便攜式視頻產品設計要訣

今天，當系統(tǒng)設計師為具體的應用量身打造其設計方案時，他們不得不平衡各種相互矛盾的設計要求，如更大的存儲容量、更強勁的處理能力、更寬的網絡帶寬、更低的功耗、更小的設計外形、更高的顯示分辨率、不同的顯示方式和電源架構(圖1)。在這些權衡取舍功夫之外，他們還必須把這些組件天衣無縫地整合在一起、最小化開發(fā)成本和加快產品上市時間。

圖1：設計一個便攜式視頻產品要比單純設計一個處理器或者存儲器所要考慮的因素更多。設計師需要考慮編解碼器、接口、電源、顯示和其它組件。另外，他們還需要選擇合適的操作系統(tǒng)，以使所有組件在最短的開發(fā)時間內實現(xiàn)完美的協(xié)調工作。

隨著DVD播放機、iPod、nanoPod、3.5G和4G手機、以及iPhone等尋求增加或增強流視頻能力時，這些要求正變得益發(fā)富有挑戰(zhàn)性。例如，帶2英寸顯示屏的小巧手機現(xiàn)在就可處理流視頻。

很自然地，媒體內容服務提供商渴望著將這些機會變成現(xiàn)金收入。目前已經有好幾家公司除向住家提供IPTV流視頻服務之外，也已可向移動設備提供流視頻服務。

設計師必須明白如何管理和顯示來自不同源的視頻流。另外，諸如視頻壓縮、解壓縮、編碼、解碼、視頻惡化、抖動、數(shù)字化、編解碼器、流送方法和網絡傳輸?shù)纫蛩囟紝⒂绊懙揭曨l質量、用戶滿意度和產品的最終成功。

在所有影響便攜視頻設計成功的關鍵因素中，又以處理器和軟件框架為最。一方面，處理器必須足夠強大以滿足性能要求。另一方面，處理器還必須能夠運轉在這樣一個軟件框架內，它不僅可以縮短開發(fā)時間，而且還可減少對第三方開發(fā)工具和知識產權(IP)的依賴。

存儲器是另一把雙刃劍：處理器必須在不對其性能和編程復雜度造成太大影響的前提下支持更大容量的存儲器，但存儲器又不能給電源帶來過大負擔，否則用戶的收看時間將縮短。

這些移動設備設計師可以在通用處理器、DSP、多媒體處理器、帶定制內核的ASIC和專用標準產品(ASSP)中選擇。他們甚至可使用FPGA來為便攜式視頻產品配置一款處理器。

“軟件兼容性是個很大的設計問題，”TI負責達芬奇應用編程接口的全球技術經理Greg Mar說，“你需要可支持數(shù)字視頻并具有足夠的靈活性以滿足不同需求的最新處理器。”

Mar以TI的DaVinci DM355處理器為例：該處理器具有很強的處理能力，且以OEM批量出貨時，成本不到10美元(圖2)?！霸O計工程師需要‘開盒即可用’且支持所選操作系統(tǒng)的軟件，”他表示，“設計師不需要重復學習他們業(yè)已掌握的東西，因此選擇一個恰當?shù)拈_發(fā)平臺是成功的關鍵。”

達芬奇和OMAP平臺基于超標量、600MHz的ARM Cortex-A8核，它的處理能力是300MHz ARM9內核的4倍。ARM Cortex-A8核是個32位RISC核，是目前便攜式視頻產品中使用最廣泛的處理器。Marvell的XScale處理器系列也采用了該內核。

與此同時，ARM的RealView 3.1版專業(yè)開發(fā)工具包就是為在移動電話多媒體產品中利用ARM內核而推出的。ARM現(xiàn)已推出了基于其處理器和谷歌Android操作系統(tǒng)的移動多媒體手機原型。Android操作系統(tǒng)也許為谷歌的開放手機聯(lián)盟鋪平道路，這是一個由共同擁有改變用戶移動體驗這一觀念的移動和技術方面的領袖所組成的機構。

ARM核的流行程度從將自己產品與該內核捆綁在一起的公司的數(shù)量上可見一斑。例如，三星就推出了用于移動電話多媒體產品、整合了ARM 667MHz核的移動應用處理器。

許多IC芯片制造商為多媒體處理器提供功能強大的支持芯片。例如，ST的STn8815 Nomadik多媒體處理器引擎為Trolltech的WQtopia應用環(huán)境增加了Linux操作系統(tǒng)。

靈活性和擴展性

對處理器來說，配置靈活性和擴展性是非常重要的性能指標，特別是對多核處理器來說。ARC International的VRaptor多核處理器可進行調整以滿足高分辨率多媒體處理要求(圖3)。它支持多個具有多媒體擴展、具有多個向量化128位單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)處理器、高性能流I/O以及特定域加速器的ARC可配設CPU。

圖3：ARC International的ARChitect 處理器配置器是一款功能強大的工具，在設計便攜式多媒體產品中非常有用。它可以實現(xiàn)ARC處理器內核的自動配置和擴展。

當然，軟件操作系統(tǒng)的選擇對設計需要考慮的事項有很大的影響。它還會影響到利用第三方應用的可能性。另外，它還通過影響軟件投資和所選處理器進而影響產品總成本。

合適的軟件開發(fā)環(huán)境在簡化設計師的工作方面助益良多。整合了處理器、開發(fā)工具、軟件和系統(tǒng)專門技術的環(huán)境可使設計師工作在更高系統(tǒng)抽象層次。Linux和微軟的Windows Mobile平臺是兩個主要玩家。蘋果雖然不允許第三方參與其核心IP技術，但憑借其iPod和iPhone，它也成為重量級玩家。

雖然微軟的Windows Mobile平臺是一個非開放軟件，但它的確是系統(tǒng)設計師的一個很好選擇。它易于使用、支持許多行業(yè)標準并為多媒體內容提供堅實支持。不好的一面是，使用它要支付更高的許可費用，并犧牲用戶化和差異化的靈活性。

由于Linux是一個開放源碼軟件，因此其前景看起來很光明。使用商業(yè)Linux操作系統(tǒng)可使整個軟件開發(fā)流程更流暢。Monta Vista Software和Wind River Systems等公司提供基于Linux的商業(yè)工具包(圖4)。

基于Linux核而開發(fā)的最新產品是前面提到的谷歌的Android操作系統(tǒng)。TI、Qualcomm及其它一些公司業(yè)已展出基于Android操作系統(tǒng)的早期實現(xiàn)?；贏ndroid的最新產品是谷歌的Googlephone。

數(shù)字版權管理(DRM)是另一個主要問題。DRM是一個安全防范層，用來保護DRM版權保護架構內的數(shù)字音頻/視頻內容不被非法使用和侵害。它對用戶復制音頻/視頻媒體內容的時間、地點和方式都做出了限制。一般在內容被編碼前、數(shù)據(jù)速率較低時實施的DRM，比在編碼后實施DRM更容易。

微軟的Vista操作系統(tǒng)采用了DRM軟件。其視頻路徑保護(PVP)系統(tǒng)可使受DRM保護的內容不被運行著的未注冊軟件使用。它還可對傳送至顯示器或圖形卡的信息進行加密，從而使盜用媒體內容的行徑更困難。

最重要的編解碼器

針對多媒體便攜式產品的更多高性能視頻編解碼器正在浮現(xiàn)出來。最新的編解碼器(如MPEG-4)使得一系列新產品和新服務成為可能。目前市面上的可擴展便攜式視頻“jukebox”可處理廣播級質量的流視頻。另外，與其它事情一樣，向后兼容非常重要。例如，一款MPEG-4編解碼器能不支持MPEG-3和MPEG-2編解碼器嗎？

高清先進視頻編解碼器(AVCHD)標準是高清流視頻背后的推動因素。在2006年，索尼和松下引進了該高清記錄格式，它采用的是MPEG-4 AVC(H.264)視頻編解碼器。它可利用各種存儲媒介(如8cm可錄制DVD光盤、硬盤或閃存卡)的優(yōu)勢。該高清格式與其它手持錄像機錄制格式相互競爭，特別是HDV和MiniDV。

H.264視頻編解碼器的壓縮比是老的MPEG-2編解碼器的兩倍多。它們可以更少空間提供MPEG-2視頻質量的錄制。富士通微電子(美國)、Algo Embedded Systems、Silicon Hive、WW Communications和Mobilygen都可提供H.264編解碼器。

不過，H.264并非完美無缺。編輯及轉換這些文件會消耗大量存儲器和處理資源。與MPEG-2編解碼器進行的類似處理相比，解碼和再編碼AVC占用的資源要多得多。

而且，AVCHD采用長GOP(圖片組)幀存儲。該方法雖然具有空間效率，但卻帶來材料編輯和編碼方面的挑戰(zhàn)。(GOP是組合在一起并被回放的獨立圖片幀，這樣觀眾就感受到視頻的空間運動。)但與開始時裝在家用PC上的MPEG-2所遭遇的負擔一樣(甚至需要專用PCI解碼器卡)，隨著時間的推移，特別是借助多核CPU，將克服AVC的挑戰(zhàn)。

目前市場上有很多種支持編解碼器的工具，如ON2 Technologies的Hantro 8190多格式寄存器傳輸級(RTL)視頻解碼器。該公司利用ARM的NEON處理器來優(yōu)化好幾個ON2視頻軟件編解碼器的性能。

重要的是要理解，壓縮標準只規(guī)定如何解碼壓縮的信息流。它并沒規(guī)定編碼是如何實施的。因此，相同標準的兩個實現(xiàn)并不返回同樣的壓縮比或提供同樣的圖像質量、它們也不會以相同限制去約束位速率。

總的來說，高級的移動電話等便攜視頻產品通常采用兩類存儲器：易失和非易失。前者存儲工作中的數(shù)據(jù)；后者(主要是若干類閃存)一般存儲操作系統(tǒng)和應用程序。

在便攜視頻產品中應使用移動RAM來處理多個復雜功能，因為在這種場合，處理功率、靈活性、速度、密度和帶寬是主要要求。事實上，移動RAM的雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)版本將具有更優(yōu)異的性能。

為滿足便攜視頻產品對小體積、低成本的要求，許多設計師已經開始采用代碼映射技術。在這種情況，代碼存儲在低成本NAND閃存內。在啟動時，代碼從NAND閃存下載進易失存儲器并在此被執(zhí)行。雖然此舉會略微延長啟動引導時間，但它的確提升了整個運行速度。

節(jié)能降耗

能源是便攜視頻產品內的稀缺資源，特別是當采用電池供電時。選擇一款能耗不高但可提供高清流視頻支持的強大處理器是項極具挑戰(zhàn)的任務。幸運的是，由于幾項技術的進步，該領域已經取得了許多市場渴望的性能提升。

根據(jù)Nvidia的介紹，其APX 2500高清計算芯片可提供最低的功耗(圖5)。在Windows Mobile手機上，它能支持約10小時的720p高清視頻。

設計師還可借助低壓視頻放大器等電路元件進一步降低功耗。美信開發(fā)的MAX9509視頻放大器IC可工作在1.8V，而不是通常的3.3V。美信表示，與其它典型視頻放大器IC相比，MAX9509的功耗降低了75%以上。

美信把該進步歸功于其直接驅動技術。由于放大器僅當有輸入信號且負載連接時才開啟，而當便攜視頻產品的輸出視頻插孔沒有輸出連接時則關閉，所以進一步節(jié)省了功耗。一旦負載再次連接，則放大器又開啟。

選擇合適的顯示器也可降低功耗。有源矩陣LCD是最常用的便攜視頻顯示器。全彩流視頻LCD要求LED背光必須很有效率，一般可借助LED陣列來滿足該要求。

新興的有機LED(OLED)不需背光，從而可提供更低功耗。OLED還更可靠更輕便。另外，它們還具有優(yōu)異的圖像質量和對比度，且還可采用低成本工藝方法制造。但如要完全取代LCD顯示器，還有很多工作需要完成。

索尼推出了一款用于便攜設備、2.5英寸對角線屏幕的柔性OLED顯示器原型。該顯示器僅0.3mm厚，它可呈現(xiàn)1,680萬種色彩、具有120×160像素分辨率。它采用的是在塑料基底上直接沉積薄膜晶體管的技術。

考察一下便攜視頻領域近期取得的其它所有進展，會對當今的顯示技術懷有更新期待。消費者不太會情愿在如此小的屏幕上長時間收看情節(jié)完整的電影和電視劇。相反，當今的消費者希望通過大顯示屏(如電視)與朋友和家人分享媒體內容。除帶來更愉悅的觀看體驗外，這種轉變還降低了便攜設備的功耗。

最佳傳輸方法是高清多媒體接口(HDMI)，但HDMI發(fā)射器一般很耗電，所以在電池供電的應用中使用起來很困難。

ADI的ADV7520NK的低功耗HDMI發(fā)射器有助于打破這一困局。據(jù)ADI介紹，ADV7520NK的有源功耗只有市場上其它器件的一半多，其18μW待機功耗不到競爭產品的25%。

最后，用于便攜媒體設備的視頻技術進步非?？欤约词箤σ粌赡陜鹊膽B(tài)勢做出正確估算都很艱難。看一看今年一月在拉斯維加斯舉行的全球消費電子大展，期間，LG電子展出了其Mobile Pedestrian Handhelds(MPH)，三星推出了其Advanced VSB設備。

這些產品是未來幾年內新一代便攜視頻產品的原型，它們是為接收美國電視廣播信號設計的。為了在手機和其它便攜式多媒體設備上實現(xiàn)信號接收，它們將采用不同的解碼方法來修改信號。