高清数字电视设计与实现

　　不管是受摩尔定律还是消费者需求的推动，当前电视机对性能的要求大幅提升。具有数据处理量是标准清晰度（SD）电视格式6倍的1,080像素高清晰度（HD）格式、管理DTV、IPTV以及视频会议广播、处理杜比AC-3、MPEG以及其它音频格式等，都已迅速成为数字电视（DTV）的必备功能。

　　除了与音视频与输入信号格式有关的技术要求外，数字电视还涉及几种显示方式：前投、背投、DLP、LCD、等离子以及 CRT等。不管是通过手表内置的1英寸显示器观看电视，还是使用将整个墙面用作显示屏的投影系统，这种显示尺寸和性能的组合都是丰富多样的。

　　尽管目前销售的每台数字电视从尺寸、形状、大小来说各不相同，销售人员对不同型号的介绍也大不一样，但是数字电视机内部的基本结构却十分相似。总体说来，DTV可大致分为以下几个主要部分：显示器（与驱动器）、内核媒体引擎、音频解码与处理、视频解码与处理、高频头电路、接口模块和电源等。

　　图1是高清晰度数字电视（HDTV）在半导体功能层面上的基本结构图。这些元件大多数都可以从同一家公司获得，从而能在确保兼容性的同时加快设计周期，更快地将产品推向市场。德州仪器（TI）不仅提供开发 HDTV 所需的几乎所有半导体元件，而且还组建了专门的工作小组，以推进音视频与 DLP 技术的发展，改善用户的电视体验。TI的TMS320DM644x系列、达芬奇数字媒体处理器和其它内核处理功能，以及丰富的高性能模拟元件具有集成度高、灵活性高及方便易用的特点，可以满足快速发展的DTV市场需求。充分利用高性能音视频编解码器、图形加速功能、通信与支持服务，对开发满足家庭娱乐体验需求的融合应用至关重要。

　　我们知道DVD给了我们VCD时代所无法比拟的视听享受，但随着技术的进步和人们需求的不断跟进，人们对视频的各项品质提出了更高的要求：屏幕要更宽、画质要更高！于是，HDTV就孕育而生了。

　　高清晰度电视是一种新的电视业务，国际电联给出的定义：“高清晰度电视应是一个透明系统，一个正常视力的观众在距该系统显示屏高度的三倍距离上所看到的图像质量应具有观看原始景物或表演时所得到的印象”。目前水平和垂直清晰度是常规电视的两倍左右，配有多路环绕立体声。

　　HDTV与当前采用模拟信号传输的传统电视系统不同，HDTV采用了数字信号传输。由于HDTV从电视节目的采集、制作到电视节目的传输，以及到用户终端的接收全部实现数字化，因此HDTV给我们带来了极高的清晰度，分辨率可达1920×1080，帧率高达60fps，是足够让目前的DVD汗颜的。除此之外，HDTV的屏幕宽高比也由原先的4:3变成了16:9，若使用大屏幕显示则有亲临影院的感觉。同时由于运用了数字技术，信号抗噪能力也大大加强，在声音系统上，HDTV支持杜比5.1声道传送，带给人Hi-Fi级别的听觉享受。和模拟电视相比，数字电视具有高清晰画面、高保真立体声伴音、电视信号可以存储、可与计算机完成多媒体系统、频率资源利用充分等多种优点，诸多的优点也必然推动HDTV成为家庭影院的主力。

　　HDTV也是DTV标准中的一种，拥有的视频、音频效果。DTV是一种数字电视技术，是目前传统模拟电视技术的接班人。所谓的数字电视，是指从演播室到发射、传输、接收过程中的所有环节都是使用数字电视信号，或对该系统所有的信号传播都是通过由二进制数字所构成的数字流来完成的。

　　图1：典型的数字电视系统可大致分为显示器（与驱动器）、内核媒体引擎、音频解码与处理、视频解码与处理、高频头电路、接口模块和电源等主要部分。

　　视频解决方案

　　消费者观赏电视节目时重视的或许是视频体验。在图1中的方案中，TI 提供视频解码器系列（如TVP5160）、模数转换器（ADC）（如TVP7001）、视频缓冲器（如TIV7327）等各种在满足系统成本目标的同时提供高性能的产品。

　　图 2 给出了TVP5160视频解码器的数据流路径，该器件可处理NTSC、PAL、SECAM、 S-Video、SCART、YpbPr、RGB、480p及其它输入格式的信号。DTV应当具备这种灵活性，以确保一种型号的产品能适应实的任意设置。TI的某些视频解码器还具备另外一个特性，即能支持VBI数据处理器（VDP），可对电视图文广播、隐藏式字幕（CC）及其它VBI数据进行分割、解析和故障检查。TVP5146M2解码器可以通过输出格式器，传输两倍的原始采样亮度数据，以便进行主机VBI处理。

　　就信号链路中的ADC而言，TVP700x系列ADC具有多种优势。它们不仅能够进一步降低抖动，提高视频系统的图形质量，还支持PC与 HD视频输出所需的更高带宽等。这种8/10位三通道ADC的速率高达165Msps，并提供丰富的视频功能，非常适用于商用投影仪、电视机以及机顶盒等应用。

　　，我们还要将视频信号链的输出分辨率与显示屏的功能及输入信号的分辨率相匹配，以便优化视频设计。过去，对于分辨率较低的CRT电视而言，采用性能较低的前端尚可为人们所接受，但就当前显示屏的分辨率而言，任何模拟前端的噪声或失真都会对DTV屏幕上的图像造成明显的影响。

　　（点击放大图片）图2：解码器数据流结构图

　　音频解决方案

　　音频是个术语，人类能够听到的所有声音都称之为音频，它可能包括噪音等。声音被录制下来以后，无论是说话声、歌声、乐器都可以通过数字音乐软件处理，或是把它制作成CD，这时候所有的声音没有改变，因为CD本来就是音频文件的一种类型。而音频只是储存在计算机里的声音。如果有计算机再加上相应的音频卡——就是我们经常说的声卡，我们可以把所有的声音录制下来，声音的声学特性如音的高低等都可以用计算机硬盘文件的方式储存下来。

　　在过去，消费者可能会将电视连接到家庭音频系统以提高音频效果，特别是在欣赏电影的时候。现在，随着音频解决方案的不断发展，电视机放置的位置有可能远离家庭立体声系统，而且很多DTV都采用壁挂式安装，这就要求直接在DTV 中集成先进的音频解决方案。此外，扬声器技术也已发展到能将整个屏幕都作为扬声器的一部分。但不管是平面型扬声器还是传统型扬声器，音频信号链在尽量改善音频体验方面都发挥着至关重要的作用。

　　音频解决方案的性能涉及到多方面因素的折衷，包括音频处理能力、音频输出功率、散热以及整体功耗等。传统的音频解决方案包括由AB类音频功率放大器驱动的两到三个扬声器。D类放大器的输出FET在截止与饱和区之间切换，其效率比AB 类放大器高。目前，TI还提供 PurePath Digital音频解决方案，该方案不仅能化音频效率，而且还能改善音效处理，使信噪比（SNR）高于110dB。

　　不管是TAS5086和TAS5186等6声道PurePath Digital解决方案，还是PCM3794等的音频编解码器和TPA3100D2等 D类音频放大器，TI提供的丰富的音频解决方案与技术支持能优化DTV 解决方案。

　　图3：基本的D类音频放大器拓扑。

　　DTV 的必备组件音频处理有助于进一步特色化音频质量。除环绕立体声虚拟化、低音加强以及其他众所周知的音频运算等比较的音频功能外，音频处理还能够实现诸如电影、新闻、音乐等标准声音模式。

　　接口电路和电源管理

　　由于人们要求DTV成为家庭通信门户的中心，所以DTV与机顶盒除了具备基本的音视频功能之外，还在不断增加新的接口。DTV已经并将继续支持VGA与分量视频信号输入（通常也包括输出），有的甚至还支持HDMI。此外，它们还会支持DVI、S-视频端子、IEEE1394、USB和LAN连接等其它接口。

　　TI在上述各领域均提供有关接口产品，为支持 IEEE1394 等新协议以及 RS232 等老式协议进行了专门设计。此外，TI 的低功耗无线产品系列近期还添加了 Chipcon 系列技术，推出了 CC2500 等设备，从而能够简化远程控制与无线连接等方面的设计要求。

　　包括为DTV本身提供主电源的AD/DC转换电路在内，电视机中几乎所有的功能模块都要求特定的电源解决方案，比如DLP灯、LCD偏置或显示器的背光电源、主处理器与DDR存储器的内核和I/O电源，以及调谐器和视频/模拟信号链的电源等。图4为DTV 的基本电源分配图。

　　图4：数字电视机中几乎所有的功能模块都要求特定的电源解决方案。

　　电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。通过降低组件闲置时的能耗，的电源管理系统能够将电池寿命延长两倍或三倍。电源管理技术也称做电源控制技术，它属于电力电子技术的范畴，是集电力变换，现代电子，网络组建，自动控制等多学科于一体的边缘交叉技术

　　然而，在当今倡导节能的时代，各国政府都在不断颁布新的政策，进一步严格规定待机功耗与消费类产品的效率。目前几乎所有电视机设计的规定都是自愿性质的，但强制性规定或许不久就会出现。举例来说，如欲通过能源之星 （Energy Star） ，数字电视在待机模式下的功耗必须小于3W。利用 PFC与 UCC28600 等省电模式回扫转换器有助于尽量减小待机模式的功率损耗。UCC28600在轻负载情况下进入猝发模式工作，并能在待机期间发出信号以禁用PFC 控制器的偏置电源。

　　TI提供Swift、40k、模块以及其它负载点电源解决方案，还推出 AC／DC 功率转换与功率因数校正器件，为当今的DTV的电源设计提供了所有必需技术。TI提供有关电源模块，帮助厂商迅速向市场投放产品，还提供板级半导体解决方案，满足 DTV 消费市场的成本要求。

　　总结

　　除了面向视频、音频、接口以及电源的具体解决方案之外，TI 还提供丰富的产品系列，满足温度传感、风扇控制、系统时钟、通用逻辑以及线性解决方案等各方面要求。此外，TI 还通过电源与信号链参考设计团队支持定制解决方案的开发，不仅为您开发 DTV 提供出色、丰富的技术，而且还将在您的设计过程中提供具体协助。

　　不管 HDTV 今后是继续沿着我们目前所预见的道路发展，还是迈向全新的领域（比方说要在房间中通过三维全息投影来展现立体图像），TI 都将不断提供有关技术，并推进技术的发展，将人们的梦想变为现实。