為IPTV技術解決DSL機頂盒的設計與部署難題
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基于 DSL 的IPTV 市場增長
有線多服務運營商采用混合光纖／同軸線纜基礎設施，并租用線路為用戶提供三重業(yè)務整合視頻服務、基于線纜調制解調器的數(shù)據(jù)服務及語音服務，已取得了相當大的成功。目前，電信公司根據(jù)形勢的發(fā)展，加強了 DSL 基礎設施建設，并借助高效利用帶寬的視頻編解碼器新推出了因特網(wǎng)協(xié)議電視 (IPTV) 服務，這有利于寬帶技術的全面推廣，并實現(xiàn)自身的三重業(yè)務整合功能。IPTV 的重要優(yōu)勢在于，能夠支持多個視頻通道，特別在采用高級編解碼器時功能更強。針對美國多數(shù)家庭都擁有多部電視機的情況而言，該解決方案非常具有吸引力。
預計，IPTV 十年后將占數(shù)字電視市場份額的三分之一。電信公司采用ADSL/ADSL2+ 或 VDSL 技術向他們的消費者客戶家庭提供 IPTV 三重業(yè)務服務。眾多運營商和服務供應商都在宣稱將開展小區(qū)Video-over-ADSL技術試運行。大量分析報告指出，2004 年全球 DSL 機頂盒 (STB) 出貨量將超過 130 萬部。到 2008 年，市場銷售量將達700萬部以上，銷售收入將超過 7 億美元。
單個頻道的 HDTV 內容要求 20 Mbps，SDTV 內容則要求 4 Mbps 的帶寬（采用 MPEG-2 標準）。服務供應商似乎認為最少也應滿足兩個頻道的內容，因此顯然需要效率更高的編解碼器。兩大主要的競爭候選對象分別是 MPEG-4 Part 10 的 H.264 格式和 VC-1 高級編解碼器，兩者均比采用 MPEG-2 標準的帶寬利用率高出 2.5 到 3 倍。在高級編解碼器上，只需近 1.5 Mbps 帶寬就能傳輸要求 3.5 到 5 Mbps 帶寬的 SDTV 內容。高級編解碼器還能經濟有效地擴展 IPTV 網(wǎng)絡的覆蓋范圍，使我們能夠向更多家庭提供這一服務。
開發(fā)集成式 DSL STB 所面臨的挑戰(zhàn)
盡管眾多運營商和服務供應商已經宣稱將開展小區(qū) Video-over-ADSL技術試運行，但 STB 對他們而言仍存在嚴峻挑戰(zhàn)。消費者期望視頻質量達到目前電視服務水平，這就要求采用先進的 QoS 方案，以避免大容量文件下載干擾電視信號接收等問題的出現(xiàn)。銅質線路上會隨機出現(xiàn)大量噪聲，這也是一大難題。此外，新型編解碼器和 INP 方案不斷涌現(xiàn)，帶動了技術領域的快速變化，這都要求解決方案具備較高的靈活性才能快速實施最新技術。
為了解決上述難題，運營商希望 STB OEM 廠商和 ODM 廠商能夠超越現(xiàn)有技術進一步推動技術的發(fā)展，即實現(xiàn)電視機、DSL 調制解調器以及 IP STB 的結合。如果采用兩個不同的機頂盒，就意味著成本增加，用戶使用更復雜，發(fā)生故障的幾率也更大。如果采用一體化的機頂盒，那么保護影片內容也更容易。運營商希望將更多功能集成到 STB 中，如無線局域網(wǎng) (LAN) 和個人視頻記錄器 (PVR) 等。
大多數(shù)運營商希望集中優(yōu)勢資源從事增值服務，讓 OEM 廠商和 ODM廠商來妥善處理設備設計問題和相關風險。不過到目前為止，OEM 廠商和 ODM 廠商尚未進入集成的 DSL/IP STB 市場，這或許是因為他們不愿為剛剛嶄露頭角的新市場承擔昂貴的設計風險，這也是可以理解的。因此，一些以集成式解決方案進入本市場的領導潮流發(fā)展的公司不得不自行設計客戶端產品 (CPE) 并與承包制造商合作。意大利的 FastWeb、法國的 Free 和英國的 Homechoice 等供應商都采取了這一方案。
新一代開發(fā)板
AR7 開發(fā)板集成了 DSL 與視頻芯片
目前市場已出現(xiàn)了新一代開發(fā)板，不僅可大幅節(jié)約集成式 DSL STB 所需的開發(fā)時間及成本，而且還能顯著降低相關風險。TI 的 AR7 就是新一代開發(fā)板中的一員，基集成了 AR7 DSL 和 DM642 視頻芯片，這些芯片目前已廣泛用于大多數(shù)集成式 STB 中，包括上述三家公司提供的新產品。DM642 基于 TI TMD320C64x 數(shù)字信號處理器 (DSP) 內核之上，并且還采用了可加速視頻與圖形應用的指令集擴展，因此能提供全面的軟件可編程性。這使用戶能實現(xiàn)各種功能，如先推出 MPEG 2 產品，隨后再升級到 H.264 視頻編解碼器。AR7 是首款單芯片 DSL 路由器，在本市場領域中獨領風騷。AR7 片上路由器所采用的 MIPS CPU 負責管理 DSL 鏈路，執(zhí)行 IP 路由功能，并傳輸進行解多路復用的數(shù)據(jù)流，為 DSP 提供原始的壓縮音頻與視頻數(shù)據(jù)。
主要接口
開發(fā)板處理集成問題。
DSL 與視頻芯片的集成管理是新一代開發(fā)板節(jié)約設計時間的最重要的方式。舉例來說，外部存儲器接口 (EMIF) 通常用于連接 DSP 與不同類型的存儲器器件，如 SRAM、Flash RAM、DDR-RAM 等。AR7 上的接口用于從 AR7 向 DM642 的 HPI 視頻接口傳輸流量，這時 AR7 作為主機，而 DM642 作為從機。在啟動時，AR7 首先啟動，再帶動DM642。這時，視頻提供給 DM642 中的批隊列 (bulk queue)。AR7 處理批隊列中的流量控制，而 DM642 的視頻驅動器將視頻移動至芯片上的四個隊列中。DM642 隨后將視頻流解碼，再在屏幕上顯示圖形。
我們致力于接口開發(fā)，以便使為 STB 添加更多特性的任務變得更簡單，如無線局域網(wǎng) (LAN)、因特網(wǎng)協(xié)議語音 (VoIP) 等。舉例來說，VLYNQ 就是我們希望添加的一種新技術，其能提供至其他技術的連接。該接口采用 3 引腳或 5 引腳串行總線，不管是 3 引腳還是 5 引腳，都有引腳作為命令線 (command line)，三引腳情況下有一個引腳作命令線，五引腳情況下有兩個引腳作命令線，分別用作傳輸與接收線路。這種接口使兩個器件能通過接口連接，彼此實現(xiàn)存儲器映射，大幅簡化了集成更多芯片的工作。這意味著程序不管運行哪個芯片，都能訪問另一芯片的存儲器，而調用的命令都一樣。這大幅縮短了設計或修改軟件以實現(xiàn)新功能所需要的時間，而且特別易于在芯片間傳輸數(shù)據(jù)包，滿足增加常見 STB 插件的需求?，F(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 開發(fā)商已通過提供擴展技術開始支持上述技術，以便于在有關部件上集成上述接口。應當注意的是，這種串行接口不適用于數(shù)據(jù)帶寬高于20Mbps的應用。
QoS 與 INP
服務質量對 DSL STB 至關重要，因為我們須分辨出通過路由器的視頻、數(shù)據(jù)與語音數(shù)據(jù)包，并為其賦予適當?shù)膬?yōu)先級，目標就是避免在用戶通過計算機下載大容量文件時導致電視畫面立即受影響的情況。通常，分組加速器利用優(yōu)先級隊列特性在其它上行流量之前發(fā)送優(yōu)先級高的 TCP Ack 數(shù)據(jù)包，從而使數(shù)據(jù)吞吐能力增加兩倍。視頻分組通常標有服務類型 (TOS) 位，因此專門排在自己的隊列中以確保在其他數(shù)據(jù)包之前提交，從而避免電視廣播頻道受影響。另一特性是向 IGMP 分組中的 DSLAM 發(fā)送加入請求，因此還能接收多廣播頻道。顯然，該特性必須同時得到 STB 與后臺辦公 (back office) 軟件的支持。
另一非常復雜的問題就是能否實現(xiàn)唇型同步分析 (lip-sync)，或者說，能否實現(xiàn)視頻與音頻解碼匹配，這樣，視頻中說話人嘴唇移動時揚聲器能播放出相應的聲音。音頻流與視頻流數(shù)據(jù)包都有自己的時間標記，以表明創(chuàng)建的時間。由于視頻數(shù)據(jù)包解碼所花的時間要長得多，因此要在 DSP 上用相關算法延遲音頻數(shù)據(jù)包的解碼，確保其解碼速度與相應視頻數(shù)據(jù)包同步。如果數(shù)據(jù)包丟失，那么有關算法將生成空的數(shù)據(jù)包來填補空白。可想而知，在這種情況下，快進與倒退操作會給算法帶來相當大的壓力。
用于 DSL 傳輸?shù)扔猛镜你~質線路會受到脈沖噪聲的影響，這通常是由電磁干擾引發(fā)的。脈沖噪聲會導致循環(huán)校驗 (CRC) 錯誤，降低吞吐量，并要求重新調校 DSL 線路。提供 IPTV 服務或 DSL 服務的運營商自然會非常重視避免 IPTV 電視廣播受到此類噪聲的干擾。INP 錯誤校正法結合采用 Reed-Solomon 編碼與卷積交錯 (convolutional interleaving) 技術，可在標準所指定值的范圍內選擇成幀參數(shù)。交叉技術將數(shù)據(jù)包分開，間隔發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而降低長時間丟失信號的可能性。
成幀參數(shù)表明了為填補噪聲情況下丟失的數(shù)據(jù)包所發(fā)送的冗余信息量。成幀參數(shù)為 1，可避免 250 μs 的突波；成幀參數(shù)為 2，則可避免500 μs 的突波，以此類推。當然，增加成幀參數(shù)的值也會提高 DSL 處理器的存儲器要求。ADSL2 中引入了 INP 技術。更高的值可針對脈沖噪聲提供更大防護，不過會降低服務速度。ADSL2+ 標準的 G.995.5 Amendment 3 支持大于 2 的成幀參數(shù)。INP 值大于 2 的擴展成幀參數(shù)，對成功實現(xiàn) IPTV over DSL 服務非常重要。德州儀器 (TI) 的最新 DSL 固件可支持擴展成幀參數(shù) (G.995.5 Amendment3)，這一技術已用于 Belgacom TV 的 IPTV 部署中。TI 目前為 INP 值大于 2 的可選成幀參數(shù)提供更多支持，并將于 2006 年第一季度支持 ADSL2+ 附錄 A 和 B。
在設計及制造領先的集成式DSL 調制解調器/IPTV STB 方面，集成式開發(fā)板幫助 OEM 與 ODM 廠商開了個好頭。第三方產品可為視頻、圖形及算法開發(fā)、系統(tǒng)集成以及操作系統(tǒng)支持等提供流媒體解決方案，從而進一步縮短產品從概念到投產盈利的時間。相關的 DSL 小區(qū)網(wǎng)關參考設計還可添加 VoIP 與無線家庭網(wǎng)絡功能。制造商可用上述開發(fā)板快速設計出全面的高質量運營商產品，并在相關產品系列已在寬帶實驗室進行廣泛檢測的基礎上，充分利用實際部署積累起來的實踐經驗為部署做好準備。
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