新型開發電路板整合軟硬體 加速完成DSL機上盒設計

目前為止，只有少數電信公司部署俗稱為DSL機上盒的整合型DSL數據機。由於重要零件的介面連結困難和其他設計挑戰，OEM和ODM遲遲無法進入此市場，因此電信公司若想部署DSL機上盒，就必須從頭開始設計製造自己的產品。然而，目前零件製造商已推出功能較完整的開發電路板並已解決介面等問題。這些電路板可簡化DSL機上盒的設計製造，也確保符合市場對於視訊頻寬、網路連線品質(QoS)和脈衝雜訊保護(Impulse Noise Protection, INP)的要求，將有助擴張DSL機上盒市場。  

DSL網路電視市場迅速成長  

有線電視多系統經營者早已利用他們的混合式光纖/同軸纜線基礎設施和專線，提供視訊播放、以纜線數據機為基礎的資料服務以及語音服務給客戶，目前已經相當成功。電信公司為了順應這些服務趨勢，也開始強化DSL基礎設施，並且利用頻寬效率極高的編解碼器來增加網路電視(IPTV)功能，以提供語音、資料和視訊服務。網路電視在寬頻連線普及的地區是一種殺手級應用，具備支援多個視訊頻道(尤其使用先進編碼解碼器時)的重大優勢，對於擁有多台電視的家庭深具吸引力。  

預計到2010年時，網路電視占數位電視市場的比重將成長到1/3。目前電信公司使用ADSL/ADSL2+或VDSL將網路電視內容傳送到消費者家裡。多家電信公司及服務供應商已展開家庭ADSL視訊(Residential Video-over-ADSL)的市場試驗，許多市場分析報告也提到全世界2008年市場規模將突破700萬台，總銷售額則超過7億美元。  

一個MPEG-2格式的高畫質電視(HDTV)節目頻道需要20Mbit/s，標準畫質(SDTV)節目則需要4Mbit/s，服務供應商似乎已認定這兩種解析度是消費者的最低要求，因此顯然需要效率更高的編碼解碼器。MPEG-4 Part 10的H.264格式和VC-1先進編碼解碼器是目前最主要的兩大競爭者，它們的頻寬效率比MPEG-2高出2.5～3倍，僅需約1.5Mbit/s頻寬就能傳送原本需要3.5M～5Mbit/s頻寬的標準畫質節目。先進編碼解碼器還能以高成本效益的方式擴大IPTV網路的覆蓋範圍，使得服務供應商能為更多家庭提供服務。  

整合型DSL機上盒開發難度高  

機上盒對於許多已展開家庭ADSL視訊服務試驗的電信公司和服務供應商仍是一項重大挑戰。若消費者希望網路電視畫質能媲美現有的電視服務，就需要先進的網路連線品質機制來避免因為下載大型檔案而干擾電視節目接收之類的各種問題。另外，銅質線路的隨機雜訊脈衝也是一項挑戰。除此之外，為了因應編碼解碼器和 INP機制等新技術的快速改變，廠商還需要優異的設計彈性以迅速導入新技術。  

電信公司在面對這些挑戰時，也要求OEM和ODM擺脫目前必須為電視機提供一台DSL數據機和一台IP機上盒的限制。整合數據機和機上盒不僅能降低成本、減少使用者的操作複雜性和可能故障點、更可以讓電影內容的保護更容易。電信公司還希望看到機上盒整合更多功能，例如無線網路和個人錄影機(PVR)。  

多數電信業者寧願專注於核心競爭優勢，而把設備設計及相關風險轉嫁給OEM和ODM。然而OEM和ODM或許不願為一個新興市場承擔代價如此昂貴的設計挑戰，所以迄今尚未進入整合型DSL/IP機上盒市場。這使得勇於創新的供應商決定以整合解決方案進入市場後，還必須自行設計用戶端設備並與合約製造商合作，諸如義大利FastWeb、法國Free以及英國Homechoice等供應商都是採取這種做法。  

新型開發電路板 有助降低風險  

新一代開發電路板已經出現，這些產品大幅減少整合型DSL機上盒的開發時間、成本與風險。以德州儀器AR7開發電路板為例(圖1)，這張電路板的AR7 DSL以及DM642視訊晶片已獲得多家整合型機上盒廠商採用。DM642是以TMS320C64x數位訊號處理器(DSP)核心為基礎，並包含加速視訊影像應用的指令集延伸，因此能提供軟體可程式能力。廠商可先推出MPEG-2產品，稍後再升級到H.264視訊編碼解碼器。AR7路由器單晶片內含 MIPS處理器，負責管理DSL連線、執行IP路由和資料串流的解多工，以便將原始音訊/視訊壓縮資料提供給DSP。  

整合晶片縮短設計時間  

整合DSL與視訊晶片是新一代開發電路板縮短設計時間最重要的方法。舉例來說，廠商常透過外部記憶體介面(External Memory Interface, EMIF)把DSP連結到SRAM、快閃記憶體以及DDR-RAM等各類記憶體。AR7也利用此介面把資料從AR7傳送到DM642的HPI視訊介面，此時AR7擔任主裝置(Master)，DM642是僕裝置(Slave)。在啟動時，AR7會先進入工作狀態並啟動DM642，然後將視訊資料送到 DM642的大型佇列。AR7負責管理該佇列的流量控制，DM642的視訊驅動程式則將視訊資料搬到晶片內的4個佇列。DM642接著會對視訊串流進行解碼，然後在螢幕上產生影像(圖2)。  

許多發展中的介面都是為了讓機上盒更容易增加無線網路和VoIP等新功能，例如VLYNQ技術，這種可連結其他技術的介面使用三或五接腳的序列匯流排，三接腳匯流排包括一條命令線和一對收發線，五接腳匯流排則包含一條命令線和兩對收發線。透過該介面連結的兩顆元件可以互相映射對方的記憶體，這使得其他晶片的整合變得更簡單。  

由於任一晶片執行的程式都能利用存取自身記憶體時所用的呼叫來存取另一晶片的記憶體，因此新功能相關軟體的設計或修改時間均可縮短。晶片之間的封包傳送也能簡化，常見的機上盒附加卡都有這種需求。FPGA廠商已開始提供擴展器(Extender)來支援這些技術，這些擴展器使得廠商更容易將介面加入他們的組件。必須注意的是，這種序列介面並不適合應用於超過20Mbit/s的資料頻寬需求。  

QoS指定封包不同優先等級  

QoS對於DSL機上盒很重要，因為它必須分辨通過路由器的視訊、資料和語音封包，然後為每個封包指定不同的優先等級。這是為了避免有人突然打開電腦下載龐大檔案而影響電視畫質。典型的封包加速器使用優先佇列(Priority Queuing)讓具有優先權的TCP Ack封包超越其他上行資料流量優先傳送，這種做法可將產出提高三倍。  

視訊封包通常會用服務類型(Type of Service, TOS)位元來標示，如此一來，路由器就能將它們轉到另一佇列，並在其他封包之前先傳送出去，以避免影響電視廣播頻道。  

另一項功能則是透過IGMP封包傳送一個加入要求(Join Request)給DSLAM，可用來提供廣播頻道的群播串流(Multicast Stream)接收能力。該功能顯然必須同時獲得機上盒與局端設備的支援才能實現。  

對嘴(Lip-sync)是另一項複雜的問題，這是指配合視訊播放來執行音訊解碼，以使畫面人物的聲音與嘴形的變化吻合。音訊與視訊串流的資料封包都有時間戳記(Timestamp)來顯示這些封包的產生時間。  

視訊封包所需的解碼時間遠超過音訊封包，因此DSP處理器會執行一種演算法來延遲音訊封包，以便使它們能與相對應的視訊封包同時進行解碼。若有任何封包遺失，演算法還會產生空白封包來代替。當然，快速向後或快速向前操作會對此演算法造成很大的處理壓力。  

INP錯誤更正策略對抗雜訊干擾  

DSL線路之類的銅材質線路很容易因為電磁干擾產生脈衝雜訊，這種雜訊會導致CRC檢查錯誤而降低產出，有時甚至必須重新調整機器的內部參數 (Retraining)以配合DSL線路狀態。電信公司提供網路電視或DSL服務時，自然想要保護廣播電視服務不受這類雜訊干擾。INP錯誤更正策略會用到里德所羅門(Reed-Solomon)編碼，以及可從標準規定範圍內選擇訊框參數的旋積交錯(Convolutional Interleaving)等兩種技術。交錯技術會把封包拆散並分開傳送，以便減少連續多個封包遺失而導致畫質明顯下降的機率。  

訊框參數(Framing Parameter)代表所傳送的冗餘資訊數量，這些冗餘資訊可在封包遺失時協助重新產生封包。訊框參數等於1可以防止250微秒雜訊爆衝(Burst) 的影響，等於2則能抵擋500微秒雜訊，其他依此類推。當然，提高訊框參數會讓DSL處理器需要更多記憶體。  

INP是由ADSL2標準提出，其值越高就越能保護封包不受脈衝雜訊破壞，只不過這也會造成服務速率下降。ADSL2+標準的G.995.5第三修正草案已能支援2以上的訊框參數。  

INP值大於2的延伸訊框參數對於透過DSL線路提供網路電視的服務極為重要。以德州儀器為例，最新的DSL韌體已能支援延伸訊框參數，比利時Belgacom TV已將這套韌體用於網路電視服務。  

整合開發電路板可降低OEM和ODM在設計和製造先進的整合型DSL數據機/網路電視機上盒時的難度。  

此外，協力廠商還能提供視訊、影像和演算法開發所需的串流媒體解決方案、系統整合與作業系統支援，以便進一步縮短從概念構思、產品上市到創造營收所需的時間。  

包含VoIP和無線家用網路功能的DSL家庭閘道器參考設計已經問世，這些開發電路板都通過多家寬頻實驗室的測試和實際應用考驗，製造商可利用它們迅速發展出符合電信公司品質要求、並能立即部署使用的完整產品線。  

(本文作者任職於德州儀器)  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌68期10月號)