迎接数字媒体革命 改造机顶盒设计

       诸如多标准视频解码器、先进的视频处理、RF和近场通信这样的技术将使STB(机顶盒)为电视观看体验中的革命提供动力。此外，高带宽IP网络的出现将取代或补足现有网络接收电视信号的性能。

 

       半导体器件所具备的实时处理海量数据的能力正为视频领域带来一场革命。对于消费者来说，长期的好处有如下三个方面：

 

       1. 随着从模拟向数字的转换，可用内容将越来越多；

       2. 随着从标准清晰度向高清晰度的转换，消费者将享受足够好的观看体验所带来的乐趣；

       3. 消费者有可能随时随地的使用丰富多彩的内容；

 

       只要对STB进行重新设计就可以提供上述好处，并使之具备在对等娱乐网络中运行的能力，在那里它与个人电脑及音频网络集线器一起配合工作，从而把各种功能整合起来实现直接存储器存取(DMA)或个人视频刻录机(PVR)。这将需要采用各种新技术和使重新设计成为可能的各种产品。

 

       对于视频革命来说，虽然在复杂硅架构上的处理能力是必不可少的条件，但是，其它的各种技术在变革视频观看体验的过程中也发挥着重要的作用。

 

       由互联网推进的无处不在的数字内容的广泛传播达到了DVD和其它数字媒体不可能达到的境界，但是，互联网的影响更为广阔，它也正在从简单的传输管道演变为一种提供定制的、与内容相关的服务的手段，让消费者以全新和不同的方式利用视频内容，如谷歌的You Tube。

 

       从模拟到数字的演变

 

       平行且密切相关的发展是从模拟到数字的转换。到2011年，欧洲和北美的90%的家庭将消费数字内容。对于日本和韩国来说，这个转换的速度将快得多。中国在开发了自己的数字标准之后不久将迎头赶上。

 

       对于设计工程师来说，从模拟向数字以及从标准清晰度向高清晰度的转换两者综合起来就面临一个巨大的挑战：格式转换。

 

       在模拟方面，存在NTSC、SECAM和不同的PAL标准；另一方面，数字标准则更加多种多样的，特别包含传统内容的时候。工程师已经对MPEG1、MPEG2、MPEG4、H.264和WMV非常熟悉了，但是，如果标准列表要完整的话，就要把欧洲的DVB标准、北美的ATSC、日本的ISDB以及中国的AVS这样的数字广播标准也包含进来。

 

       表1概要列出了各种可选标准，其中，包括音频标准，它是在IP-STB中实现充满活力的数字视频体验的必不可少的组成部分。

       从标准清晰度向高清晰度的转移

 

       从标准清晰度向高清晰度转移的趋势对互联网具有深刻的意义，因为到2011年，全球超过5,000万家庭将成为IPTV订户。这些家庭中的绝大多数将利用IP-STB接入IPTV服务。

LCD电视面板已经早达到了画面质量性能的极限，要采用先进的视频处理技术对其进行改进：

 

       ·提高帧速率

       - 具有全上行变换的120Hz；

       - 在所有方向上进行运动补偿，不仅仅在水平方向上进行补偿；

       - 无缝的增强操作；

       ·创建智能算法

       - 减少MPEG编码造成的马赛克；

       - 减少运动图像的马赛克；

       - 模糊背景锐化；

       ·在数字部分进行改进，而不损失标准清晰度内容

       - 对于可预见的将来，存在大量标准清晰度的内容；

       - 采用锐化/上行变换算法来减少标准清晰度对消费者带来的不好体验；

       ·对高清晰度图像自始至终以10位精度进行处理

       - 必须贯穿整个视频处理过程；

       - 对于中间的计算不要下调到8位分量！

      

       这些半导体处理器的开发将确信显示器匹配人眼的特性，并给予更好的感官体验。

 

       面向家庭中随时随地接入的标准

 

       此外，如果要完全地实现重新设计的STB，就必须包含另外一组技术。

 

       上文引用的第三个消费者利益——随时随地的媒介——只能通过像Wi-Fi(更明确地说，就是IEEE 802.11n)、WiMAX、先进的3G蜂窝和4G蜂窝网络这样的无线RF技术来实现，并且无疑包括其它技术以及像Powerline、HomePNA、Moca和以太网等等的技术。

 

       获得大量技术利益的一个选项是在家庭中引入对等网络，因为它降低了对互联网的带宽要求；在急剧增加的视频内容重压下，这正是建立电信基础设施的一个有价值的目标。

 

       IP-STB在这此可能发挥关键的作用，因为它已经被连接到家庭的IP网络，所以，能够通过相同的IP网络在家庭的其它地方访问内容。目前的WiFi技术(基于IEEE 802.11g)缺乏针对HDTV视频内容传输所需要的带宽。新的工作在5GHz的802.11n标准对于IP-STB是至关重要的，它能够通过家庭网络快速和可靠地传输视频内容。目前，符合802.11n标准的新型可用芯片都处于设计认证阶段，并且被用于小规模的网关。因为这种WiFi标准完美地适应IP-STB的要求，预计从2008起将出现强劲的市场渗透。

 

       通过把个人视频刻录机连接到STB上，内容可以被本地存储和访问，从而让消费者能够录制电视节目供过后观看，而不必担心错过广播时间的问题。

 

       在互联网上可用的新服务和财务交易选项，将使IP-STB有必要提供非常高级别的安全性，并考虑数字版权管理的担忧。

 

       现在，工程挑战已经得到了定义，让我们考察最有希望的解决方案。

 

       多标准视频解码器

 

       当为大规模市场应用而开发视频产品时，性能和成本是主要的驱动力；在为下一代STB视频产品开发格式转换芯片的情况下，两者几乎是互补的。单芯片解决方案总是具备成本效益，并且因为针对该应用的性能已经被设置得如此之高，片上处理也是必须的。

 

       显然，需要采用多标准视频解码器(MSVD)，但是，要实现这种芯片可谓说起来容易做起来难。要通过巧妙地利用硬件和软件的划分以及有效的媒体处理DSP，才有可能实现。

 

       实现具有成本效益的高性能MSVD的关键，是认识到视频流解码可以被视为两个步骤。第一步是一个控制密集的分解程序，其中，视频流被解释以恢复基本的信息，如宏模块类型、宏模块划分、预测类型、运动向量、残余等等；第二步，该信息被用于驱动信号处理密集的像素处理单元，由像素处理单元产生一个经解码的帧。

 

       在控制密集的分解步骤和计算密集且高度并行的像素处理步骤之间要作出巧妙的分隔，从而为高性能MSVD提供了所需要的效率。

 

       展示所有这些架构特征的MSVD的方框图—NXP公司的PNX8335—如图1所示。

 

       CPU由硬件加速器和用于视频流分解的定制指令来增强。这种架构选择提供了处理不同的标准所需要的灵活性以及在分解操作期间所执行的复杂决策树。

 

图1：多种数字视频格式都可以由一个MSVD来处理

 

       CPU (图1中的TMConfig)是由提供了1650 MOPS强大性能的TriMedia 32位CPU家族派生出来的，它拥有具备5个发起槽和若干运行于330 MHz 的功能单元的VLIW 架构。为了实现与硬件加速器的最佳通信，其中添加了低反应时间的负载/存储接口。

 

      该负载/存储接口还容许通过编译器工具链对各操作进行最佳的调度。这种方法消除了通常与一个外部加速器的交互作用而引起的大部分延迟。

 

      连接到这个接口的硬件加速器既执行重复的任务(即反变换系数解码)，又执行CABAC(内容自适应的二进制算术编码)解码。CPU未被使用，因为难以在CPU上有效地映射这种高度连续的操作。

 

      该内核支持用于多周期和流水线操作的附加定制单元，因此，是一个强大的功能扩展。这种功能被用于扩充标准的指令集，其中，专用操作指令主要被用于运动向量的计算。

 

      对于像素处理，挑战来自对高清晰度内容进行解码时必须处理的高吞吐量数据流。虽然可能构建一个能以非常高的效率执行一些解码工具的媒体处理器，但是，这常常要以其它折衷为代价，结果是完整的像素处理级的整体性能指标不足以支持高清晰度解码，或者，它可能太过昂贵而完全不实用。

 

      有效的流水线架构的关键是采用严格相同的三个内核，残留解码、运动补偿和抗块效应滤波，来实现所有的主流视频解码标准。

 

      因此，MSVD具有一个5级宏模块处理流水线，其中，包含10个专用处理单元，它们在小的占位面积内同时运行以提供高清晰度解码性能。逻辑部分运行速度为165MHz，能够实现高达250 kMacroblock/s的处理速度。每一个专用单元能够在小于640个周期内处理一个宏模块(16x16亮度像素 + 16x8 色度像素)。

 

      安全的IP-STB

 

      如前所述，互联网服务，包括财务交易，将在几年内成为正常的经营方式。作为一个互联网入口，IP-STB有必要提供高级别的安全性。

 

      随着新的视频设备进入家庭，IP-STB的任务是媒体服务器，而这个媒体服务器也需要一个安全层，因此，存在同等重要的第二个安全性方面的问题。

 

      NFC的设计就考虑了安全性的问题。它仅仅工作于非常短的距离，典型情况下小于4cm，且其通信是加密的。最初设计的NFC利用13.56 MHz RFID频段跨越非常段的距离以“无接触”地传输数据。NFC是一个由ISO 18092和ECMA 340定义的开放式标准，并且与由ISO 1443规定的全球RFID标准后向兼容。

 

      早期，NFC技术在移动电话中的各种应用或多或少地反映了RFID的各种应用，如在读卡器附近读取(或更为适当地说，轻叩)一个具有NFC功能的电话，以快速接入一个技术研讨会。

 

      最初的服务提供商并不提供为第三方服务付费这样的财务交易功能，如果你考虑IP-STB将成为财务交易的一种手段的话，显然，就要把NFC应用到IP-STB上。类似地，当新型设备如第二台机顶盒或一台移动媒体播放器被接入到IP-STB系统时，它必须被配置以在新的便携式环境中工作。在那个配置之上，NFC可以方便地与安全的802.11n网络结合而不必采用复杂的WPA代码。在设置STB的过程中，这可以使消费者的生活更为舒适，因此，不需要服务中心和安装服务。

 

      采用具备详细配置信息和对设备的所有者而言独一无二的识别信息的智能卡是完成这个任务的理想方式。NFC只是给对方带来合适的综合性能。

 

      本文小结

 

      未来几年内，从模拟向数字以及从标准清晰度向高清晰度的转换，互联网上视频服务的出现，以及消费者带着它们的便携式媒体播放器随处移动的期望，将推动视频产品进入一个全新和令人兴奋的发展阶段。

 

      因此，要利用各种各样的技术，包括NFC、在连通性链路上的对等网络以及像NXP的MSVD这样的硅技术，对IP-STB进行重新设计，从而提供更为丰富和更为充满活力的用户体验。

 

      视频产品的革命在各个不同的地区会以不同的步调进行，各地区内的消费者将一如既往地根据他们的家庭预算来购买相称的设备。一种解决方案将无法满足各地区消费者的需求。

最近，NXP半导体公司发布了针对特殊应用和市场的三种STB开发平台，显然，所面临的各种挑战是可以迎刃而解的。

 

      入门级STB100提供的电子物料清单(BOM)的成本为20美元，瞄准的是单一通道STB应用。STB220包含一个数字媒体适配器(DMA)及数字视频刻录机(DVR)，它提供的BOM—包括硬盘驱动器—的成本不到100美元。最后，STB225 HD IP-STB 平台锁定的是IPTV服务，并提供成本不到70美元的BOM。实际上，STB可以配备一个Mini PCI 802.11n模块。NXP提供的若干模块所具备的接口满足大多STB参考设计的要求。这些发展显示，STB已经变成了成熟的产品，并能够处理复杂的结构，从而容许全球许多消费者以买得起的价格，舒适地享受正在进行的充满活力的数字媒体流所带来的乐趣。