视频正变得像音乐一样可以随身携带。不久之后,人们将交换包含电视节目的小型存储设备,就像他们现在共享所喜欢的音乐一样。而且,他们还将能在各种不同的便携设备上播放这类视频。不仅如此,这些设备还能进行调谐接收。事实上,第一部集成了电视调谐器的手机已经于去年底在日本面世。
数字革命使我们有可能为手持设备扩充许多额外功能,如游戏、音乐播放和文本短信等。甚至连照相机也开始在手机上普及,而不再仅限于高端机型。如果手机的显示器足以显示彩色照片或其他图片,那么让它显示视频也不会是什么问题。今天已经有少数手机能够接收付费视频节目,如Sprint公司的MobiTV服务。为什么我们不更进一步绕开蜂窝电话网络(因为它的数据率是瓶颈),在手机上集成一个TV调谐器使消费者能够接收免费的空中电视节目呢？为了这个目的,手持设备制造商必须添加一些关键器件,如TV调谐器和视频解码器,以便将视频功能引入数字领域。
正如你所预料的,第一代移动电视设备将面临延长电池工作时间和加强接收信号等重大挑战,但这些缺点可能很快就会被克服。明年,手机制造商将取得一些进展,不仅使用户能以可接受的价格接收高质量广播电视,而且能使之成为一种必需功能。为实现此目标,芯片及系统设计师将面临一些挑战,本文旨在帮助他们克服主要障碍。
便携式媒体
为了将真正的便携式视频带给大众消费者,第一步是要在固态存储器上记录视频并能在设备之间传输它们。在这方面,索尼公司已经宣布“移动电影”概念,即用户可以在任何地点将他们喜爱的电视节目或其它活动影像记录到存储棒上。该概念还包括播放设备,如索尼爱立信制造的A540S手机。这是第一款带有存储棒Pro Duo和“移动电影”功能的蜂窝电话,它还集成了可拍摄SXGA(1280×960像素)图像的130万像素CCD照相机。
索尼的移动AV浏览器是除了播放还能记录电视节目的一种便携式设备。它的外形看上去像一部手机,折叠后的尺寸仅为6.1×2.3×9.5 cm。它带有一个电视调谐器,当置于电池充电器架上时,它能将节目记录在存储棒上。它采用MPEG-4压缩技术将视频存储在固态存储器上,其长短随图像质量的不同而变化。例如,1GB的存储棒Pro能记录250分钟的高质量节目(其定义为:384kbps的视频比特率、15帧/秒、320×240的帧尺寸、24kHz采样率以及音频比特率为128kbps的立体声)。如果采用Long Play 2方案(即将视频速率、帧尺寸及音频速率分别下降至64kbps、176×144及 64kbps),那么相同的存储棒能记录1,000分钟的节目。
下一个步骤是将TV调谐器整合到手机中。实际上,制造商已经开始这么做了。当然,面对这种小型的“电视机”,用户必须适当调低他们的期望值。我们不可能指望在手机上获得与观看大屏幕电视一样的用户体验。的确,手机屏幕使用户很难分辨重要的细节。因此,显示VBI数据(即插入到垂直消隐时间间隔中的信息,如字幕等)是没有多大意义的。在最初阶段,考虑到天线的限制,接收效果将面临挑战。除此之外,这些第一代产品面临的另一个问题是电池工作时间。今天,其极限大约是两小时的播放时间。最后,目前移动电视中的处理器还不能提供降噪或回波消除等高级功能。
新的信号链
幸运的是,工程师们正在努力消除这些限制,并积极改进电路板。TI公司新推出的OMAP2架构将把手机转变成带有电视功能的“综合娱乐”设备。要了解手机是如何进行集成的,我们需要关注以下每个主要的功能模块:天线、调谐器、解码器、控制器及显示器。每个模块既向系统设计提出了挑战,又提供了改进的可能性。
信号链从天线开始。对依赖地面广播信号的移动电视而言,天线是非常关键的。如果设备要同时接收VHF(2-13频道)和UHF(14-83频道)信号,天线必须能处理从34厘米至5.5米的波长。因此,即使在一半或四分之一波长,设备的尺寸也太大以至于不能支持完全集成的天线,尤其是在VHF频段。结果,移动电视通常将内置导线或特殊的耳机引线作为天线,因此信号接收效果会随用户所处环境甚至他们面对的方向而改变。此外,由于这些是带有特定长度天线的特殊耳机,故用户不可能随意走进一家电子商店购买一个替代品。最后,针对一个波段(VHF或UHF)设计的天线不可能在另一个波段上很好地工作,因此制造商经常选择针对其中一个波段来优化天线。通常,它是更流行的VHF频段,因此无论好坏,用户都只能接受设备在另一个频段上的性能。
天线将其接收的低电平射频信号馈入调谐器中,调谐器将放大输入信号并将它转换成适合解码器级的视频信号。调谐器也很重要,因为它对设备的整体尺寸及电能消耗具有最大的影响。今天,这些调谐器通常是带有空气芯电感的“盒子”,但去年底,索尼发布了半导体调谐器,它们的尺寸只有传统器件的1/25。特别地,BTF-ZJ401调谐器具有25 × 20 × 3mm的尺寸、800mW的功耗及47dB的信噪比。
尽管取得了令人惊讶的进步,但调谐器仍然是设备中功耗最大的器件。因此,它是研发工作的重点对象。今年底,制造商预计将生产出功耗为600至650 mW的调谐器,而且根据研发计划,他们希望在2005年初将功耗水平降低到200或250 mW,这将能显著延长电池的工作时间。
此外,调谐器还与广播标准有关。虽然一些客户愿意采用只针对一种标准(如NTSC)设计的器件,但一些制造商想推出能接收NTSC、PAL及SECAM信号的“通用调谐器”。许多开发商已经确定目标,要在2005年初设计出可适应全部三项标准的单一调谐器。
这些调谐器接收模拟信号。考虑到天线的限制,现有机型除了接收强烈的本地信号外,在接收其它信号时可能会遇到麻烦。但如果在人口密集地区施以高强度信号,那么将模拟电视集成到手机等便携设备中应该能够成功。在专为移动设备定义的数字空中广播标准出台以前,人们将继续使用模拟调谐器。
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当然,一些国家正在研究针对移动设备的数字广播。在欧洲,一些手机厂商正在与芬兰领先的广播电视公司和移动服务提供商合作,计划今年底利用IP数据广播(IPDC)向手机用户发送商业电视节目。这是一项基于DBV-H标准的服务,它将数字内容格式、软件应用、编程接口及多媒体服务通过IP与数字广播整合在一起。为了获知终端用户对移动广播的接受度,今年秋季芬兰首都赫尔辛基市将启动一项有500名用户参与的试验。
BT.656解码器
在信号链中,位于调谐器之后的器件是解码器,它将电视信号数字化并执行某些处理。例如,TI公司的产品可以将基带NTSC、PAL及SECAM模拟视频信号转换成数字信号,供后端的处理器和显示器使用。TI利用其 “同步检测”专利技术来锁定微弱、带噪声或不稳定的信号。该特性与自动增益控制功能对于弱信号环境极为有用。此外,4线自适应梳状滤波可以减少亮度与色度数据通道中的互串亮度和互串色度信号。它还可以对视频参数进行编程,如色调、对比度、亮度、色饱和度及锐度等。在工作中,这类器件通常消耗115 mW的功率,但下一代器件的功耗有望低于90mW。
一个微妙但很重要的问题是解码器的工作频率。目前,大多数解码器需要使用27或14.318 MHz的晶振。不过,你可以期待制造商修改他们的芯片,使其锁相环工作在手机的时钟频率上,从而允许设计师从材料清单中删除一种器件。
解码器的另一个问题与芯片输出格式有关。基本理念是减少芯片引脚数,从而减小器件尺寸。今天,被广为接受的电视信号数字解码标准是ITU-R BT.656,其输出为YCbCr 4:2:2数字合成视频,其中4:2:2代表用于数字化视频信号中亮度与色差成分的采样率之比。BT.656标准还定义了消隐、嵌入式同步字及视频复用格式。
实现BT.656标准的解码器芯片具有8或10条并行输出信号线。这被认为是目前手机电视中可行的最少引脚数。
处理器完成双倍工作
无论是将电视功能添加到手机、PDA,还是任何其它手持设备中,系统设计师都愿意采用相同的处理器来接受解码器信号,并将它转化成显示格式。大多数解码器将产生640 × 480、720 × 480 或720 × 576像素的格式,但只有少数器件能执行必要的缩放,以产生适合以QCIF(176 × 144)或QVGA(320 × 240)格式显示的信号。这两种格式均为当今手机上流行的显示格式。因此,缩放是中央处理器需要完成的任务。
中央处理器的另一项重要任务是实时压缩和解压缩。未来手机将包含一些类型的小外形存储器卡(正在达到GB容量),因此用户可以在观看空中电视节目的同时将它们录制下来。然后,他们可以在手机或大屏幕电视上观看这些节目。此外,朋友之间可以通过交换存储卡或存储棒来共享一些特别有趣的节目。今天,一些索尼的高端HDTV已经带有存储棒端口,目的是允许用户从数码相机上取下存储棒,然后在电视机上浏览拍摄的照片。通过添加一个MPEG-4编码器,这款机型还能充当数字视频录像机(DVR)。出于这类原因,为运行压缩类算法而优化的DSP将成为中央处理器的理想选择。
信号链的最后一步是显示。今天的手机显示屏足以进行静态显示,但如果显示活动图像,你可能会看到一些拖尾。这是显示器制造商正在努力研究的一个领域,而且他们已经开发出可以保持50Hz刷新速率的器件。当低于此频率时,人们能发现显示质量明显下降。
对于信号链中的所有器件而言,一个共同问题是它们的电压需求。由于新型IC采用了更小尺寸的工艺(如90纳米),它们能运行在更适合便携设备的电压上。通常,手机电池的电压范围为3.0至3.6V。如果芯片的工作电压为3.3V,那么系统可能需要根据当时的电池电压进行降压或升压。采用1.8V内核和I/O的器件更适合于移动应用,同时可以降低功耗。TI的 90纳米工艺允许单个芯片上的晶体管针对不同功能进行“调整”,以满足各种不同的性能、密度及功耗要求。这是通过调整晶体管的栅极长度、阈值电压、栅极氧化物厚度或偏置条件来实现的。其结果是高性能的晶体管可以用于信号处理等性能极其关键的功能；而低功耗的晶体管可以用于对动态和待机功耗有严格要求的辅助功能。
展望未来,制造商有望减小视频解码器和调谐器的尺寸与功耗,并实现可支持所有主要标准的单芯片调谐器。此外,在一两年内,随着调谐器的尺寸和功耗缩减,设计师可以利用留出的空间添加其它功能,如存储器端口和实时视频压缩等。在不久的将来,电视功能将像音乐播放器一样被集成到许多便携式设备中,并成为一项标准特性。
作者:Patrick Long
混合信号视频部
TI公司
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