可攜式媒體播放器(PMP)機內(nèi)設計趨勢

       許多的觀察家、分析師都一致表示：今年電子工程及應用的領域只會有兩個技術熱題，一個是無線通訊技術，另一個則是數(shù)碼視訊技術。

       確實，數(shù)碼視訊技術一直是近幾年的關注焦點，包括數(shù)碼視訊的編解碼算法（如：MPEG-4、H.264、VC-1）、數(shù)碼視訊的界面端子（如：HDMI、DisplayPort）、數(shù)碼視訊的廣播技術（如：DVB-H、Qualcomm MediaFLO）等。同樣的，視訊相關應用的裝置也是當熱，各位看看新次代的電視游樂器（如：Nintendo Wii、Sony PS3）、再看看Apple今年初發(fā)表的Apple TV、再看看Google收并YouTube、還有IPTV、HDTV，以及家庭社區(qū)保全、視訊會議與視訊電話等，就知道視訊應用是多么地受到歡迎。

        同樣的，在數(shù)碼隨身聽大量取代傳統(tǒng)CD（Compact Disc）隨身聽、MD（Mini Disc）隨身聽、甚至是數(shù)碼錄音筆之后，也積極在尋找下一波的強勁成長空間，而最有可能的發(fā)展路線即是追加視訊功效，包括靜態(tài)畫面的顯示、動態(tài)影像的播放、以及靜態(tài)攝影、動態(tài)錄像等，都將成為新的強化提升方向，再加上手持式裝置的各項技術也都在不斷地精進演算，因此本文以下將針對PMP的機內(nèi)技術與相關技術進行更多的討論與剖析，期望能對正想投入或正從事PMP設計的業(yè)者、工程師有所助益。

圖說：Broadcom推出的BCM2722行動多媒體處理器（Mobile Multimedia Processor）具備數(shù)碼信號處理器的加速運算功效，同時也支持DRM的數(shù)碼版權管理（內(nèi)容防拷）功效，Apple的iPod Video即是采行此芯片來加速視訊播放運算，圖為BCM2722的功能方塊圖。（圖片來源：www.Broadcom.com）

        視訊編解碼實現(xiàn)方案

        「視訊編解碼」是PMP最關鍵的部分，但同時也是目前實現(xiàn)方式最多樣、最無一致性的部分，以筆者的歸納整理，就有多種不同的實現(xiàn)手法：

       1.完全針對PMP需求而設計、開發(fā)出應用芯片，多以SoC方式實現(xiàn)，此亦可稱ASIC或ASSP，ASIC/ASSP內(nèi)會用上嵌入式的處理器（或控制器），甚至是嵌入式的數(shù)碼信號處理器（Digital Signal Processor；DSP），或硬件線路式的音視訊編解碼器。

       2.使用多媒體處理器來實現(xiàn)，例如Philips半導體（今日已改稱NXP）的TriMedia或者是Sigma Designs的Media Processor等，此類型的處理器多半具備VLIW架構，可加速多媒體視訊的運算。

       3.使用雙處理器（或雙核）設計，除了使用一個一般性（General）的32-bit微處理器（或微控制器）外，會再額外搭配一顆數(shù)碼信號處理器，音視訊編解碼運算的部分就由DSP負責，微處理器／微控制器（uP/uC）則負責一般性的控制工作及一般性的應用程序執(zhí)行，TI的OMAP方桉即是此中的代表。（附注1）

       4.一樣使用一個一般性的32-bit微處理器、微控制器，但另一個搭配芯片則是一個已將音視訊編解碼運算加以硬件線路化的編解碼芯片，此一般稱為CODEC芯片，如果只需要播放功能則只需要解碼運算硬件線路化的芯片，此稱為「解碼芯片，Decoder」；如果在播放外也希望能錄像、錄像，那么就必須用上「編解碼芯片，CODEC」。

       5.只使用32-bit微處理器、微控制器芯片，所有的多媒體編解碼運算一律以軟件方式實現(xiàn)，在PMP電源開啟后這些演算程序會加載到PMP的系統(tǒng)主存儲器中，然后由處理器負責執(zhí)行各種格式的編解碼演算。 



      圖說：Microsoft推出的Zune數(shù)碼隨身聽也等同于可攜式媒體播放器，Microsoft Zune鎖定的市場競爭對手即是Apple iPod，Zune明顯勝于iPod（第五代）的地方主要是WiFi無線功能，Zune允許使用者透過WiFi無線分享數(shù)碼音樂、數(shù)碼相片給友人，且分享后依然受DRM機制管理。（圖片來源：www.Microsoft.com）

      各實現(xiàn)方式之差異比較

       上述的5種實現(xiàn)方式并無絕對的優(yōu)劣之分，而是適時適需地選擇運用，選擇第1種作法的好處是大量生產(chǎn)時最具成本效益，理由是芯片的功效整合度最高，主體芯片外的零件搭配需求最低，另外用電效益也最佳，不僅編解碼演算的部分是以硬件方式實現(xiàn)，同時高度的整合也最能做到集中、一致性的電源管理。

       不過，此（第一種）作法的缺點是缺乏彈性，一旦有新增或修改編解碼算法的需求，或需要加入其它的功效，甚至是修正原有功效的錯誤，則能夠調(diào)修的幅度也最低，加上PMP屬于電池運作的行動化運算，現(xiàn)階段不容易使用FPGA、CPLD等可程序邏輯裝置來增進硬件線路設計的彈性度。

       所以，除非是相當大量的供貨，或者是長期不變性的供貨，否則極少會以彈性最低的完全客制設計來實現(xiàn)，且此種作法與其它作法相較，必須在芯片設計開發(fā)時更注重除錯、驗證等程序，否則日后若有修改需求且其它方式都無法補強時，重開光罩與重新投產(chǎn)的時間、心力、成本等都將相當高昂。

       接著是第二、第三、第四等居中性的作法，此3種作法的彈性都高于第一種作法，也是目前較常見的作法。在此舉實際例子，Apple的第五代iPod（也稱為iPod Video）用的就是第三種作法，微處理器的部分使用PortalPlayer公司的PP5021C-TDF隨身聽主控芯片（核心為2個ARM7TDMI），然后再搭配1個Broadcom（博通）公司的BCM2722芯片，BCM2722芯片雖名為行動多媒體處理器，但實質(zhì)上卻是一個數(shù)碼信號處理器。（附注2）

  

       圖說：數(shù)碼隨身聽的背光可以用簡單的串聯(lián)、并聯(lián)設計來驅(qū)動，但PMP因為白光LED用量更多，且講究光均性，因此多半需要專門的白光LED驅(qū)動芯片來驅(qū)動，圖為MAXIM公司的白光LED驅(qū)動芯片：MAX1707，其驅(qū)動電流最高可至610mA，且可同時以并聯(lián)方式驅(qū)動3組LED應用。（圖片來源：www.MAXIM-ic.com）

       再來看另一個例子，Microsoft的Zune在主控芯片部分使用Freescale（飛思卡爾）公司的i.MX31L（核心為ARM1136），該芯片同時也整合了硬件式的MPEG-4編碼器，如此類似于第4種作法，差別只在于由兩個離散封裝的芯片整合成單芯片。不過，Microsoft Zune也不全然是第四種作法，或許在MPEG-4格式的編碼上可以直接使用i.MX31L芯片內(nèi)的硬件功效，但除了MPEG-4外的其它音視訊格式就只能使用純軟件的方式來實現(xiàn)，也就是第五種作法。

       至于第五種作法，它與第1種作法正好是兩種極端，第五種作法的缺點在于最耗電力，且除了耗電之外通常也需要更高效率的處理器以及更大空間的系統(tǒng)主存儲器，甚至要加大電池的電容量（意味著體積、重量要增加）才能與前4種方式擁有相同的連續(xù)播放時間，然而優(yōu)點則是彈性最高，要新增、修改任何的編解碼算法只要對韌體程序進行更新即可達到，完全不會動用到硬件層面的調(diào)修，且硬件零件上多半采用一般性標準元件（包括處理器在內(nèi)），硬件供貨的來源、價格也較彈性。

      顯示器

       對于從數(shù)碼隨身聽提升至可攜式媒體播放器的設計者而言，顯示器方面的工程技術恐怕也需要歷經(jīng)一番轉變，在過去數(shù)碼隨身聽可以使用Color STN、OLED等來做為顯示器，但在PMP領域恐怕這兩種作法都得舍棄，而必須使用TFT LCD。

       另外，以往在數(shù)碼隨身聽可以賣弄的七彩背光（Backlight）技術（運用7種不同顏色的LED）在PMP領域也一樣不適用（除非是提供電子相簿的情境效果），能用的依舊是LED背光技術，不過只能使用白光LED，而且很可能因為省電或價格因素而要回頭考慮、評估使用EL、CCFL等背光技術，如此在背光驅(qū)動上的供電設計也較LED復雜。

       即便是使用白光LED，由于顯示面積將比過去隨身聽大上許多，因而需要用上導光板的組件（3.5寸7寸），并在光均性方面要用上更多的設計心力。 

  

       圖說：由于PMP等手持式裝置相當講究省電性，因此能使用的音效功率放大方式多半為D類放大，D類放大除了用電效益高外，體積也比其它放大計數(shù)更為精縮。圖為德州儀器（Texas Instruments；TI）的20W單聲道D類放大器：TPA3001D1之內(nèi)部功能方塊圖。（圖片來源：www.TI.com） 



值得注意的是，背光與處理器、微型硬碟等都是PMP裝置中的主要耗電組件，所以要格外注重省電方面的設計，在自動省電機制上，要能在若干分鐘（預設，或允許使用者設定）內(nèi)沒有操作也沒有內(nèi)容播放（或畫面內(nèi)容更動）時就要將背光關閉，藉此來精省用電。

 

儲存媒體

 

過去PMP的儲存媒體都是微型硬碟（Micro drive），微型硬碟指的是碟片直徑低于1.8英寸（含）以下的硬碟，此方面主要的業(yè)者Toshiba、Hitachi（更正確而言是HGST）、Seagate、Cornice、以及Magicstor等，除了1.8英寸外主要還有1英寸、0.85英寸等規(guī)格。

 

PMP使用微型硬碟的主要考量是價格容量比，倘若一部VCD影片要1.3GB（兩片650MB）、一部DVD影片要4.7GB，且假設合理的外攜影片數(shù)目在610部左右（附注3），如此少說需要7.8GB47GB的容量，倘若這些容量都要用快閃存儲器來實現(xiàn)，則一部PMP的價格將高昂到消費者無法接受，所以才必須采用微型硬碟。 

 

圖說：PMP的儲存媒體多半是微型硬碟，雖然（NAND型）快閃存儲器的價格快速滑落，初階的PMP與初中階的數(shù)碼隨身聽都已改用快閃存儲器，但微型硬碟在中高階的PMP與高階數(shù)碼隨身聽的市場中依然有價格容量比的優(yōu)勢。圖為Hitachi的微型硬碟。（圖片來源：www.hitachigst.com）

然而現(xiàn)在情形正逐漸改觀，以USB隨身碟而言，4GB容量已經(jīng)跌至新臺幣800、900元的價位，加上MPEG-4、H.264等新視訊壓縮算法的普及速度簡直能以「瘋狂」來形容，使一部60分鐘的影片已能儲存在300MB左右的空間內(nèi)且畫面質(zhì)量仍然能維持在一定的水平（附注4）。

 

由于兩效應的交相影響，使PMP可接受的最低合理使用容量能往下修正，合理實用的最低可接受容量、價位都有所調(diào)整，配備8GB12GB（NAND）快閃存儲器的PMP已能夠以「入門初階機種」的姿態(tài)打入市場，而不像過去必須獨尊微型硬碟。


結論：最后，PMP的其它相關技術也在逐漸強化演進中，例如更快的充電效率（愈短的時間內(nèi)充入愈多的電能）、更多的延伸應用（文件閱讀、瀏覽網(wǎng)頁）、更精準的剩余電量顯示（從ADC量測到庫倫電量計數(shù)法）、更多的聯(lián)機方式（USB同步、USB對街、無線），這些發(fā)展也都必須留意。

 

圖說：從某種角度審視，日本索尼（Sony）的Mylo（My Life Online的簡稱）是一種滑蓋式設計的PMP，且結合了更多的應用與通訊功效，不過Mylo僅內(nèi)建1GB快閃存儲器，就視訊播放應用而言顯的吃緊，不過Mylo仍提供記憶卡槽可擴充儲存容量。（圖片來源：www.Sony.com）