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手機(jī)電視的技術(shù)
[ 通信界 / 羅 霖 / www.6611o.com / 2006/8/9 22:34:12 ]
 

羅 霖

一、前言

  在手機(jī)業(yè)界有這么一個(gè)說法:“去年是拍照年,今年是音樂年,明年是電視年。”移動(dòng)電視目前已成為手機(jī)產(chǎn)業(yè)的熱門話題。根據(jù)歐洲、美國和日本對(duì)下一代通信業(yè)務(wù)的調(diào)查顯示,用戶對(duì)手機(jī)電視業(yè)務(wù)非常有興趣,有40-60%的用戶希望可以在手機(jī)上收看電視,愿意每個(gè)月支付10歐元。到2008年,全球?qū)⒂写蠹s2億用戶使用此項(xiàng)服務(wù),而亞洲將成為手機(jī)電視最流行的地區(qū)。

  本文將介紹手機(jī)電視的相關(guān)技術(shù),同時(shí)也將探討手機(jī)電視的一些解決方案。

二、手機(jī)電視面臨的問題

  1.惡劣的無線接收環(huán)境

  無線接收環(huán)境帶來了多徑問題,接收信號(hào)是來自不同路徑的發(fā)射信號(hào)的矢量疊加。不同的路徑引入了不同的延遲和相位,如圖1所示。


圖1 無線信道中的多徑傳播


  如果信道的延遲擴(kuò)展大于發(fā)送信號(hào)的符號(hào)周期,信號(hào)將產(chǎn)生頻率選擇性衰落并引起符間干擾,導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降。

  手機(jī)電視業(yè)務(wù)必須為以不同速率運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)用戶提供高質(zhì)量和可靠的視頻傳輸,包括基本靜止的室內(nèi)用戶,低速跑動(dòng)的移動(dòng)用戶(小于30km/h)和處于高速運(yùn)動(dòng)的車輛中的用戶(大于100km/h)。接收方相對(duì)于發(fā)送方的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。此頻移與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比,它會(huì)導(dǎo)致相鄰載波的干擾,影響載波之間的正交性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者希望解調(diào)器具有較大的多普勒頻移范圍,它是衡量無線電信道時(shí)間選擇性的尺度。

  2.手機(jī)的功耗問題

  在手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,功耗是設(shè)計(jì)者最為關(guān)心的因素之一。移動(dòng)電視業(yè)務(wù)的引入不能以過多地犧牲待機(jī)時(shí)間為代價(jià),用戶希望一次充電能連續(xù)觀看4個(gè)小時(shí)以上的電視節(jié)目。以往的地面數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn),比如DVB-T,雖然在高速運(yùn)動(dòng)下有不錯(cuò)的接收性能,但并沒有為移動(dòng)接收的功耗作特別的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,目前較省電的DVB-T前端也要消耗約300-500mW的功耗,這對(duì)手機(jī)電池而言,還是不夠經(jīng)濟(jì)。在移動(dòng)電視業(yè)務(wù)給手機(jī)引入的功耗中,接收前端大約要占到80%的比例,因此,選擇針對(duì)功耗專門設(shè)計(jì)的移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)低功耗的調(diào)諧器和解調(diào)器,是芯片設(shè)計(jì)者需要面對(duì)和解決的問題。

  3.多種標(biāo)準(zhǔn)、多個(gè)頻段的問題

  這是個(gè)較為復(fù)雜的問題,超越了純粹的技術(shù)范疇,與數(shù)字電視演進(jìn)的歷史和各國的政策規(guī)劃相關(guān)。在地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)方面,美國和韓國是ATSC標(biāo)準(zhǔn),日本采用了ISDB-T標(biāo)準(zhǔn),歐洲和澳洲采用了DVB-T,中國的標(biāo)準(zhǔn)至今尚未確定。在制定移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn)時(shí),基于經(jīng)濟(jì)利益和技術(shù)延續(xù)性方面的考慮,各國也采用了不同的路線,大致的分布如圖2所示。


圖2 全球范圍的移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn)的地理分布示意圖


  在頻譜方面,主要涉及到四個(gè)頻段:VHF III(174-240MHz)、UHF(470-862MHz)和L1(1452-1492MHz)、L2(1660-1685MHz)。各國對(duì)手機(jī)電視的頻譜規(guī)劃也并不統(tǒng)一。

  多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段會(huì)帶來全球漫游的問題,美國的用戶到了日本就可能無法享受到手機(jī)電視的服務(wù)。要解決這個(gè)問題,移動(dòng)接收的調(diào)諧器和解調(diào)器,乃至應(yīng)用處理器必須具備靈活性,支持多種標(biāo)準(zhǔn)和多個(gè)頻段,這為芯片廠商帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

  4.高級(jí)的音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)

  為了充分利用寶貴的頻譜資源,在有限的帶寬下提供盡可能多的節(jié)目頻道,服務(wù)提供商必須使用高級(jí)的音視頻編碼技術(shù),比如最新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264(MPEG-4 Part 10)和音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AAC,其中H.264的壓縮率比MPEG-2高出2-3倍,1Mb/s的圖像數(shù)據(jù)接近MPEG-2DVD的圖像質(zhì)量,因此,它是手機(jī)電視中最為理想的信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.264在結(jié)構(gòu)上還是基于DCT域的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償架構(gòu),不過相比以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),它采用了更先進(jìn)的技術(shù),比如具有方向性的幀內(nèi)預(yù)測、基于可變塊的運(yùn)動(dòng)分割、基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼、環(huán)內(nèi)濾波、基于4×4塊的整數(shù)變換、1/4象素精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、分層的編碼語法等,這些技術(shù)使得H.264具有很高的壓縮效率,在相同的重建圖像質(zhì)量下,能夠比MPEG-4/H.263節(jié)約50%左右的碼率。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng),增加了差錯(cuò)恢復(fù)能力,能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

  編碼效率極大提高的代價(jià)是計(jì)算復(fù)雜度大大增加,基于軟件的解決方案,其CPU或DSP的主頻將大幅上升,導(dǎo)致功耗增加,縮短了電池的使用時(shí)間。基于硬件H.264解碼的SoC芯片,是一個(gè)低功耗、高集成度的解決方案。

三、手機(jī)電視的標(biāo)準(zhǔn)

  1.手機(jī)電視的兩種方式

  從目前全球范圍內(nèi)手機(jī)電視的業(yè)務(wù)開展來看,存在兩種最主要的方式:流媒體和廣播。

  為了開發(fā)手機(jī)電視的市場需求,部分電信系統(tǒng)商已經(jīng)開始在手機(jī)上提供電視收視的服務(wù),其中較為知名的有Huchison 3G以及最近的Orange、Vodafone與意大利電信(Telecom ltalia)等。這些服務(wù)和傳統(tǒng)電視并不相同,手機(jī)通過電信網(wǎng)絡(luò)(2.5G/2.75G/3G)連接到媒體服務(wù)器,采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流媒體方式播放,而非多點(diǎn)式的廣播。由于這些服務(wù)相當(dāng)容易導(dǎo)入,而且商業(yè)模式上比較簡單,容易運(yùn)作,目前在市場上也取得了一定的成功。事實(shí)上,這種方式的頻譜利用率并不高,雖然為網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商帶來不錯(cuò)的收益,但當(dāng)3G的使用越來越普遍后,利用大量頻譜提供廉價(jià)電視內(nèi)容的播放將會(huì)越來越不經(jīng)濟(jì),同時(shí)對(duì)大規(guī)模的商業(yè)運(yùn)營在技術(shù)上也相當(dāng)不實(shí)際。例如,3G用戶可以使用手機(jī)電視參看足球比賽的進(jìn)球集錦,假設(shè)一個(gè)基站有能力同時(shí)給100個(gè)用戶傳輸100kb/s的視頻流,這個(gè)視頻流在1000s內(nèi)通過10000個(gè)基站進(jìn)行傳輸,這時(shí)有100萬個(gè)用戶購買了這段進(jìn)球集錦,這樣每個(gè)基站必須在16-17min內(nèi)保持10Mb/s的傳輸數(shù)據(jù)率,在這段時(shí)間內(nèi)手機(jī)電視用戶的需求將耗盡3G網(wǎng)絡(luò)的全部資源,導(dǎo)致語音和其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無法開展。

  更有效地提供手機(jī)電視業(yè)務(wù)的方式是通過衛(wèi)星或地面數(shù)字廣播來進(jìn)行傳輸。根據(jù)手機(jī)電視業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送不對(duì)稱的特點(diǎn),在反向信道利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以開展交互式業(yè)務(wù),比如網(wǎng)頁瀏覽、短信、彩信、電郵等。利用廣播網(wǎng)絡(luò),避免了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單播方式帶來的頻譜利用率較低的瓶頸,能有效地降低大規(guī)模商用的成本。在韓國的商業(yè)運(yùn)營和在歐洲、美國等的試運(yùn)營,都論證了廣播方式在技術(shù)上的可行性和商業(yè)上的經(jīng)濟(jì)性。但是,由于廣播方式可能同時(shí)牽涉到電信運(yùn)營商和廣播網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商,商業(yè)模式上相對(duì)復(fù)雜,特別是在管制較嚴(yán)的國家受政策因素的影響較大,制約較多,給商用運(yùn)營帶來一定的難度。

  2.廣播方式的幾種標(biāo)準(zhǔn)

  a.歐洲的DVB-H標(biāo)準(zhǔn)

  DVB-H標(biāo)準(zhǔn)是歐洲的DVB組織推出的面向手機(jī)等小型移動(dòng)終端設(shè)備的移動(dòng)數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)。DVB-H是建立在DVB和DVB-T兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之上的標(biāo)準(zhǔn)。它的系統(tǒng)前端由DVB-H封裝機(jī)和DVB-H調(diào)制器構(gòu)成,DVB-H封裝機(jī)負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)封裝成MPEG-2系統(tǒng)傳輸流,DVB-H調(diào)制器負(fù)責(zé)信道編碼和調(diào)制;系統(tǒng)終端由DVB-H解調(diào)器和DVB-H終端構(gòu)成,DVB-H解調(diào)器負(fù)責(zé)信道解調(diào)、解碼,DVB-H終端負(fù)責(zé)相關(guān)業(yè)務(wù)顯示、處理。為了滿足手機(jī)電視的業(yè)務(wù)要求,DVB-H傳輸系統(tǒng)具有以下的技術(shù)特點(diǎn):

  (1)為提高電池的使用時(shí)間,采用了時(shí)間分片(Time Slicing)的技術(shù),利用數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸和緩沖的方法,終端周期地關(guān)掉一部分接收電路,可以節(jié)省多達(dá)90%的功耗,DVB-H的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸和緩沖見圖3:


圖3 DVB-H的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸和緩沖


  (2)支持漫游,漫游時(shí)仍能非常順利地接收DVB-H業(yè)務(wù);

  (3)使用了多負(fù)荷封裝和前向糾錯(cuò)編碼的技術(shù),使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力;

  (4)除了2K和8K模式,增加了4K模式,在移動(dòng)接收和建網(wǎng)成本之間進(jìn)行平衡;

  (5)系統(tǒng)能提供足夠的靈活性以滿足不同傳輸帶寬和信道帶寬應(yīng)用。

  b.韓國的T-DMB標(biāo)準(zhǔn)

  T-DMB是韓國推出的地面數(shù)字多媒體廣播系統(tǒng),從嚴(yán)格意義上講,仍然是歐洲的國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)建立在歐洲廠商開發(fā)的尤里卡147數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,在技術(shù)上作了一些修改,以便向手機(jī)、PDA和其它便攜設(shè)備播送空中數(shù)字電視節(jié)目。

  T-DMB系統(tǒng)包括1個(gè)DMB監(jiān)視系統(tǒng)、2個(gè)視頻編碼器、視頻網(wǎng)關(guān)和多路復(fù)用器,可以提供靈活的服務(wù),包括視/音頻廣播、單獨(dú)的交通/新聞/天氣頻道。T-DMB利用ITU-T H.264對(duì)視頻進(jìn)行編碼,利用MPEG-4 BSAC對(duì)音頻進(jìn)行編碼,然后利用MPEG-4同步層和MPEG-2傳輸流對(duì)視頻、音頻以及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,某些基本的模塊,比如前向糾錯(cuò)編碼和調(diào)制等,與DVB-H相似。

  T-DMB在韓國已經(jīng)步入商用階段。2005年3月,韓國已向T-DMB廣播運(yùn)營商發(fā)放了許可證。同期,歐洲的DVB-H標(biāo)準(zhǔn)剛剛開始進(jìn)行商用試驗(yàn)。

  c.高通的MediaFLO標(biāo)準(zhǔn)

  高通公司于2005年推出了MediaFLO標(biāo)準(zhǔn),這是手機(jī)電視標(biāo)準(zhǔn)中唯一的私有標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)BDA分析師稱,從純技術(shù)角度看,MediaFLO是專門為手機(jī)電視開發(fā)的系統(tǒng),在系統(tǒng)和終端表現(xiàn)上都優(yōu)于T-DMB和DVB-H,比如頻道切換時(shí)間和相同頻帶可容納的頻道數(shù)。但T-DMB和DVB-H現(xiàn)在的商用成熟度領(lǐng)先于MediaFLO,MediaFLO還缺乏成熟的產(chǎn)品,加之T-DMB和DVB-H是開放的標(biāo)準(zhǔn),支持的廠商眾多,而專利費(fèi)等因素有可能會(huì)制約MediaFLO產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

  d.小結(jié)

  這三種標(biāo)準(zhǔn)的未來發(fā)展將主要取決于廠商的推廣策略以及各自商用試驗(yàn)的進(jìn)展。這三種技術(shù)的比較如表所示。

表 三種標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)比較

類別

T-DMB

DVB-H

MediaFLO

系統(tǒng)

DAB(Eureka-147)

DVB-T

——

帶寬

1.536MHz

5MHz,6MHz,7MHz,8MHz

6MHz(可用5MHz,7MHz,8MHz)

頻道數(shù)量

每信道1個(gè)視頻和2-3個(gè)音頻頻道

最多30個(gè)視頻和15個(gè)音頻以及短格式視頻片段

40個(gè)視頻和10個(gè)音頻以及40個(gè)短格式視頻片段

頻譜

韓國VHF 174-240MHz/歐洲Band III 200MHz L-Band 1.4GHz

歐洲UHF 美國L-Band 1.6GHz

美國UHF 716-722MHz

傳送技術(shù)

OFDM(4K模式)

OFDM(2K、4K、8K模式)

OFDM(4K模式)

視頻編碼

H.264

歐洲H.264/美國WMV9

H.264

音頻編碼

韓國BASC/歐洲AAC+

歐洲ACC+/美國WMA9

AAC+

多路傳送

MPEG-2TS/MPEG-4SL

MPEG-2TS

MPEG-2TS/超幀

視頻格式

CIF 30f/s

QVGA 30f/s

QVGA 30f/s



四、頻譜問題

  目前,UHF頻段主要由模擬電視和數(shù)字電視所使用。在很多國家,一些專家認(rèn)為應(yīng)該將模擬電視的頻段拿出來用于發(fā)展數(shù)字電視。

  在大多數(shù)國家,L波段用于DAB和衛(wèi)星傳輸。但是,DAB在很多國家并沒有取得成功,發(fā)射裝置通常被關(guān)掉了。因此,在L波段有多達(dá)24MHz的頻率可以馬上投入手機(jī)電視的使用。例如,在美國,Crown Castle公司用1670-1675MHz的頻段來開展DVB-H的手機(jī)電視業(yè)務(wù)。

  一般會(huì)認(rèn)為,L波段的頻率較高,因此信號(hào)的衰減也較大。由此得出的結(jié)論是L波段的網(wǎng)絡(luò)成本較高,因?yàn)榘l(fā)射器之間的距離需要更近,所以需要更多的發(fā)射器。然而,這并沒有考慮到接收器的實(shí)現(xiàn)問題。

  UHF的主要問題是接收天線的尺寸。好的UHF天線需要10-20cm長,但是絕大多數(shù)的手機(jī)電視接收天線只有幾厘米長,與最優(yōu)尺寸的UHF天線相比,這會(huì)帶來7-10dB的損失。

  一般來說,空中的信號(hào)衰減可以用20log(f)來表示,這意味著在給定距離的條件下,L波段相比UHF波段大概有8dB的損失,這跟由于UHF天線尺寸的限制而造成的損失基本相互抵消了。從這個(gè)意義上,用L波段來開展手機(jī)電視業(yè)務(wù),與UHF波段相比,整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸性能并沒有明顯的下降。

  加之UHF V(598-862MHz)接近GSM 900頻段,會(huì)對(duì)GSM的無線接收造成影響。因此,在手機(jī)電視的接收端,需要設(shè)計(jì)一個(gè)GSM濾波器,除去這方面的影響,這會(huì)對(duì)調(diào)諧器的設(shè)計(jì)帶來一定的難度。

  根據(jù)以上的分析,用L波段來開展手機(jī)電視業(yè)務(wù),無論從頻率規(guī)劃,還是從接收技術(shù)而言,都是可行性較高的方案。

五、解決方案

  圖4為具有接收移動(dòng)電視廣播功能的手機(jī)架構(gòu)。該架構(gòu)由三個(gè)主要的子系統(tǒng)構(gòu)成:通信子系統(tǒng)、應(yīng)用子系統(tǒng)和移動(dòng)接收子系統(tǒng)。我們將重點(diǎn)討論關(guān)于移動(dòng)接收和應(yīng)用子系統(tǒng)相關(guān)的解決方案。


圖4 具備接收移動(dòng)電視廣播功能的手機(jī)架構(gòu)


  移動(dòng)接收子系統(tǒng)主要由接收天線、調(diào)諧器和解調(diào)器組成。這里不討論接收天線。調(diào)諧和解調(diào)有兩種方案:一種是兩者是分離芯片,另一種是單芯片集成。

  在早期,為了迅速推出方案,搶占市場,一些廠商選擇了分離方案。Freescale提供射頻調(diào)諧器,分別是針對(duì)UHF頻段(430~862MHz)的MC44CD0I/02和針對(duì)美國L波段(1.67GHz)的MC44CD03,再配上DiBcom公司的DIB7000-H芯片,它是全球首先量產(chǎn)、支持DVB-H移動(dòng)接收規(guī)格的解調(diào)器。

  Microtune公司也推出了分離方案。它的雙波段DVB-H調(diào)諧器芯片MT2260,采用集成設(shè)計(jì),無需外部低噪聲放大器(LNA)或平衡/不平衡變壓器,在觀看模式下的典型功耗為20-40mW。MT2260目前可接收到的頻段為美國的L波段和歐洲的UHF頻段(470-890MHz)。

  TI則采用了集成方案。它的Hollywood單芯片解決方案是業(yè)界首款采用標(biāo)準(zhǔn)90nm數(shù)字工藝、將移動(dòng)電視調(diào)諧器與解調(diào)器集成的芯片。其中,DTV1000和DTV1001是Hollywood單芯片系列的首批產(chǎn)品,支持開放的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),包括應(yīng)用于歐洲、美國及部分亞洲地區(qū)的DVB-H及應(yīng)用于日本的ISDB-T,另外,均具備可連接至TI OMAP系列應(yīng)用處理器的接口。

  以色列公司Siano Mobile的SMS1000屬于集成方案,包括SMS1001調(diào)諧器和SMS1002解調(diào)器芯片。SMS1000支持多種標(biāo)準(zhǔn)(DVB-H、DVB-T、T-DMB、DAB、EPM-DAB)和多個(gè)波段(VHFIII、UHF、L1、L2),提供了SPI、SDIO、USB 2.0、GSP接口。

  Philips采取了折中的SiP方案。Philips的BGT210和BGT211是低功率DVB-H前端芯片,BGT210服務(wù)歐洲市場,BGT211服務(wù)美國市場。芯片包含一片電視調(diào)諧器(TDA18281/2)、可編程通道解碼器/解調(diào)器(TDA10105)、源解碼器和完整的用于DVB-H傳輸控制、文件傳送和實(shí)時(shí)A/V傳送的軟件包。

  Samsung的DVB-H前端芯片組帶有Zero-IF(中頻)CMOS RF調(diào)諧器(S5M8600),以及符合DVB-H/T標(biāo)準(zhǔn)的信道解碼器(S3C4F10)、CPU和內(nèi)置式存儲(chǔ)器,它的應(yīng)用子系統(tǒng)也比較有特點(diǎn),采用了SC32442應(yīng)用處理器加上SA3A480 H.264解碼器的雙芯片方案。

  中國大陸的IC公司還沒有推出手機(jī)電視移動(dòng)接收的芯片。在應(yīng)用處理器方面,上海杰得微電子的Z228芯片已經(jīng)量產(chǎn),采用TSMC 130納米工藝,包含266MHz的ARM926EJ內(nèi)核和全硬件全雙工的MPEG-4 VGA編解碼器。杰得也將針對(duì)移動(dòng)電視市場,推出支持H.264解碼的應(yīng)用處理器。

六、結(jié)束語

  手機(jī)電視作為3G的補(bǔ)充,將會(huì)成為運(yùn)營商一個(gè)非常重要的增值業(yè)務(wù)。技術(shù)瓶頸的解決將促進(jìn)手機(jī)電視的普及。目前,已有眾多芯片廠商推出支持DVB-H、T-DMB、ISDB-T和MediaFLO等標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)接收芯片,一些多媒體SoC廠商推出支持高級(jí)音視頻格式的應(yīng)用處理器,這將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟,降低終端的成本,為手機(jī)電視的大規(guī)模商用創(chuàng)造有利條件。  

 

作者:羅 霖 合作媒體:世界寬帶網(wǎng)絡(luò) 編輯:顧北

 

 

 
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