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液晶高清數(shù)字電視技術發(fā)展與主流方案分析

發(fā)布時間:2009-12-08

中心議題:
  • 高清的技術趨勢與設計挑戰(zhàn)
  • 液晶高清數(shù)字電視結構原理
解決方案:
  • 數(shù)字一體化調(diào)諧器
  • 使用單芯片設計

數(shù)字電視日益成為消費電子領域,乃至整個電子領域發(fā)展的驅(qū)動力,平板技術的成熟又為數(shù)字電視的發(fā)展增添了雙翼。平板化和數(shù)字化,是推動當今電視發(fā)展的兩大引擎,數(shù)字電視正逐漸成為真正的家庭多媒體娛樂中心。

數(shù)字電視是指全數(shù)字化接收(標清/高清)、解調(diào)、數(shù)字信號處理及顯示的電視接收機。目前數(shù)字電視技術標準包括以美國為代表的ATSC(8VSB)、以歐洲為代表的DVB-T、日本的ISBD-T、中國的DMB-T或ADTB-T(待定)、有線網(wǎng)絡數(shù)字電視DVB-C以及衛(wèi)星數(shù)字電視DVB-S。

平板電視是指使用平板顯示屏作為電視圖像顯示的電視接收機。顯示屏按技術特點可分為:液晶(LCD)、等離子(PDP)、數(shù)字光源處理(DLP)以及硅基液晶(LCOS)背投。其中LCD顯示屏發(fā)展最快,也是市場占有率最高的平板顯示屏。液晶高清數(shù)字電視已成為電視技術發(fā)展的熱點應用。

隨著近幾年液晶技術的發(fā)展以及第七代液晶屏生產(chǎn)線的投入使用,液晶屏已突破了視角、響應速度、對比層次、色彩鮮艷度及大屏幕價格的發(fā)展瓶頸,加之獨有的高分辨率、低功耗、長壽命的特點,液晶電視以其完美的圖像質(zhì)量和可接受的價格成為目前發(fā)展最快的電視種類。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)2005年6月9日發(fā)文,決定提前實施在電視機中強制配備數(shù)字電視調(diào)諧器的“鮑威爾計劃(PowellPlan)”,將25英寸~36英寸電視機全部內(nèi)置DTV調(diào)諧器的要求提前到2006年3月1日。FCC的這一決定進一步加快了全球數(shù)字電視的發(fā)展步伐。


            圖1:液晶高清數(shù)字電視系統(tǒng)構成圖

技術趨勢與設計挑戰(zhàn)
在電視技術平板化和數(shù)字化的大趨勢下,液晶高清數(shù)字電視技術正朝著高集成度、高性能、多功能的方向發(fā)展。在系統(tǒng)單芯片集成方面,主CPU、傳輸碼流(TS)解復用、MPEG解碼、模擬彩色解調(diào)、視頻信號處理、圖像顯示處理等功能可集成進一塊芯片中,甚至能將數(shù)字電視信號解調(diào)解碼、模擬電視信號解調(diào)、HDMI接收、模擬分量視頻信號(YPrPb)/RGB接收、音頻信號解碼也一并集成進單芯片,而芯片工藝可達到90納米,甚至65納米技術水平。

高性能主要表現(xiàn)為更快的信號處理速度、更先進的圖像伴音處理技術、更高清晰度顯示(1080P)。除了基本數(shù)字電視功能以外,液晶高清數(shù)字電視還將集成進更多的功能接口,諸如USB、SMARTCard、1394/iLINK、硬盤、網(wǎng)絡接口以及H.264/VC1解碼功能,眾多功能使其成為真正的未來家庭多媒體娛樂中心。


                 圖2:液晶高清數(shù)字電視接收嵌入式(Add-on)解決方案

與傳統(tǒng)的模擬CRT電視相比,液晶高清數(shù)字電視在系統(tǒng)集成度、信號處理的復雜程度以及多功能方面都高出很多,這也使得液晶高清數(shù)字電視的設計難度更高,挑戰(zhàn)更多。在芯片設計方面,高性能的CPU內(nèi)核,高集成度、高性能的信號處理規(guī)劃設計,以及高端的芯片工藝技術(90納米,65納米技術)是設計人員面臨的主要問題。而在整機系統(tǒng)設計方面,硬件設計將面對多路低電壓(可低至1V)大電流電源系統(tǒng)的設計,高速(可達250MHz)電路板設計,以及整個系統(tǒng)規(guī)劃設計等挑戰(zhàn)。

此外,日益復雜的軟件系統(tǒng)設計也成為最大的挑戰(zhàn)。分層式功能模塊化設計方法以及高級軟件開發(fā)工具的應用,加快了軟件開發(fā)進度并提升了軟件質(zhì)量,也提高了軟件的靈活復用性,使其更便于二次開發(fā)。在最終的產(chǎn)品化設計階段,由于只有最上層的用戶控制界面層(UCI)需要依據(jù)客戶要求進行簡單地設計更改,這就加快了軟件開發(fā)乃至整機開發(fā)的進度,確保滿足日漸嚴酷面市時間要求。

液晶高清數(shù)字電視結構原理
液晶高清數(shù)字電視通常由數(shù)字電視接收通道、模擬電視接收通道、音頻信號處理放大通道、視頻信號輸入處理及顯示輸出通道、微控制系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)組成。

數(shù)字電視接收通道由調(diào)諧器接收數(shù)字電視信號,將數(shù)字中頻信號輸出到數(shù)字電視信號解調(diào)單元,解調(diào)出數(shù)字信號,經(jīng)過誤碼修正(FEC)、解密(DES)、解復用(Demux)、MEPG-2解碼,一路輸出解壓后的標準的數(shù)字視頻分量信號到視頻信號處理及顯示輸出通道,另一路輸出解壓后的數(shù)字伴音信號(I2S)到音頻信號處理放大通道。數(shù)字電視接收通道決定了數(shù)字電視接收的主要性能指標,諸如接收靈敏度、對應載噪比的誤碼率(BERvs.C/N)、干擾抑制、回波抑制、I/Q不平衡等。在設計中,應特別關注其中的ADC、濾波器、放大器、時鐘電路。[page]
模擬電視接收通道由調(diào)諧器接收模擬電視信號,將模擬中頻信號輸出到模擬電視信號解調(diào)單元,一路解調(diào)輸出復合視頻信號經(jīng)視頻解調(diào)將標準的數(shù)字分量信號輸出到視頻信號輸入處理及顯示輸出通道,另一路解調(diào)輸出音頻信號或伴音第二中頻信號到音頻信號處理放大通道。PAL/SECAM/NTSC3D亮色分離技術的應用實現(xiàn)了完全的亮色分離。

音頻信號處理放大通道由音頻信號處理及音頻信號放大單元構成,負責電視伴音解調(diào)、I2S數(shù)字伴音變換、環(huán)繞聲處理、音頻控制及放大輸出。SRS、杜比環(huán)繞、自動音量調(diào)整(AVL)、多段均衡、伴音延時、I2S信號(來自HDMI和數(shù)字電視伴音)接收等都是液晶數(shù)字電視常用的音頻處理技術。

視頻信號輸入處理及顯示輸出通道由YPrPb/VGA輸入、HDMI輸入、視頻信號處理、圖像顯示處理、LVDS輸出和液晶屏構成,承擔標準分量信號的輸入變換、圖像處理及質(zhì)量改善、圖像顯示格式變換控制以及LVDS調(diào)制輸出等任務。而圖像噪聲檢測及自動3D圖像降噪技術、帶運動預測和補償?shù)娜ジ粜凶儞Q(De-interlacer)技術及圖像質(zhì)量改善技術(LTI、CTI、對比度加強、清晰度加強、多維色彩修正、GAMMA校正)的應用又確保在液晶屏上顯示出完美的圖像。

目前液晶高清數(shù)字電視解決方案可分為數(shù)字電視接收嵌入式(add-on)解決方案和單芯片解決方案。其中,嵌入式解決方案是在已有的模擬液晶電視基礎上附加數(shù)字電視接收功能,數(shù)字電視接收通道經(jīng)MPEG-2解碼及編碼后輸出分量視頻信號(YPrPb),再輸入到模擬液晶電視單元,構成完整的數(shù)字高清液晶電視?,F(xiàn)在的數(shù)字電視接收嵌入式解決方案成熟度高、開發(fā)周期短,但總體成本偏高,系統(tǒng)設計及圖像處理顯示性能不夠優(yōu)化。

而單芯片解決方案則是以包含MPEG解碼、復合視頻信號解碼、視頻信號處理、圖像顯示處理以及微控制單元的單芯片為主構成。這種方案內(nèi)置3D梳狀濾波器和圖像加強等高性能處理系統(tǒng),具有集成度高,成本低的優(yōu)點,但開發(fā)技術難度大,開發(fā)周期長,成熟度有待提高。不過,隨著集成度、成熟度的不斷提高,單芯片解決方案將成為未來液晶高清數(shù)字電視的主導方案。

ST的液晶高清數(shù)字電視解決方案
意法半導體(ST)的液晶高清數(shù)字電視解決方案包括數(shù)字電視接收嵌入式解決方案及單芯片解決方案。

由圖2所示的數(shù)字電視接收嵌入式解決方案框圖可看出,數(shù)字一體化調(diào)諧器包括數(shù)字射頻頻率調(diào)諧和信道解碼兩部分,從接收到的數(shù)字電視射頻信號解調(diào)輸出標準的MPEG傳輸碼流信號。未特殊加密的MPEG碼流直接輸入到ST數(shù)字電視信號解碼芯片中進行處理;對于特殊加密的MPEG碼流,首先輸入到CI卡回路進行解密,再將碼流直接輸入ST數(shù)字電視信號解碼系統(tǒng)芯片進行處理。經(jīng)ST數(shù)字電視信號解碼系統(tǒng)芯片的MPEG解碼和信號編碼,AD變換輸出模擬YPRPB和立體聲音頻信號,到已有的模擬電視系統(tǒng)顯示數(shù)字電視圖像,從而構成完整的液晶高清數(shù)字電視。

以下是ST數(shù)字電視信號處理解碼芯片的主要功能及特點:

高性能200MHz32位CPU內(nèi)核;
  • 2路串行或并行碼流輸入,1路雙向碼流接口,共計3路碼流接口;
  • 可編程傳輸接口(PTI):適于DVB、ATSC、OpenCable、DIRECTV的傳輸碼流解復用,集成DES及DVB解擾;
  • 一路MPEG-2高清解碼;
  • 模擬RGB或YPRPB輸出,1080I、720P、480P、480I;
  • 模擬PAL/NTSC復合視頻信號(CVBS)和亮色(YC)信號輸出;
  • 內(nèi)置基于位圖字符(OSD)發(fā)生器;
  • 一路數(shù)字音頻解碼,可實現(xiàn)MPEG-1、MPEG-2、MP3、AAC和AC3解碼;
  • 5.1聲道數(shù)字伴音轉(zhuǎn)換為兩聲道輸出;
  • 兩路24位DAC輸出模擬音頻信號,一路S/PDIF數(shù)字音頻輸出。
     

                                                   圖3:液晶高清數(shù)字電視單芯片解決方案

圖3是液晶高清數(shù)字電視單芯片解決方案框圖。ST數(shù)字電視單片系統(tǒng)芯片及附帶的FLASH/DDRSDRAM存儲器,外圍的數(shù)模一體化調(diào)諧器、模擬開關芯片、HDMI/YPrPb/VGA輸入處理芯片、液晶屏、伴音處理芯片、音頻放大電路、揚聲器、CI卡電路,以及鍵盤/遙控接收,共同組成液晶高清數(shù)字電視接收系統(tǒng)。

這種數(shù)字電視單芯片解決方案可方便地實現(xiàn)目前所有數(shù)字/模擬標準信號的接收處理(當然,對于地區(qū)的不同接收制式標準應選用不同的接收前端),以及對HDMI、高清YPrPb和VGA信號的接收處理。在圖像處理顯示方面,該方案具有3DNTSC/PAL/SECAM亮色分離單元,加強邊沿細化的帶運動補償?shù)娜ジ粜凶儞Q處理,以及應用3D降噪、對比度加強、色空間修正等高性能的視頻處理技術,能支持到最高標準1080P的顯示,可方便地實現(xiàn)PIP、PAP、POP顯示。在音頻處理方面,該方案實現(xiàn)MPEG1、MPEG2、AC3、MP3的數(shù)字伴音解碼和AM-FMMONO、NICAM、BTSC、Zweiton等模擬伴音解碼,可調(diào)整大范圍伴音延時以確保伴音與圖像同步,可進行杜比、SRS、ST環(huán)繞聲處理及五段均衡處理。

以下是ST液晶高清數(shù)字電視單芯片的主要功能及特點:
  • 高性能32位CPU(266MHz,480MIPS),DDR333存儲器接口,運行實時操作系統(tǒng);
  • 兩路帶有3D梳狀濾波器的NTSC/PAL/SECAM數(shù)字彩色解碼器;
  • 兩路高清晰視頻圖像處理單元:12位視頻處理,3D亮度/色度帶運動補償?shù)慕翟胩幚?,具有加強邊沿細化的帶動態(tài)補償?shù)母粜械街鹦凶儞Q處理,靈活的水平/垂直方向的縮放處理,高性能的圖像質(zhì)量改善處理;
  • 高清PIP,PAP和POP;
  • 兩路具有DES,DVB和MULTI2解擾的傳輸碼流解復用;
  • 兩路DVB-CI和CableCARD接口;
  • 兩路標清(SD)或一路高清(HD)MPEG2解碼;
  • 兩路24位音頻處理DSP,實現(xiàn)MPEG1、MPEG2、AC3、MP3解碼;
  • 基于位圖的OSD;
  • 豐富的DTV機芯控制接口:I2C、GPIOs、ADC、PWM等;
  • 最高可達1080P的顯示輸出;
  • 90納米的芯片工藝技術,實現(xiàn)低功耗、高可靠性。
隨著數(shù)字電視的快速發(fā)展,會出現(xiàn)適應市場不同需求的高、中、低檔數(shù)字電視芯片方案。集成度更高、性能功能更加優(yōu)化、性價比更高的低成本數(shù)字電視芯片方案,以及高集成度、高性能、具有數(shù)字化家庭娛樂中心功能的高檔數(shù)字電視芯片方案將成為液晶高清數(shù)字電視系統(tǒng)芯片的兩大發(fā)展方向。
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