- 高清的技術趨勢與設計挑戰
- 液晶高清數字電視結構原理
- 數字一體化調諧器
- 使用單芯片設計
數字電視日益成為消費電子領域，乃至整個電子領域發展的驅動力,平板技術的成熟又為數字電視的發展增添了雙翼。平板化和數字化，是推動當今電視發展的兩大引擎，數字電視正逐漸成為真正的家庭多媒體娛樂中心。
數字電視是指全數字化接收(標清/高清)、解調、數字信號處理及顯示的電視接收機。目前數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)、有線網絡數字電視DVB-C以及衛星數字電視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)、數字光源處理(DLP)以及硅基液晶(LCOS)背投。其中LCD顯示屏發展最快，也是市場占有率最高的平板顯示屏。液晶高清數字電視已成為電視技術發展的熱點應用。
隨著近幾年液晶技術的發展以及第七代液晶屏生產線的投入使用，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量和可接受的價格成為目前發展最快的電視種類。美國聯邦通信委員會(FCC)2005年6月9日發文，決定提前實施在電視機中強制配備數字電視調諧器的“鮑威爾計劃(PowellPlan)”，將25英寸~36英寸電視機全部內置DTV調諧器的要求提前到2006年3月1日。FCC的這一決定進一步加快了全球數字電視的發展步伐。
圖1：液晶高清數字電視系統構成圖
技術趨勢與設計挑戰
在電視技術平板化和數字化的大趨勢下，液晶高清數字電視技術正朝著高集成度、高性能、多功能的方向發展。在系統單芯片集成方面，主CPU、傳輸碼流(TS)解復用、MPEG解碼、模擬彩色解調、視頻信號處理、圖像顯示處理等功能可集成進一塊芯片中，甚至能將數字電視信號解調解碼、模擬電視信號解調、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)。除了基本數字電視功能以外，液晶高清數字電視還將集成進更多的功能接口，諸如USB、SMARTCard、1394/iLINK、硬盤、網絡接口以及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：液晶高清數字電視接收嵌入式(Add-on)解決方案
與傳統的模擬CRT電視相比，液晶高清數字電視在系統集成度、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字電視的設計難度更高，挑戰更多。在芯片設計方面，高性能的CPU內核，高集成度、高性能的信號處理規劃設計，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)大電流電源系統的設計，高速(可達250MHz)電路板設計，以及整個系統規劃設計等挑戰。
此外，日益復雜的軟件系統設計也成為最大的挑戰。分層式功能模塊化設計方法以及高級軟件開發工具的應用，加快了軟件開發進度并提升了軟件質量，也提高了軟件的靈活復用性，使其更便于二次開發。在最終的產品化設計階段，由于只有最上層的用戶控制界面層(UCI)需要依據客戶要求進行簡單地設計更改，這就加快了軟件開發乃至整機開發的進度，確保滿足日漸嚴酷面市時間要求。
液晶高清數字電視結構原理
液晶高清數字電視通常由數字電視接收通道、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、微控制系統以及電源系統組成。
數字電視接收通道由調諧器接收數字電視信號，將數字中頻信號輸出到數字電視信號解調單元，解調出數字信號，經過誤碼修正(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字伴音信號(I2S)到音頻信號處理放大通道。數字電視接收通道決定了數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單元，一路解調輸出復合視頻信號經視頻解調將標準的數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、I2S數字伴音變換、環繞聲處理、音頻控制及放大輸出。SRS、杜比環繞、自動音量調整(AVL)、多段均衡、伴音延時、I2S信號(來自HDMI和數字電視伴音)接收等都是液晶數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、圖像處理及質量改善、圖像顯示格式變換控制以及LVDS調制輸出等任務。而圖像噪聲檢測及自動3D圖像降噪技術、帶運動預測和補償的去隔行變換(De-interlacer)技術及圖像質量改善技術(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。
目前液晶高清數字電視解決方案可分為數字電視接收嵌入式(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字電視接收功能，數字電視接收通道經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，構成完整的數字高清液晶電視。現在的數字電視接收嵌入式解決方案成熟度高、開發周期短，但總體成本偏高，系統設計及圖像處理顯示性能不夠優化。
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。這種方案內置3D梳狀濾波器和圖像加強等高性能處理系統，具有集成度高，成本低的優點，但開發技術難度大，開發周期長，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字電視的主導方案。
ST的液晶高清數字電視解決方案
意法半導體(ST)的液晶高清數字電視解決方案包括數字電視接收嵌入式解決方案及單芯片解決方案。
由圖2所示的數字電視接收嵌入式解決方案框圖可看出，數字一體化調諧器包括數字射頻頻率調諧和信道解碼兩部分，從接收到的數字電視射頻信號解調輸出標準的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數字電視信號解碼系統芯片進行處理。經ST數字電視信號解碼系統芯片的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顯示數字電視圖像，從而構成完整的液晶高清數字電視。
以下是ST數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；
- 內置基于位圖字符(OSD)發生器；
- 一路數字音頻解碼，可實現MPEG-1、MPEG-2、MP3、AAC和AC3解碼；
- 5.1聲道數字伴音轉換為兩聲道輸出；
- 兩路24位DAC輸出模擬音頻信號，一路S/PDIF數字音頻輸出。
圖3：液晶高清數字電視單芯片解決方案
圖3是液晶高清數字電視單芯片解決方案框圖。ST數字電視單片系統芯片及附帶的FLASH/DDRSDRAM存儲器，外圍的數模一體化調諧器、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字電視接收系統。
這種數字電視單芯片解決方案可方便地實現目前所有數字/模擬標準信號的接收處理(當然，對于地區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的去隔行變換處理，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PIP、PAP、POP顯示。在音頻處理方面，該方案實現MPEG1、MPEG2、AC3、MP3的數字伴音解碼和AM-FMMONO、NICAM、BTSC、Zweiton等模擬伴音解碼，可調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環繞聲處理及五段均衡處理。
以下是ST液晶高清數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；
- 兩路帶有3D梳狀濾波器的NTSC/PAL/SECAM數字彩色解碼器；
- 兩路高清晰視頻圖像處理單元：12位視頻處理，3D亮度/色度帶運動補償的降噪處理，具有加強邊沿細化的帶動態補償的隔行到逐行變換處理，靈活的水平/垂直方向的縮放處理，高性能的圖像質量改善處理；
- 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，實現低功耗、高可靠性。
