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機頂盒

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數字視頻變換盒（Set Top Box）簡稱STB，通常稱作機頂盒或機上盒，是一個連接電視機與外部信號源的設備。它可以將壓縮的數字信號轉成電視內容，並在電視機上顯示出來。信號可以來自有線電纜、衞星天線、寬帶網絡以及地面廣播。機頂盒接收的內容除了模擬電視可以提供的圖像、聲音之外，更在於能夠接收數字內容，包括電子節目指南、因特網網頁等等。它使用户能在現有電視機上觀看數字電視節目，並可通過網絡進行交互式數字化娛樂、教育和商業化活動 [1]  。
中文名
機頂盒
外文名
Set Top Box
全    稱
數字視頻變換盒
俗    語
稱作機頂盒或機上盒
基本功能
接收數字電視

目錄

  1. 1 發展歷程
  2. 2 設備分類
  3. 3 功能要求
  4. ▪ 媒體處理
  5. ▪ 交互功能
  1. ▪ 管理功能
  2. 4 硬件接口要求
  3. 5 通信協議要求
  4. 6 安全要求
  5. 7 結構
  1. ▪ 硬件結構
  2. ▪ 軟件結構
  3. 8 行業標準

機頂盒發展歷程

機頂盒(set top box,STB)起源於20世紀90年代初，當時主要是歐美國家有線電視台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年代後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户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徵和條件接收功能。所謂網絡環境特徵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：用於接收有線電視的數字電視機頂盒DVB-C、接收數字衞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 [2]  。
2018年，我國超高清電視國內銷量佔比達67%，三大電信運營商4K機頂盒用户數達到1.5億，超高清視頻產業發展快速。 [5] 

機頂盒設備分類

數字衞星機頂盒
此類機頂盒又稱為綜合業務接收機（LIM），用來接收數字衞星廣播節目。該類機頂盒在幾年前就已商業化，有專業的LIM，也有個人用的LIM。所看到的許多衞視節目都是有線電視台通過專業的LIM從衞星接收下來，再通過有線電視送入用户家中的。個人用的LIM在我國並不普及，但在國外具有較好的市場。該類機頂盒的主要功能是接收數字電視廣播，同時也支持數據廣播、圖文電視等應用。但由於它的傳輸平台是衞星信道，支持交互式應用比較困難。數字衞星機頂盒基本採用DVB-S(Digital Video Broadcast Satellite)標準，國內外都有商用產品 [3]  。
數字地面機頂盒
數字地面機頂盒的功能與數字衞星機頂盒類似，所不同的只是傳輸介質由衞星信道變成了地面廣播信道。該類機頂盒所使用頻率與有線電視頻率相同，但由於這種無線信道的情況比有線電視網絡複雜得多，所以它的信號傳輸技術與數字有線電視機頂盒也有較大差別 [3]  。
世界上有三種主要的數字電視地面廣播標準：歐洲的DVB、美國的ATSC和日本的ISDB-T（綜合業務數字廣播）系統的DTTB（數字地面電視廣播）方案。DTTB實際上是DVB-T的變種，ATSC的接收設備稱為DTV，DVB的接收設備稱為標準數字電視。但在一個較短的時期內，DTV和標準數字電視不可能降到模擬電視的價位，還必須通過數字地面機頂盒將數字地面廣播的節目顯示在模擬電視機上 [1]  。
數字地面機頂盒的關鍵技術是編碼正交頻分複用（CODFM），該技術可有效解決數字地面廣播中所存在的多徑接收、鄰頻干擾等問題。在模擬電視廣播系統中，多徑接收會造成圖像重影，在數字電視廣播系統中，某些特定相位的多徑信號可能因信號間相位疊加，導致接收失敗。另外，數字廣播信號與模擬廣播信號之間以及數字廣播信號之間會存在鄰頻干擾，數字廣播若要利用鄰頻技術提高帶寬利用率，頻道內的有效輻射功率則必須低於模擬電視廣播的有效輻射功率，並且應保持頻譜功率密度恆定。正交頻分複用CODFM克服了上述問題，它將串行數據流劃分為多個比特的碼元，每個碼元可有數千比特，再用這些比特去調製被置於一個頻段內間隔很小的數千個相互正交的載波。通過設置這些載波的保護間隔和邊帶能量的位置，使某一特定載波在鄰近頻道上的能量為零，從而提供較好的鄰頻抑制能力 [3]  。
數字有線電視機頂盒
數字有線電視機頂盒的基本原理與數字衞星機頂盒、數字地面機頂盒相同，只是信號傳輸介質是有線電視廣播所採用的全電纜網絡或光纖/同軸混合網。但由於有線電視網絡較好的傳輸質量以及電纜調制解調器技術的成熟，使得這類機頂盒可以實現各種交互式應用，並被業界廣泛看好。數字有線電視機頂盒基本採用DVB-C(Digital Video Broadcast)標準 [3]  。
事實上，這類機頂盒可以支持幾乎所有的廣播和交互式多媒體應用，如數字電視廣播接收、電子節目指南EPG、準視頻點播（NVOD）、按次付費觀看（PPV）、軟件在線升級、數據廣播、因特網接入、電子郵件、IP電話和視頻點播等 [3]  。

機頂盒功能要求

機頂盒媒體處理

需支持基本業務和擴展業務所需要的媒體處理功能。對於基本業務，可在AVS視頻、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4Part10/H.264、SMPTEVC-1中選擇一種或多種作為視頻解碼標準；音頻解碼可採用MPEG-2/4AAC、MPEG-2音頻、杜比AC3/5.1、MPEG-1Layer2和MP3等。當技術和業務都比較成熟後，最終會確定一兩項作為IPTV的音視頻編解碼標準。對於擴展業務，需支持CIF或QCIF等圖像顯示格式和H.261或H.263視頻編解碼標準，必須支持G.711音頻編解碼標準，也可採用G.723、G.728、G.729音頻編解碼標準。之所以採用多選項方式，主要是考慮各種音視頻編解碼標準的專利收費情況等沒有確定標準 [4]  。
此外，機頂盒需支持分辨率為640×480、720×576、352×288圖形顯示方式，每像素至少支持16位彩色；支持可同時顯示多個平面的內容，可採用平鋪或疊加圖像方式；支持顯示字符和漢字的能力，漢字編碼應符合GB18030要求 [4]  。

機頂盒交互功能

機頂盒需提供交互內容選擇和內容交互控制兩類交互功能。交互內容選擇功能支持利用門户導航菜單選擇內容、進行節目檢索、與業務平台的認證系統交互認證信息等交互過程。內容控制功能主要針對在實現點播業務時，機頂盒與IPTV業務平台之間應具有交互控制命令以控制內容信息的功能 [4]  。

機頂盒管理功能

軟件升級功能。機頂盒可以提供應用軟件接口，通過在線或本地軟件升級獲得支持新業務的能力，必須能夠通過網絡或外圍存儲設備獲取最新軟件版本號並判斷是否需要升級，也可以通過HTTP(S)或FTP獲取最新版本文件。如果升級失敗，機頂盒必須仍能正常工作，並在開機時進行軟件版本檢查 [4]  。
日誌功能。機頂盒必須實現對本機版本信息和系統信息的管理及錯誤信息的診斷，並形成雙備份日誌文件。狀態發生變化時填寫日誌；當機頂盒開機時上傳日誌文件，並每隔24h上傳一次日誌文件 [4]  。
遠程配置功能。機頂盒必須能夠實現重啓動、下載、設置參數值、恢復出廠設置、設置參數屬性、刪除設備註冊、最小內核恢復等功能 [4]  。
本地配置功能。包括通過局域網對機頂盒信息進行配置（機頂盒提供Web方式配置界面）以及用户通過遙控器對機頂盒進行配置，配置信息包括IPTV業務管理系統域名、網絡接入方式、網絡接入賬號/密碼、靜態IP、網關、DNS服務器、DHCP和用户業務編號/密碼等 [4]  。

機頂盒硬件接口要求

機頂盒硬件基本配置應具有3類物理接口，即上行網絡接口、下行音視頻接口和紅外遙控接口，根據需要還可以配置多種輔助接口。
  1. 網絡側接口：可以根據需要配置一種或多種接口。接口類型包括高速以太網接口10/100Base-T、ADSL接口（可選用於有內置xDSLModem的設備），無線局域網接口（可根據接入條件提供以下任一種無線局域網接入標準的接口。在2.4GHz頻段內，傳輸速率為11Mbit/s，應符合IEEE802.11b標準；在5.8GHz頻段內，傳輸速率為54Mbit/s，應符合IEEE802.11a標準；在2.4GHz頻段內，傳輸速率為54Mbit/s，應符合IEEE802.11g標準） [4]  。
  2. 音視頻接口：視頻輸出接口有複合視頻輸出端子和S-Video視頻輸出端子；音頻輸出接口有模擬音頻輸出接口和數字音頻輸出接口 [4]  。
  3. 紅外接口：規定了利用紅外遙控器對機頂盒控制的傳輸距離、紅外發射角度和機頂盒接收紅外信號的最小角度，具體性能要求應滿足IrDA1.1協議（快速紅外協議）的基本要求 [4]  。
  4. 輔助接口：為可選項，包括USB接口、下行以太網接口、Z接口和串行接口等 [4]  。

機頂盒通信協議要求

IPTV機頂盒作為IP網絡接入的終端設備，必須支持一系列與業務相關的IP。可以將機頂盒所涉及的IP歸納為：接入過程中涉及的相關協議，包括PPPoE、DHCP、IEEE802.1x；文件/文本傳送協議，包括TFTP、FTP、HTTP；媒體傳送協議，包括實時傳輸協議（RTP）和符合ISO/IEC13818-12000規定的傳輸協議；Internet組管理協議，包括支持組播的IGMP（應符合RFC2236的規定）；媒體播放控制協議，包括實時流RTSP（應符合RFC2326的規定）；管理協議，包括由DSL論壇定義的用户終端廣域網管理協議TR069和簡單網絡管理協議SNMPv2；網絡時間同步協議，可選擇網絡時間協議（NTP）或簡單網絡時間協議（SNTP） [4]  。

機頂盒安全要求

機頂盒應支持AAA認證方式，接入IP網絡時應提供必要的信息，包括用户識別碼或用户名和密碼，經認證授權後才可以使用IPTV業務平台提供的各類業務；同時支持機卡分離，利用智能卡技術以硬件加密方式存儲用户信息。數字版權管理安全要求：對於網絡的數字版權保護由內容提供商或業務提供商實現，傳送到用户端的信息應是具有DRM的信息。在STB中需具有針對業務平台DRM的相應版本，提供內容版權的保護 [4]  。

機頂盒結構

機頂盒硬件結構

數字有線電視機頂盒由四個子系統組成。
機頂盒框架圖 機頂盒框架圖
控制子系統:這是機頂盒的心臟部分，由CPU,ROM和RAM組成，提供信號存取和控制的處理功能，並提供一個可編程平台。它除了負責各子系統的初始化以外，還必須控制各部分協調工作並具體完成信號的解密、去擾，進行多路分離，獲取MPEG-2數據流和其它一些打包數據 [3]  。
數字處理子系統:壓縮編碼的聲音數據經音頻解壓縮器解碼，輸出到D/A轉換器得到電視的音頻信號。壓縮編碼的視頻數據經視頻解壓縮器解碼，其輸出與OSD系統產生的圖形混合，經NTSC/PAL/SECAM編碼器供給電視。這部分一般採用專用芯片 [3]  。
網絡接口子系統:實現和視頻服務器的雙工通信。針對接入網的不同，採用相應的接口 [3]  。
用户/公共接口及擴展接口子系統:與紅外遙控器、遊戲控制器、智能卡、解密卡等外設進行通信 [3]  。

機頂盒軟件結構

機頂盒的軟件結構有4層。
硬件驅動層：位於軟件結構的最底層，控制各模塊的初始化和工作。
內核層：一般是一個小型的操作系統，完成進程的創建和執行進程間的通信、資源的分配與管理。
命令解析層：對應用層屏蔽以下各層解析應用程序和用户發出的命令。
應用層：位於軟件結構的最上層。可能的應用程序包括電子節目瀏覽，視頻播放器等等 [3]  。

機頂盒行業標準

2023年11月，廣電總局發佈了《有線電視業務技術要求》等三項廣播電視和網絡視聽行業標準的通知，要求有線電視智能機頂盒開機過程所需時間應不大於35s。有線電視運營機構在提供直播頻道和時移電視、頻道回看、視頻點播等有線電視業務時，應確保界面簡潔友好、操作方便快捷、節目優質傳輸。 [6-7] 
2024年1月23日，國家廣電總局指出，積極推進電視機機頂盒一體化。組織開展插入式機頂盒解決方案研發應用和產業化推進，同時積極研究推進全內置式電視機機頂盒一體化工作，加快制訂方案、標準、規範，最終實現一體化的目標。 [8] 
參考資料