系統架構
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他視聽及IT設備，形成多元應用的家庭網絡；不僅如此，數字電視與手機也朝向整合之路發展，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、甚至是移動通訊系統結合時，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型式復雜許多的應用環境，而數字機頂盒（Set-top-box；STB）正位于此架構的核心位置，其面臨的設計挑戰確實繁重。
一個數字STB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，即調諧器（tuner）和調變/解調變器（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、繪圖芯片、音頻處理器、音頻DAC、視頻DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等存儲、電源元件及其他標準離散元件。更高端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）。下圖為支持DVR功能的STB解碼芯片方塊圖。 具有DVR功能的STB解碼器方塊圖 更強大及多元的功能及更高的整合度是數字STB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信號，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奈米等高端制程，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周邊設備。 STB單芯片iDTV處理器硬件架構方塊圖 在軟件部分則包括操作系統和即時操作系統（RTOS）、提供互動功能的MHP等中介軟件（Middleware）及應用軟件接口（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組（POD module）、共同接口（CI）、智能卡（smart card/reader）、高速接口（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。
根據電視節目發送管道的不同，數字STB又可分為數字地面（Terrestrial）STB、數字衛星（Satellite）STB、數字有線（Cable）STB，以及通過網絡（xDSL、Cable Modem、光纖）的IP STB等型式。整體而言，數字STB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其技術及應用上的偏重。為了達到產品的差異化定位，加入硬盤的數字錄像機（DVR）及整合家庭網絡功能的家庭網絡網關（Residential Gateway；RG），也是數字STB的重要設計方向。
視頻轉換處理
視頻轉換處理
視頻轉換處理無疑是STB最主要的功能，因此編碼/解碼器（CODEC）猶如STB的心臟。目前電視廣播業界仍以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他的優勢，例如在具備節目錄制PVR/DVR功能的STB中，更大的壓縮比意味著能儲存更多的容量；此外，新的規格也提供了物件導向的互動功能，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，STB只得同時支持多種規格。MPEG-4雖然問世比較久，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，讓它在推展上顯著的舉步維艱。
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相容性的制定問題：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允許業者自訂輸出規格，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而卻步。另一個令人詬病的原因，則在于要取得MPEG-4的商用許可證，得負擔高昂的使用費用。
相比較之下，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性能的規格，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下表。
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應用情況 |
分辨率與影格速率 |
取樣速率 |
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移動內容 |
176*144, 10-24 fps |
50-60 Kbps |
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Internet∕標準分辨率 |
640*480, 24 fps |
1-2 Mbps |
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高分辨率 |
1280*720, 24p |
5-6 Mbps |
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最大分辨率 |
1920*1080, 24p |
7-8 Mbps |
不過，在提升壓縮性能的同時，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，STB必須采用更高性能的處理器，或以專屬的CODEC加速器硬件來完成任務。此外，高品質、低復雜性演算法對于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演算法，以及用于H.264解碼的錯誤檢測與隱藏演算法，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網絡的最佳性能。
視頻編碼轉換
身為數字家庭網絡核心位置的STB，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、數碼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，STB還得具有視頻編碼轉換的能力，也就是調整位元速率以符合特殊的通道速率或儲存格式；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。
動態位元串流規劃（Dynamic Bitstream Shaper；DBS）技術，即采取最佳化的演算法來支持MPEG-2與H.264之間的位元速率、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、存儲需求，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品質。
DBS MPEG-2轉H.264編碼轉換技術
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STB，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，新興的標準中比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定址化管理（Addressability），其關注的重點是電視頻道與收視戶的權限。收視戶需通過專屬STB或智能卡來取得授權，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、位址、智能卡號、賬單等等，并搭配后端客戶管理及賬目系統來提供更個人化的加值服務。
由于CA得處理復雜的加解擾等演算問題，是STB制造商比較難跨越的一道門檻，也是掌握此技術者的極大優勢。過去CA往往與特定系統業者的專屬STB綁在一起，收視戶一旦要換系統業者，就得連STB一同更換。這種情況除了造成系統業者與用戶的困擾之外，也讓STB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STB中獨立出來的機卡分離作法。
以DVB來說，此系統原先只就CA做了共同擾碼（DVB Common Scrambling）的定義，上層運營面的操作（Operation）及管理（Management）則開放讓系統業者可以自行發展。目前DVB已針對頭端與用戶端分別提出了同步加密（Simulcrypt）與多重解密（Multicrypt）的方案，以解決互通運營上的問題。
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模組）獨立設計的作法有三種，分別是采用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。
不同DRM規格的互通問題
數字內容管理技術－DRM
數字內容管理技術－DRM
CA的定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運營工具，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位元或156位元對稱演算法），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接口的身份認證權限），或經由網絡認證服務起來認證其賬號、密碼。
整個 DRM 的建置架構共分為三層：使用者應用軟件、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，兩種比較典型的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、SecureMedia、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STB只得盡量支持市場上的DRM規格。
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，如上圖所示。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四十個公司組成了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，其架構請參考下圖，不過，微軟及Apple兩大公司的規格仍是例外。
Coral聯盟提出的DRM互操作層節點作法
·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、STB、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，數字內容供應商可以自行設置其DRM規范來對其作品內容加以保護，并將來自CA系統的規則映射到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通道使用內容的規則。其硬件核心IC只需不到20萬電路閘，并在其上運作一個安全軟件堆疊。這可以說是一種低成本、適合未來應用的解決方案。
總結
為了因應市場的變化，數字STB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，STB也需具有軟件升級的功能，也就是只需通過遠端網絡的下載更新，就能升級其軟件。
筆者認為：由于數字STB是一個集合各種功能于一身的Hub，加上此一市場上的技術、標準與應用需求變化極快，要想推出滿足各方需求并且使用壽命長的通用型STB，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品質（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。
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