在1970年代初期，觀看電視唯一用到的設備就是一部標準的電視機。在1980年代，這種簡單的模式開始改變。有線電視與衛星電視供應商要求顧客將電視機連結至專屬網路。此外，許多業者將電視訊號加密，故消費者在家中需要一套特殊裝置將訊號進行解碼。現今，數位電視則需透過一部視訊轉換器（set-top box）來接收與解碼數位節目的訊號。

FPGA是數位影片革命成功的關鍵因素

視訊轉換器（set-top box）的主要功能是接收數位傳輸訊號（有線電視、衛星、以及地面頻道），並轉換成能在類比電視上播放的訊號格式。它是一套精密的電子裝置，包含眾多硬體與軟體元件，通常連結至電視機以及牆上的電視線路。視訊轉換器通常是由當地的有線電視、地面無線電視、或衛星電視服務供應商負責安裝與設定。

家庭影音的應用型態正迅速從類比轉移至數位領域，提供數百個24小時全天播送的頻道、上網、以及其它服務。電視與PC涵蓋的功能需要一套理想的平台來提供這些服務。在面對這麼多的服務下，視訊轉換器的功能已突破傳統支援數位影片的功能。未來新世代的視訊轉換器將提供更多的服務，例如：暫停、錄製、儲存、以及重播立即轉播的影片、提供隨選視訊（VoD）、提供上網功能，以及控制其它消費性電子裝置。相對而言，功能簡單的視訊轉換器若要支援這些服務，必須擴增各種元件，例如像快閃記憶體、硬碟機、安全晶片、以及家庭網路晶片等。可編程邏輯解決方案將協助整合這些服務與元件在未來新一代的視訊轉換器中。

現今的視訊轉換器

數位電視專用的視訊轉換器有時被稱為接收器；現有類比電視的使用者若希望接收數位廣播訊號，就必須使用視訊轉換器；視訊轉換器的功能區塊如(圖一)，而其中建置的典型功能包括：

《圖一　目前世代視訊轉換器的區塊圖》

數位視訊轉換器目前應用在衛星、有線電視以及地面數位電視等方面的服務；它對於地面廣播訊號的電視服務特別重要，因此它能確保觀眾能享受免費的電視廣播節目。視訊轉換器的價位從基本功能機種的100美元一直到多功能機種的1000美元以上，且經常隨同訂購服務一同出租的模式提供給收視戶使用。各大視訊轉換器製造商希望以多元化的功能來增加營收，爭取除了觀看電視節目外還希望使用其它功能的收視戶，例如瀏覽網站、傳送電子郵件以及透過網際網路購物與訂購各種服務。

未來的視訊轉換器將提供更多的頻道，並透過特別頻道來增加選擇，這類頻道能讓廣播業者立即接收回饋資訊。視訊轉換器將提供各種新服務，例如像改良型的按次收費、線上購物、互動式電視、隨選視訊、以及將節目內容儲存在硬碟等。

提供數位影片處理功能

在數位電視領域，典型的數位視訊轉換器內含一或多組微處理器， 執行作業系統（可能是Linux或Windows）以及分析MPEG傳輸資料流。視訊轉換器亦內建RAM、MPEG解碼晶片、以及其它負責音效解碼與處理的晶片。

視訊轉換器的元件規格與採用的數位電視標準有關；歐規的DVB視訊轉換器內含負責COFDM訊號解碼的元件，而ATSC相容的視訊轉換器則內含VSB訊號解碼的元件。視訊轉換器提供更高的品質、支援HDTV傳輸訊號、防止畫面上出現 「鬼影」或其他干擾效果，讓廣播業者在頻寬與品質之間取得彈性的平衡點。

MPEG-2 編碼器是每部視訊轉換器的心臟，它是由許多分離式演算元件所組成：

統計或變動長度的編碼（VLC）技術可去除DCT輸出訊號中的冗餘資料。MPEG-2演算法運用DCT/IDCT演算。DCT傳回「影像/影音輸入」的離散餘弦轉換的結果（傅立葉函式的偶數部份）並將影像或音效的區塊轉換成同頻率的系數。IDCT（逆DCT）可以從DCT係數重新建構序列。壓縮運算能提升影音傳輸的流量。影音壓縮讓多媒體系統更具效率，除了能提供CPU傳輸頻寬外，亦提供更高畫質的影片畫面以及更高的音效品質，並支援多媒體的互動性。

雖然MPEG-2是視訊轉換器最常用的壓縮機制，但MPEG-4壓縮技術正受到愈來愈多業者的採納。主要原因是它可滿足視訊轉換器廠商與半導體業者急於擴增現有產品功能（例如像子母畫面）到現有的設計中，從服務供應商的角度來看，MPEG-4適合應用在家庭網路以及內建數位錄影機（DVR）的視訊轉換器。

MPEG-4將成主流技術

MPEG-4 規格是由衛星供應商負責制定，探索各種方法來降低廣播訊號的位元率，參與計畫的有線電視業者則希望在其節目擴增物件導向的互動功能。運用MPEG-4中的進階壓縮效率（Advanced Coding Efficiency）設定檔，衛星廣播的資料流（目前採用2.5至3 Mbps的位元率） 可壓低至1.6 Mbps並維持良好的影片品質。此外，有些服務業者亦考慮運用MPEG-4作為節省硬碟空間的技術，搭載在內建DVR功能的視訊轉換器中。其它業者則將MPEG-4視為降低即時影片傳輸頻寬的有效技術，以支援各種家庭網路應用。

各種子母分割畫面亦需要MPEG-4技術，當全美的球賽轉播在主螢幕上播放時，以MPEG-4壓縮的影像在當地球賽節目可同時以子母分割畫面的模式顯示在螢幕上。此外，網際網路的串流內容，以MPEG-4或Windows Media的格式壓縮，亦可透過子母分割畫面的模式顯示在螢幕上。

大多數視訊轉換器製造商並沒有期待以MPEG-4取代MPEG-2，而是在視訊轉換器中搭載一組轉碼器，將MPEG-2資料流轉換成MPEG-4的格式。很明顯的多元化的MPEG-4標準正發揮各方面的優勢，讓視訊轉換器提供不同的用途。

整合DVR、VoD、以及NetTV功能

過去數年市面上出現許多數位錄影機（DVR），亦稱為數位VCR與個人錄影機（PVR）。DVR使用內建儲存（例如硬碟機）元件讓使用者自行控制錄影與播放即時錄製的數位影片資料。這項功能包括能同時錄製與播放影片資料或以即時模式錄下或播放同一組資料流中的不同部份。

DVR透過內建的數據機向服務供應商播出電話，並下載節目指南與其它新版軟體。儘管業界普遍預測這些DVR的出貨量將出現大幅成長，但大多數視訊轉換器製造商正努力將硬碟機與DVR功能整合在視訊轉換器。這種設計將讓視訊轉換器能儲存高數位品質的即時電視內容、立即存取剛錄製的影像、主動且迅速管理電視的播放以及同時使用多組資料流。這類裝置亦能下載數位電視服務供應商所提供的軟體與其它應用程式。

除了提供即時的電視廣播錄製功能外，視訊轉換器亦讓使用者享受隨選視訊功能；消費者將能即時訂購一部電影，且隨著消費者需求提供暫停、快轉以及倒轉播放等功能，且次數完全不受限制。

NetTV是一種以電視為中心的消費性裝置，提供上網功能並以電視作為主要顯示裝置。NetTV最基本的功能提供功能互動有限的電子節目指南或客製化的資訊播報器。先進的NetTV提供全圖形化的Web瀏覽與影音電子郵件等功能。雖然消費者對於上網等服務非常感興趣，但NetTV裝置面臨的最大發展障礙就是成本。視訊轉換器製造商正努力將NetTV的功能整合至新一代的視訊轉換器中。在網際網路主導一切的時代中，視訊轉換器實際上就是一部特殊功能的電腦，能與網際網路互動，包括Web瀏覽器──也就是超文件傳輸協定（HTTP）客戶端這邊──與網際網路的主要通訊協定TCP/IP。視訊轉換器存取的服務可透過電話線或有線電視廠商的網路進行傳輸。

支援寬頻存取與家庭網路

透過數位相機、MP3播放機、行動電話、以及Web Pad（可上網手寫板）等裝置傳播的數位媒體，正帶動市場對於可上網消費性電子裝置與PC的需求。這些消費性裝置都需要高速上網功能。住家未來將建置單一寬頻存取點，讓數位媒體不僅能在親友之間分享，同時也能讓家中各種裝置一同分享。

未來的視訊轉換器將提供各種高速網際網路存取的服務，連結衛星、有線電視、DSL、固定式無線網路、以及各種地面存取技術。雖然一種裝置可能僅支援單一存取技術，但一套視訊轉換器可能結合多種寬頻存取技術。視訊轉換器將透過各種家庭網路技術為各種消費性裝置提供互連管道：

隨著家庭網路愈來愈受歡迎，視訊轉換器將從家中支援數位電視播放與頻寬存取的裝置，演變成一套家用閘道器，能管理與控制家中其它資訊裝置。

家用閘道器的類型與演進

目前已安裝的視訊轉換器可大致區分成以下類別：

《圖二　數位視訊轉換器》

此外中階數位視訊轉換器則內含回傳（back）頻道，能與伺服器進行通訊。這類視訊轉換器提供電子商務、瀏覽網際網路以及各種多媒體服務。回傳頻道能針對區域觀眾提供客製化的廣播內容。這類機種具備優於入門型機種的處理效能以及儲存功能。

先進數位視訊轉換器本身則類似多媒體的桌上型電腦，內含優於所有視訊轉換器的處理效能。改良的功能搭配高速的回傳頻道，能用來存取各種先進的服務，例如視訊會議、家庭網路、IP電信、隨選視訊以及高速的網際網路電視服務。此外，它所搭載的強化繪圖功能可接收高解析度的電視訊號、將影片儲存在硬碟機，並能同時錄製與觀看影片。這類接收器搭載各種高速介面埠，類似其它家用閘道器。對於有線電視、地面廣播電視、以及衛星電視等業者而言，支援各種先進技術的視訊轉換器可提供各種服務，為業者創造更多的商機。

家用閘道器是一套將寬頻導入住家環境的平台，並能連結或橋接各種家庭網路技術。它能讓家中的各種可上網裝置相互連結並連上網際網路。各種新型資料廣播服務的革命，促使市場需求一套裝置能在網際網路與家庭網路之間傳遞數位內容。未來的閘道器將提供各種整合型服務，例如像遠端管理、住家自動化、以及住家保全等。

以視訊轉換器做為家用閘道器

閘道器的普遍建置須分三階段進行；目前的階段是已被建置在許多家庭的閘道器，大多數美國家庭的安裝視訊轉換器，可用來接收電視並透過數據機連上網際網路；第二階段包括擴增各種先進功能，例如像透過家庭閘道器提供的寬頻連線、家庭網路介面以及IP電信等方面的功能；第三階段則是建置功能強大的閘道器，能在家中各角落供應影片、語音以及資料等內容，並提供像是住家自動化、能源管理、安全控制等服務。

由於支援多重技術，讓閘道器被淘汰的機率大減。支援模組化設計的閘道器讓它能演變成一種應用伺服器，讓使用者將寬頻服務傳送至家中任何角落。閘道器必須具備一套可靠且穩定的硬體平台，同時減低軟體出錯機率，因為閘道器的用戶不像PC使用者一樣能容忍重新開機的狀況。此外，像是電子商務交易、遠端住家控制，以及透過經授權服務供應商進行存取等都是重要的功能，所以支援多重服務以及完整的安全機制是關鍵的要素。提供服務品質以支援不同廠商提供的各種智慧型裝置，也是關鍵的功能之一。

(圖三)顯示家用閘道器的元件區塊圖。閘道器提供一套整合式的平台，滿足大多數消費者的需求，並提供資訊娛樂、便利性以及通訊等方面的功能。視訊轉換器的成功，加上大量消費者對於PC購買猶疑不決，讓視訊轉換器成功發展成家用閘道器。視訊轉換器將發展成多媒體伺服器，建構出家庭網路的中控平台，和家庭閘道器一樣主要提供上網之功能。

《圖三　住家閘道器》

可程式化邏輯解決方案支援未來的視訊轉換器

家用閘道器要成功發展，須運用可程式化解決方案作為系統的核心。可程式化邏輯元件能解決ASSP彼此無法連結的根本問題，並在各種不同的寬頻與家庭網路晶片組之間提供連結介面與通訊協定轉譯的機制。它們提供大幅縮短產品上市時程的優勢，並能迅速升級，這也是產品成功的必要條件。可程式化元件不僅具備讓產品率先問市的優勢，更能針對已建置在住家中的視訊轉換器進行遠端升級。

視訊轉換器將結合各種元件，例如像數位數據機晶片、家庭網路晶片、處理器、記憶體以及軟體。數位數據機晶片能連結不同的寬頻網路，家庭網路晶片則讓各種設備能進行互連。其它ASSP/ASIC則能處理數位影片與音樂服務。這些ASSP能透過系統機板上的匯流排相互通訊。處理器則負責協調不同元件之間的運作。透過各種額外的功能，視訊轉換器將需要更高效能的處理器來支援持續提升的資料流量。然而，所有技術標準以及ASSP採用的不同介面，讓不同ASSP、記憶體、以及處理器之間不可能採用無連結電路（glueless）的連結模式。

視訊轉換器的軟體有三大類：作業系統、中介軟體以及應用程式。作業系統負責操作視訊轉換器的各部份元件。中介軟體是介於互動電視應用與作業系統之間的軟體程式，觀眾可透過應用程式來觀看電視節目以及使用各種互動功能。中介軟體亦讓家中的各種資訊家電與服務能流暢地互動，消弭系統元件之間複雜、分散、以及技術上的差異。對於影片處理而言，傳統的DSP（數位訊號處理器）提供一套固定資料寬度且彈性化的架構，它們通常具有1至4組MAC單元，且需要序列型處理機制，導致資料流量有限。這些限制促使系統需要一組高時脈的DSP，進而形成許多系統設計的挑戰；因此，產品需要配置多組DSP才能滿足頻寬的需求，但卻也因此衍生功率與機板空間上的問題。

可程式化元件的彈性優勢

可程式化邏輯元件具備一套彈性化的架構以及分散式的DSP資源與嵌入型乘數器，這些元件能支援任何層級的平行度或序列處理功能，在最佳化效能/成本之間取得最理想的平衡點。平行處理機制能提高流量，因此在影像處理市場，可程式化邏輯解決方案的需求量超越DSP，提供彈性與高效能。FPGA是立即可用的元件，提供產品快速問世、快速採納新標準、最佳化的位元頻寬以及即時原型設計等優點，並支援高資料傳輸率。透過一整套DSP演算法/核心與專為可程式化元件設計的工具，研發時間可縮短數個星期，同時能提高系統的效能。例如，在可程式化邏輯元件中建置DCT/IDCT核心可分擔系統處理器的負載，在執行MPEG編碼/解碼時能獲得50倍至200倍的效能提升。

可程式化解決方案亦能連結各種不同的硬碟機以及NAND與NOR型快閃記憶體（視貨源狀況而定）。它們亦提供各種內容保護功能，運用DES、triple DES、AES、甚至各種專利型加密技術。它們亦提供各種系統介面功能，支援像PCI、USB等介面，讓視訊轉換器與家用閘道器能連結各種裝置。此外，支援此類系統的FPGA為產品提供遠端升級功能，讓已送交顧客使用的產品仍能透過網際網路進行升級，大幅節省成本。

結論

視訊轉換器正將數位革命帶入消費者的客廳。使用者只要透過指掌，就可以坐在最心愛的沙發上輕鬆存取高品質的數位資訊與數位娛樂。視訊轉換器提供生動的電視影像與清晰的音效，徹底改變家庭娛樂的面貌，並提供電子郵件、網站瀏覽以及各種客製化的資訊，例如像股票、天氣以及交通等方面的訊息，並讓消費者透過傳統電視進行線上購物以及享受隨選視訊的節目。

視訊轉換器將演變成家庭多媒體中心，扮演家庭網路系統的核心，並成為消費者上網的主要存取管道，匯整各種技術後的設備將可透過硬碟機儲存電視節目以及提供即時重播的功能。隨著視訊轉換器不斷演進，它亦將提供各種家庭網路功能以及加值型服務，並發展成未來的家用閘道器。

可程式化邏輯解決方案是視訊轉換器與家用閘道器發展成功的關鍵，因為它們提供快速問世以及市場生命週期方面的優勢，能連結各種技術、元件以及系統介面。它們亦提供大幅超越數位影片處理器的效能。視訊轉換器市場正以極快的速度成長，在面臨市場如此熱絡且未來難以預測的情況下，成功的產品必須縮短上市時程且能迅速升級。

（作者為Xilinx美商智霖策略解決方案行銷事業群資深經理）