插入式微型機頂盒技術方案研究

摘要：本文深入探索面向未來智能家庭環境的插入式微型機頂盒創新技術方案。該方案旨在通過顯著提升硬件集成度，實現機頂盒體積的大幅縮減，創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容。同時，本方案配備單一遙控器，實現對機頂盒與電視機的統一控制，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。在硬件設計上，本方案聚焦HDMI接口式插入式微型機頂盒開發，即將傳統有線電視或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，確保高質量音視頻內容傳輸。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，旨在搭建一個支持屬地化有線電視業務應用的基礎軟件平臺。該平臺不僅可輕松對接全國各地現有有線電視服務，還針對IPTV市場，采用“各省定制基礎軟件平臺+屬地化IPTV功能應用+屬地化IPTV應用軟件”的模塊化策略，確保與各大IPTV運營商現有業務生態的無縫融合，促進業務的平滑過渡與升級。本方案基于對當前機頂盒市場現狀與需求的深刻剖析，提出插入式微型機頂盒技術的必要性與可行性，并詳細闡述其設計原理、關鍵技術及廣泛應用場景，為智能家庭娛樂生態的構建提供有力支持。

關鍵詞：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網應用不斷發展，傳統機頂盒因體積大、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方案成為當前研究熱點。

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

一、現狀分析

1. 機頂盒市場概況

當前市場上，機頂盒種類繁多，功能各異。但總體上，傳統機頂盒普遍存在體積大、重量重、操作復雜等問題，難以適應現代家庭對智能設備的高要求。相比之下，一些新興的智能機頂盒品牌已經開始嘗試小型化設計，但多數仍處于初步探索階段，尚未形成成熟技術方案。

2.插入式微型機頂盒技術需求

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

二、插入式微型機頂盒技術方案

本方案基于模塊化設計理念，將機頂盒的核心功能模塊（信號處理模塊、存儲模塊、網絡模塊等）進行高度集成，通過定制化封裝工藝，實現設備小型化。同時，本方案采用先進的低功耗設計技術和高效散熱解決方案，確保設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，構建承載屬地化有線電視和IPTV業務應用的基礎軟件平臺，實現與各地現有各類有線電視和IPTV業務的平滑對接。

1.硬件設計

1.1硬件結構

插入式機頂盒通過以太網RJ45接口接收業務數據，由SoC完成業務數據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據輸出至電視機，可支持有線電視和IPTV業務。插入式機頂盒硬件結構框圖見圖1所示。

通過圖1可知各功能模塊和接口說明如下：

1）SoC：完成業務數據解封裝和音視頻解碼

2）藍牙模塊：使用藍牙技術與遙控器配對完成用戶交互，支持語音功能

3）USB Type-C接口：數據傳輸和充電接口

4）以太網RJ45接口：業務數據雙向通信接口

5）HDMI接口：音視頻數據輸出接口

6）FLASH：即閃存（FLASH memory），一種非易失性存儲器，提供存儲空間，可掉電保存相關數據

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，并結合單片LPDDR4內存設計，實現高度集成化與小型化，確保產品的緊湊與高效。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標準的Type-C接口，確保該接口能夠穩定接收5V電壓輸入，并根據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（使用穩壓二極管或專業的電壓保護芯片），這些措施有效構建一道防護屏障，防止任何異常的電壓或電流波動對機頂盒內部電路造成損害。機頂盒內部設計一套高效能的DC-DC電源轉換系統，該系統能夠將輸入的5V電壓精準轉換為機頂盒內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.軟件設計

智能電視操作系統TVOS 5.0展現一系列關鍵特性，它不僅兼容有線電視與IPTV服務，還實現通過統一的軟件方案靈活部署以應對地域化差異。這一系統支持通用業務與各省網屬地化業務應用的下載與安裝，為用戶提供了高度個性化的服務體驗。如圖3所示。

插入式微型機頂盒的部署框架清晰展現其工作流程。該機頂盒通過網絡終端設備無縫接入有線電視或IPTV傳輸網絡，輕松接收各類業務數據。隨后，通過HDMI或USB Type-C接口與電視機緊密相連，為觀眾呈現解碼后的高清音視頻內容。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，確保業務穩定運行。值得注意的是，在圖3的部署框架中，網絡終端設備的選擇依據傳輸網絡的不同而有所差異。若有線電視或IPTV傳輸網絡采用光纖作為介質，則網絡終端設備為已配置的光網絡單元（ONU）；而在同軸電纜傳輸且直播采用IP方式時，網絡終端設備則轉為支持雙向互動業務的調制解調器；若直播采用傳統的DVB方式，則網絡終端設備將涵蓋有線電視單向網關及支持雙向互動的調制解調器，確保在各種傳輸環境下的穩定接入與高效運行。

2.1 軟件架構

終端軟件架構采用先進的TVOS 5.0操作系統，通過創新的封裝技術，將各省（市）獨具特色的直播、點播、時移/回看等服務定制為屬地化業務應用。這些應用以用戶為中心，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務的全面承載。

該微型機頂盒的軟件平臺由兩大核心部分組成：通用系統軟件與個性化業務應用。通用系統軟件作為基礎，集成TVOS 5.0操作系統及其預置應用，其中TVOS 5.0負責提供穩定的基礎操作系統功能，而預置應用則涵蓋應用商店客戶端、終端管理客戶端、配置引導、控制中心等通用工具，以及運營商特別定制的必要應用程序。尤為值得一提的是配置引導應用，它在新機安裝時發揮關鍵作用，引導用戶完成個性化業務應用的安裝與配置。

個性化業務應用層面，則細分為有線電視通用業務應用與屬地化業務應用。通用業務應用具備全國通用性，適用于所有省市的機頂盒用戶，提前預置即可使用。相比之下，屬地化業務應用則充分展現地域特色，由各省（市）運營商根據本地業務需求精心開發，涵蓋主頁定制、直播體驗、點播服務、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的整體架構，清晰呈現其高效、靈活、個性化的設計理念。

2.2待機快速喚醒STR功能

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

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

STR待機方案設計遵循TVOS組件模型架構，由TVOS電源管理組件實現待機功能。電源管理組件處理待機事件，業務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內核首先會同步文件系統并凍結用戶態進程，然后調用各個內核模塊的suspend接口將芯片的狀態保存到內存，同時為保證待機內存數據不被惡意篡改，將內存數據的哈希值存入常電區RAM，最后內核會進入單核模式、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，各掉電區模塊上電，對內存數據的哈希值進行安全校驗，校驗通過后內核會恢復CPU的上下文，啟動多核，調用各個內核模塊的resume接口恢復驅動程序狀態，然后恢復用戶態進程。電源管理模塊會發送喚醒廣播，通知各業務模塊重新恢復業務，業務模塊接收廣播，恢復業務以后，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。通過星閃或藍牙協議，遙控器與機頂盒迅速建立穩定連接，同時支持CEC功能，進一步實現機頂盒與電視機的協同操作，為用戶帶來前所未有的便捷體驗。

三、關鍵技術與應用場景

1.關鍵技術

1.1 高集成度芯片技術

采用先進的半導體制造工藝，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內存設計，將內存、存儲等核心部件采用單一芯片，從而實現前所未有的空間節省與性能優化。

1.2 低功耗設計技術

通過優化電路設計和電源管理策略，實現設備的低功耗運行。具體措施包括：采用動態電壓和頻率調整技術（DVFS），根據任務負載自動調整CPU的工作頻率和電壓；優化軟件算法，減少不必要的計算開銷；采用高效的電源轉換和供電管理技術，提高能源利用率。

1.3 高效散熱技術

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計采用海思 Hi3798MV320 芯片，芯片制程工藝為28nm，PCB層數為6層、每層厚度1Cu-oz/ft2、每層PCB材質為純銅、每層PCB純銅覆蓋率65%、鋁基納米碳散熱器、外殼材質為塑膠ABS，采用熱管、均熱板等高效散熱元件，結合優化的散熱結構和風道設計，確保設備在高負載運行時也能保持良好的散熱性能。

2.應用場景

本文提出的技術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。在酒店環境中，插入式微型機頂盒可以簡化電視系統的安裝和維護，同時提供給客人更加直觀和便捷的操作體驗。在醫院、機場、商場等公共區域，插入式微型機頂盒可以方便地提供電視節目和信息播放，同時保持環境整潔。在學校教室或企業會議室中，插入式微型機頂盒可以用于教學內容的展示或會議資料的播放，便于管理和操作。

四、結語

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，旨在通過高度集成化的硬件設計與基于TVOS 5.0的軟件平臺，實現機頂盒的小型化、低功耗與高效能。硬件方面，該方案創新性地采用HDMI接口直插式設計，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，構建統一但差異化的軟件平臺，確保與各地有線電視及IPTV業務的無縫對接，展現卓越的技術兼容性與擴展性。

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

整體而言，本方案是面向未來智能家居發展的重要技術成果，通過創新與優化，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展指明方向。

參考文獻：

[1] GY/T 408—2024 4K超高清晰度插入式微型機頂盒技術要求和測量方法.

[2] GY/T 303.1—2016 智能電視操作系統 第1部分：功能與架構

[3] GY/T 303.2—2016 智能電視操作系統 第1部分：安全

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

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

責任編輯：任雨希