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處理器/DSP  

IPTV STB需採用能靈活支援各種編解碼器的平台

上網時間: 2006年03月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電信廠商  IPTV  視訊轉換盒  編解碼器  有線多業務廠商 

IPTV業務的部署加速,然而業界並不能確定哪知高階編解碼器將成為IPTV系統主流。因此,視訊轉換盒製造商必須選擇採用能靈活支援各種編解碼標準的平台。本文介紹了IPTV發展趨勢、各種編解碼標準的技術現狀和視訊轉換盒平台的性能要求。

電信廠商正集結待發,準備與有線電視供應商一決雌雄,而這次比拼將決定未來10年間電視、高速網際網路以及電話業務的格局。透過利用自身的混合光纖╱同軸電纜基礎設備以及專用線為客戶提供三重業務(整合視訊、基於電纜數據機的數據業務以及語音業務),有線多業務廠商(MSO)已經佔據了有利位置。現在,電信廠商也在重拳出擊─加強DSL基礎設備並利用高頻寬效率的視訊編解碼器增加IPTV業務,希望這類殺手級應用透過廣泛的寬頻接取不斷滲透擴張,進而提供獨具特色的三重業務。電信廠商取得成功的關鍵前提是為多頻道需求的美國用戶提供多種高清晰電視節目串流。這需要具備能支援目前MPEG-2編解碼的新一代視訊轉換盒,同時也需要更高階的新型編解碼器來提高頻寬效率,如H.264與VC-1。

圖1:高階視訊編解碼器。

IPTV最吸引人的特點是它克服了有線方案必須將所有的頻道發送到每個用戶的限制。上述限制意味著MSO始終面臨著網路頻寬容量限制,因此不得不在每次增加一個新頻道時關閉某個舊頻道。IPTV可以解決這個難題,方法是採用基於封包的網際網路技術只傳輸觀眾正觀看的頻道,因而能夠節省網路頻寬並且實現新節目的多樣化。IPTV可以實現點播觀看,而且能夠在視訊串流中包含無限的資訊組合。IPTV也是寬頻普及的殺手級應用,因為離開它市場只能滲透到擁有個人電腦的家庭。IPTV的重要優勢之一是能夠支援多條視訊通道,尤其是在採用高階編解碼器的情況下,因此對美國眾多擁有多台電視機的家庭極具吸引力。

美國廠商積極部署IPTV

美國兩大電信廠商SBC通訊公司與Verizon公司都在大規模部署IPTV網路。Verizon可望在四大電信巨頭中率先推出IPTV業務。該公司正建設光纖到駐地(FTTP)網路,範圍包括其提供電話業務的29個州中的半數。到2005年底,Verizon預計會透過其5至30Mbps FTTP網路為300萬用戶提供服務。Verizon的FiOS TV將打造一個有線及衛星電視的強勁競爭對手─透過寬頻網路提供數百個頻道、高清晰節目、視訊點播以及互動節目導視。該公司計劃以39.95美元的包月價格提供5MB下載和2MB上載服務。光纖部署計劃最初選中的是佛羅里達坦帕市、德州達拉斯-沃斯堡以及南加州地區。

SBC最近詳細制訂了自己的Project Lightspeed計劃─這是一項投資40億美元、3年內為13個州1,800萬個家庭部署FTTN(光纖到節點)和FTTP技術的計劃。在現有社區中,SBC計劃採用FTTN架構。這種架構通常可以把光纖鋪設到距離所服務家庭3,000英呎內,並且能夠利用高階壓縮技術和IP交換技術,透過DSL為家庭提供電視、網際網路接取及語音服務。SBC的FTTN網路可提供20~25Mbps的下行速度,足以同時傳輸多個標準與高清晰電視(HDTV)的節目串流以及網際網路接取與IP語音串流。SBC將在新的住宅開發計劃以及多住戶單元中採用FTTP架構。到2007年底,該公司預計能夠為1,700萬個家庭提供FTTN技術,並為近100萬個家庭提供FTTP技術。

選擇正確的技術

幾乎每個家庭都擁有電視機,因此IPTV是一種殺手級應用,使電信廠商能夠從接取寬頻網路的客戶那裡獲得新的收益。不過,在鈔票進入口袋之前,電信廠商還有一些工作要做,而且需要選擇支援IPTV所需的正確技術。電信廠商可以採用xDSL/ADSL 2+或UDSL技術向其客戶提供IPTV三重業務整合內容。上述內容透過DSL線路發送至家庭網路閘道或視訊轉換盒,然後由家庭網路閘道或視訊轉換盒將收到的內容可靠地發送至家庭網路設備,這些設備可能是有線或無線設備。如果是視訊傳輸,也可以兩種設備兼而有之。


圖2:UDSL 與 xDSL 視訊傳輸覆蓋範圍的對比。

隨著寬頻進入大眾市場,多業務視訊轉換盒正演變成功能更強大的多業務設備。它們可發展成家庭網路閘道(RG),透過單條寬頻鏈路連接各種家庭設備。RG可以具有眾多功能特性,如:動態路由、防火牆以及對多種家庭網路技術的支援,個人視訊錄影機(PVR)功能也在逐步進入高階視訊轉換盒。隨著這種趨勢愈演愈烈,DVD-RW以及向可攜式媒體播放器(PMP)傳輸內容等功能將越來越重要。未來視訊轉換盒的另一項重要功能是支援上行與下行數據串流,以實現視訊電話及安全等應用。

電信廠商必須決定採用分佈式還是集中硬碟架構為家庭的所有電視機提供PVR功能。在分佈式方案中,硬碟可以部署到家庭中的每台電視機(或每台視訊轉換盒)中。而在集中方案中,PVR功能可以駐留在主IP視訊轉換盒的硬碟中,後者可以用於為家中的所有電視機提供服務。無論在家庭中如何實現PVR,對於家庭網路閘道連接的每台客戶設備都必須支援QoS、安全/認證與內容保護功能。

高階編解碼器需求

保密性、數位版權管理(DRM)和最終用戶體驗也是IPTV取得成功必須解決的重要問題。即使是建設先進的FTTN和FTTP網路,最重要的問題仍然是提供多IPTV頻道所需要的頻寬,大部份用戶都需要多條頻道。即使電信廠商的新建網路提供相當可觀的頻寬,但是HDTV和SDTV也會很快使其消耗殆盡。

如圖1所示,在採用MPEG-2傳輸時,HDTV內容需要20Mbps頻寬,而SDTV內容需要4Mbps頻寬。由於預計許多家庭都需要3、4個HDTV頻道內容,顯然電信廠商需要更有效的方法向其用戶傳輸內容。而H.264格式的MPEG-4 Part 10與VC-1高階編解碼器可謂雪中送炭─其頻寬效率是傳統MPEG-2編解碼器的2.5~3倍。例如,採用MPEG-2格式時需要20Mbps傳輸頻寬的HDTV內容只需8Mbps頻寬即可發送至高階編解碼器。另外,原來需要3.5~5Mbps頻寬的SDTV內容只需1.5Mbps~2Mbps頻寬即可發送到高階編解碼器。

在IPTV三重業務整合網路中決定最終用戶頻寬需求的另一個要素是頻道數量,以及最終用戶距數位用戶線路接取多工器(DSLAM)或DSL遠端終端的距離。網路的實現方式也有助於確定哪種編解碼器能夠最佳地實現廠商的目標。降低頻寬要求的優勢包括能夠為更多家庭提供服務。如圖2所示,不同的情況存在不同的頻寬/距離閾值。簡而言之,因為先進的編解碼器能夠用較低的成本擴大網路覆蓋範圍,所以它們始終是IPTV網路的首選。更大範圍的網路覆蓋意味著潛在客戶數量的增加,電信公司可從中增加收入。

H.264與VC-1對比

現在我們更詳細地研究一下這兩種新編解碼器。H.264是國際電信聯盟電信標準化部門與國際標準化組織(ISO)聯合制訂的視訊編碼標準,與MPEG-2等以前標準相較,它可以顯著降低位元率。H.264設立在早期視訊編碼標準的運動補償變換編碼模式基礎之上。整個技術並不限制採用舊標準使用的建構模組,但也不需要提供後向相容。有助於提高H.264壓縮效率的部份主要編碼工具套件括:改進空間訊框間預測(spatial interprediction)、增強時間預測(基於四分之一採樣模式的運動補償、可變區塊大小運動補償、多假設運動補償以及加權預測工具)、高效的基於上下文的熵編碼(採用可變長度編碼或二進制算術編碼工具)以及環內上下文與編碼模式自適應去區塊斑濾波(deblocking filtering)。試驗顯示,在相同視訊品質情況下,與MPEG-4 Advanced Simple Profile(高階簡單類別壓縮協議)相較,H.264可以把位元率降低35%∼50%,而與MPEG-2相較可降低40%∼65%。與MPEG-4 Simple Profile(簡單類別壓縮協議)相較,H.264 Baseline Profile(基本規格)還可以在廣泛的位元率範圍內將峰值訊息噪音比降低50%以上。

表1:600MHz 時需要的 DM64x DSP 週期百分比。

VC-1編解碼器是Microsoft向電影與電視工程師學會(SMPTE)提交、申請成為標準的一個Windows Media 9版本。儘管提議的SMPTE VC-1標準基於Windows Media 9,實際上兩者大相徑庭。Windows Media包含許多並不屬於VC-1的部份,其中包括:數位版權管理、元數據、播放列表與用戶介面等;而VC-1只是一種視訊壓縮演算法。除了用於VC-1的傳輸與一致性文件之外,SMPTE還需要開發參考軟體解碼器與參考位元串流,以確保不同VC-1實施之間具備可互通作業性。

VC-1與H.264目前正身陷格式之戰,而MPEG-4 Part 10標準明顯搶得了先機,因為它在2004年得到了ISO的正式批准,而VC-1只是在最近才進入SMPTE委員會最終草案階段。但是,VC-1存在快速拉近差距的潛力。由於VC-1基於Windows Media 9壓縮系統,因此其規格解釋爭議少於MPEG-4。VC-1具備優勢的另一個要素是包括SBC等在內的眾多電信廠商已經宣佈支援微軟的IPTV平台。儘管H.264能夠在微軟IPTV平台上得到部署,但是已經採用微軟IPTV的電信廠商明顯傾向於實施完整整合的微軟解決方案。而保證與VC-1具有互通作業性的過程也可能更為簡單,雖然H.264受到許多供應商各不相同的解釋,但微軟是H.264的最終標準決斷者。

多種格式之間的互通作業性

目前主要電信廠商仍未決定將支援哪種編解碼器,因此他們有很好的機會在不做出明確承諾情況下進入實施階段。由於新一代壓縮標準仍懸而未決,因此互通作業性成為一項需要考慮的重要因素,尤其對視訊轉換盒供應商而言更是如此。除非各方實現單個格式的標準化,否則視訊轉換盒就應當支援多種格式,如MPEG-2、H.264與VC-1。值得注意的是,由於IPTV是一種封閉式的系統,因此可多多少少簡化互通作業性問題,這樣的話,您只需要證明相關計劃涉及的有限供應商的互通作業性。除了支援多種編解碼器的能力之外,高階視訊轉換盒還需要多種格式的編碼轉換,以支援DVD-RW和數據至PMP的傳輸。

在這種變幻不定的環境中,數位訊號處理器(DSP)可以給IPTV視訊轉換盒供應商帶來顯著的優勢,因為它們能夠透過韌體下載方式更新數位壓縮處理功能,而無需更改視訊轉換盒。DSP可提供高度靈活的平台,能夠輕鬆支援不同編解碼器並且以最低的成本添加新的功能。最新一代的DSP可以在50ms之內轉儲一個編解碼器並下載一個新的編解碼器,因而能夠實現用戶在多種格式之間的無縫切換。

本文小結

系統開發人員顯然希望盡可能多地了解DSP及其他處理元件執行H.264/MPEG-4壓縮與解壓縮的原理,但是新標準在改進性能方面的成功同時也是造成難以為其制訂基準的原因。

表1為一種流行的DSP(即TI的600MHz TMS320DM64x)提供了部份指標。該表還提供了執行H.264與MPEG-4所佔用的處理器週期比,同時提供了用於對比的JPEG、MPEG-2與Windows Media Video 9。請注意:所示基準均基於現有實施的典型測試數據或者詳細性能估計值基礎上。編碼器實施情況會根據所採用功能集的不同而千差萬別。換言之,此類數據儘管經過精心研究,但僅供開發人員參考,並非終端應用的最終數據。

隨著IPTV大規模實施的步伐加速,設備供應商也面臨著提供新一代低成本視訊轉換盒的巨大壓力。而與此同時,由於業界在確定不同高階編解碼器中哪種會成為IPTV系統主流技術方面無能為力,這也為供應商敲響了警鐘。尤其是市場正隨著視訊標準的精簡和壯大而穩定下來並且不斷成長,因此視訊轉換盒製造商不可避免地應當推出能夠提供更快速、更低整合成本以及更高靈活性的平台。

作者:Michael Stich

Charlie Gonsalves

德州儀器公司




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