Advantiv先进电视解决方案应对数字娱乐系统设计挑战

作者：ADI公司    来源：电子工程专辑

欢迎访问e展厅 展厅 1 电视机/机顶盒/投影机展厅 数字电视/智能电视, 机顶盒, 广告播放机... 在过去十年中，电视经历了重大的变革。受到正在进行中的数字化革命和HDTV(高清晰度电视)标准的驱动，电视性能出现了一次巨大的飞跃。基于传统模拟标准的电视一直使用480i格式来传输720H×480V的隔行图像，这只能带来传统电视的视觉体验，直到最近情况才发生改变。今天，电视正迅速转向1080p的标准，该标准定义了能传输极其逼真的高清视频的1920Hx1080V图像。 音频的“音景”也在迅速改变。虽然目前的家庭影院系统只提供高保真度的杜比数码环绕5.1声道音效，但是未来系统将能支持7.1声道的音频。高清音频首次能够把演播室主持人的声音“一位不差”地传输到用户的音频设备里。音频和视频处理技术的这种革新会极大地耗用用于把家庭娱乐系统各个部分连接起来的多媒体接口的性能，无论这些接口是集中在一个机柜内，还是分布在住宅各处。这就促成了新标准的出现，这些标准旨在改进接口和电缆质量，以确保高清声音和图像能够同步，并使用户能更方便地配置高清系统。 能进一步增强性能的技术已经崭露头角。下文将分析ATV(先进电视)在视频、音频和互联设计方面的发展趋势，研究其发展给用户娱乐体验所带来的影响，并探讨ADI的解决方案如何应对下一代ATV设计挑战。 信号处理能力决定ATV体验 具讽刺意味的是，所谓的“数字电视”革命一旦离开了同步进行的模拟信号处理，革命就不可能进行。现有的高清电视的定义是指它们能够清晰传送引人入胜的数字图像和声音，而多媒体用户一直所期待的体验品质则直接取决于模拟信号的捕获、数字化处理和回放等操作的好坏。换句话说，能否提供具有家庭影院效果的娱乐内容，很大程度上取决于系统设计人员应对模拟和混合信号方面众多严峻挑战的能力。 模拟技术定义数字电视 通过自己的Advantiv先进电视解决方案组合，ADI公司向业界提供了范围最广泛的高性能IC系列，以解决数字电视和家庭娱乐系统所面对的模拟和数字视频处理、音频处理以及互连性方面的挑战。 视频处理 在过去几年里，电视视频质量的进步和对视频带宽的需求增长相当惊人。480i 模拟系统仅仅需要6 MHz的带宽，而现在1080p兼容系统可传输1920H x 1080V图像，其所需数据速率达到了148.5MPPS(百万像素/秒)。这能带来更逼真的图像；与隔行扫描相比，逐行扫描需要数据速率加倍，但这使图像动作平滑得多，伪影大大减少。 色深方面也同样取得了很大的进展。目前大多数高清电视都具有8位色彩(即构成像素的三种颜色分别都有219个亮度色级)。新“高彩(deep color)”视频标准的出现把分辨率增加到了每种颜色3504色级(使用12位色彩)。而更新的被称为“xvYCC”的色彩空间，则可将之提高到每种颜色全4096色级，从而可为用户提供空前逼真的图像。当然，这也会使得住宅各处传送的数据量增加18倍以上。AVT设计人员必须解决的问题是，怎样以一般用户能够负担的价格提供这些鲜活的高品质图像。 为了应对数据速率的飞速增长，ATV行业必须运用视频压缩技术。尽管可用的视频压缩编解码器(CODEC)种类越来越多，但是它们一般都基于离散余弦变换(DCT)，利用帧间运动估值实现更高的压缩。这些编解码器件(比如MPEG-2, MPEG-4, H.264, AVC等等)是非常有效的，但是它们在压缩方面的计算工作量极为庞大。效率的获得并非毫无代价。不过这个代价对电视节目和电影的无线传送、卫星、有线或DVD节目的传送而言还是值得的，在这些环节中可用带宽受到严格限制，而应用是“一次压缩，多次解压”。 然而，未来家庭娱乐系统的环境与上述环境不同。届时利用现代射频、同轴电缆、网络和电力线传输，可获得大得多的带宽；一般传输的是超过100Mbps的信号。同时，有许多应用需要对住宅中的高清信号源进行实时、低成本的压缩。基于DCT的帧间压缩对并不适用于这一任务。 ADI公司一直是基于小波技术的全新压缩算法的先驱者。ADI公司于1993年开始这项工作；该方案在这个十年底由JPEG委员会制定为规范并命名为JPEG2000。现在，国际公认的JPEG2000技术在分层和多步组合中运用了二维滤波和二次抽样。这带来诸多优势，包括：无需后期解压处理的图像可分级性能力，对传输误差的鲁棒性和抗扰性，极低的压缩和解压延迟，低成本的压缩硬件。 1996年ADI推出了其首款基于小波算法的视频压缩IC。从那时起，该公司开始使用Wavescale压缩技术，并成为JPEG2000压缩元器件的领先开发商，现在ADI为数码电影倡导联盟(DCI)里的好莱坞电影制片厂提供数字压缩技术，力图在全世界用电子形式发行电影，取消电影胶片的生产和运输。最近，ADI开始把同样的数字压缩技术运用到高清多媒体接口(HDMI)系统上,以期在住宅内实现高清品质的视频无线传输。在不久的将来，通过ADI的Wavescale压缩技术，用户无需费钱费力在住宅里每一个房间布设电缆就可以在家中任何地方欣赏到同样高品质的高清图像。 ATV设计人员在视频领域中面临的第二个挑战是实现与现今高清系统仍支持的各种类型传统信号的兼容。例如，许多用户想重温老电影，他们可以利用VHS(家用录像系统)磁带或在新的高清电视上使用老式DVD影碟机进行播放。但是许多传统的标清视频源品质不高，用27寸的标清显示屏播放时，效果还差强人意，一旦改用50寸的高清电视，就很糟糕了。高性能的模拟信号处理的基础是高分辨率的数据转换，而视频滤波方面的技术进步在如下方面发挥着重要的作用：弥补这些技术之间的差距，让用户能够利用高清电视系统来欣赏来自各种信号源的内容，把干扰伪影减至最少。 为解决这个问题，ADI公司开发出了大量视频元器件，作为Advantiv解决方案组合的一部分。该公司提供有一个广泛的视频编码器和解码器IC系列，它们能够自动完成用于数字显示器的SDTV、EDTV、 HDTV和PC-RGB信号的数字化和转换，并且满足专业和工业应用中关于视频的传输、重新分发、编辑和存储的各种视频标准。ADI的视频编解码器同时为设计人员提供了高性能和灵活性，支持许多符合国际SDTV和HDTV标准的模拟信号格式。 音频处理 设计人员在搭建与高清图像的品质和清晰度相匹配的音频系统方面，也面临着多方面的挑战。现在，通过数字广播或者连接到DVD播放器、最新一代高清播放器的HDMI，电视的音频信号源能够提供高分辨率、高采样速率的多频道节目。同时电视很大程度仍然是作为一个立体声音响设备来使用，它需要进行一些灵活的音频后期处理，以确保使用两只扬声器来产生环绕立体声效果。环绕立体声的虚拟处理和传统立体声内容的空间化处理(空间扩展)技术，正在越来越多地应用于高清电视系统中，以改善用户的听觉体验。 同时，平板高清电视越来越紧凑的外形给电视设计人员带来了另外的困难。薄的机箱外形必须使用小而薄的扬声器，而这种扬声器很可能无法有效地复现出现代电影音响效果和流行音乐中频繁使用的低音(贝斯)部分。为了弥补这种缺陷，需要进行额外的音频处理来动态增强低频音效。传统的线性放大器不能应用在现代的平板电视上，这是因为它们需要巨大的散热器。平板电视需要那种对散热要求不高或无需散热的、效率更高的放大器。对提高效率的需求正好也顺应了电视无论在开机还是待机都要保持低功耗这一“绿色环保”发展趋势。 ADI公司的电视音频处理器(TV audio processors)能够通过软件进行优化，以用于不同的扬声器和外壳组合。这些处理器广泛支持各种音效增强算法，包括那些来自于著名的第三方供应商的算法，从而使电视音响系统适用于现有的多频道高分辨率音频信号源。因为紧凑的外形空间限制了平板高清电视，故ADI的音频线路使用D类放大器，这类放大器在工作时只需小尺寸散热器或无需散热器。 互连性/兼容性 为了规避传统的模拟A/V连接器的性能限制，许多领先的电子制造商在2002年联合起来，推出了全新的、被称为HDMI的数字互连。由于取消了压缩和模数转换，HDMI允许音频和视频信号在从输出设备到显示设备时保持数字形式，在处理过程中保存源信号的原始品质。而且，新的互连标准在传输高清视频、多频道音频、智能格式和命令数据时，用单根电缆替代八根音频和五根视频电缆，因此大大降低了布线方面的复杂性。 最新版本的接口标准HDMI 1.3，进一步增强了这方面的性能。它能够表现更多的灰度级，支持更高的对比度，并可通过消除由颜色级差引起的屏幕条来保证色调的细腻过渡，因此可以让设计人员搭建出视频精度水平更高的系统。HDMI 1.3标准使单链路带宽提升到10.2Gbps。它还提供了对深色——30 位、36位和48位——以及新的xvYCC色彩空间的支持选项。系统的音效也得到大幅度的改善，而且还支持各种无损压缩格式，如许多高清DVD和蓝光光盘上采用的 Dolby TrueHD和DTS-HD。 此外，设计人员在使用功能日益强大的接口时仍然必须处理一系列的障碍。产品的兼容性就是一个问题，虽然兼容性测试已开始处理对确定互操作性的需求问题。HDMI的传输长度一般被限制在10到20米内，因此对更长距离的电缆传输的支持也是一个要解决的问题。由于HDMI能支持大带宽数字内容保护(HDCP)和消费电子控制(CEC)标准，因此将会在未来家庭影院设备的设计中扮演重要角色。为确保对内容的保护，好莱坞的电影制片厂要求所有新的高清DVD都必须加密，仅供有带有HDCP功能的DVD播放器和高清电视使用。CEC允许用户只使用单个遥控器来操控高清电视、DVD影碟机、高清摄像机和其它兼容设备，从而可减少要兼顾多个遥控器和菜单所带来的杂乱无序。 ADI能够提供种类繁多的HDMI IC来帮助设计人员解决上述问题。ADI的HDMI 1.3兼容多路复用器、接收器和收发器支持1080p高清电视、数字视频和数码相机、便携媒体播放器和蜂窝手机等应用中新级别图像质量的传送。Advantiv生产线使用行业一流的缓存多路复用器来支持在HDMI 1.3标准中定义的1080p高彩技术。这种新的多路复用器还使用了专用均衡技术，使得HDMI 1.3兼容电缆的信号传输距离超过20米。最近，ADI公司利用自己的视频压缩技术开发出了第一款用于无线连接的HDMI解决方案，在家庭影院设备摆放位置方面给用户以更大的灵活性。ADI还推出了业界第一款提供片上CEC支持的HDMI发射器，从而使高清电视和家庭影院设备的使用更加简便。 本文小结 ATV的时代已经来临。市场分析公司DisplaySearch预测，高清电视市场将在今后五年里增长65%，同时高性能的ATV的价格还会下降。为了刺激增长，ATV的设计人员必须设计出高性能的电视和辅助设备，包括数字视频录像机(DVR)、音频/视频接收器(AVR)、高清视频摄像机和机顶盒，以满足用户对于在下一代家庭娱乐系统中体验到鲜活图像和强劲音效的期待。ADI公司拥有覆盖面宽泛的ATV产品、解决方案和设计支持能力组合，正在为那些面向ATV市场优化下一代设备的设计人员们提供所需的构建模块和系统方面的专业支持。 (end)

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