未来DTV三大发展趋势：HD、动态背光控制及图像处理

　　数字电视系统（DTV）就是拍摄、编辑、制作、传输、接收等全过程都使用数字技术（也就是信号全用0和1表示）的电视系统。数字电视按照清晰度分为四档：高清晰度（HDTV）、增强清晰度（EDTV）、标准清晰度（SDTV）和普通清晰度（PDTV）。不同清晰度级别的数字电视之间具有向下兼容性，高端产品可以兼容低端产品。可见HDTV是DTV里音画质量的一种格式，HDTV在国外被定义为分辨率至少能达到1920×1080i或1280×720p，且画面长宽比为16:9的DTV。

　　与传统的模拟电视相比，数字电视在系统集成度、数据处理的复杂度以及多功能方面都提出更高要求，因而设计难度更大，其中，高清（HD）格式、TFT-LCD面板背光功耗以及图像质量将是决定DTV性能的三个关键因素。

　　HD、大屏幕、增强图像质量和互连性成主流趋势

　　意法半导体大中国区数字电视事业部经理Rodrigo Cordero表示，“未来数字电视的技术发展方向应是提高图像质量和不断增加功能。”他解释道，图像质量的提升将主要体现在数据处理技术（运动估计和补偿、数字降噪、抖动消除）、分辨率和处理速率以及显示面板对光和运动图像的反应等性能上；功能的增强则体现在连接性能（包括互联网和内联网）和用户体验（DVR、智能UI、图像质量的改善、游戏、灵敏的面板和传感器等）上。

　　图1：意法半导体大中国区数字电视事业部经理Rodrigo Cordero。

　　世健系统（Excelpoint）数字电视研发部副总监谈毅则强调，HD和大屏幕显示将是主导DTV发展的两个关键词：一方面，从源端到终端的全HD是近来的一大热点；另一方面，随着LCD价格的进一步下降及消费者对HD要求，40寸以上显示器将成为主流需求。“的显示器制造商正在着手实现4K×2K分辨率，该分辨率有望在2010年实现”，赛灵思公司（Xilinx）亚太区消费类垂直市场经理Josephine Sy说。

　　高清晰电视已经在美国、澳大利亚和日本等国家进入了普及阶段，在国内也有些城市进行了试运行。国内有不少厂商正在市场上大力推销高清晰彩电，但目前高清晰视频节目在国内还没有大规模普及。毫无疑问，任何看过高清晰视频演示的人都会为之心动，但人们对高清晰这一概念也存在一些似是而非的认识。到底什么样的显示设备能够真正支持高清晰节目？下一代的高密度光盘格式能否统一？而对于电脑爱好者来说，如何才能在PC上观看高清晰电影可能是一个值得关注的问题。

　　图2：北京芯慧同用半导体公司罗晋。

　　DSC、机顶盒、DVD播放器以及带HDMI输出的游戏机等外部设备的不断增多使得数字电视生产商在产品中集成了多个HDMI接口，以便与更多视频输入连接。尽管HDMI已成为高清数字电视的主流接口，但所有系统生产商要使用HDMI接口都必须支付许可费用，这是HDMI推广的主要障碍。因此HDMI面临来自免许可证的DisplayPort产品的挑战。同时，ESD保护功能必不可少，但保护HDMI高速数据接口是一个极具挑战性的工作，因为保护组件产生的电容性负载可能会大幅降低信号的完整性。过去通常的做法是把ESD部件集成到接口中，在提高保护性能的同时，还能节省外部ESD保护元件，降低系统成本。但内部集成很难达到较高的ESD保护性能，而外接芯片低容抗、更耐压，因此系统设计人员可以考虑选用分立式的ESD保护器件来满足HDMI接口的要求。对更高图像质量的要求也影响了HDMI接口，即需要支持深色功能（Deep Color）和增加的处理位数。意法半导体目前通过先进架构支持上述性能。

　　主要设计挑战和解决方案

　　在数字电视中，TFT-LCD面板的背光功耗和HD格式将是设计工程师所面临的与传统模拟电视设计完全不同的问题。TFT-LCD面板的背光功耗问题主要可以通过两种途径来应对：一是根据显示图像来动态调整不同区域的背光功率以限度地省电；二是采用OLED等其它主动显示方案来进一步节省功耗。卓然公司（Zoran）HDTV产品总监Jun Kawaguchi对《电子系统设计》说，减少TFT-LCD背光的有效方法是采用LED背光。传统的背光采用带高压反相器的CCFL（冷阴极射线管），这增加了功耗和发热。基于LED的背光会降低功耗和发热，并且能够大幅降低电视机的厚度。采用动态背光控制等新技术进行控制，则有助于根据显示内容来控制功率。此外，为降低电视的整体功耗，可以采用高度集成的DTV器件。

　　图3：卓然公司Jun Kawaguchi。

　　赛灵思公司的Sy指出，LED还可以进行智能控制以改进整个显示系统的动态范围。采用动态控制的LED背光可降低20~30%的功耗。但是，用于DTV的LED BLU的制造成本仍是CCFL背光的2~3倍，因此这种技术将只会在高端DTV中采用。

　　HD格式的日渐盛行也带来了许多标清（SD）技术不能解决的设计问题，包括数字内容保护、复杂HD信号路由、增大平板显示屏、带7.1通道环绕立体声音频和由长电缆和新式接口标准带来的连通性问题。

　　“在高成本效益的前提下实现更功能也是设计工程师遇到的设计挑战之一。例如，以前的LCD电视采用由多个PCB模块组成的6层或8层PCB，这增加了BOM和制造成本。设计则采用4层（某些中采用2层）小尺寸PCB。”卓然的Kawaguchi表示，“卓然在系统软件和硬件设计方面的技术可在完全符合所有工业标准的同时实现较高成本效益的设计。”卓然DTV解决方案包含完全符合标准的DTV软件以及业内集成度的SoC芯片，日前推出的SupraHD 780和SupraHD 770单芯片ATSC处理器将所有必须的数字电视和模拟电路整合进了一个单一的、具有成本竞争力的套件，支持1080i高清内容视频输入和WSXGA PC模拟视频输入。

　　电源设计是决定DTV性能的另一个重要因素，未来的电视电源方案必须是满足高效率、低待机能耗、高功率因数等要求的高功率密度解决方案。安森美半导体电源管理部中国区市场推广经理于辉表示，电源效率要求首当其冲，通常要求高达85%甚至90%以上，同时由于消费类电子市场竞争的日益激烈，成本也成为不可或缺的考虑因素之一。为达到上述要求，安森美利用各种拓扑结构如准谐振、半桥LLC等软开关电路来实现高效电源，因为其开关损耗低尤其适合电视机电源的应用。并且，合理的成本提供高能效和低EMI等特性使这几种拓扑结构得以战胜传统的硬开关拓扑（正激或反激）。于辉补充说，有源功率因数校正（PFC）也是DVT电源必不可少的部分。从成本的角度考虑，临界导电模式（CRM）的PFC控制适用于200W以下应用，功率更大的情况则可以考虑连续导电模式（CCM）的控制器。在待机能耗方面，由于要求十分苛刻，通常都会设计一个单独的待机电源来实现低待机功耗。安森美半导体已推出一系列完整的GreenPoint电视电源参考设计，如采用NCP1605/NCP1396/NCP1027实现的220W液晶电视电源能够完全符合各项指标。

　　利用FPGA和中间件技术缩短开发时间

　　由于DTV仍然处在产品生命周期的成长阶段，因此在实现技术和接口要求方面还存在不少不确定因素，再加上不断变化的市场要求和缩短的产品生命周期，采用ASIC开发变得非常麻烦，而ASSP的灵活性也不够。赛灵思的Sy表示，缩短产品开发时间、不断变化的市场要求、新技术的不确定因素、提高图像质量都对DTV设计提出了挑战，FPGA的可编程性和灵活性特征将有助于DTV制造商在维持甚至降低总开发成本的同时解决以上挑战。Altera公司面向消费类应用的低成本FPGA Cyclone III系列可以用于实现DTV系统中的各种功能，包括视频处理、显示屏时序控制器解码等。

　　同样是针对缩短开发时间的目标，上海晖悦数字视频科技有限公司日前推出了一种名为iTVware的数字电视接收机中间件软件，它具有DTMB、DVBC、ATSC、DVBT数字广播信号的接收解调功能，采用层次清晰的模块化设计，设计目标为跨平台，多功能，具有丰富的多媒体与网络扩充接口与模块。据晖悦公司总经理朱仕康介绍，iTVware是一种针对电视接收机的技术，已在全国二十多个地区通过网络测试，能够快速融合硬件的差异化，加快DTV厂商的开发速度，提升他们的产品技术竞争力。