揭密顯示屏幕背后的高清晰電視技術(shù)

2008/05/30

　　無論由摩爾定律或消費需求驅(qū)動，在當今電視中所需要的性能水平可能似乎是勢不可當?shù)�。與標準清晰度電視格式（SDTV）相比，具有1080像素的高清晰（HD）格式的數(shù)字電視所驅(qū)動的數(shù)據(jù)量要大6倍，它要管理數(shù)字電視、IPTV、視頻會議廣播及處理杜比AC-3、MPEG和其它音頻格式，這些功能都成為了數(shù)字電視（DTV）必須具備的功能。

　　從對音頻、視頻和輸入信號格式的最高要求來說，存在若干可供選擇觀看的選項：正投、背投、DLP、LCD、等離子和CRT。無論是在嵌入到手表中的1英寸的顯示器上觀看電視，或是采用投影系統(tǒng)的顯示屏在整塊墻壁上觀看電視，對尺寸和性能的組合要求幾乎是無窮無盡的。

　　數(shù)字電視基礎(chǔ)

　　即使目前在貨架上的每一臺電視可能從大小、外觀、形狀因子和銷售人員給你的基本描述來看都非常不同，但是，當你考察其內(nèi)部的時候，電視的基本構(gòu)造模塊都是非常相似的。

　　一般來說，數(shù)字電視可以被分解為不到10個主要的模塊：顯示器（和驅(qū)動器）、核心媒體引擎、音頻編解碼和處理、視頻編解碼和處理、調(diào)諧器、接口模塊和電源。對每一個模塊的絕對性能要求由你最喜歡的座位的舒適體驗的性能水平來定義。

　　下圖為典型的數(shù)字電視系統(tǒng)方塊圖。

圖1：典型的數(shù)字電視系統(tǒng)方塊圖

　　在圖1中，我們給出了HDTV的基本方框圖，我們在功能方塊圖層面已經(jīng)加以考慮。開發(fā)屏幕后面的電視機系統(tǒng)需要采用許多工具，它們都可以從各類企業(yè)獲得。然而，在把來自不同元器件供應(yīng)商的解決方案整合在一起的過程中，既要加快設(shè)計周期以縮短產(chǎn)品上市時間，又要確保兼容性，那么，這種要求就會成問題。無論是采用DLP技術(shù)、基于DSP的數(shù)字媒體處理器、其它的核心處理解決方案或一些其它的高性能模擬元器件，都需要為快速演進的數(shù)字電視市場設(shè)計出高度集成、靈活且便于使用的數(shù)字電視機。對于融合的應(yīng)用來說，把高性能音視頻CODEC、圖形加速、通信和支持功能設(shè)計到家庭娛樂體驗系統(tǒng)之中是至關(guān)重要的。

　　視頻設(shè)計

　　消費者常常在觀看電視的時候，對視頻體驗提出非常高的要求。正因為如此，分辨率、亮度、對比度和清晰度對看起來的“逼真”體驗有著重要意義。對于電視機來說，支持多種ATSCTDV格式、NTSC和PAL解碼、復(fù)合及S-Video輸入和二維濾波都是至關(guān)重要的。隨著高清晰電視的發(fā)展，以配備三維濾波的1080i分辨率支持全高清將是標準的配置。在接收如圖1所示的視頻信號鏈的過程中，重要的是選擇具有混合各種性能的能力的視頻解碼器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和視頻緩沖器，以便于你能夠根據(jù)系統(tǒng)的成本目標調(diào)節(jié)性能。

圖2：視頻解碼器的數(shù)據(jù)流路徑

　　圖2所示為視頻解碼器的數(shù)據(jù)流路徑，它負責處理NTSC、PAL、SECAM、S-Video、SCART、YPbPr、RGB、480p和其它輸入格式。在數(shù)字電視中，對這種級別的靈活性的支持是必需的，完全是為了讓一個機型經(jīng)過實際設(shè)置可以工作于任何格式。數(shù)字電視解碼器的典型性能特征包括：同步、消隱、場、有源視頻窗口、水平和垂直同步、時鐘、同步鎖相（用于下行視頻編碼同步）、主CPU中斷和可編程邏輯I/O信號。這是對數(shù)字視頻輸出以及用于先進的垂直消隱期（VBI）數(shù)據(jù)恢復(fù)的補充。作為一種附加功能，一些視頻解碼器支持VBI數(shù)據(jù)處理器（VDP）在文字電視廣播、傳送字幕（CC）和其它VBI數(shù)據(jù)上進行數(shù)據(jù)分片、解析和執(zhí)行誤碼校驗。內(nèi)置的FIFO存儲多達11行文字電視廣播數(shù)據(jù)，而適當?shù)闹鹘涌谕�步及全屏幕文字電視廣播恢復(fù)是當今系統(tǒng)中的幾個常見要求。然而，一些實現(xiàn)方案需要一種解碼器，它能夠為基于主CPU的VBI處理提供速度為已采樣原始亮度數(shù)據(jù)兩倍的輸出格式化數(shù)據(jù)。

　　對于信號鏈中的ADC來說，個人電腦和HD視頻輸出要求其具有改進的抖動減低性能、在視頻系統(tǒng)中的較高圖像品質(zhì)并能夠支持日益增長的帶寬需求。在數(shù)字電視實現(xiàn)方案中，一個8/10位三ADC通常提供165Msps的采樣率，從而提供豐富的視頻性能，并且也是商用投影儀、電視和機頂盒的理想選擇。

　　最后，要把視頻信號鏈的輸出分辨率與顯示器的性能及輸入信號的分辨率匹配，從而優(yōu)化視頻的設(shè)計。在低分辨率的CRT電視時代，采用較低性能的前端可能一直都是可以接受的，但是，利用當今的高分辨率顯示器，在模擬前端中的任何噪聲或不規(guī)則信號都將清晰地顯示在數(shù)字電視的屏幕上。

　　音頻設(shè)計

　　過去，消費者可能要把電視連接到他們的家庭音頻系統(tǒng)來增強音頻體驗，特別是在觀看電影的時候。隨著音頻解決方案的進步，有可能把電視與家庭立體聲分開放置在兩個不同的地方，特別是對安裝在墻壁上的數(shù)字電視，這就驅(qū)使人們把先進的音頻解決方案直接集成到數(shù)字電視之中，以提高性能。但是，無論驅(qū)動表面揚聲器或傳統(tǒng)的揚聲器，音頻信號鏈在最大化音頻體驗中都是至關(guān)重要的。為了實現(xiàn)音頻品質(zhì)的進一步差異化，必須在數(shù)字電視中采用音頻處理。音頻處理使像電影、新聞和音樂這樣的標準聲音模式成為可能，此外，還有諸如環(huán)繞聲虛擬、重低音增強和其他著名的音頻算法之類的先進音頻功能。

　　在音頻解決方案中進行折衷與音頻處理性能、音頻輸出功率、熱耗散和整體的功耗有關(guān)。傳統(tǒng)的音頻方案由兩到三個受AB類音頻功率放大器驅(qū)動的揚聲器構(gòu)成。然而，相對于它的整個音頻輸出而言，AB類放大器的工作固有地生成大量的熱。這些積聚起來的高溫因為需要大的散熱片來散發(fā)熱量，所以，在大多數(shù)薄形狀因子的平面電視中禁止采用AB類放大器。為了解決這個問題，業(yè)界采用了D類放大器技術(shù)（圖3）。目前，輸出場效應(yīng)三極管（FET）可以在截止區(qū)與飽和區(qū)之間切換，從而提供比AB類放大器更高的效率�，F(xiàn)有的音頻解決方案容許你完全利用數(shù)字信號路徑。這不僅僅最大化音頻效率，而且，它們也提供有效的處理和大于110dB的信噪比（SNR）。

圖3：D類放大器的基本拓撲

　　接口設(shè)計

　　由于人們越來越多地要求把數(shù)字電視變成家庭通信門戶，數(shù)字電視和機頂盒除了基本的音頻和視頻接口之外，還要繼續(xù)添加接口，其中，包括支持VGA、分量視頻輸入（并且常常是輸出）和甚至HDMI；然而，數(shù)字電子也可能支持諸如DVI、S-Video、IEEE1394、USB和LAN連接這樣的附加接口。此外，隨著不同低功耗無線接口技術(shù)的快速普及應(yīng)用，從遙控器到衛(wèi)星揚聲器的每一臺設(shè)備都可以方便地與數(shù)字電視通過無線電完全地實現(xiàn)通信。

　　電源設(shè)計

　　在電視中的大多數(shù)功能模塊中，包括為數(shù)字電視本身創(chuàng)建主電源的AC/DC轉(zhuǎn)換器，都需要一種特別的電源方案，如用于DLP燈、LCD偏置、或顯示器的背光電源、主處理器的核及I/O、DDR存儲器以及用于調(diào)諧器和視頻/模擬信號鏈的電源。圖4所示為數(shù)字電視的基本電源分配流程。

圖4：典型的數(shù)字電視電源需求

　　在這個節(jié)能的時代，政府持續(xù)地制定新的政策并收緊現(xiàn)有的計劃，以覆蓋消費電子產(chǎn)品的待機功耗和效率問題。目前，管理電視的所有計劃都是自愿的，但是，強制要求的前景迫在眉睫。例如，為了接受能源之星認證，數(shù)字電視在待機模式下不能消耗超過3瓦的功率。利用功率因素校正（PFC）和綠色模式回掃轉(zhuǎn)換器可以在待機模式中保持功耗最小，市場中已經(jīng)出現(xiàn)了若干新的解決方案。在輕載情況下，具有突發(fā)模式操作的電源轉(zhuǎn)換器為待機期間的PFC控制器提供一個關(guān)閉偏置電源的信號，因而是這種應(yīng)用的理想選擇。跟整個系統(tǒng)的性能相比，關(guān)于利用分布式電源總線或本地負載點電源的決策同等重要。

　　本文小結(jié)

　　不論高清電視是否繼續(xù)沿著我們以前所看到的路線發(fā)展，或者跳躍到一條新的發(fā)展路線—在此的新解決方案要求你把三維全息圖像投影到房間的中間，為了最優(yōu)化整個數(shù)字電視的成本和性能，當針對數(shù)字電視中的任何模塊作出設(shè)計決策時，要從整個系統(tǒng)的要求出發(fā)來考慮。較低端的電源方案會把噪聲留在信號路徑中，然后，由模擬前端（AFE）來補償。同樣地，附加在高分辨率顯示器上的性能較弱的AFE就不能完全發(fā)揮所選擇的顯示技術(shù)的優(yōu)勢。為了最大限度地提高當你坐在數(shù)字電視面前時的體驗效果，系統(tǒng)中每一個模塊的互操作性絕對是關(guān)鍵所在。

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