液晶高清數(shù)字電視技術(shù)發(fā)展與主流方案解析

液晶高清數(shù)字電視正成為目前電視技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)應(yīng)用，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(hào)處理的復(fù)雜度以及多功能方面都提出更高要求，因而其設(shè)計(jì)難度更大，面臨的挑戰(zhàn)更多。本文將論述液晶高清數(shù)字電視的技術(shù)發(fā)展并分析主流解決方案。

數(shù)字電視日益成為消費(fèi)電子領(lǐng)域，乃至整個(gè)電子領(lǐng)域發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力,平板技術(shù)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(dòng)當(dāng)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(lè)中心。

數(shù)字電視是指全數(shù)字化接收(標(biāo)清/高清)、解調(diào)、數(shù)字信號(hào)處理及顯示的電視接收機(jī)。目前數(shù)字電視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括以美國(guó)為代表的ATSC(8VSB)、以歐洲為代表的DVB-T、日本的ISBD-T、中國(guó)的DMB-T或ADTB-T(待定)、有線網(wǎng)絡(luò)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(jī)。顯示屏按技術(shù)特點(diǎn)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(chǎng)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(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)應(yīng)用。

隨著近幾年液晶技術(shù)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(yīng)速度、對(duì)比層次、色彩鮮艷度及大屏幕價(jià)格的發(fā)展瓶頸，加之獨(dú)有的高分辨率、低功耗、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，液晶電視以其完美的圖像質(zhì)量和可接受的價(jià)格成為目前發(fā)展最快的電視種類(lèi)。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)2005年6月9日發(fā)文，決定提前實(shí)施在電視機(jī)中強(qiáng)制配備數(shù)字電視調(diào)諧器的“鮑威爾計(jì)劃(Powell Plan)”，將25英寸~36英寸電視機(jī)全部?jī)?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(jìn)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(gòu)成圖。

技術(shù)趨勢(shì)與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在電視技術(shù)平板化和數(shù)字化的大趨勢(shì)下，液晶高清數(shù)字電視技術(shù)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(fù)用、MPEG解碼、模擬彩色解調(diào)、視頻信號(hào)處理、圖像顯示處理等功能可集成進(jìn)一塊芯片中，甚至能將數(shù)字電視信號(hào)解調(diào)解碼、模擬電視信號(hào)解調(diào)、HDMI接收、模擬分量視頻信號(hào)(YPrPb)/RGB接收、音頻信號(hào)解碼也一并集成進(jìn)單芯片，而芯片工藝可達(dá)到90納米，甚至65納米技術(shù)水平。高性能主要表現(xiàn)為更快的信號(hào)處理速度、更先進(jìn)的圖像伴音處理技術(shù)、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(jìn)更多的功能接口，諸如USB、SMART Card、1394/iLINK、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)接口以及H.264/VC1解碼功能，眾多功能使其成為真正的未來(lái)家庭多媒體娛樂(lè)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(hào)處理的復(fù)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(shè)計(jì)難度更高，挑戰(zhàn)更多。在芯片設(shè)計(jì)方面，高性能的CPU內(nèi)核，高集成度、高性能的信號(hào)處理規(guī)劃設(shè)計(jì)，以及高端的芯片工藝技術(shù)(90納米，65納米技術(shù))是設(shè)計(jì)人員面臨的主要問(wèn)題。而在整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，硬件設(shè)計(jì)將面對(duì)多路低電壓(可低至1V)大電流電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，高速(可達(dá)250MHz)電路板設(shè)計(jì)，以及整個(gè)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)等挑戰(zhàn)。

此外，日益復(fù)雜的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)也成為最大的挑戰(zhàn)。分層式功能模塊化設(shè)計(jì)方法以及高級(jí)軟件開(kāi)發(fā)工具的應(yīng)用，加快了軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)度并提升了軟件質(zhì)量，也提高了軟件的靈活復(fù)用性，使其更便于二次開(kāi)發(fā)。在最終的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)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(jìn)行簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)更改，這就加快了軟件開(kāi)發(fā)乃至整機(jī)開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，確保滿足日漸嚴(yán)酷面市時(shí)間要求。

液晶高清數(shù)字電視結(jié)構(gòu)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(hào)處理放大通道、視頻信號(hào)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(hào)，將數(shù)字中頻信號(hào)輸出到數(shù)字電視信號(hào)解調(diào)單元，解調(diào)出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)誤碼修正(FEC)、解密(DES)、解復(fù)用(Demux)、MEPG-2解碼，一路輸出解壓后的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻分量信號(hào)到視頻信號(hào)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(hào)(I2S)到音頻信號(hào)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(biāo)，諸如接收靈敏度、對(duì)應(yīng)載噪比的誤碼率(BER vs. C/N)、干擾抑制、回波抑制、I/Q不平衡等。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)特別關(guān)注其中的ADC、濾波器、放大器、時(shí)鐘電路。

模擬電視接收通道由調(diào)諧器接收模擬電視信號(hào)，將模擬中頻信號(hào)輸出到模擬電視信號(hào)解調(diào)單元，一路解調(diào)輸出復(fù)合視頻信號(hào)經(jīng)視頻解調(diào)將標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字分量信號(hào)輸出到視頻信號(hào)輸入處理及顯示輸出通道，另一路解調(diào)輸出音頻信號(hào)或伴音第二中頻信號(hào)到音頻信號(hào)處理放大通道。PAL/SECAM/NTSC 3D亮色分離技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了完全的亮色分離。

音頻信號(hào)處理放大通道由音頻信號(hào)處理及音頻信號(hào)放大單元構(gòu)成，負(fù)責(zé)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(dòng)音量調(diào)整(AVL)、多段均衡、伴音延時(shí)、I2S信號(hào)(來(lái)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(shù)。

視頻信號(hào)輸入處理及顯示輸出通道由YPrPb/VGA輸入、HDMI輸入、視頻信號(hào)處理、圖像顯示處理、LVDS輸出和液晶屏構(gòu)成，承擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)分量信號(hào)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(wù)。而圖像噪聲檢測(cè)及自動(dòng)3D圖像降噪技術(shù)、帶運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和補(bǔ)償?shù)娜ジ粜凶儞Q(De-interlacer)技術(shù)及圖像質(zhì)量改善技術(shù)(LTI、CTI、對(duì)比度加強(qiáng)、清晰度加強(qiáng)、多維色彩修正、GAMMA校正)的應(yīng)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(chǔ)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(hào)(YPrPb)，再輸入到模擬液晶電視單元，構(gòu)成完整的數(shù)字高清液晶電視。現(xiàn)在的數(shù)字電視接收嵌入式解決方案成熟度高、開(kāi)發(fā)周期短，但總體成本偏高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)合視頻信號(hào)解碼、視頻信號(hào)處理、圖像顯示處理以及微控制單元的單芯片為主構(gòu)成。這種方案內(nèi)置3D梳狀濾波器和圖像加強(qiáng)等高性能處理系統(tǒng)，具有集成度高，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但開(kāi)發(fā)技術(shù)難度大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成熟度有待提高。不過(guò)，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(lái)液晶高清數(shù)字電視的主導(dǎo)方案。

ST的液晶高清數(shù)字電視解決方案

意法半導(dǎo)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(hào)解調(diào)輸出標(biāo)準(zhǔn)的MPEG傳輸碼流信號(hào)。未特殊加密的MPEG碼流直接輸入到ST數(shù)字電視信號(hào)解碼芯片中進(jìn)行處理;對(duì)于特殊加密的MPEG碼流，首先輸入到CI卡回路進(jìn)行解密，再將碼流直接輸入ST數(shù)字電視信號(hào)解碼系統(tǒng)芯片進(jìn)行處理。經(jīng)ST數(shù)字電視信號(hào)解碼系統(tǒng)芯片的MPEG解碼和信號(hào)編碼，AD變換輸出模擬YPRPB和立體聲音頻信號(hào)，到已有的模擬電視系統(tǒng)顯示數(shù)字電視圖像，從而構(gòu)成完整的液晶高清數(shù)字電視。

以下是ST數(shù)字電視信號(hào)處理解碼芯片的主要功能及特點(diǎn)：

高性能200MHz 32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(jì)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(fù)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(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)和亮色(YC)信號(hào)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(shí)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(hào)，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/DDR SDRAM存儲(chǔ)器，外圍的數(shù)模一體化調(diào)諧器、模擬開(kāi)關(guān)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(yáng)聲器、CI卡電路，以及鍵盤(pán)/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(shí)現(xiàn)目前所有數(shù)字/模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的接收處理(當(dāng)然，對(duì)于地區(qū)的不同接收制式標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)選用不同的接收前端)，以及對(duì)HDMI、高清YPrPb和VGA信號(hào)的接收處理。在圖像處理顯示方面，該方案具有3D NTSC/PAL/SECAM亮色分離單元，加強(qiáng)邊沿細(xì)化的帶運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜ジ粜凶儞Q處理，以及應(yīng)用3D降噪、對(duì)比度加強(qiáng)、色空間修正等高性能的視頻處理技術(shù)，能支持到最高標(biāo)準(zhǔn)1080P的顯示，可方便地實(shí)現(xiàn)PIP、PAP、POP顯示。在音頻處理方面，該方案實(shí)現(xiàn)MPEG1、MPEG2、AC3、MP3的數(shù)字伴音解碼和AM-FM MONO、NICAM、BTSC、Zweiton等模擬伴音解碼，可調(diào)整大范圍伴音延時(shí)以確保伴音與圖像同步，可進(jìn)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(diǎn)：

高性能32位CPU(266MHz，480MIPS)，DDR333存儲(chǔ)器接口，運(yùn)行實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕翟胩幚?，具有加?qiáng)邊沿細(xì)化的帶動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(fù)用;

兩路DVB-CI和CableCARD接口;

兩路標(biāo)清(SD)或一路高清(HD)MPEG2解碼;

兩路24位音頻處理DSP，實(shí)現(xiàn)MPEG1、MPEG2、AC3、MP3解碼;

基于位圖的OSD;

豐富的DTV機(jī)芯控制接口：I2C、GPIOs、ADC、PWM等;

最高可達(dá)1080P的顯示輸出;

90納米的芯片工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低功耗、高可靠性。

隨著數(shù)字電視的快速發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)市場(chǎng)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(jià)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(lè)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。