高清数字电视音视频及电源设计技术

标签：ADC  SDTV

无论由摩尔定律或消费需求驱动，在当今电视中所需要的性能水平可能似乎是势不可当的。

与标准清晰度电视格式(SDTV)相比，具有1080像素的高清晰(HD)格式的数字电视所驱动的数据量要大6倍，它要管理数字电视、IPTV、视频会议广播及处理杜比AC-3、MPEG和其它音频格式，这些功能都成为了数字电视(DTV)必须具备的功能。

从对音频、视频和输入信号格式的最高要求来说，存在若干可供选择观看的选项：正投、背投、DLP、LCD、等离子和CRT。无论是在嵌入到手表中的1英寸的显示器上观看电视，或是采用投影系统的显示屏在整块墙壁上观看电视，对尺寸和性能的组合要求几乎是无穷无尽的。

数字电视基础

即使目前在货架上的每一台电视可能从大小、外观、形状因子和销售人员给你的基本描述来看都非常不同，但是，当你考察其内部的时候，电视的基本构造模块都是非常相似的。

一般来说，数字电视可以被分解为不到10个主要的模块：显示器(和驱动器)、核心媒体引擎、音频编解码和处理、视频编解码和处理、调谐器、接口模块和电源。对每一个模块的绝对性能要求由你最喜欢的座位的舒适体验的性能水平来定义。

下图为典型的数字电视系统方块图。

图1：典型的数字电视系统方块图

在图1中，我们给出了HDTV的基本方框图，我们在功能方块图层面已经加以考虑。开发屏幕后面的电视机系统需要采用许多工具，它们都可以从各类企业获得。然而，在把来自不同元器件供应商的解决方案整合在一起的过程中，既要加快设计周期以缩短产品上市时间，又要确保兼容性，那么，这种要求就会成问题。无论是采用DLP技术、基于DSP的数字媒体处理器、其它的核心处理解决方案或一些其它的高性能模拟元器件，都需要为快速演进的数字电视市场设计出高度集成、灵活且便于使用的数字电视机。对于融合的应用来说，把高性能音视频CODEC、图形加速、通信和支持功能设计到家庭娱乐体验系统之中是至关重要的。

视频设计

消费者常常在观看电视的时候，对视频体验提出非常高的要求。正因为如此，分辨率、亮度、对比度和清晰度对看起来的“逼真”体验有着重要意义。对于电视机来说，支持多种ATSCTDV格式、NTSC和PAL解码、复合及S-Video输入和二维滤波都是至关重要的。随着高清晰电视的发展，以配备三维滤波的1080i分辨率支持全高清将是标准的配置。在接收如图1所示的视频信号链的过程中，重要的是选择具有混合各种性能的能力的视频解码器、模/数转换器(ADC)和视频缓冲器，以便于你能够根据系统的成本目标调节性能。

图2：视频解码器的数据流路径

图2所示为视频解码器的数据流路径，它负责处理NTSC、PAL、SECAM、S-Video、SCART、YPbPr、RGB、480p和其它输入格式。在数字电视中，对这种级别的灵活性的支持是必需的，完全是为了让一个机型经过实际设置可以工作于任何格式。数字电视解码器的典型性能特征包括：同步、消隐、场、有源视频窗口、水平和垂直同步、时钟、同步锁相(用于下行视频编码同步)、主CPU中断和可编程逻辑I/O信号。这是对数字视频输出以及用于先进的垂直消隐期(VBI)数据恢复的补充。作为一种附加功能，一些视频解码器支持VBI数据处理器(VDP)在文字电视广播、传送字幕(CC)和其它VBI数据上进行数据分片、解析和执行误码校验。内置的FIFO存储多达11行文字电视广播数据，而适当的主接口同步及全屏幕文字电视广播恢复是当今系统中的几个常见要求。然而，一些实现方案需要一种解码器，它能够为基于主CPU的VBI处理提供速度为已采样原始亮度数据两倍的输出格式化数据。

对于信号链中的ADC来说，个人电脑和HD视频输出要求其具有改进的抖动减低性能、在视频系统中的较高图像品质并能够支持日益增长的带宽需求。在数字电视实现方案中，一个8/10位三ADC通常提供165Msps的采样率，从而提供丰富的视频性能，并且也是商用投影仪、电视和机顶盒的理想选择。

最后，要把视频信号链的输出分辨率与显示器的性能及输入信号的分辨率匹配，从而优化视频的设计。在低分辨率的CRT电视时代，采用较低性能的前端可能一直都是可以接受的，但是，利用当今的高分辨率显示器，在模拟前端中的任何噪声或不规则信号都将清晰地显示在数字电视的屏幕上。

音频设计

过去，消费者可能要把电视连接到他们的家庭音频系统来增强音频体验，特别是在观看电影的时候。随着音频解决方案的进步，有可能把电视与家庭立体声分开放置在两个不同的地方，特别是对安装在墙壁上的数字电视，这就驱使人们把先进的音频解决方案直接集成到数字电视之中，以提高性能。但是，无论驱动表面扬声器或传统的扬声器，音频信号链在最大化音频体验中都是至关重要的。为了实现音频品质的进一步差异化，必须在数字电视中采用音频处理。音频处理使像电影、新闻和音乐这样的标准声音模式成为可能，此外，还有诸如环绕声虚拟、重低音增强和其他著名的音频算法之类的先进音频功能。

在音频解决方案中进行折衷与音频处理性能、音频输出功率、热耗散和整体的功耗有关。传统的音频方案由两到三个受AB类音频功率放大器驱动的扬声器构成。然而，相对于它的整个音频输出而言，AB类放大器的工作固有地生成大量的热。这些积聚起来的高温因为需要大的散热片来散发热量，所以，在大多数薄形状因子的平面电视中禁止采用AB类放大器。为了解决这个问题，业界采用了D类放大器技术(图3)。目前，输出场效应三极管(FET)可以在截止区与饱和区之间切换，从而提供比AB类放大器更高的效率。现有的音频解决方案容许你完全利用数字信号路径。这不仅仅最大化音频效率，而且，它们也提供有效的处理和大于110dB的信噪比(SNR)。

图3：D类放大器的基本拓扑

接口设计

由于人们越来越多地要求把数字电视变成家庭通信门户，数字电视和机顶盒除了基本的音频和视频接口之外，还要继续添加接口，其中，包括支持VGA、分量视频输入(并且常常是输出)和甚至HDMI;然而，数字电子也可能支持诸如DVI、S-Video、IEEE1394、USB和LAN连接这样的附加接口。此外，随着不同低功耗无线接口技术的快速普及应用，从遥控器到卫星扬声器的每一台设备都可以方便地与数字电视通过无线电完全地实现通信。

电源设计

在电视中的大多数功能模块中，包括为数字电视本身创建主电源的AC/DC转换器，都需要一种特别的电源方案，如用于DLP灯、LCD偏置、或显示器的背光电源、主处理器的核及I/O、DDR存储器以及用于调谐器和视频/模拟信号链的电源。图4所示为数字电视的基本电源分配流程。

图4：典型的数字电视电源需求

在这个节能的时代，政府持续地制定新的政策并收紧现有的计划，以覆盖消费电子产品的待机功耗和效率问题。目前，管理电视的所有计划都是自愿的，但是，强制要求的前景迫在眉睫。例如，为了接受能源之星认证，数字电视在待机模式下不能消耗超过3瓦的功率。利用功率因素校正(PFC)和绿色模式回扫转换器可以在待机模式中保持功耗最小，市场中已经出现了若干新的解决方案。在轻载情况下，具有突发模式操作的电源转换器为待机期间的PFC控制器提供一个关闭偏置电源的信号，因而是这种应用的理想选择。跟整个系统的性能相比，关于利用分布式电源总线或本地负载点电源的决策同等重要。

本文小结

不论高清电视是否继续沿着我们以前所看到的路线发展，或者跳跃到一条新的发展路线—在此的新解决方案要求你把三维全息图像投影到房间的中间，为了最优化整个数字电视的成本和性能，当针对数字电视中的任何模块作出设计决策时，要从整个系统的要求出发来考虑。较低端的电源方案会把噪声留在信号路径中，然后，由模拟前端(AFE)来补偿。同样地，附加在高分辨率显示器上的性能较弱的AFE就不能完全发挥所选择的显示技术的优势。为了最大限度地提高当你坐在数字电视面前时的体验效果，系统中每一个模块的互操作性绝对是关键所在。