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液晶高清数字电视技术发展与主流方案解析

文章出处:elecfans 发布时间: 2017/08/28 | 501 次阅读

 正成为目前电视技术领域的热点应用,与传统的模拟 电视相比,液晶高清数字电视在系统集成度、信号处理的复杂度以及多功能方面都提出更高要求,因而其设计难度更大,面临的挑战更多。本文将论述液晶高清数字电视的技术发展并分析主流解决方案。

数字电视日益成为消费电子领域,乃至整个电子领域发展的驱动力,平板技术的成熟又为数字电视的发展增添了双翼。平板化和数字化,是推动当今电视发展的两大引擎,数字电视正逐渐成为真正的家庭多媒体娱乐中心。

数字电视是指全数字化接收(标清/高清)、解调、数字信号处理及显示的电视接收机。目前数字电视技术标准包括以美国为代表的ATSC(8VSB)、以欧洲为代表的DVB-T、日本的ISBD-T、中国的DMB-T或ADTB-T(待定)、有线网络数字电视DVB-C以及卫星数字电视DVB-S。

平板电视是指使用平板显示屏作为电视图像显示的电视接收机。显示屏按技术特点可分为:液晶(LCD)、等离子(PDP)、数字光源处理(DLP)以及硅基液晶(LCOS)背投。其中LCD显示屏发展最快,也是市场占有率最高的平板显示屏。液晶高清数字电视已成为电视技术发展的热点应用。

随着近几年液晶技术的发展以及第七代液晶屏生产线的投入使用,液晶屏已突破了视角、响应速度、对比层次、色彩鲜艳度及大屏幕价格的发展瓶颈,加之独有的高分辨率、低功耗、长寿命的特点,液晶电视以其完美的图像质量和可接受的价格成为目前发展最快的电视种类。美国联邦通信委员会(FCC)2005年6月9日发文,决定提前实施在电视机中强制配备数字电视调谐器的“鲍威尔计划(Powell Plan)”,将25英寸~36英寸电视机全部内置DTV调谐器的要求提前到2006年3月1日。FCC的这一决定进一步加快了全球数字电视的发展步伐。

图1:液晶高清数字电视系统构成图。

 

技术趋势与设计挑战

在电视技术平板化和数字化的大趋势下,液晶高清数字电视技术正朝着高集成度、高性能、多功能的方向发展。在系统单芯片集成方面,主CPU、传输码流(TS)解复用、MPEG解码、模拟彩色解调、视频信号处理、图像显示处理等功能可集成进一块芯片中,甚至能将数字电视信号解调解码、模拟电视信号解调、HDMI接收、模拟分量视频信号(YPrPb)/RGB接收、音频信号解码也一并集成进单芯片,而芯片工艺可达到90纳米,甚至65纳米技术水平。高性能主要表现为更快的信号处理速度、更先进的图像伴音处理技术、更高清晰度显示(1080P)。除了基本数字电视功能以外,液晶高清数字电视还将集成进更多的功能接口,诸如USB、SMART Card、1394/iLINK、硬盘、网络接口以及H.264/VC1解码功能,众多功能使其成为真正的未来家庭多媒体娱乐中心。

图2:液晶高清数字电视接收嵌入式(Add-on)解决方案。

 

与传统的模拟CRT电视相比,液晶高清数字电视在系统集成度、信号处理的复杂程度以及多功能方面都高出很多,这也使得液晶高清数字电视的设计难度更高,挑战更多。在芯片设计方面,高性能的CPU内核,高集成度、高性能的信号处理规划设计,以及高端的芯片工艺技术(90纳米,65纳米技术)是设计人员面临的主要问题。而在整机系统设计方面,硬件设计将面对多路低电压(可低至1V)大电流电源系统的设计,高速(可达250MHz)电路板设计,以及整个系统规划设计等挑战。

此外,日益复杂的软件系统设计也成为最大的挑战。分层式功能模块化设计方法以及高级软件开发工具的应用,加快了软件开发进度并提升了软件质量,也提高了软件的灵活复用性,使其更便于二次开发。在最终的产品化设计阶段,由于只有最上层的用户控制界面层(UCI)需要依据客户要求进行简单地设计更改,这就加快了软件开发乃至整机开发的进度,确保满足日渐严酷面市时间要求。

液晶高清数字电视结构原理

液晶高清数字电视通常由数字电视接收通道、模拟电视接收通道、音频信号处理放大通道、视频信号输入处理及显示输出通道、微控制系统以及电源系统组成。

数字电视接收通道由调谐器接收数字电视信号,将数字中频信号输出到数字电视信号解调单元,解调出数字信号,经过误码修正(FEC)、解密(DES)、解复用(Demux)、MEPG-2解码,一路输出解压后的标准的数字视频分量信号到视频信号处理及显示输出通道,另一路输出解压后的数字伴音信号(I2S)到音频信号处理放大通道。数字电视接收通道决定了数字电视接收的主要性能指标,诸如接收灵敏度、对应载噪比的误码率(BER vs. C/N)、干扰抑制、回波抑制、I/Q不平衡等。在设计中,应特别关注其中的ADC、滤波器、放大器、时钟电路。

模拟电视接收通道由调谐器接收模拟电视信号,将模拟中频信号输出到模拟电视信号解调单元,一路解调输出复合视频信号经视频解调将标准的数字分量信号输出到视频信号输入处理及显示输出通道,另一路解调输出音频信号或伴音第二中频信号到音频信号处理放大通道。PAL/SECAM/NTSC 3D亮色分离技术的应用实现了完全的亮色分离。

音频信号处理放大通道由音频信号处理及音频信号放大单元构成,负责电视伴音解调、I2S数字伴音变换、环绕声处理、音频控制及放大输出。SRS、杜比环绕、自动音量调整(AVL)、多段均衡、伴音延时、I2S信号(来自HDMI和数字电视伴音)接收等都是液晶数字电视常用的音频处理技术。

视频信号输入处理及显示输出通道由YPrPb/VGA输入、HDMI输入、视频信号处理、图像显示处理、LVDS输出和液晶屏构成,承担标准分量信号的输入变换、图像处理及质量改善、图像显示格式变换控制以及LVDS调制输出等任务。而图像噪声检测及自动3D图像降噪技术、带运动预测和补偿的去隔行变换(De-interlacer)技术及图像质量改善技术(LTI、CTI、对比度加强、清晰度加强、多维色彩修正、GAMMA校正)的应用又确保在液晶屏上显示出完美的图像。

目前液晶高清数字电视解决方案可分为数字电视接收嵌入式(add-on)解决方案和单芯片解决方案。其中,嵌入式解决方案是在已有的模拟液晶电视基础上附加数字电视接收功能,数字电视接收通道经MPEG-2解码及编码后输出分量视频信号(YPrPb),再输入到模拟液晶电视单元,构成完整的数字高清液晶电视。现在的数字电视接收嵌入式解决方案成熟度高、开发周期短,但总体成本偏高,系统设计及图像处理显示性能不够优化。

而单芯片解决方案则是以包含MPEG解码、复合视频信号解码、视频信号处理、图像显示处理以及微控制单元的单芯片为主构成。这种方案内置3D梳状滤波器和图像加强等高性能处理系统,具有集成度高,成本低的优点,但开发技术难度大,开发周期长,成熟度有待提高。不过,随着集成度、成熟度的不断提高,单芯片解决方案将成为未来液晶高清数字电视的主导方案。

 

ST的液晶高清数字电视解决方案

意法半导体(ST)的液晶高清数字电视解决方案包括数字电视接收嵌入式解决方案及单芯片解决方案。

由图2所示的数字电视接收嵌入式解决方案框图可看出,数字一体化调谐器包括数字射频频率调谐和信道解码两部分,从接收到的数字电视射频信号解调输出标准的MPEG传输码流信号。未特殊加密的MPEG码流直接输入到ST数字电视信号解码芯片中进行处理;对于特殊加密的MPEG码流,首先输入到CI卡回路进行解密,再将码流直接输入ST数字电视信号解码系统芯片进行处理。经ST数字电视信号解码系统芯片的MPEG解码和信号编码,AD变换输出模拟YPRPB和立体声音频信号,到已有的模拟电视系统显示数字电视图像,从而构成完整的液晶高清数字电视。

以下是ST数字电视信号处理解码芯片的主要功能及特点:

高性能200MHz 32位CPU内核;

2路串行或并行码流输入,1路双向码流接口,共计3路码流接口;

可编程传输接口(PTI):适于DVB、ATSC、OpenCable、DIRECTV的传输码流解复用,集成DES及DVB解扰;

一路MPEG-2高清解码;

模拟RGB或YPRPB输出,1080I、720P、480P、480I;

模拟PAL/NTSC复合视频信号(CVBS)和亮色(YC)信号输出;

内置基于位图字符(OSD)发生器;

一路数字音频解码,可实现MPEG-1、MPEG-2、MP3、AAC和AC3解码;

5.1声道数字伴音转换为两声道输出;

两路24位DAC输出模拟音频信号,一路S/PDIF数字音频输出。

图3:液晶高清数字电视单芯片解决方案。

 

图3是液晶高清数字电视单芯片解决方案框图。ST数字电视单片系统芯片及附带的FLASH/DDR SDRAM存储器,外围的数模一体化调谐器、模拟开关芯片、HDMI/YPrPb/VGA输入处理芯片、液晶屏、伴音处理芯片、音频放大电路、扬声器、CI卡电路,以及键盘/遥控接收,共同组成液晶高清数字电视接收系统。

这种数字电视单芯片解决方案可方便地实现目前所有数字/模拟标准信号的接收处理(当然,对于地区的不同接收制式标准应选用不同的接收前端),以及对HDMI、高清YPrPb和VGA信号的接收处理。在图像处理显示方面,该方案具有3D NTSC/PAL/SECAM亮色分离单元,加强边沿细

化的带运动补偿的去隔行变换处理,以及应用3D降噪、对比度加强、色空间修正等高性能的视频处理技术,能支持到最高标准1080P的显示,可方便地实现PIP、PAP、POP显示。在音频处理方面,该方案实现MPEG1、MPEG2、AC3、MP3的数字伴音解码和AM-FM MONO、NICAM、BTSC、Zweiton等模拟伴音解码,可调整大范围伴音延时以确保伴音与图像同步,可进行杜比、SRS、ST环绕声处理及五段均衡处理。

以下是ST液晶高清数字电视单芯片的主要功能及特点:

高性能32位CPU(266MHz,480MIPS),DDR333存储器接口,运行实时操作系统;

两路带有3D梳状滤波器的NTSC/PAL/SECAM数字彩色解码器;

两路高清晰视频图像处理单元:12位视频处理,3D亮度/色度带运动补偿的降噪处理,具有加强边沿细化的带动态补偿的隔行到逐行变换处理,灵活的水平/垂直方向的缩放处理,高性能的图像质量改善处理;

高清PIP,PAP和POP;

两路具有DES,DVB和MULTI2解扰的传输码流解复用;

两路DVB-CI和CableCARD接口;

两路标清(SD)或一路高清(HD)MPEG2解码;

两路24位音频处理DSP,实现MPEG1、MPEG2、AC3、MP3解码;

基于位图的OSD;

丰富的DTV机芯控制接口:I2C、GPIOs、ADC、PWM等;

最高可达1080P的显示输出;

90纳米的芯片工艺技术,实现低功耗、高可靠性。

随着数字电视的快速发展,会出现适应市场不同需求的高、中、低档数字电视芯片方案。集成度更高、性能功能更加优化、性价比更高的低成本数字电视芯片方案,以及高集成度、高性能、具有数字化家庭娱乐中心功能的高档数字电视芯片方案将成为液晶高清数字电视系统芯片的两大发展方向。


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