在IPTV業務興起和成熟的過程中，對機頂盒也有新的需求。本文首先介紹了目前IPTV機頂盒技術解決方案并同時進行了分析和比較，然后介紹了IPTV機頂盒標準的進展情況和對未來IPTV機頂盒發展前景的看法。本文對IPTV機頂盒設備的研發有一定的參考作用。
1、機頂盒的發展歷程
機頂盒（settopbox，STB）起源于20世紀90年代初，當時主要是歐美國家有線電視臺為解決有線電視收視費問題而設計的一個解擾設備。機頂盒作為數字電視（DTV）輔助設備是從20世紀90年代后期歐美國家試播數字電視和高清數字電視（HDTV）開始的。它的主要作用是使用戶能夠用原有的模擬電視機收看數字電視節目和高清數字電視節目，即提供數／模信號轉換功能，通常把這類機頂盒稱為數字電視機頂盒。數字電視機頂盒具有網絡環境特征和條件接收功能。所謂網絡環境特征是指在不同的電視廣播網中使用的機頂盒不同。根據ETSI定義的三種數字電視傳輸制式可有：用于接收有線電視的數字電視機頂盒DVB-C、接收數字衛星電視的數字電視機頂盒DVB-S、接收地面廣播電視的數字電視機頂盒DVB-T三種類型。
近年來，隨著寬帶網絡的發展，互聯網應用越來越廣泛，人們萌發了利用互聯網收看電視的想法。特別是IPTV如火如荼的發展帶動了終端市場的活躍，電信設備制造商紛紛投入機頂盒的研發生產，原有數字電視機頂盒廠商也在試水雙向IP機頂盒。機頂盒由原來單一的解擾或數／模轉換專用機頂盒，發展到支持多種接入方式和IP，具有多種編解碼能力和圖形瀏覽器功能，可以支持包括數字電視在內的視頻點播、時移電視、網絡瀏覽、信息服務、遠程教學和醫療、互動游戲等業務功能的IPTV機頂盒。未來IPTV機頂盒將作為一種家用數字平臺被廣泛用于不斷擴大的交互式多媒體數字內容服務領域。
2、IPTV機頂盒的技術需求
IPTV業務是一個全新的業務模式，它給消費者帶來的是集信息、娛樂、學習、購物于一體的網絡享受。個人電腦、機頂盒+電視機或3G手機都可以作為IPTV業務的終端。從適合廣大用戶消費習慣和舒適度角度考慮，機頂盒+電視機應是IPTV未來的主流終端。談到對IPTV機頂盒的技術需求，這里主要從兩個方面考慮，一是實現業務的需求，二是用戶體驗的需求。
IPTV可提供的業務有電視直播、視頻點播、時移電視、可視業務、信息業務、網絡瀏覽、互動游戲，以及未來可擴充的業務。IPTV的主要業務特征體現在交互式多媒體檢索和播放形式上。交互需要網絡具有雙向能力，檢索需要雙向信息交互。播控也需要交互；播放需要足夠的接入帶寬和媒體傳輸協議；多媒體需要音視頻編解碼能力。因此，為實現IPTV業務應用，要求IPTV機頂盒具有支持接收網絡直播電視節目，進行視頻點播、時移點播等基本業務功能，同時還要具有互聯網瀏覽和信息服務、電子節目指南（EPG）和節目檢索，以及互動游戲和軟件在線升級等擴展功能。作為IPTV業務終端的機頂盒設備要具有開放式系統結構，以適應不斷升級和擴展的業務需求；充分考慮網絡環境和協議因素，要求其具有不少于兩種的上行網絡接口，支持多種接入認證協議和IP；要求具有音視頻媒體編解碼功能，以及業務應用和管理功能等。總之，從業務角度需要IPTV機頂盒具有開放型業務能力，以滿足不斷發展的業務需求。
從用戶體驗的需求考慮，IPTV業務所帶來的改變是將傳統互聯網PC終端觀看流媒體視頻的書房體驗轉移到客廳，將前傾坐姿變為后仰坐姿，將鍵盤操作改為遙控器操作。這些改變要求IPTV機頂盒的設計要充分考慮習慣于操作電視機的廣大用戶群體，應盡量保持操作簡單、性價比適中和耐用的特點。根據用戶不同消費需要。機頂盒應設計成高、中、低不同檔次，滿足各種層次的消費群體。
IPTV機頂盒在設計過程中要滿足以上諸多需求，需要一系列關鍵技術的支持，主要包括音視頻編解碼技術、圖形和圖像顯示技術、媒體流傳輸／控制技術（協議）、中間件技術、嵌入式系統和各類接口技術。
3、IPTV機頂盒的技術方案
早期的機頂盒只能提供視頻服務，技術重點主要集中在視頻部分。而IPTV業務的最終目標是實現視頻、語音和數據的融合，通過IPTV機頂盒提供三網融合的業務。正因為IPTV機頂盒可以成為同時提供視頻、語音和數據融合業務的紐帶，結合寬帶接入和無線網絡，就可以創建真正網絡化的家庭環境。
IPTV機頂盒的應用過程一般為業務內容通過寬帶網絡接入到機頂盒，利用機頂盒遙控器或遙控鍵盤向寬帶網絡索要視頻內容，寬帶網絡將需要的視頻信號傳送到用戶端，經過機頂盒解碼后在電視上輸出。實現視頻點播或網頁瀏覽等。
目前可支持IPTV業務的機頂盒產品大致有三個檔次，即基本型、增強型和超強型。所謂基本型是指機頂盒可支持IPTV基本業務，提供電子節目單、實現網絡電視節目的播放，可以進行基本播放控制。增強型機頂盒除具有基本型的功能外，還可提供互聯網瀏覽、可視業務、文本信息和簡單游戲等功能。而超強型高端機頂盒相當于一個家庭數字娛樂中心，不但可以提供IPTV的基本業務和擴展業務，還可以實現視頻互動游戲、個人視頻存儲等高附加值功能。
3.1IPTV機頂盒的硬件結構
機頂盒設備是由硬件和軟件兩部分組成，不同檔次的機頂盒所采用的系統平臺不同，軟件架構不同，從而它們所實現的功能也不同。在硬件結構上基本存在三種結構的平臺，即基于專用芯片架構、基于多媒體數字信號處理器（DSP）架構和基于X86架構的平臺。軟件結構大多采用層次化、模塊化結構，也有采用中間件結構。
機頂盒的硬件結構由核心控制單元、媒體處理單元以及各類接口組成，如圖1所示。核心控制單元一般采用嵌入式系統處理器芯片，可以運行實時操作系統。媒體處理單元一般根據機頂盒成本選用ASIC專用解碼芯片或數字信號處理器，也有采用軟件解碼實現的。IPTV機頂盒接口比其他電視機頂盒要豐富得多，網絡側接口根據網絡接入方式的不同可配置成高速以太網接口、ADSL接口或無線局域網接口，甚至EPON或電纜接口。媒體播放接口基本配置有復合音視頻端子和S端子，較高配置可有YpbPr、YCbCr和數字音頻輸出接口。控制接口是指用戶操作控制機頂盒的接口，一般以紅外遙控器為主，也有采用紅外遙控鍵盤或WiFi技術的。除以上基本業務應用所必需的接口外，可根據業務需要配置USB接口、串行接口、Z接口、智能卡接口等其他擴展接口。
從圖1中可以看出，IPTV機頂盒的核心成分是CPU和編解碼器。機頂盒功能的強弱與選擇不同檔次的核心器件有直接關系。目前可見的機頂盒產品歸納起來主要基于以下三種結構：
圖1 IPTV機頂盒的硬件結構
（1）基于專用芯片的結構（SOC+ASIC）
專用視頻圖像處理芯片內部除了處理器以外，還集成了一些智能模塊，如音視頻輸入輸出等，有些還集成了圖像壓縮、硬件加速模塊。從本質上講，專用視頻壓縮芯片和通用視頻處理芯片都屬于SOC（systemonchip），差異是前者帶有固定的壓縮模塊、固定的處理方式和固定的微碼，后者需要產品開發商開發視頻壓縮算法程序。
傳統的基于ASIC／SOC結構的機頂盒，由于其全硬件芯片的實現方案使得運營商無法實現軟件的有效升級，另外其網絡適應性也有較大問題。但由于基于這種結構的機頂盒成本較低，在IPTV業務起步階段，一般由業務運營商向用戶免費提供機頂盒，選用專用芯片結構的機頂盒，在保證基本業務的前提下，能夠使業務運營商節省運營開支，對業務推廣無疑會起到很好的作用。
（2）基于多媒體數字信號處理器的結構
基于多媒體處理器技術的IPTV機頂盒，采用了高性能數字信號處理器和嵌入式系統芯片作為硬件平臺。DSP主要用于視頻和音頻的解碼處理，嵌入式實時操作系統芯片用來控制處理從各種接口來的數據以及運算需求。采用多媒體數字處理器結構可以很方便地實現MPEG-2／4視頻和音頻處理、H.264視頻處理，同時還支持其他用于IPTV的編解碼標準。考核IPTV機頂盒的首要指標就是其對媒體格式的支持能力。因為到目前為止，用于IPTV業務的媒體格式還沒有統一標準，各運營商也處于測試選型階段，因此基于多媒體數字信號處理器結構的機頂盒可以靈活編寫不同編碼或直接做成雙解碼形式。
嵌入式系統是計算機、通信、半導體、微電子、語音／圖像／數據傳輸處理等技術與具體應用對象相結合的產物。一般來說，嵌入式系統由嵌入式芯片、嵌入式軟件、嵌入式操作系統及嵌入式系統開發工具等四部分組成。嵌入式芯片包括嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式數字信號處理器以及嵌入式片上系統，隨著RISC（精簡指令集計算機）技術和微電子技術的迅速發展，嵌入式芯片的功能越來越強，體積越來越小。
嵌入式實時操作系統與桌面計算機操作系統不同，它不安裝在硬盤中，而是固化在存儲器中。嵌入式操作系統結構緊湊，功能相對簡單，資源開銷較小，目前主要有三種：WindowsCE、Linux、VxWork，其中應用較多的是前兩種。WindowsCE主要用于高端機頂盒上面，對機頂盒和PC等設備的聯網帶來了方便。但費用不菲。對于中檔機頂盒產品，選用Linux操作系統更為合理。據市場調查公司StrategyAnalytics發布的一份報告。全球機頂盒市場上，Linux操作平臺已成為IPTV機頂盒的主要選擇。因為Linux平臺不但可支持許多高級功能，例如錄像與IP傳輸，并且非常經濟，不需要許可費。
（3）基于X86的結構
對比基于RISC架構CPU的嵌入式系統，基于X86架構CPU的嵌入式系統有如下優勢：首先它可以對不同格式的文件進行編解碼，如MPEG-2、MPEG-4、WMA等，使基于這種嵌入式平臺的多媒體音視頻設備可以處理各種各樣的片源。其次WindowsCE操作系統有一整套集成的多媒體功能和極為豐富的應用程序，使得開發IPTV機頂盒的周期更短，適用于開發高級的IPTV機頂盒。該操作系統固有的桌面兼容性，使機頂盒開發商可以輕松地使用為WindowsXP準備的大量應用程序來擴充IP機頂盒的功能。
基于X86架構的機頂盒由于內嵌WindowsCE實時操作系統，從而具有較齊全的應用軟件，維護成本低，可以輕松地與PC資源共享。由于這種機頂盒產品開發成本高，雖然功能強，可與PC媲美，但只能面對高端消費群體，起碼初期對于一般消費者不會有很大吸引力。
3.2IPTV機頂盒的軟件結構
IPTV機頂盒作為客戶端產品，除了具有良好的硬件平臺外還需要軟件系統的配合才能夠實現IPTV業務功能。機頂盒的軟件大多采用分層結構，一般分成三層：應用層、中間解釋層和資源層，每一層都包括諸多程序和編程接口，如圖2所示。
圖2 IPTV機頂盒的軟件結構
圖2劃分了機頂盒軟件的三層結構，其中資源層軟件包括實時操作系統及機頂盒硬件的驅動程序，主要用于完成對硬件設備的操作。解釋層的主要功能是將機頂盒應用程序翻譯成CPU能識別的指令，去調動硬件設備完成相應的操作。應用層可以分成內置應用程序和下載應用程序兩部分，實現諸如TV播放、視頻點播、EPG、DRM（數字版權管理）、游戲下載等業務應用。
不同的機頂盒生產廠家對IPTV機頂盒軟件的設計理念不盡相同。在實現IPTV業務的設計中有采用基于業務平臺和機頂盒之間定義的業務流程開發軟件的，也有利用位于底層系統資源和業務應用之間的通用服務軟件或中間件的。但總的趨勢還是采用業務應用軟件與底層硬件和操作系統軟件相隔離的方式，采用中間件的方式不失為一個很好的選擇。中間件將機頂盒中的應用程序與底層系統部件相分離，使應用程序的開發與硬件平臺無關。它可以提供一系列具有開放標準的應用編程接口（API），適用于不同的操作系統和硬件環境。利用中間件技術可以降低應用程序的開發難度，提高研發效率。
4、IPTV機頂盒標準化進程和未來發展方向
IPTV作為一種新興的寬帶網絡業務，越來越為業界廣泛重視。特別是像機頂盒這種類似家用數字平臺的產品，更為電信設備制造商、電視設備制造商以及電腦和家電產品制造商所爭相追捧。由于行業間對IPTV業務的理解不同，產品設計理念也不同，致使IPTV機頂盒產品功能、性能和應用環境要求差異很大，五花八門不具有通用性。這種狀態極不利于產業發展，長此下去可能會導致一個新業務的夭折。因此，中國通信標準化協會于2005年8月成立了IPTV業務特別工作組，重點研究IPTV業務系列標準，其中就包括IPTV機頂盒技術要求。在此標準中對IPTV機頂盒的業務能力、功能要求、硬件系統、軟件系統、管理功能要求、性能要求、安全和應用環境等給出了具體技術要求。
IPTV機頂盒技術標準的研究過程中，充分參考了現有IPTV機頂盒的功能和軟硬件結構，對目前爭議比較大的編解碼格式和是否采用中間件技術等，標準中沒有規定惟一方式，而是采取規定多選項，留給制造商更多的選擇。但無論選擇哪一種選項都要求所實現的功能和接口一致，以力求此標準對所有IPTV機頂盒的研發、制造、檢測和應用都具有實際指導意義。
目前IPTV機頂盒技術標準已進行到征求意見稿階段，在聽取相關行業內各方專家的意見后將進一步完善和修改。與此同時。與IPTV業務和機頂盒相關的數字電視中間件技術標準和我國自行研制的音視頻編解碼標準也在制定和完善之中，預計很快會有一整套系統的IPTV行業標準出現。用于指導IPTV業務的順利開展。
隨著IPTV業務系統化、產業化發展，IPTV機頂盒產業也會不斷壯大。未來機頂盒的發展可能會出現分支，一方面可能會向消費電子類產品方向發展，將機頂盒功能集成在電視機中。這種電視機頂盒一體機所提供的功能可以涵蓋IPTV業務的一般性功能，包括直播電視節目、視頻點播、信息接收和下載以及簡單的游戲功能。另一方面，IPTV機頂盒可能向家用數字平臺方向發展，功能比較強大，具有豐富的外設接口，除可以支持IPTV基本業務以外，還可以支持可視電話業務、互動游戲業務、互聯網購物、互動教學等交互性、實時性很強的業務。另外，隨著下一代網絡的發展和電信、電視、互聯網三網融合的大趨勢，IPTV機頂盒還會出現雙模機頂盒。隨著微電子技術的進一步發展，雙解碼芯片、大容量存儲芯片將不斷出現，將給機頂盒帶來更多功能，具有雙解碼能力和本地個人視頻存儲能力的機頂盒會越來越多。總之，隨著科學的進步和技術的發展，IPTV機頂盒產品會越來越成熟，功能越來越強大。在不遠的將來人們將可以通過機頂盒體驗到IPTV業務帶來的足不出戶便可縱覽世界、娛樂購物，相隔萬里也似親臨其境的超時空享受。
5、結束語
展望IPTV機頂盒的前景無限美好，但我們腳下的路還很崎嶇，擺在我們面前的困難也很多。首先是音視頻編解碼技術的選擇，目前用于IPTV業務的音視頻編解碼標準主要有MPEG-4和H.264協議，這兩個標準都存在十分苛刻的專利收費條件，在我國這樣人口眾多的國家，無論是對IPTV業務運營商還是機頂盒設備制造商都是一筆非常可觀的投入。而我國自行研制的音視頻編解碼標準對于IPTV業務目前還沒有達到成熟商用階段。如何選擇編解碼標準是一個需要研究的問題。其次是協議封裝問題。IPTV的流傳輸應該建立在通用的公開標準之上。所以利用IP傳輸MPEG-4和H.264的IPTV解決方案中大多采用StreamDATA／TS／UDP／IP、StreamDATA／TS／RTP／UDP／IP、StreamDATA／RTP／UDP／IP三種封裝方式。其中前兩種方式攜帶信息豐富，包括EPG信息，但封裝包小，浪費帶寬。第三種方式比較適合IP網絡的特點，但攜帶信息不如前兩種。還有諸如中間件技術的選擇、信息安全與數字版權保護、圖形與圖像顯示等很多問題都需要在機頂盒開發過程中做認真細致的工作。結合IPTV業務發展趨勢，選擇符合并略有超前于業務的技術方案，采用開放式結構，提供可平滑升級業務的能力，才能保證所研制的產品滿足IPTV機頂盒的需求。
