電視手機的廣播規格與設計挑戰
http://www.ci800.com 發(fā)布時(shí)間：2007-08-16
手機上的多媒體功能不斷增加，電視手機有可能是下一個(gè)殺手級應用。不論是歐洲或日本的微波數位電視廣播規格，都為手持設備的應用打開(kāi)了另一扇窗，可望讓這個(gè)市場(chǎng)繼續主導電子產(chǎn)業(yè)的成長(cháng)。
「tqq 動(dòng)」與「多媒體」，無(wú)疑是當前資訊、通信與電子產(chǎn)業(yè)戮力發(fā)展的一個(gè)主力趨勢，從拍照、Java游戲到MMS，手機上的多媒體功能不斷增加，但業(yè)者們并不以此為滿(mǎn)足，紛紛將版圖延伸到另一個(gè)娛樂(lè )市場(chǎng)的殺手級應用，也就是要「讓手機也能看電視」。
三種候選標準競逐
要讓手機等手持設備用戶(hù)可以隨時(shí)隨地收看移動(dòng)廣播電視，目前有三種候選標準包括：在數位音頻廣播頻譜上的數位多媒體廣播（DMB）工作；採用由微波數位電視標準延伸而來(lái)的手持裝置廣播標準；以及透過(guò)2.5/3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路的多媒體多點(diǎn)傳送/廣播服務(wù)。
表一 移動(dòng)廣播標準列表
在這三種方案中，由于2.5/3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路的頻寬有限，加上收費昂貴，因此利用它來(lái)收看電視并非極佳的選擇，不過(guò)在中國方面，已有中國移動(dòng)與中國聯(lián)通推出基于串流媒體技術(shù)的的手機電視業(yè)務(wù)，其中中國移動(dòng)是架在其GPRS網(wǎng)路上，中國聯(lián)通則是依靠其CDMA1X網(wǎng)路。
至于DMB的部分，則是由韓國所主導的技術(shù)。由于韓國訂于今年底以DMB推出移動(dòng)廣播電視，因此算是腳步最快的一個(gè)方案。DMB分為使用地面廣播的T-DMB和采用衛星的S-DMB兩種技術(shù)，是由韓國已采用近十年的Eureka-147 DAB技術(shù)改良而來(lái)。其中T-DMB將ITU-T H.264編碼技術(shù)用于視頻，將MPEG-4位元分片算術(shù)編碼技術(shù)用于音訊，然后，它透過(guò)采用MPEG-4同步層和MPEG-2傳輸串流將它們連同額外資料一起進(jìn)行多工處理。
■DVB-H規格最受注目
不過(guò)，最受全球注目的技術(shù)還是應屬由歐洲主導的DVB-H規格。目前在全球推行多年的數位電視標準有三大規格，分別是歐洲的DVB（Digital Video Broadcasting）、美國的ATSC（Advanced Television Systems Committee）以及日本的ISDB（Integrated Services Digital Broadcasting），其中DVB發(fā)展組織因預見(jiàn)移動(dòng)通信與數位廣播網(wǎng)路整合的可能性，因此在2002年9月即提案發(fā)展適用于手持式裝置的視頻標準（DVB-Handheld，DVB-H），并在2004年1月制定出該規格的基本框架，接著(zhù)在2月進(jìn)入驗證與標準化的程序。由于DVB-H的發(fā)展腳步較快，不論是美規或日規的相關(guān)技術(shù)也都向它靠攏。
DVB-H是以針對家庭電視接收的地面數位視頻廣播（DVB-Terrestrial；DVB-T）傳輸技術(shù)為基礎，因此保有部分與DVB-T接收電路的相容性，但為了滿(mǎn)足手持式裝置接收視頻的特性，如低功耗、高移動(dòng)性、共通平臺與網(wǎng)路切換服務(wù)不中斷等要求，以保證在室內、戶(hù)外、在步行或行駛中的汽車(chē)上都能正常收看，DVB-H做了不少技術(shù)改進(jìn)。
DVB-H在耗電上的目標是將天線(xiàn)、電視調諧器和OFDM解碼電路等總的耗電量控制在100mW以下，相較之下，DVB-T計劃2007年才能將該指標降到600mW，顯然二者要求相距甚遠。
廣播規格特性
由于家庭的微波數位電視與電視手機等手持式設備的特性相差甚大，在接收技術(shù)上也需要有量身定做的考量。以下將介紹幾項電視手機廣播規格上的設計特性：
■傳輸速度
DVB-H是利用時(shí)間切片（time-slicing）技術(shù)來(lái)降低平均耗電量，并通過(guò)引進(jìn)蜂窩（cell）方式及頻率交接方式來(lái)迅速搜索信號。其他的關(guān)鍵技術(shù)還包括多重協(xié)定封裝──前向糾錯（Multi-Protocol Encapsulation Error Correction；MPE-FEC）、和K mode傳輸模式等，如(圖一)所示。
圖一 DVB-H標準家族之關(guān)系圖
DVB-H使用QPSK的調變方式傳送資料，相較于普通電視一個(gè)波形分配6位元資訊的64QAM調變方式，QPSK方式給每個(gè)波形僅分配2位元資訊，但雖然一次傳送的位數少，不過(guò)由于是以能夠明確區分的波形傳送資料，因此更不易受噪音的影響。在DVB-H的設計中，透過(guò)無(wú)線(xiàn)微波的傳播，最大可以向電池供電的終端傳送10Mbps資料。
日本的單頻段規格
至于日本所規劃的作法，是在其ISDB的基礎下開(kāi)發(fā)了專(zhuān)有的地面數位電視標準，也就是ISDB-T單頻段轉播傳輸規格。單頻段傳輸和DVB-H規格有很多相似之處，不過(guò)仍有一些差異，例如DVB-H採用上述的時(shí)間切片等技術(shù)來(lái)提升傳輸品質(zhì)，單頻段傳輸則是以頻率分割的方式來(lái)處理。
單頻段傳輸利用UHF頻段（470M～770MHz）來(lái)發(fā)送無(wú)線(xiàn)電波，其中每家電視臺分配到的頻寬約為5.6MHz。電視臺再將所分配到的頻寬等分成13個(gè)頻段（Segment）來(lái)使用，每個(gè)頻段約為433kHz，最大能傳送約21Mbps的數位資料。在這種速度下，每個(gè)頻段可以傳送1920×1080像素的MPEG-2格式高畫(huà)質(zhì)節目。然而，這13個(gè)頻段并非全部都分配給普通室內電視，其中的一個(gè)位于中間的頻段是分給手持式設備的數位電視來(lái)使用，提供的傳輸速度大約為200K～300Kbps。
■壓縮編碼方式
由于頻寬有限，要達到小視窗可接受的視頻品質(zhì)，就必須要靠視頻壓縮技術(shù)。?此DVB-H已考查了多種視頻壓縮格式，目前最受關(guān)注的是H.264/MPEG-4 AVC（H.264）格式。
相較于其他的壓縮格式，H.264具有更多的優(yōu)點(diǎn)，它能夠實(shí)現高壓縮，其壓縮率是MPEG-2的2～3倍、MPEG-4的1.5～2倍；若採用它來(lái)傳輸移動(dòng)資訊，可以用不足200Kbps的速度傳輸15幀/秒的QVGA格式內容，而從理論上計算，手持設備只需采用125MHz左右的處理器就可以處理傳來(lái)的視頻繁節目。
目前DVB-H規格中并沒(méi)有規定視頻壓縮的編碼方式，廣播電視運營(yíng)商可自行選擇是MPEG-4或者選擇H.264。規格不確定對接收信號功能的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是件頭痛的問(wèn)題，他們總希望自己開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品能夠通行全球，在此情況下，業(yè)者可能會(huì )採取軟件方式來(lái)保持解碼功能的彈性，不過(guò)，軟件的處理效能比起硬件來(lái)說(shuō)畢竟是差了些。
手持設備設計挑戰
然而，盡管有DVB-H這樣的移動(dòng)電視廣播標準，實(shí)驗性的試播計畫(huà)也已在美國匹茲堡、德國柏林與芬蘭赫爾辛基等地如火如荼地展開(kāi)，商業(yè)服務(wù)也預定于2005年推出。但要讓手持設備真能收看數位視訊，其內部的系統設計還得先通過(guò)嚴酷的考驗，而其中最大的考驗將來(lái)自于以下幾點(diǎn)：電視信號接收零組件（接收器、調諧器、天線(xiàn)等）的尺寸、整體耗電性、接收功能與顯示技術(shù)等。
■小尺寸的挑戰
要在手機等手持設備上接收微波數位電視信號，天線(xiàn)（Antenna）、接收器（Receiver）資料讀取解調LSI、UHF（超高頻）調諧器（Tuner）等零組件是一個(gè)都不能少。它們過(guò)去是用在電視機當中，并不用太過(guò)于煩憂(yōu)縮小尺寸的問(wèn)題，但今日要將它們塞入比電視機小太多的手持設備中，又要保有同樣的功能，其中的難度可想而知。
以目前已問(wèn)世的試制樣品來(lái)說(shuō)，NEC與三洋電機開(kāi)發(fā)的信號接收部分的尺寸，除去天線(xiàn)外的大小約是長(cháng)30mm、寬20mm、厚2mm；號稱(chēng)世界最小的索尼元件雖然要小一些，?縱長(cháng)20mm、寬16mm，然而，這樣的大小仍嫌太占空間，業(yè)界認為較理想的大小是至少能達到與手機配備的FM音頻調諧器相同的10mm見(jiàn)方。
為了達到這個(gè)理想，除了將個(gè)別元件盡量再縮小外，另一種設計策略就是採用無(wú)縫隙的高密度封裝（HDP）。不論是所謂的多晶片模組（MCM）、多晶片封裝（MCP）或系統級封裝（SiP），都是高密度封裝的作法之一。它的好處是能把相同或者不同的數片裸晶片封裝到一個(gè)平常的塑膠封裝里面，從而可以減少安裝所需的面積，并具備多種的功能。以松下通信為NTT DoCoMo生產(chǎn)的最新手機P505Is為例，就大量採用了長(cháng)寬分別?0.6mm及0.3mm的所謂“0603尺寸”元件，由于統一了元件尺寸，所以較容易實(shí)現高密度封裝。
■降低耗電量
另一個(gè)關(guān)鍵性的瓶頸則是手持設備收看電視時(shí)的耗電量問(wèn)題。視頻多媒體一向是最耗運算資源的內容，對于小尺寸採手持電源的設備來(lái)說(shuō)，更是不易承受的負擔。以目前手機鋰電池的容量來(lái)說(shuō)，大約為700mA/h，而現今廠(chǎng)商試產(chǎn)的手持式電信信號接收裝置的耗電量，約在200mW到150mW之間（如NEC及Sony的產(chǎn)品），在這樣的規格下收看電視節目，理想上的最長(cháng)時(shí)間只有90分鐘，再長(cháng)就沒(méi)電了。
然而，在收視時(shí)，除了信號接收元件外，手機彩色螢幕也處于全負荷運轉狀態(tài)，因此耗電量還會(huì )進(jìn)一步增加。NEC系統平臺研究所研究部長(cháng)加藤明曾指出，如果沒(méi)有技術(shù)性突破，如使用燃料電池等，手機電池電力不足的問(wèn)題暫時(shí)無(wú)法解決。在這種情況下，開(kāi)發(fā)者要延長(cháng)電視收視時(shí)間，只能從減少手機在收視上的多余功能，或調諧器電路在接收視頻以外的時(shí)間均處于關(guān)閉狀態(tài)等節電措施下手。
■提升天線(xiàn)接收功能
想在手持設備上微波數位電視接收功能時(shí)，另一個(gè)要面臨的課題是天線(xiàn)的小型化設計。普遍電視因使用大尺寸天線(xiàn)，又安裝在高樓頂上，因此可較輕易地收看到清晰的影像。相較之下，要在手持設備上加裝天線(xiàn)，尺寸一定要非常小，而且多半要能被收藏到機身內，再加上天線(xiàn)的高度只有使用者的身高，在離地面1至2公尺的高度想要保有接收的靈敏度，確實(shí)是一件高難度的任務(wù)。
要盡量提高手持設備對微波數位電視的接收靈敏度，一種有效的方法是採用「分集式接收技術(shù)」（Diversity Reception）。它的原理是在手持設備上配備兩種不同的天線(xiàn)，以同時(shí)對電視信號進(jìn)行接收，然后采用信號品質(zhì)較好的那個(gè)。
目前最有希望的作法是除了應用手機原有的伸縮式拉桿天線(xiàn)（Whip Antenna），再搭配耳機線(xiàn)的「耳機天線(xiàn)」，如此一來(lái)，由于有兩個(gè)位置接收電視信號，即便一個(gè)天線(xiàn)因多路干擾（Multipath Interference）等原因接收信號出現紊亂，還可以使用另一個(gè)天線(xiàn)的接收信號，因此能夠穩定地接收電視信號。三洋電機先前推出的電視手機樣機就是採用雙天線(xiàn)接收電視信號的方式，不過(guò)這種方式較為耗電，它的電視調諧器模組的耗電量需要250mW。
■顯示技術(shù)的突破
收看視頻節目和收看文字信息或圖片、照片有很大的不同，前者著(zhù)重視聽(tīng)娛樂(lè )效果，因此對影像品質(zhì)的要求高多了。相較于目前主流的液晶顯示器（LCD），以有機發(fā)光二極體（OLED）來(lái)播放手機節目顯然是較佳的選擇，因為OLED本身會(huì )發(fā)光，所以它的耗電量比需要用到背光光源的LCD少很多；此外，OLED還具有比LCD更明亮、更高解析度，也更容易制造（因此可能更便宜）的特性。
目前已有多家廠(chǎng)商把OLED視為是電視手機的標準顯示技術(shù)，例如三洋電機在2003年即試制成功解析度?176×220像素的2.2英寸OLED面板，東芝則在2004年10月推出採用3.5英寸OLED面板的試制機型，支援320×240像素的QVGA規格影像，它的亮度?200cd/m2，但可以提高至300cd/m2，預計投?時(shí)面板的厚度將只有1mm左右。
另一個(gè)途徑則是發(fā)展可穿戴式的顯示技術(shù)（即頭戴式顯示器“HMD”），讓顯示器像護目鏡一樣的戴在頭上，既可收看從手機、PDA或手提電腦傳來(lái)的視訊內容，又不會(huì )擋到視線(xiàn)。此一作法的好處除了將雙手解放出來(lái)，更能提高顯示器的解析度與臨場(chǎng)感，讓用戶(hù)猶如在收看懸浮在空中的大螢幕一樣。
三菱日前即推出一款名為“Scopo”的可穿戴式顯示幕，它採用一塊小型的液晶顯示幕懸掛于眼睛的前方，通過(guò)這塊顯示幕，人眼能夠看見(jiàn)螢幕顯示的內容，此外還可選擇佩帶耳機，這樣就能邊聽(tīng)邊看了。
零組件市場(chǎng)
目前投入開(kāi)發(fā)電視手機相關(guān)零組件的廠(chǎng)商已經(jīng)不少，在DVB-H的部分，Nokia、Sony Ericsson和Motorola等手機大廠(chǎng)都已在進(jìn)行接收器與調諧器的開(kāi)發(fā)，而UDcast、TeamCast、ProTV和Thales等公司則是傳輸裝置的開(kāi)發(fā)商。
兩大廠(chǎng)商加入戰局
在零組件大廠(chǎng)中，掌握手持設備開(kāi)發(fā)平臺的兩大廠(chǎng)，即TI（OMAP平臺）與Freescale（i系列平臺），對這個(gè)有機會(huì )為手機市場(chǎng)再創(chuàng )高峰的新應用，自然也不會(huì )置身事外。TI在2004年10月底宣佈了一個(gè)開(kāi)發(fā)代號為「好萊塢」（Hollywood）的開(kāi)發(fā)計畫(huà)，目標就是要在2006年推出能將電視手機調諧器電路、OFDM解調電路和頻道解碼微處理器集于一身的LSI單晶片，并且同時(shí)具有DVB-H及ISDB-T的接收功能。
在技術(shù)特色上，TI除了計畫(huà)以90nm的CMOS制程技術(shù)來(lái)生產(chǎn)Hollywood外，并準備將該公司獨到的數位射頻處理器（Digital RF Processor；DRP）技術(shù)運用來(lái)開(kāi)發(fā)電視調諧器電路，它的好處是能夠利用與記憶體和邏輯元件完全相同的制程技術(shù)來(lái)生?無(wú)線(xiàn)電路。TI表示，此計畫(huà)的耗電量目標是「充一次電能夠連續收看3至4個(gè)小時(shí)」。
至于Freescale的技術(shù)開(kāi)發(fā)似乎跑得更快，該公司已準備在ISSCC 2005（2005年2月 6～10日）上發(fā)佈針對DVB-H的接收IC技術(shù)。該技術(shù)是採用直接轉換（Direct-Conversion）的接收電路架構，雖然和Hollywood一樣是一顆系統單晶片，但在制程上的作法採不同取徑，它使用的是0.35μm雙極（bi-polar）CMOS技術(shù)，并整合了低噪音放大器（LNA）、混頻器、基頻篩檢程式、VCO等功能于一身，其耗電量?240mW。
日本廠(chǎng)商腳步最快
在電視手機的開(kāi)發(fā)上，其實(shí)跑得最快的還是日本廠(chǎng)商。NEC與三洋電機早在2003年即已推出符合日本單頻段傳輸的試制樣品，而東芝、夏普和阿爾卑斯電器（Apls）等公司也在2004年中陸續推出調諧器的模組或IC樣品。在韓國方面，三星電機（Samsung Electro-Mechanics）也在2004年3月公佈了一項支援DVB-H的調諧器模組開(kāi)發(fā)計劃。至于在行動(dòng)廣播的終端設備上，日、韓有多家公司已推出展示機種，請參考(圖二)、(圖三)、(圖四)。
圖二 Samsung的電視手機
圖三 Toshiba的的移動(dòng)廣播接收終端
圖四 Sharp的移動(dòng)廣播接收終端
以東芝所推出的微波數位電視調諧器模組樣品來(lái)說(shuō)，它的調諧器IC和OFDM解碼IC是分別開(kāi)發(fā)的，該公司表示這是為了提高調諧器IC的性能，因此捨CMOS技術(shù)而採用雙極技術(shù)，這與Freescale的作法不謀而合。不過(guò)，當使用CMOS技術(shù)生?的調諧器IC也能確保足夠的性能時(shí)，東芝表示將會(huì )考慮開(kāi)發(fā)調諧器IC與OFDM解碼IC整合的系統單晶片。
結論
不論是歐洲或日本的微波數位電視廣播規格，都為手持設備的應用打開(kāi)了另一扇窗，可望讓這個(gè)市場(chǎng)繼續主導電子產(chǎn)業(yè)的成長(cháng)，而只要有明確的需求契機，大部分的技術(shù)問(wèn)題都可望被一一克服。
值得注意的是，微波電視網(wǎng)路將與2.5G和3G等手機通信網(wǎng)路重疊，進(jìn)而出現服務(wù)上的競爭。以DVB-H來(lái)說(shuō)，它不只是支援電視廣播的服務(wù)，也能支援其他的多媒體服務(wù)，如發(fā)送電子報、電子拍賣(mài)、旅游導覽、線(xiàn)上游戲、視訊點(diǎn)播等等。而另一個(gè)也將加入戰局的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路，則是從區域向外發(fā)展而的IP網(wǎng)路，也就是從WLAN的WiFi到WWAN的WiMax技術(shù)趨勢。這幾種網(wǎng)路各有其特色，或許沒(méi)有一種能獨領(lǐng)風(fēng)騷，但更便宜與更便利仍是贏(yíng)得客戶(hù)的不二法門(mén)。
