电视手机的标准竞争与设计挑战

2006-10-02 15:04:52 来源:电子产品世界
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        目前手机的发展已成了全球电子业共同的焦点所在,除了语音与照相功能外,手机下一步的目标显然是要将视频多媒体的娱乐功能也纳入其中。这是一个相当具有突破性的概念和技术挑战,未来的手机将不只是电话、相机或游戏机,更可以是随身带着走的“电视机”。

移动广播电视规格竞赛
        要让手机具有收看移动广播电视的功能,目前有三个途径可走:透过2.5 G/3G无线网络的多媒体多点传送/广播服务;在数字音讯广播频谱上的数字多媒体广播(DMB)工作;采用由微波数字电视标准延伸而来的手持装置广播标准。
表一 移动广播标准列表 
   

 

ISDB(日本)

DMB(韩国)

DVB-H(欧洲)

来源编码

H.264(视讯)

ACC(音讯)

H.264(视讯)

BSAC(音讯)

H.264(视讯)

ACC(音讯)

传输串流

MPEG-2 TS

MPEG-2 TS

IP

调变

QPSK或16QAM

COFDM

DQPSK

COFDM

QPSK或16QAM

COFDM

RF讯息信道大小

433kHz

1.5MHz

5/6/7/8MHz

功率降低方法

缩减频宽

缩减频宽

时间切片


资料来源:EETimes

        在这三种方案中,由于2.5 G/3G的频宽有限,加上收费昂贵,因此利用它来收看电视并非极佳的选择,不过在中国方面,已有中国移动与中国联通推出基于串流媒体技术的手机电视业务,其中中国移动是架在其GPRS网络上,中国联通则是依靠其CDMA1X网络。
         由韩国所主导的DMB,又可分为使用地面广播的T-DMB和采用卫星的S-DMB两种技术,是由韩国已采用近十年的Eureka-147 DAB技术改良而来。其中T-DMB将ITU-T H.264编码技术用于视讯,将MPEG-4位分片算术编码技术用于音讯,然后,它透过采用MPEG-4同步层和MPEG-2传输串流将它们连同额外数据一起进行多任务处理。韩国订于2004年底推出DMB技术的移动广播电视,脚步算是相当快速。

 
DVB-H为众望所归
        不过,既然是看电视,透过既有的电视系统来播放可以说是顺水推舟的作法。目前在全球推行多年的数字电视标准有三大规格,分别是欧洲的DVB(Digital Video Broadcasting)、美国的ATSC(Advanced Television Systems Committee)以及日本的ISDB(Integrated Services Digital Broadcasting),其中DVB发展组织因预见移动通讯与数字广播网络整合的可能性,因此在2002年9月即提案发展适用于手持式装置的视讯标准(DVB-Handheld,DVB-H),并在2004年1月制定出该规格的基本框架,接着在2月进入验证与标准化的程序。由于DVB-H的发展脚步较快,不论是美规或日规的相关技术也都向它靠拢。 
                                                 
                                                                      图一 DVB-H标准家族之关系图
资料来源:HOPENET科技月刊
        DVB-H是以针对家庭电视接收的地面数字视讯广播(DVB-Terrestrial,DVB-T)传输技术为基础,因此保有部分与DVB-T接收电路的兼容性,但为了满足手持式装置接收视讯的特性,如低功耗、高移动性、共通平台与网络切换服务不中断等要求,以保证在室内、户外、在步行或行驶中的汽车上都能正常收看,DVB-H做了不少技术改进。
DVB-H在耗电上的目标是将天线、电视调谐器和OFDM译码电路等总的耗电量控制在100mW以下,相较之下,室内电视对于耗电性的敏感度不高,DVB-T计划2007年才将该指标降到600mW。

日本单频段规格
        在电视手机的发展上,虽然是由欧洲主导来技术,但在产品的开发与应用上,跑在最前头的还是日本厂商。日本所规划的移动电视广播作法,是在其ISDB的基础下开发了专有的地面数字电视标准,也就是ISDB-T单频段转播传输规格。单频段传输和DVB-H规格有很多相似之处,不过仍有一些差异,例如DVB-H采用时间切片(time-slicing)等技术来提升传输质量,单频段传输则是以频率分割的方式来处理。
        单频段传输利用UHF频段(470M~770MHz)来发送无线电波,其中每家电视台分配到的频宽约为5.6MHz。电视台再将所分配到的频宽等分成13个频段(Segment)来使用,每个频段约为433kHz,最大能传送约21Mbps的数字数据。在这种速度下,每个频段可以传送1920×1080像素的MPEG-2格式高画质节目。然而,这13个频段并非全部都分配给普通室内电视,其中的一个位于中间的频段是分给手持式设备的数字电视来使用,提供的传输速度大约为200K~300Kbps。

手持设备设计挑战
        要让手持设备真能收看数字视讯,其内部的系统设计需要通过一些严酷的考验,例如压缩编码功能、电视信号接收零组件(接收器、调谐器、天线等)的尺寸、整体耗电性和接收功能等。

压缩编码方式
        由于频宽有限,要达到小窗口可接受的视讯质量,就必须要靠视讯压缩技术。为此DVB-H已考查了多种视讯压缩格式,目前最受关注的是H.264/MPEG-4 AVC(H.264)格式。
        相较于其它的压缩格式,H.264具有更多的优点,它能够实现高压缩,其压缩率是MPEG-2的2~3倍、MPEG-4的1.5倍~2倍;若采用它来传输移动信息,可以用不足200Kbps的速度传输15帧/秒的QVGA格式内容,而从理论上计算,手持设备只需采用125MHz左右的处理器就可以处理传来的视讯节目。
        目前DVB-H规格中并没有规定视讯压缩的编码方式,广播电视运营商可自行选择是MPEG-4或者选择H.264。规格不确定对接收信号功能的开发者来说是件头痛的问题,他们总希望自己开发出的产品能够通行全球,在此情况下,业者可能会采取软件方式来保持译码功能的弹性,不过,软件的处理效能以起硬件来说毕竟是差了些。

小尺寸的挑战
          要在手机等手持设备上接收微波数字电视信号,天线(Antenna)、接收器(Receiver)数据读取解调LSI、UHF(超高频)调谐器(Tuner)等零组件是一个都不能少。它们过去是用在电视机当中,并不用太过于烦忧缩小尺寸的问题,但今日要将它们塞入比电视机小太多的手持设备中,又要保有同样的功能,其中的难度可想而知。 
         以目前已问世的试制样品来说,NEC与三洋电机开发的信号接收部分的尺寸,除去天线外的大小约是长30mm、宽20mm、厚2mm;号称世界最小的索尼组件长20mm、宽16mm,虽然小了一些,然而,这样的大小仍嫌太占空间,业界认为较理想的大小是至少能达到与手机配备的FM音频调谐器相同的10mm见方。

降低耗电量
        另一个关键性的瓶颈则是手持设备收看电视时的耗电量问题。视讯多媒体一向是最耗运算资源的内容,对于小尺寸采手持电源的设备来说,更是不易承受的负担。以目前手机锂电池的容量来说,大约为700mA/h,而现今厂商试产的手持式电信信号接收装置的耗电量,约在200mW到150mW之间(如NEC及Sony的产品),在这样的规格下收看电视节目,理想上的最长时间只有90分钟,再长就没电了。
        然而,在收视时,除了信号接收组件外,手机彩色屏幕也处于全负荷运转状态,因此耗电量还会进一步增加。NEC系统平台研究所研究部长加藤明曾指出,如果没有技术性突破,如使用燃料电池等,手机电池电力不足的问题暂时无法解决。在这种情况下,开发者要延长电视收视时间,只能从减少手机在收视上的多余功能,或调谐器电路在接收视讯以外的时间均处于关闭状态等节电措施下手。

提升天线接收功能
        要尽量提高手持设备对微波数字电视的接收灵敏度,一种有效的方法是采用「分集式接收技术」(Diversity Reception)。它的原理是在手持设备上配备两种不同的天线,以同时对电视讯号进行接收,然后采用信号质量较好的那个。
        目前最有希望的作法是除了应用手机原有的伸缩式拉杆天线(Whip Antenna),再搭配耳机线的「耳机天线」,如此一来,由于有两个位置接收电视信号,即便一个天线因多路干扰(Multipath Interference)等原因接收信号出现紊乱,还可以使用另一个天线的接收信号,因此能够稳定地接收电视信号。三洋电机先前推出的电视手机样机就是采用双天线接收电视讯号的方式,不过这种方式较为耗电,它的电视调谐器模块的耗电量需要250mW。

结论
        目前许多零组件厂商已投入这个商机无限的新兴市场,例如TI在2004年10月底宣布了一个开发代号为「好莱坞」(Hollywood)的开发计划,目标就是要在2006年推出能将电视手机调谐器电路、OFDM解调电路和频道译码微处理器集于一身的LSI单芯片,并且同时具有DVB-H及ISDB-T的接收功能。
        Freescale也已针对DVB-H提出了系统单芯片的开发计划。该芯片将采用直接转换(Direct-Conversion)的接收电路架构,它使用的是0.35μm双极(bi-polar)CMOS技术,并整合了低噪音放大器(LNA)、混频器、基带过滤器、VCO等功能于一身,其耗电量为240mW。
        此外,NEC与三洋电机早在2003年即已推出符合日本单频段传输的试制样品,而东芝、夏普和阿尔卑斯电器(Apls)等公司也在2004年中陆续出调谐器的模块或IC样品。在韩国方面,三星电机(Samsung Electro-Mechanics)也在2004年3月公布了一项支持DVB-H的调谐器模块开发计划。
         尽管电视手机的应用仍未全面展开,但看来各个硬件厂商已是摩拳擦掌,随时准备进场分食这块肥美的新市场。在他们眼前的技术挑战仍然不少,不过,这正是这个市场上不二的生存法则:谁能率先扫除技术障碍,就能赢得市场青睐。

 
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