前言
数字电视可说是手机之外的另一波杀手级应用，它以客厅为核心，不断地整合家庭中的其他视听及IT设备，形成多元应用的家庭网络；不仅如此，数字电视与手机也朝向整合之路发展，移动电视（Mobile TV）已在全球各地如火如荼的推动当中。当电视广播系统与网络、甚至是移动通讯系统结合时，包括视频、语音与数据的服务自然走向多元汇流的趋势，这是一个比过去独立型式复杂许多的应用环境，而数字机顶盒（Set-top-box；STB）正位于此架构的核心位置，其面临的设计挑战确实繁重。
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根据电视节目发送管道的不同，数字STB又可分为数字地面（Terrestrial）STB、数字卫星（Satellite）STB、数字有线（Cable）STB，以及通过网络（xDSL、Cable Modem、光纤）的IP STB等型式。整体而言，数字STB的技术主轴朝向支持HDTV（High Definition TV）及互动性（Interactive）发展，但不同市场区块仍有其技术及应用上的偏重。为了达到产品的差异化定位，加入硬盘的数字录像机（DVR）及整合家庭网络功能的家庭网络网关（Residential Gateway；RG），也是数字STB的重要设计方向。
系统架构
一个数字STB是由软、硬件所组成，在硬件方面的主要单元可分为接收广播信号，并将其转换为数字传输串流的前端（front-end；FE）芯片，即调谐器（tuner）和调变/解调变器（modulator/demodulator）；后端芯片包括电视解码器/编码器（NTSC/PAL decoder/encoder）、MPEG-2 Transport、MPEG-2 MP@ML或HL解码器、微处理器、绘图芯片、音频处理器、音频DAC、视频DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等存储、电源元件及其他标准离散元件。更高端产品还会整合安全芯片、调制解调器（modem）或家庭网络芯片，以及可录像的硬盘（HDD）。下图为支持DVR功能的STB解码芯片方块图。
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| 具有DVR功能的STB解码器方块图 |
更强大及多元的功能及更高的整合度是数字STB在硬件部分的发展趋势。在功能上，电视解码器强调要能做到dual-TV和dual-DVR，也就是除了能解码并显示数字和模拟两种电视广播信号外，还要能解码两个同步标准解析电视信号，再送到多台不同的电视机播放或录制节目到硬盘中。此外还有所谓的PAP（高解析双画面）和PIP（子母画面）功能，能够在同一个屏幕上显示两个不同的高解析电视画面，可以分别并列或上下排列。
在整合性上，为了保持设计弹性，一般在系统中前端及后端芯片是分离的配置，但也能将两者整合为单一封装，进而为大量生产的应用提供更佳的成本效益。芯片本身则朝SoC的方向发展，尤其是位居核心的解码器芯片，此类芯片会采用90奈米等高端制程，在一颗芯片上整合各种主要功能，包括高性能的CPU、视频解码电路和各种周边设备。
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| STB单芯片iDTV处理器硬件架构方块图 |
在软件部分则包括操作系统和即时操作系统（RTOS）、提供互动功能的MHP等中介软件（Middleware）及应用软件接口（API），以及电子节目表（EPG）等应用软件或条件式接取（Conditional Access；CA）安全功能。接口上则需要支持安全性模组（POD module）、共同接口（CI）、智能卡（smart card/reader）、高速接口（USB、IEEE 1394及序列ATA）等。CA、CI、POD等技术难度较高，也是设备商在选用视频处理芯片解决方案后，仍需进一步整合开发的议题。
视频转换处理
视频转换处理无疑是STB最主要的功能，因此编码/解码器（CODEC）犹如STB的心脏。目前电视广播业界仍以MPEG-2为基本视频压缩规格，但已积极转向MPEG-4、H.264/AVC（即MPEG-4 Part 10）及VC-1等新一代编解码规格。采用新的规格对业者来说具有许多好处，最明显的例子在于能通过有限的频宽传送更多的节目频道，或提供高画质的电视节目。
以MPEG-2和H.264来比较，在传输HDTV内容时，前者需要20Mbps频宽，后者只需8Mbps频宽就能提供相同的画质，两者差了2.5至3倍。除了频宽的考虑外，采用新的视频压缩规格也能带来其他的优势，例如在具备节目录制PVR/DVR功能的STB中，更大的压缩比意味着能储存更多的容量；此外，新的规格也提供了物件导向的互动功能，以及子母分割画面等加值功能。
目前市场上并未明确的往特定的新一代规格靠拢，处在这个过渡期中，STB只得同时支持多种规格。MPEG-4虽然问世比较久，也有不少厂商大力支持，但它先天上存在着一些难以克服的瓶颈，让它在推展上显着的举步维艰。
MPEG-4最大的问题在于规格过于庞杂，视频只是MPEG-4定义中的一个部分（lS014496-2 MPEG-4 Part 2）。这种庞杂性就产生各部分相容性的制定问题：有些内容不够清楚，或不够开放；有些做了折衷处理，反而造成互操作性的难题。举例来说，由于MPEG-4允许业者自订输出规格，因此造成各种规格并存的现象，例如较知名的Divx规格及微软的wmv规格，但过多规格也让服务业者望而却步。另一个令人诟病的原因，则在于要取得MPEG-4的商用许可证，得负担高昂的使用费用。
相比较之下，H.264虽然也是一个复杂的标准，但它只针对视频做制定，也已获得MPEG/lS0和ITU两大国际标准组织的支持，加上它是当前能提供最佳视频压缩性能的规格，也不存在使用费的问题，所以自2003年标准推出后，即对HDTV、HD-DVD、手机及视频串流等业者产生莫大的吸引力。不仅如此，H.264在制定时即考虑了与MPEG-2既有系统的通用性问题，因此，在今日的基础建设中就能将H.264嵌入MPEG-2传送流（TS）中发送出去。H.264的应用情况与取样速率请参考下表。
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应用情况 |
分辨率与影格速率 |
取样速率 |
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移动内容 |
176*144, 10-24 fps |
50-60 Kbps |
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Internet∕标准分辨率 |
640*480, 24 fps |
1-2 Mbps |
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高分辨率 |
1280*720, 24p |
5-6 Mbps |
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最大分辨率 |
1920*1080, 24p |
7-8 Mbps |
不过，在提升压缩性能的同时，H.264也存在编码计算复杂度大增的问题，因此需要消耗更大的运算资源。在此情况下，STB必须采用更高性能的处理器，或以专属的CODEC加速器硬件来完成任务。此外，高品质、低复杂性演算法对于H.264的编解码也有很大的帮助，以ST来说，就已提出运动估算与速率控制演算法，以及用于H.264解码的错误检测与隐藏演算法，能让解码器承担并隐藏数据封包损失，在无线封包网络上实现IP网络的最佳性能。
视频编码转换
身为数字家庭网络核心位置的STB，除了提供电视节目的视频转换播放之外，目前也成为家庭中如DVD、PMP、数码相机等各种不同设备的互连中心。为了让视频内容能在不同设备间进行播放及存取，STB还得具有视频编码转换的能力，也就是调整位元速率以符合特殊的通道速率或储存格式；或是用来改变分辨率，如将高分辨率（HD）视频串流传送给标准分辨率（SD）电视，或是在CIF移动终端上显示SD视频等。
动态位元串流规划（Dynamic Bitstream Shaper；DBS）技术，即采取最佳化的演算法来支持MPEG-2与H.264之间的位元速率、讯框速率、讯框大小与编码标准变化。它的开发目的在于降低视频编码转换的架构复杂性、运算耗能、存储需求，以及运算延迟等，让视频内容不需经过再编码（re-encoding）而能获得相同或更佳的品质。
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| DBS MPEG-2转H.264编码转换技术 |
数字内容管理技术
进入数字内容的时代，复制盗版的难度大减，这也成了电视服务业者迈向数字电视或IPTV时最关心的问题之一，负责接收转换数字内容的STB，自然就被赋与了版权管控的任务。目前对于数字电视内容管理的技术作法不少，其中以条件式接取（CA）和数字版权管理（DRM）被视为基本的保护机制，新兴的标准中比较受重视的是安全视频处理器联盟（Secure Video Processor Alliance；SVPA）推出的SVP标准。以下将分别进行探讨：