插入式微型機頂盒技術(shù)方案研究

摘要：本文深入探索面向未來智能家庭環(huán)境的插入式微型機頂盒創(chuàng)新技術(shù)方案。該方案旨在通過顯著提升硬件集成度，實現(xiàn)機頂盒體積的大幅縮減，創(chuàng)新性地采用直插等隱蔽連接方式接入電視機，高效輸出解碼后的高清音視頻內(nèi)容。同時，本方案配備單一遙控器，實現(xiàn)對機頂盒與電視機的統(tǒng)一控制，有效減少連接線，顯著提升家庭布局美觀度及用戶收視體驗。在硬件設(shè)計上，本方案聚焦HDMI接口式插入式微型機頂盒開發(fā)，即將傳統(tǒng)有線電視或IPTV機頂盒的硬件平臺全面微型化，并通過HDMI接口無縫對接電視機，確保高質(zhì)量音視頻內(nèi)容傳輸。此外，機頂盒還巧妙利用電視機USB接口供電，進一步簡化安裝流程與線纜管理。軟件層面，方案基于先進的TVOS 5.0操作系統(tǒng)，旨在搭建一個支持屬地化有線電視業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)軟件平臺。該平臺不僅可輕松對接全國各地現(xiàn)有有線電視服務(wù)，還針對IPTV市場，采用“各省定制基礎(chǔ)軟件平臺+屬地化IPTV功能應(yīng)用+屬地化IPTV應(yīng)用軟件”的模塊化策略，確保與各大IPTV運營商現(xiàn)有業(yè)務(wù)生態(tài)的無縫融合，促進業(yè)務(wù)的平滑過渡與升級。本方案基于對當(dāng)前機頂盒市場現(xiàn)狀與需求的深刻剖析，提出插入式微型機頂盒技術(shù)的必要性與可行性，并詳細闡述其設(shè)計原理、關(guān)鍵技術(shù)及廣泛應(yīng)用場景，為智能家庭娛樂生態(tài)的構(gòu)建提供有力支持。

關(guān)鍵詞：插入式微型機頂盒 小型化 高集成度 低功耗 TVOS 5.0

隨著智能電視普及和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷發(fā)展，傳統(tǒng)機頂盒因體積大、功耗高、擴展性差等問題，已難以滿足用戶對高性能、便攜性、美觀性的需求。因此，探索一種小型化、高集成度、低功耗的機頂盒技術(shù)方案成為當(dāng)前研究熱點。

插入式微型機頂盒不僅符合現(xiàn)代家庭對智能家居設(shè)備外觀美觀、占用空間小的要求，還能通過技術(shù)優(yōu)化提升設(shè)備的處理性能、降低功耗，從而延長設(shè)備使用壽命，減少能源浪費。此外，插入式微型機頂盒技術(shù)還能促進機頂盒與其他智能設(shè)備的互聯(lián)互通，構(gòu)建更加智能、便捷的家庭娛樂生態(tài)系統(tǒng)。

一、現(xiàn)狀分析

1. 機頂盒市場概況

當(dāng)前市場上，機頂盒種類繁多，功能各異。但總體上，傳統(tǒng)機頂盒普遍存在體積大、重量重、操作復(fù)雜等問題，難以適應(yīng)現(xiàn)代家庭對智能設(shè)備的高要求。相比之下，一些新興的智能機頂盒品牌已經(jīng)開始嘗試小型化設(shè)計，但多數(shù)仍處于初步探索階段，尚未形成成熟技術(shù)方案。

2.插入式微型機頂盒技術(shù)需求

為實現(xiàn)機頂盒小型化，需要解決以下幾個關(guān)鍵問題：一是提高元器件的集成度，減少占用空間；二是優(yōu)化電路設(shè)計，降低功耗；三是改進散熱設(shè)計，確保設(shè)備長時間穩(wěn)定運行；四是提升軟件系統(tǒng)的兼容性和可擴展性，支持多種應(yīng)用場景。

二、插入式微型機頂盒技術(shù)方案

本方案基于模塊化設(shè)計理念，將機頂盒的核心功能模塊（信號處理模塊、存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等）進行高度集成，通過定制化封裝工藝，實現(xiàn)設(shè)備小型化。同時，本方案采用先進的低功耗設(shè)計技術(shù)和高效散熱解決方案，確保設(shè)備在保持高性能的同時，降低功耗并延長使用壽命。通過對TVOS 5.0 進行IPTV功能模塊擴展，構(gòu)建承載屬地化有線電視和IPTV業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)軟件平臺，實現(xiàn)與各地現(xiàn)有各類有線電視和IPTV業(yè)務(wù)的平滑對接。

1.硬件設(shè)計

1.1硬件結(jié)構(gòu)

插入式機頂盒通過以太網(wǎng)RJ45接口接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，由SoC完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)解封裝和音視頻解碼，通過藍牙模塊與遙控器配對完成與用戶的交互，通過HDMI接口將解碼后的音視頻數(shù)據(jù)輸出至電視機，可支持有線電視和IPTV業(yè)務(wù)。插入式機頂盒硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。

通過圖1可知各功能模塊和接口說明如下：

1）SoC：完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)解封裝和音視頻解碼

2）藍牙模塊：使用藍牙技術(shù)與遙控器配對完成用戶交互，支持語音功能

3）USB Type-C接口：數(shù)據(jù)傳輸和充電接口

4）以太網(wǎng)RJ45接口：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)雙向通信接口

5）HDMI接口：音視頻數(shù)據(jù)輸出接口

6）FLASH：即閃存（FLASH memory），一種非易失性存儲器，提供存儲空間，可掉電保存相關(guān)數(shù)據(jù)

7）RAM：即隨機存取存儲器（Random Access Memory），一種易失性存儲器，提供機頂盒運行所需的內(nèi)存空間

1.2 機械尺寸

插入式機頂盒建議機械尺寸為100mm×40mm× 17mm（不含HDMI接口公頭的長度）。插入式微型機頂盒通過采用精密的六層PCB多層板技術(shù)，并結(jié)合單片LPDDR4內(nèi)存設(shè)計，實現(xiàn)高度集成化與小型化，確保產(chǎn)品的緊湊與高效。插入式機頂盒機械尺寸（參見第54頁圖2）。

1.3 供電

供電選擇USB 2.0標(biāo)準的Type-C接口，確保該接口能夠穩(wěn)定接收5V電壓輸入，并根據(jù)實際供電需求靈活支持2A或3A的電流，在Type-C接口之后，集成過流保護電路以及過壓保護機制（使用穩(wěn)壓二極管或?qū)I(yè)的電壓保護芯片），這些措施有效構(gòu)建一道防護屏障，防止任何異常的電壓或電流波動對機頂盒內(nèi)部電路造成損害。機頂盒內(nèi)部設(shè)計一套高效能的DC-DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑤斎氲?V電壓精準轉(zhuǎn)換為機頂盒內(nèi)部各功能模塊所需的多種電壓等級（如3.3V、1.8V等），以滿足不同部件的供電需求。

2.軟件設(shè)計

智能電視操作系統(tǒng)TVOS 5.0展現(xiàn)一系列關(guān)鍵特性，它不僅兼容有線電視與IPTV服務(wù)，還實現(xiàn)通過統(tǒng)一的軟件方案靈活部署以應(yīng)對地域化差異。這一系統(tǒng)支持通用業(yè)務(wù)與各省網(wǎng)屬地化業(yè)務(wù)應(yīng)用的下載與安裝，為用戶提供了高度個性化的服務(wù)體驗。如圖3所示。

插入式微型機頂盒的部署框架清晰展現(xiàn)其工作流程。該機頂盒通過網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備無縫接入有線電視或IPTV傳輸網(wǎng)絡(luò)，輕松接收各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。隨后，通過HDMI或USB Type-C接口與電視機緊密相連，為觀眾呈現(xiàn)解碼后的高清音視頻內(nèi)容。尤為便捷的是，插入式微型機頂盒能直接從電視機的USB接口獲取電力供應(yīng)，確保業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行。值得注意的是，在圖3的部署框架中，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的選擇依據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的不同而有所差異。若有線電視或IPTV傳輸網(wǎng)絡(luò)采用光纖作為介質(zhì)，則網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備為已配置的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）；而在同軸電纜傳輸且直播采用IP方式時，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備則轉(zhuǎn)為支持雙向互動業(yè)務(wù)的調(diào)制解調(diào)器；若直播采用傳統(tǒng)的DVB方式，則網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備將涵蓋有線電視單向網(wǎng)關(guān)及支持雙向互動的調(diào)制解調(diào)器，確保在各種傳輸環(huán)境下的穩(wěn)定接入與高效運行。

2.1 軟件架構(gòu)

終端軟件架構(gòu)采用先進的TVOS 5.0操作系統(tǒng)，通過創(chuàng)新的封裝技術(shù)，將各?。ㄊ校┆毦咛厣闹辈?、點播、時移/回看等服務(wù)定制為屬地化業(yè)務(wù)應(yīng)用。這些應(yīng)用以用戶為中心，通過個性化安裝方式，無縫集成于有線電視插入式微型機頂盒，確保對全國各省市有線電視業(yè)務(wù)的全面承載。

該微型機頂盒的軟件平臺由兩大核心部分組成：通用系統(tǒng)軟件與個性化業(yè)務(wù)應(yīng)用。通用系統(tǒng)軟件作為基礎(chǔ)，集成TVOS 5.0操作系統(tǒng)及其預(yù)置應(yīng)用，其中TVOS 5.0負責(zé)提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)操作系統(tǒng)功能，而預(yù)置應(yīng)用則涵蓋應(yīng)用商店客戶端、終端管理客戶端、配置引導(dǎo)、控制中心等通用工具，以及運營商特別定制的必要應(yīng)用程序。尤為值得一提的是配置引導(dǎo)應(yīng)用，它在新機安裝時發(fā)揮關(guān)鍵作用，引導(dǎo)用戶完成個性化業(yè)務(wù)應(yīng)用的安裝與配置。

個性化業(yè)務(wù)應(yīng)用層面，則細分為有線電視通用業(yè)務(wù)應(yīng)用與屬地化業(yè)務(wù)應(yīng)用。通用業(yè)務(wù)應(yīng)用具備全國通用性，適用于所有省市的機頂盒用戶，提前預(yù)置即可使用。相比之下，屬地化業(yè)務(wù)應(yīng)用則充分展現(xiàn)地域特色，由各?。ㄊ校┻\營商根據(jù)本地業(yè)務(wù)需求精心開發(fā)，涵蓋主頁定制、直播體驗、點播服務(wù)、回看功能等，為用戶帶來更加貼近本土需求的觀看體驗。圖4直觀展示插入式微型機頂盒軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)，清晰呈現(xiàn)其高效、靈活、個性化的設(shè)計理念。

2.2待機快速喚醒STR功能

STR（Suspend to Ram）是一種可以快速恢復(fù)系統(tǒng)運行狀態(tài)的待機模式，系統(tǒng)在待機前將程序運行上下文保存在內(nèi)存中，待機時主芯片掉電區(qū)下電，內(nèi)存進入自刷新（Self-refresh）狀態(tài)降低功耗，喚醒后再將程序運行上下文恢復(fù)，迅速恢復(fù)到待機前運行狀態(tài)。

芯片內(nèi)部分為“常電區(qū)”和“掉電區(qū)”兩部分，MCU和一部分芯片邏輯（喚醒源相關(guān)）位于常電區(qū)，可在待機時響應(yīng)喚醒源，引導(dǎo)系統(tǒng)啟動，ARM CPU、GPU等位于掉電區(qū)，在待機時掉電，降低系統(tǒng)功耗。

STR待機方案設(shè)計遵循TVOS組件模型架構(gòu)，由TVOS電源管理組件實現(xiàn)待機功能。電源管理組件處理待機事件，業(yè)務(wù)模塊接收待機廣播做待機前處理，底層由HAL層通知kernel進行STR待機動作。參見圖5。

Linux內(nèi)核首先會同步文件系統(tǒng)并凍結(jié)用戶態(tài)進程，然后調(diào)用各個內(nèi)核模塊的suspend接口將芯片的狀態(tài)保存到內(nèi)存，同時為保證待機內(nèi)存數(shù)據(jù)不被惡意篡改，將內(nèi)存數(shù)據(jù)的哈希值存入常電區(qū)RAM，最后內(nèi)核會進入單核模式、保存CPU的上下文并進入低功耗。

喚醒時，MCU接收紅外信號，啟動喚醒流程，各掉電區(qū)模塊上電，對內(nèi)存數(shù)據(jù)的哈希值進行安全校驗，校驗通過后內(nèi)核會恢復(fù)CPU的上下文，啟動多核，調(diào)用各個內(nèi)核模塊的resume接口恢復(fù)驅(qū)動程序狀態(tài)，然后恢復(fù)用戶態(tài)進程。電源管理模塊會發(fā)送喚醒廣播，通知各業(yè)務(wù)模塊重新恢復(fù)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)模塊接收廣播，恢復(fù)業(yè)務(wù)以后，功能可以正常使用。

2.3 支持通用遙控器

插入式微型機頂盒標(biāo)配一款先進的三模通用遙控器，該遙控器集星閃、藍牙、紅外三種模式于一身，能夠無縫控制電視機與機頂盒兩者。通過星閃或藍牙協(xié)議，遙控器與機頂盒迅速建立穩(wěn)定連接，同時支持CEC功能，進一步實現(xiàn)機頂盒與電視機的協(xié)同操作，為用戶帶來前所未有的便捷體驗。

三、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用場景

1.關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高集成度芯片技術(shù)

采用先進的半導(dǎo)體制造工藝，集成機頂盒專用的海思Hi3798MV320芯片，該芯片高度集成CPU、GPU。另外，采用單片LPDDR4內(nèi)存設(shè)計，將內(nèi)存、存儲等核心部件采用單一芯片，從而實現(xiàn)前所未有的空間節(jié)省與性能優(yōu)化。

1.2 低功耗設(shè)計技術(shù)

通過優(yōu)化電路設(shè)計和電源管理策略，實現(xiàn)設(shè)備的低功耗運行。具體措施包括：采用動態(tài)電壓和頻率調(diào)整技術(shù)（DVFS），根據(jù)任務(wù)負載自動調(diào)整CPU的工作頻率和電壓；優(yōu)化軟件算法，減少不必要的計算開銷；采用高效的電源轉(zhuǎn)換和供電管理技術(shù)，提高能源利用率。

1.3 高效散熱技術(shù)

針對插入式微型機頂盒散熱難的問題，插入式微型機頂盒硬件設(shè)計采用海思 Hi3798MV320 芯片，芯片制程工藝為28nm，PCB層數(shù)為6層、每層厚度1Cu-oz/ft2、每層PCB材質(zhì)為純銅、每層PCB純銅覆蓋率65%、鋁基納米碳散熱器、外殼材質(zhì)為塑膠ABS，采用熱管、均熱板等高效散熱元件，結(jié)合優(yōu)化的散熱結(jié)構(gòu)和風(fēng)道設(shè)計，確保設(shè)備在高負載運行時也能保持良好的散熱性能。

2.應(yīng)用場景

本文提出的技術(shù)方案適用于智能電視場景，搭配國家廣播電視總局組織研發(fā)的紅外、藍牙、星閃三模新型遙控器，簡化用戶連接，提升用戶體驗。家庭電視觀看：插入式微型機頂盒可以直接插在電視機的HDMI接口上，通過USB接口供電，使得家庭用戶可以享受更加簡潔的電視觀看體驗，同時避免傳統(tǒng)機頂盒背后連線眾多的問題，提升家庭布局美觀程度。在酒店環(huán)境中，插入式微型機頂盒可以簡化電視系統(tǒng)的安裝和維護，同時提供給客人更加直觀和便捷的操作體驗。在醫(yī)院、機場、商場等公共區(qū)域，插入式微型機頂盒可以方便地提供電視節(jié)目和信息播放，同時保持環(huán)境整潔。在學(xué)校教室或企業(yè)會議室中，插入式微型機頂盒可以用于教學(xué)內(nèi)容的展示或會議資料的播放，便于管理和操作。

四、結(jié)語

本文深入探討面向未來智能家庭場景的插入式微型機頂盒技術(shù)，旨在通過高度集成化的硬件設(shè)計與基于TVOS 5.0的軟件平臺，實現(xiàn)機頂盒的小型化、低功耗與高效能。硬件方面，該方案創(chuàng)新性地采用HDMI接口直插式設(shè)計，顯著縮小機頂盒尺寸，并通過USB接口從電視機取電，極大簡化家庭布線，提升美觀度與用戶體驗。軟件層面，則以TVOS 5.0為基礎(chǔ)，構(gòu)建統(tǒng)一但差異化的軟件平臺，確保與各地有線電視及IPTV業(yè)務(wù)的無縫對接，展現(xiàn)卓越的技術(shù)兼容性與擴展性。

方案詳細闡述硬件結(jié)構(gòu)、機械尺寸、軟件架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，如高集成度芯片技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、高效散熱技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了機頂盒的性能表現(xiàn)，還延長了設(shè)備使用壽命。同時，插入式微型機頂盒的廣泛應(yīng)用場景，如家庭電視觀看、酒店電視系統(tǒng)、公共區(qū)域電視播放及教育企業(yè)用途等，進一步證明其市場潛力與應(yīng)用價值。

整體而言，本方案是面向未來智能家居發(fā)展的重要技術(shù)成果，通過創(chuàng)新與優(yōu)化，不僅降低終端成本，還大幅提升用戶收視體驗，為機頂盒市場的未來發(fā)展指明方向。

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[4]王穎，張定京. 面向全國一網(wǎng)的智能機頂盒一體化部署方案的設(shè)計[J]. 廣播與電視技術(shù)，2023，Vol. 50（4）.

（作者劉坤系國家廣播電視總局廣播電視科學(xué)研究院電視技術(shù)研究所副所長；作者趙博文系北京賽科世紀科技股份有限公司研發(fā)部經(jīng)理；作者袁洪強系北京賽科世紀科技股份有限公司項目經(jīng)理）

責(zé)任編輯：任雨希