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为 IPTV 技术解决 DSL 机顶盒的设计与部署难题

2011年05月30日16:13:04 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
关键字:应用 数字 计算机 

作者:Michael VanBreda 与 Neil Quarmby,德州仪器

目前只有为数不多的几家运营商部署了集成的 DSL 调制解调器/IP 机顶盒 (STB),即目前通常所说的 DSL STB设备。之所以涉足此领域的运营商不多,是因为这种技术要求从头进行产品设计与构建。OEM 与ODM 厂商目前尚未进入此市场,很可能是由于关键组件的集成相当困难,而且还面临其他设计方面的问题。目前,组件制造商正开始推出经全面设计、配备全套说明材料的开发板,其不仅具备所有接口,而且还能解决其他设计问题。通过简化 DSL STB的设计与构建,满足市场对视频带宽、服务质量 (QoS) 以及脉冲噪声保护 (INP) 等要求,上述开发板有助于大幅拓展 DSL STB 市场。

基于 DSL IPTV 市场增长

有线多服务运营商采用混合光纤/同轴线缆基础设施,并租用线路为用户提供三重业务整合视频服务、基于线缆调制解调器的数据服务及语音服务,已取得了相当大的成功。目前,电信公司根据形势的发展,加强了 DSL 基础设施建设,并借助高效利用带宽的视频编解码器新推出了因特网协议电视 (IPTV) 服务,这有利于宽带技术的全面推广,并实现自身的三重业务整合功能。IPTV 的重要优势在于,能够支持多个视频通道,特别在采用高级编解码器时功能更强。针对美国多数家庭都拥有多部电视机的情况而言,该解决方案非常具有吸引力。

预计,IPTV 十年后将占数字电视市场份额的三分之一。电信公司采用ADSL/ADSL2+ 或 VDSL 技术向他们的消费者客户家庭提供 IPTV 三重业务服务。众多运营商和服务供应商都在宣称将开展小区Video-over-ADSL技术试运行。大量分析报告指出,2004 年全球 DSL 机顶盒 (STB) 出货量将超过 130 万部。到 2008 年,市场销售量将达700万部以上,销售收入将超过 7 亿美元。

单个频道的 HDTV 内容要求 20 Mbps,SDTV 内容则要求 4 Mbps 的带宽(采用 MPEG-2 标准)。服务供应商似乎认为最少也应满足两个频道的内容,因此显然需要效率更高的编解码器。两大主要的竞争候选对象分别是 MPEG-4 Part 10 的 H.264 格式和 VC-1 高级编解码器,两者均比采用 MPEG-2 标准的带宽利用率高出 2.5 到 3 倍。在高级编解码器上,只需近 1.5 Mbps 带宽就能传输要求 3.5 到 5 Mbps 带宽的 SDTV 内容。高级编解码器还能经济有效地扩展 IPTV 网络的覆盖范围,使我们能够向更多家庭提供这一服务。

开发集成式 DSL STB 所面临的挑战

尽管众多运营商和服务供应商已经宣称将开展小区 Video-over-ADSL技术试运行,但 STB 对他们而言仍存在严峻挑战。消费者期望视频质量达到目前电视服务水平,这就要求采用先进的 QoS 方案,以避免大容量文件下载干扰电视信号接收等问题的出现。铜质线路上会随机出现大量噪声,这也是一大难题。此外,新型编解码器和 INP 方案不断涌现,带动了技术领域的快速变化,这都要求解决方案具备较高的灵活性才能快速实施最新技术。

为了解决上述难题,运营商希望 STB OEM 厂商和 ODM 厂商能够超越现有技术进一步推动技术的发展,即实现电视机、DSL 调制解调器以及 IP STB 的结合。如果采用两个不同的机顶盒,就意味着成本增加,用户使用更复杂,发生故障的几率也更大。如果采用一体化的机顶盒,那么保护影片内容也更容易。运营商希望将更多功能集成到 STB 中,如无线局域网 (LAN) 和个人视频记录器 (PVR) 等。

大多数运营商希望集中优势资源从事增值服务,让 OEM 厂商和 ODM厂商来妥善处理设备设计问题和相关风险。不过到目前为止,OEM 厂商和 ODM 厂商尚未进入集成的 DSL/IP STB 市场,这或许是因为他们不愿为刚刚崭露头角的新市场承担昂贵的设计风险,这也是可以理解的。因此,一些以集成式解决方案进入本市场的领导潮流发展的公司不得不自行设计客户端产品 (CPE) 并与承包制造商合作。意大利的 FastWeb、法国的 Free 和英国的 Homechoice 等供应商都采取了这一方案。

新一代开发板


AR7 开发板集成了DSL 与视频芯片

目前市场已出现了新一代开发板,不仅可大幅节约集成式 DSL STB 所需的开发时间及成本,而且还能显著降低相关风险。TI 的 AR7 就是新一代开发板中的一员,基集成了 AR7 DSL 和 DM642 视频芯片,这些芯片目前已广泛用于大多数集成式 STB 中,包括上述三家公司提供的新产品。DM642 基于 TI TMD320C64x 数字信号处理器 (DSP) 内核之上,并且还采用了可加速视频与图形应用的指令集扩展,因此能提供全面的软件可编程性。这使用户能实现各种功能,如先推出 MPEG 2 产品,随后再升级到 H.264 视频编解码器。AR7 是首款单芯片 DSL 路由器,在本市场领域中独领风骚。AR7 片上路由器所采用的 MIPS CPU 负责管理 DSL 链路,执行 IP 路由功能,并传输进行解多路复用的数据流,为 DSP 提供原始的压缩音频与视频数据。

主要接口


开发板处理集成问题。

DSL 与视频芯片的集成管理是新一代开发板节约设计时间的最重要的方式。举例来说,外部存储器接口 (EMIF) 通常用于连接 DSP 与不同类型的存储器器件,如 SRAM、Flash RAM、DDR-RAM 等。AR7 上的接口用于从 AR7 向 DM642 的 HPI 视频接口传输流量,这时 AR7 作为主机,而 DM642 作为从机。在启动时,AR7 首先启动,再带动DM642。这时,视频提供给 DM642 中的批队列 (bulk queue)。AR7 处理批队列中的流量控制,而 DM642 的视频驱动器将视频移动至芯片上的四个队列中。DM642 随后将视频流解码,再在屏幕上显示图形。

我们致力于接口开发,以便使为 STB 添加更多特性的任务变得更简单,如无线局域网 (LAN)、因特网协议语音 (VoIP) 等。举例来说,VLYNQ 就是我们希望添加的一种新技术,其能提供至其他技术的连接。该接口采用 3 引脚或 5 引脚串行总线,不管是 3 引脚还是 5 引脚,都有引脚作为命令线 (command line),三引脚情况下有一个引脚作命令线,五引脚情况下有两个引脚作命令线,分别用作传输与接收线路。这种接口使两个器件能通过接口连接,彼此实现存储器映射,大幅简化了集成更多芯片的工作。这意味着程序不管运行哪个芯片,都能访问另一芯片的存储器,而调用的命令都一样。这大幅缩短了设计或修改软件以实现新功能所需要的时间,而且特别易于在芯片间传输数据包,满足增加常见 STB 插件的需求。现场可编程门阵列 (FPGA) 开发商已通过提供扩展技术开始支持上述技术,以便于在有关部件上集成上述接口。应当注意的是,这种串行接口不适用于数据带宽高于20Mbps的应用。

QoS INP

服务质量对 DSL STB 至关重要,因为我们须分辨出通过路由器的视频、数据与语音数据包,并为其赋予适当的优先级,目标就是避免在用户通过计算机下载大容量文件时导致电视画面立即受影响的情况。通常,分组加速器利用优先级队列特性在其它上行流量之前发送优先级高的 TCP Ack 数据包,从而使数据吞吐能力增加两倍。视频分组通常标有服务类型 (TOS) 位,因此专门排在自己的队列中以确保在其他数据包之前提交,从而避免电视广播频道受影响。另一特性是向 IGMP 分组中的 DSLAM 发送加入请求,因此还能接收多广播频道。显然,该特性必须同时得到 STB 与后台办公 (back office) 软件的支持。

另一非常复杂的问题就是能否实现唇型同步分析 (lip-sync),或者说,能否实现视频与音频解码匹配,这样,视频中说话人嘴唇移动时扬声器能播放出相应的声音。音频流与视频流数据包都有自己的时间标记,以表明创建的时间。由于视频数据包解码所花的时间要长得多,因此要在 DSP 上用相关算法延迟音频数据包的解码,确保其解码速度与相应视频数据包同步。如果数据包丢失,那么有关算法将生成空的数据包来填补空白。可想而知,在这种情况下,快进与倒退操作会给算法带来相当大的压力。

用于 DSL 传输等用途的铜质线路会受到脉冲噪声的影响,这通常是由电磁干扰引发的。脉冲噪声会导致循环校验 (CRC) 错误,降低吞吐量,并要求重新调校 DSL 线路。提供 IPTV 服务或 DSL 服务的运营商自然会非常重视避免 IPTV 电视广播受到此类噪声的干扰。INP 错误校正法结合采用 Reed-Solomon 编码与卷积交错 (convolutional interleaving) 技术,可在标准所指定值的范围内选择成帧参数。交叉技术将数据包分开,间隔发送数据包,从而降低长时间丢失信号的可能性。

成帧参数表明了为填补噪声情况下丢失的数据包所发送的冗余信息量。成帧参数为 1,可避免 250 μs 的突波;成帧参数为 2,则可避免500 μs 的突波,以此类推。当然,增加成帧参数的值也会提高 DSL 处理器的存储器要求。ADSL2 中引入了 INP 技术。更高的值可针对脉冲噪声提供更大防护,不过会降低服务速度。ADSL2+ 标准的 G.995.5 Amendment 3 支持大于 2 的成帧参数。INP 值大于 2 的扩展成帧参数,对成功实现 IPTV over DSL 服务非常重要。德州仪器 (TI) 的最新 DSL 固件可支持扩展成帧参数 (G.995.5 Amendment3),这一技术已用于 Belgacom TV 的 IPTV 部署中。TI 目前为 INP 值大于 2 的可选成帧参数提供更多支持,并将于 2006 年第一季度支持 ADSL2+ 附录 A 和 B。

在设计及制造领先的集成式DSL 调制解调器/IPTV STB 方面,集成式开发板帮助 OEM 与 ODM 厂商开了个好头。第三方产品可为视频、图形及算法开发、系统集成以及操作系统支持

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