數位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資訊設備，形成多元應用的家庭網路；不僅如此，數位電視與手機也朝向整合之路發展，行動電視（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路、甚至是行動通訊系統結合時，包括視訊、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複雜許多的應用環境，而數位機上盒（Set-top-box；STB）正位於此架構的核心位置，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，數位STB又可分為數位地面（Terrestrial）STB、數位衛星（Satellite）STB、數位有線（Cable）STB，以及透過網路（xDSL、Cable Modem、光纖）的IP STB等型式。整體而言，數位STB的技術主軸朝向支援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，加入硬碟的數位視訊錄影機（DVR）及整合家庭網路功能的家庭網路閘道器（Residential Gateway；RG），也是數位STB的重要設計方向。

系統架構

一個數位STB是由軟、硬體所組成，在硬體方面的主要單元可分為接收廣播訊號，並將其轉換為數位傳輸串流的前端（front-end；FE）晶片，即諧調器（tuner）和調變/解調變器（modulator/demodulator）；後端晶片包括電視解碼器/編碼器（NTSC/PAL decoder/encoder）、MPEG-2 Transport、MPEG-2 MP@ML或HL解碼器、微處理器、繪圖晶片、音訊處理器、音訊DAC、視訊DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等記憶體、電源元件及其他標準離散元件。更高階產品還會整合安全晶片、連網數據機（modem）或家庭網路晶片，以及可錄影之硬碟（HDD）。(圖一)為支援DVR功能的STB解碼晶片方塊圖。

《圖一　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位STB在硬體部分的發展趨勢。在功能上，電視解碼器強調要能做到dual-TV和dual-DVR，也就是除了能解碼並顯示數位和類比兩種電視廣播訊號外，還要能解碼兩個同步標準解析電視訊號，再送到多台不同的電視機播放或錄製節目到硬碟中。此外還有所謂的PAP（高解析雙畫面）和PIP（子母畫面）功能，能夠在同一個螢幕上顯示兩個不同的高解析電視畫面，可以分別並列或上下排列。

在整合性上，為了保持設計彈性，一般在系統中前端及後端晶片是分離的配置，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。晶片本身則朝SoC的方向發展，尤其是位居核心的解碼器晶片，此類晶片會採用90奈米等高階製程，在一顆晶片上整合各種主要功能，包括高性能的CPU、視訊解碼電路和各種週邊設備，請參考(圖二)。

《圖二　STB單晶片iDTV處理器硬體架構方塊圖》

在軟體部分則包括作業系統和即時作業系統（RTOS）、提供互動功能的MHP 等中介軟體（Middleware）及應用程式介面（API），以及電子節目表（EPG）等應用軟體或條件式接取（Conditional Access；CA）安全功能。介面上則需要支援安全性模組（POD module）、共同介面（CI）、智慧卡（smart card/reader）、高速介面（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訊處理晶片解決方案後，仍需進一步整合開發的議題。

視訊轉換處理

視訊轉換處理無疑是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為基本視訊壓縮規格，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。採用新的規格對業者來說具有許多好處，最明顯的例子在於能透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，後者只需8Mbps頻寬就能提供相同的畫質，兩者差了2.5至3倍。除了頻寬的考量外，採用新的視訊壓縮規格也能帶來其他的優勢，例如在具備節目錄製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。

目前市場上並未明確的往特定的新一代規格靠攏，處在這個過渡期中，STB只得同時支援多種規格。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，讓它在推展上顯著的舉步維艱。

MPEG-4最大的問題在於規格過於龐雜，視訊只是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，由於MPEG-4允許業者自訂輸出規格，因此造成各種規格並存的現象，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，則在於要取得MPEG-4的商用許可證曠日廢時，而且得負擔高昂的使用費用。

相較之下，H.264雖然也是一個複雜的標準，但它只針對視訊做制定，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訊壓縮效能的規格，也不存在使用費的問題，所以自2003年標準推出後，即對HDTV、HD-DVD、手機及視訊串流等業者產生莫大的吸引力。不僅如此，H.264在制定時即考量了與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(表一)。

不過，在提升壓縮效能的同時，H.264也存在編碼計算複雜度大增的問題，因此需要消耗更大的運算資源。在此情況下，STB必須採用更高效能的處理器，或以專屬的CODEC加速器硬體來完成任務。此外，高品質、低複雜性演算法對於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，以及用於H.264解碼的錯誤檢測與隱藏演算法，能讓解碼器承擔並隱藏數據封包損失，在無線封包網路上實現IP網路的最佳效能。

視訊編碼轉換（Transcoding）

身為數位家庭網路核心位置的STB，除了提供電視節目的視訊轉換播放之外，目前也成為家庭中如DVD、PMP、數位相機等各種不同設備的互連中心。為了讓視訊內容能在不同設備間進行播放及存取，STB還得具有視訊編碼轉換的能力，也就是調整位元速率以符合特殊的通道速率或儲存格式；或是用來改變解析度，如將高解析度（HD）視訊串流傳送給標準解析度（SD）電視，或是在CIF行動終端上顯示SD視訊等。

動態位元串流規劃（Dynamic Bitstream Shaper；DBS）技術，即採取最佳化的演算法來支援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。它的開發目的在於降低視訊編碼轉換的架構複雜性、運算耗能、記憶體需求，以及運算延遲等，讓視訊內容不需經過再編碼（re-encoding）而能獲得相同或更佳的品質。

《圖三　DBS MPEG-2轉H.264編碼轉換技術》

數位內容管理技術

進入數位內容的時代，複製盜版的難度大減，這也成了電視服務業者邁向數位電視或IPTV時最關心的問題之一，負責接收轉換數位內容的STB，自然就被賦與了版權管控的任務。目前對於數位電視內容管理的技術作法不少，其中以條件式接取（CA）和數位版權管理（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訊處理器聯盟（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位電視業務的一項關鍵性機制，它能為廣播式網路提供定址化管理（Addressability），其關注的重點是電視頻道與收視戶的權限。收視戶需透過專屬STB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資訊，包括用戶名稱、位址、智慧卡號、帳單等等，並搭配後端客戶管理及帳務系統來提供更個人化的加值服務。

由於CA得處理複雜的加解擾等演算問題，是STB製造商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外，也讓STB因通用性低而受到侷限，因此相關的組織或政府政策上皆致力於推動CA從STB中獨立出來的機卡分離作法。

以DVB來說，此系統系統原先只就CA做了共同擾碼（DVB Common Scrambling）的定義，上層營運面的操作（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，以解決互通營運上的問題。

此外，美國、歐洲及亞洲多國皆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，分別是採PCMCIA、USB或智慧卡的方式，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，皆以PCMCIA為其基本的物理介面。

《圖四　不同DRM規格的互通問題》

DRM

CA的定址化功能雖能對頻道及用戶做收視控管，但對於個別節目的內容保護與授權就力有未逮，在此情況下，有必要進一步採用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 採取的是許可證管理（License Management）策略，也就是由數位內容發行商對原始檔進行加密（一般採用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、發行日期等版權資訊。當用戶想透過網路或直接從光碟中取得內容時，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介面的身份認證權杖），或經由網路認證伺服器來認證其帳號、密碼。

整個 DRM 的建置架構共分為三層：使用者介面應用軟體、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系統分別採用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及開放行動聯盟OMA推出的DRM 1.0/2.0規格，但仍有包括UT-DRM、NDS、SecureMedia、WideVine、BesDRM等規格並存。為了讓用戶能收看不同來源的視訊內容，今日的STB只得盡量支援市場上的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(圖四)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、Sony和20世紀福克斯電影公司等四十個公司組成了Coral聯盟，即致力於為基於WEB和家庭網路的設備安全傳送內容提供互操作性。目前該組織已公佈一種互操作層，能支援多種DRM方案，其架構請參考(圖五)，不過，微軟及Apple兩大公司的規格仍是例外。

《圖五　Coral聯盟提出的DRM互操作層節點作法》

安全視訊處理器（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援，ST是該標準的發起會員之一。SVP聯盟的主要工作是在數位家庭網路以及數位電視、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，為數位內容提供更完善的保護管理。透過SVP技術，數位內容供應商可以自行設置其DRM規範來對其作品內容加以保護，並將來自CA系統的規則映射到SVP格式之中，最後再透過支援SVP功能的個人錄影機、DVD錄影機或PMP等設備解密還原為原始內容呈現給觀眾。

基本上，SVP技術是一種以硬體為基礎的安全方案，提供加密、傳輸和接收內容及關於如何通過安全通道使用內容的規則。其硬體核心IC只需不到20萬電路閘，並在其上運作一個安全軟體堆疊。這可以說是一種低成本、適合未來應用的解決方案。

結語

為了因應市場的變化，數位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台，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也需具有軟體升級的功能，也就是只需透過遠端網路的下載更新，就能升級其軟體或韌體。

由於數位STB是一個集合各種功能於一身的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。除了上述的視訊轉換處理及內容管理的設計關鍵外，在數位衛星、地面及有線電視的服務上，訊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，但如何保證串流視訊的服務品質（QoS），並能提供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，例如數位電視與有線/行動電話的整合等，是值得我們不斷去投入觀察的。（作者為ST意法半導體大中華區家庭娛樂事業部系統元件中心經理）

延 伸 閱 讀

未來智慧手機的電源管理技術 Polycom宣佈，國際電信聯盟（ITU）已批准Polycom Siren 14技術為14kHz超寬頻音訊編碼新標準。同時將進入由ITU-T建議的G.722.1 Annex C標準的最後徵求意見（Last Call）階段。該技術現正以免版權費（royalty-free）方式提供授權，可提供接近CD音質的音訊品質，不但聲音更清晰，且減少了用戶因視訊會議所帶來的聽覺疲累。相關介紹請見「Siren14音訊技術成國際標準」一文。 iPod熱賣持續發燒，台灣MP3晶片設計廠商亦期望能趕上這個風潮。目前來說，台灣投入MP3晶片的廠商包含凌陽、聯陽、揚智與合邦等廠商。至於在2005年的表現，根據初步估計約不到5％的市場佔有率，可見得台灣IC設計廠商仍舊有很大的發揮的空間，尤其是MP3晶片報價已被壓到2美元以下。你可在「MP3晶片是台灣IC設計廠商可發揮的空間」一文中得到進一步的介紹。 音效晶片不管在DVD、音響或是電腦上，都是不可或缺的一個部分，因為它掌管了音訊的輸出品質。一套很棒的軟體或音響喇叭，若缺少了音效晶片的計算控制，聽起來就會讓人覺得索然無味。在「讓PC成為家庭劇院」一文為你做了相關的評析。

市場動態

瑞昱半導體（Realtek）發表新一代HD音效晶片ALC882。該新晶片具有高音質、多音源獨立輸出入技術、全新杜比高效能立體環繞音效功能等優勢特點，在新一代數位家庭（Digital Home）的個人電腦平台應用上，將提供多聲道、高音質音效的完整解決方案。相關介紹請見「瑞昱發表新一代HD音效晶片ALC882」一文。 英特爾發表適用於電腦的新一代PC音頻格式High Definition Audio（HAD）。HDA是產品代號名為Azalia的音頻格式，現今版本為0.9。Intel計劃公開其最終版本。同時，英特爾將於2004年上半年推出支援HDA的電腦專用chip set（晶片組）Grantsdale。你可在「Intel下一代音頻格式HDA將出爐 取代WMA？」一文中得到進一步的介紹。 MP3數位音樂風潮方興未艾，看好MP3、WMA（微軟特有的音樂壓縮格式）音效晶片市場擴增可期，多家IC設計業者紛紛投入開發工作，希望或多或少搶佔一杯羹。在「IC設計 搶攻MP3、WMA音效晶片市場」一文為你做了相關的評析。