 　
　由于数字音视频编码压缩技术的迅速发展与实用化，正引发出一场消费电子产品从模拟技术转向数字技术的革命。1995年，美国高级电视制式委员会（ATSC）以ADTV大联盟开发的制式为基础，向联邦通信委员会（FCC）提出了美国数字电视标准的建议。1996年12月，FCC通过了“ATSC数字电视标准”，1997年4月，FCC为全美1 650个电视台指派了用于数字电视广播的频道，并公布了到2006年所有电视台全部实现数字播出，彻底停止现行模拟广播的日程表。在美国带动下，欧洲、亚洲、澳洲等也纷纷为其开展数字广播积极地做准备，形成一股全球化的数字浪潮。而自因特网进入实用以来，作为一种新型数字信息传输业务，其业务种类和用户数量不断增加，几乎达到“无处不在”的程度，被誉为蕴涵无限商机的金矿。1996年，因特网传送运动视频成为现实，使电视机又添新功能，籍由千家万户共有的电视接入因特网的WebTV应运而生，成为生产厂家和网络服务商们竞争的热点。 　　但无论是数字电视还是WebTV，由于用户端使用的基本都是模拟彩电，无法接收数字信号，因此需要一种接收装置来担当二者之间的桥梁，这就是机顶盒（STB）。 　　机顶盒又称顶置盒，是广播媒介实现数字化后接收端的重要设备，一般置于电视机上。早期的机顶盒是指观众通过遥控器或按键来控制某些收费节目的收看。近年来，随着数字广播和因特网的迅速发展，机顶盒已从单一的解密收费装置发展成为集解压缩、Web浏览、解密收费和交互控制为一体的数字化终端设备。
2　机顶盒的功能结构与关键技术
　　为适应日新月异的数字技术发展，机顶盒也从最初的模拟式机顶盒演变成新一代的数字机顶盒。其一般结构如图1所示[4]。
图1　机顶盒一般结构功能图
　　该数字机顶盒拥有的模拟视频通道、数字视频通道和双向控制通道使其能够支持模拟式广播传输、数字式广播传输和交互功能。按照接收信号传播介质的不同，机顶盒一般可分为接收卫星数字电视的机顶盒、接入有线电视（CATV）的机顶盒和接入因特网的WebTV机顶盒。接收卫星数字电视的机顶盒，无须上行数据，因此其主要功能是：对接收数字的解复用，对压缩数据（包括音频、视频）的解压缩，以及解密收费和信道解码。对于接入CATV和因特网的机顶盒而言，其主要功能则是解压缩、解密收费、因特网浏览和交互控制等。其关键技术阐述如下：
　　（1）　解复用与解压缩技术
　　在数字传输过程中，数据要压缩，因而必须采用相应的数据压缩标准。根据1994年欧洲制定的数字电视广播（DVB）标准和1996年美国FCC批准的地面广播数字电视（DTV）标准，分别采用ISO／IEC 13818－2（MPEG－2）和Dobby AC－3作为视频和音频压缩标准。为实现实时的解复用和解压缩，目前的系统大多采用专用芯片，如IBM，ST，韩国现代等公司提供的芯片。另外，某些数字信号处理（DSP）芯片供应商提供的高档DSP芯片也能实现这一功能。
　　（2）　下行数据解调与信道解码技术
　　卫星数字电视广播采用R－S编码和卷积码进行信道编码，同时采用QPSK方式调制。CATV数字电视广播由于信道质量好，只用R－S编码作为信道编码，同时采用16／32／64／256QAM进行调制。因此，对于接收端的机顶盒来说，针对不同性质的信道需分别采用QPSK和QAM方式解调。在信道解码方面也需进行相应的R－S码或卷积码的解码。
　　（3）　上行数据的调制编码
　　对于接收CATV的机顶盒，如若考虑接入因特网和视频点播（VOD）等交互应用，则要考虑上行数据的调制编码问题。鉴于当前绝大多数有线电视网为单向传输，改建为双向或是新建双向网尚需较长时间，作为一种变通方法，也可采用电话线传送上行数据。WebTV机顶盒正是利用普通电话线接入因特网。
　　（4）　实时软件操作系统和网络浏览技术
　　实时操作系统是机顶盒的关键技术之一。在此方面主要有两种作法。一是采用专用的控制软件系统，该方法的优点是简单实用，但可扩展性较差。二是在实时操作系统上增加应用软件，该方法的可扩展性较好。目前，机顶盒大多采用Microware公司的OS／9，PowerTV公司的PowerTV OS和Micro－soft公司的WindowsCE等大公司的操作系统。另外，利用CATV和WebTV接入因特网，进行网上浏览，收发电子函件，机顶盒必须支持PPP／PAP，TCP／IP等通信协议和HTTP，HTML等。
3　机顶盒技术应用范围
　　机顶盒发展至今，经历了从模拟式到数字式，从广播式到交互式的变迁。与以往相比，它的应用已不再局限于简单的收费控制了，新一代数字机顶盒的应用主要体现在以下几个方面。
3.1　机顶盒是模拟电视转向数字电视的桥梁
　　数字电视经过多年的开发实验，终于制定了相应的标准与规范。与模拟电视相比，数字电视在性能上的优点主要有：屹实现了信道资源的有效利用。以卫星数字电视广播为例，采用模拟方式传送一路节目需要占用一个带宽为36 MHz的转发器。同样的转发器，如果用来传送数字节目则可以传送四到六路电视节目。因而极大地提高了信道利用率。亿实现了真正意义上的高清晰度，基本上可以达到演播室水平。役实现了严格意义上的保真。由于是数字传送，接收端不会出现误差，杜绝了模拟电视在传送过程中的各种干扰。
　　尽管数字电视有上述优点，但目前绝大多数用户使用的模拟电视机无法直接收看数字电视节目，这时便需要数字机顶盒作为中介，将接收的数字视音频信号解码为模拟信号再输送到现有的模拟电视机上，从而达到用模拟电视机收看数字电视节目的目的。
3.2　机顶盒是实现交互功能的关键设备
　　对于利用CATV网接收数字电视广播的机顶盒而言，充分利用CATV网络的较宽带宽实现交互功能是其发展的重要方向。数字技术的发展不仅仅使CATV增加了更多的频道，重要的是使电视机具有了计算机和通信功能的交互性，这是模拟技术无法做到的。通过上行通道和数字机顶盒，观众坐在家中就能享受到视频点播（VOD）、网上浏览、远程购物、家庭银行服务、互动教室和交互游戏等服务。这种交互性将极大地改变人们看电视的方式。
3.3　机顶盒是电视接入因特网的重要工具
　　籍由因特网的迅速发展，家庭信息化已是大势所趋。虽说网络存取设备已经多元化，但如能利用当今非常普及的电子产品，添加上网，势必会大大拉近用户和因特网之间的距离。电视因其具有的深入一般家庭的高普及度和现实功能，从而成为除PC之外接入因特网的最佳侯选。WebTV机顶盒是由美国硅谷的WebTV Networks公司首先研制的。用户只需将机顶盒接到电视机和电话线上，在WebTV网络公司登记注册，就可以漫游因特网，所有这一切只需15分钟即可完成，用户每月只需缴纳19.95美元即可无限制的访问因特网，收发电子函件。自1996年WebTV Networks公司开发出WebTV机顶盒以来，到目前为止，它已成为最好的电视机显示Web的方式。
4　国外机顶盒产业现状
　　正如业内人士预料的一样，在CES′98 Las Vegas展览会上，DTV和新一代数字机顶盒成为众人瞩目的焦点。众厂家一致认为，在当今模拟电视向数字电视转化的时代，在数字电视机的价格未能降至模拟彩电以前，新一代数字机顶盒是电视接入因特网和数字广播服务的最便捷途径。据美国Dataquest咨询公司调查，1996年全球数字机顶盒的销量仅为43.7万台，1997年猛增至1　500万台，预计1998年将翻一番，达到3 200万台。机顶盒的年产值也将从1995年的5.75亿美元增至2000年的44亿美元，其中，直播卫星系统（DBS）是机顶盒市场的主要驱动力量。又据美国Information Technology Analyst公司调查，WebTV机顶盒的销量正以71％的年增长率递增。目前，全美约有1 500万家庭考虑接入因特网，而大约1 280万家庭希望通过电视和机顶盒接入因特网。无疑，这些调查数据对厂家来说，是个令人兴奋的消息。
　　由于逐步认识到数字机顶盒的巨大市场潜力，一时间，消费电子厂家、计算机公司、通信设备公司以及广播电视公司等纷纷抢占机顶盒领域的制高点。
4.1　买卖双方达成默契
　　在众多机顶盒生产厂家中，美国General Instrument（GI）公司和Scientific Atlantic（S－A）公司占据了最大的市场份额。他们认为，机顶盒市场已日趋成熟，应该积极开发产品抢占市场。据GI公司数字网络系统商业部副总裁Denton Kanouff称，继该公司于1997年3月向Tele－Communications Inc．（TCI），Cox Communications和Co－mcast等网络运营公司出售20万台型号为DCT1000的数字机顶盒后，公司正在进行新一代数字机顶盒的研制工作。与此同时，S－A公司也正忙于为美国第二大有线电视公司Time Warner公司生产55万台型号为Explore2000的数字机顶盒［15］。又据最新消息，Time Warner公司将与美国西方媒体公司合作开发通过有线电视网访问因特网的技术，正寻找合适的机顶盒生产伙伴，两家公司的最终目标是使其所有的2700万有线电视客户成为上网的用户。TCI公司则计划在未来3年里向有线电视用户提供1 000万台数字机顶盒，以便为用户提供上百个电视频道和接入因特网的业务。因此，到1999年有线电视公司及其附属公司将会大量购买这种数字机顶盒［16，17］。在欧洲，英国British Digital Broadcasting（BDB）公司已经和Grunding，Nokia，Pace，Philips，Sony，Toshiba六家机顶盒生产厂家签了定单。BSkyB公司更希望成为英国第一家开通数字卫星电视广播的商家，使其数字机顶盒成为英国该行业的标准［18，19］。
4.2　WebTV公司又添新功能
　　1996年6月，美国WebTV Networks公司成功研制出普通电视接入因特网的新技术。获该公司授权，1996年9月份Philips和Sony公司在美国推出第一台WebTV连网机顶盒。用户只需将机顶盒与电视机和电视线相接，在网络服务商处登记后即可上网。这时的机顶盒没有硬盘，只有2MB RAM，大部分存储和应用软件放在网络服务器中。经过两年的发展，在CES′98 Las Vegas展会上，Philips和Sony公司演示了新一代的WebTV机顶盒WebTV Plus［20］。新一代WebTV机顶盒除保留原有特色外，新增了许多功能：①配有1．1GB硬盘，用以存储具有全视频和交响音乐的多媒体内容，用户无须等待下载便可立即接入；②配有55．6 kbps的调制解调器（原来的调制解调器为33．6 kbps）；③新添WebPIP功能，观众可以随时切换全屏电视、全频网页显示或者通过画中画功能同时收看电视和网页内容，还可感受三维动画的特殊效果；④新添TV Crossover Link功能，可以简便、快速接入网址，为观众提供正在播放的电视节目的相关信息，还可同其他影迷、网友进行聊天，而这一切可通过电视屏幕上显示的小图标告之观众连接成功。此外，新一代的WebTV机顶盒还增设了Micphone插头、红外启动、具有立体声解码功能的调谐器等。除Philips和Sony公司推出该种机顶盒外，NEC和Mitsubishi消费电子公司也发布了他们WebTV Plus机顶盒。
4.3　电脑巨子进军机顶盒市场
　　1997年4月6日，大名鼎鼎的Microsoft公司以4．25亿美元收购了WebTV Networks公司，9月又向美国第四大有线电视公司Comcast投资10亿美元，充分表明了其对机顶盒市场的重视。该公司开发的WindowsCE系统也正逐步进入机顶盒市场，Microsoft公司已准备在下一代WebTV机顶盒中采用WindowsCE，Sony公司也已宣布和Microsoft公司结成联盟，将在其开发的数字机顶盒等消费电子领域中运用WindowsCE系统。作为数字电视标准的制定者之一，Microsoft公司对数字电视市场的未来充满希望，如果全美的9 600万家庭全部使用运行WindowsCE的数字电视的话，其将获利57亿美元［21］。
　　Intel公司也正在与多家消费电子、电脑厂商合作，加强自己在数字电视领域的开发工作，促使Pentium处理器落户机顶盒。在1998年举行的National Association of Broadcaster （NAB）大会上，Network Computing Incorporated （NCI）公司展示了一款使用166 MHz Pentium处理器的机顶盒。同时Intel公司也展示了用于驱动数字电视的一种未来版的Pentium Ⅱ处理器。这次展出的450 MHz处理器的演示内容是：从数字电视广播中获取经压缩的数字数据，然后用该处理器回放这些消息。该公司主张使用Intel芯片来译解和回放各种数字电视格式，表明了Intel公司把握未来数字电视技术市场的决心。
　　Compaq公司在1998年NAB大会上，也试图确立自己在未来数字电视广播领域的地位。据熟悉Compaq公司发展计划的业内人士称，这家PC巨头正在开发两种规格的机顶盒产品。一种机顶盒配有运行Windows98的TV调谐器。在美国数字电视广播的覆盖率达到50％以上之前，它将是Compaq公司在市场上出售的过渡性机顶盒产品。另一种是基于WindowsCE的数字机顶盒，将于1998年11月份在美国推行数字电视广播时推向市场。又据Envisioneering Group的分析家Richard Doherty说：“领先的10家PC制造商都有一个或多个小组正在开发机顶盒。如果Compaq公司能率先推出产品，它就能够定义更符合PC特点的机顶盒结构［22］”。
5　国内市场展望
　　模拟电视即将消亡，数字电视和一系列数字化消费电器将是明天生活的主角。面对国外厂商的激烈竞争，国内情况又如何呢﹖数字电视在中国的推行是必然的趋势。事实上，我国广播电视系统已开始了向数字电视的转变。1996年8月，中央电视台率先开通卫星数字电视（SDTV）广播业务，走在了亚洲国家的前列。1997年，又有10家省级电视台开通卫星数字电视频道，只是在接收方式上，采用的不是直接到户而是分配传输，因此，电视观众对此毫无觉察。原广电部已决定，今后上卫星的电视广播都要采用数字技术，并计划于2000年前后开通卫星数字电视直播业务。但是，我国现有1 000多家电视台，3亿台模拟电视机，其中彩电1．5亿台。此外，在中国的广大农村还面临着彩电普及问题。如此状况，如果要真正实现全部环节的数字化，势必要经过相当一段时间。总的来说，数字电视技术在传输上没有大的问题，但要在接收端的显示器件上达到高分辩率，其价格将十分昂贵，因而，近期的数字应用更多的还是将模拟彩电数字化，这必将会出现机顶盒之类的过渡产品，而且会有较大市场。
　　在模拟彩电时代，我国与国外有一定的差距，不可能在技术上有大的超越，而数字电视时代，我国与国际上其他公司在技术上完全是同时起步的。在国家“九五”科技攻关计划的支持下，1997年10月，由哈尔滨工业大学、中科院计算所和算通科技发展公司联合研制的数字卫星接收机顶盒通过了鉴定，经测试已达到《广电部数字卫星接收机暂行规定》的要求，现已转让给国内厂家生产。面对中国这个巨大的机顶盒潜在市场，国外企业已经虎视耽耽，这对国内企业来说，既是机遇又是挑战，更应紧紧把握住数字技术时代的脉搏，主动出击，占据国内市场的主动权，迎接中国数字广播时代的到来。