移动电视系统设计挑战及解决方案大扫描

移动电视是指采用数字广播技术播出，接收终端一是安装在公交汽车、地铁、列车、出租车、私家车等交通工具上的车载移动电视，二是手机、PMP、笔记本电脑、超便携PC等便携式设备，以满足移动人群的收看电视节目需求的电视系统。        针对车载移动电视应用的地面传输数字电视标准主要包括DVB-T、ATSC和ISDB-T。DVB-T标准主要集中在欧洲，ISDB-T只有日本采用，ATSC主要分布在北美。中国地面传输标准基本确定，但真正实施尚待时日。目前，中国的数字电视地面传输标准中已进入产业化的有清华大学的DMB-T、上海交大的ADTB-T、广播科学研究院(广科院)STiMi以及欧洲的DVB-T。中国约有43个省市已开播或试验了地面传输移动电视，在这些地区中以采用清华的DMB-T与欧洲DVB-T标准最多，采用上海交大ADTB-T标准的仍以上海为主。
       实现传输手机电视节目网络有两种，一是基于移动通信网络，二是基于广播网络。这两种手机电视各有优劣，移动通信网比较方便提供个性化的服务，但它的带宽有限，成本较高。广播电视网络的发展要先于移动通信网络，但它的最大问题可能就是多种标准的争纷不断。目前全球主要的手持设备电视广播标准包括欧洲的DVB-H、韩国的T-DMB、日本的ISDB-T、美国高通的Media FLO。
       中国的手机电视标准有多样化趋势，包括国家广电总局推出的行业标准CMMB(STiM是其核心)、北京新岸线公司的T-MMB、清华大学的DMB－T/H、华为提出的CMB、通信广播标准化委员会提出的CDMB以及欧洲标准DVB-H、韩国标准T-DMB和高通的MediaFLO。由于现在还不能确定哪种(或哪几种)标准会成为中国的手机电视标准，所以手持电视方案提供商仍以多模多频段寻求切入点。
       表1列出了主要的移动电视标准及其主要特性。从目前提供的前端解决方案来看，以支持DVB-H标准的半导体公司最多数，包括如Freescale、TI、Microtune、Samsung、Broadcom、DiBcom、Frontier Silicon、Siano Mobile、Newport Media、NXP等。支持T-DMB标准的厂商主要有Frontier Silicon、Sinao、Newport Media、卓胜微电子等。支持ISBD-T的厂商主要是一些日本厂商和TI、Newport Media和高通等公司。支持MediaFLO的厂商有高通、Newport Media等。
  表1：主要的移动电视标准及其主要特性。        本文将重点讨论移动电视系统的设计挑战以及设计方法和技巧，并全面介绍主要半导体厂商的移动电视方案，包括调谐器、解调器、媒体处理器以及单芯片和多芯片的整体方案。
      手机电视系统：功耗、接收灵敏度、移动速度限制是三大难点
      从最早期纯粹具备语音通信功能到能播放MP3音乐、视频录放、百万像素拍照、再到目前最流行支持双模/多模、GPS定位导航、基于Wi-Fi的VoIP、RFID自动付费，如今人们随身携带的小小手机几乎囊括了所有小型电子设备的主要功能。这使得手机的系统设计变得愈加复杂。设计工程师不仅要在轻薄短小的手机里放置更多的天线、RF开关、功率放大器(PA)、滤波器，还要处理更加严峻的功耗问题，并要面临如何解决多模手机的切换和射频隔离、如何提高接收灵敏度、如何实现延长电池使用时间等等问题。而移动电视功能的加入无疑令这些一切变得愈加严峻。

   飞兆产品市场经理韩晓勇
      “移动数字电视的设计存在四个关键挑战：小外形因子、功率效率、高线性度和实现先进的性能。” Newport Media公司营销及销售副总裁James Kamke表示。飞兆半导体公司信号路径产品线产品市场经理韩晓勇也指出功耗、接收灵敏度、移动速度限制是三大难点。
      首先，由于移动电视客户要求至少3-4个小时的连续运行时间，设计人员必须考虑到产品的电池寿命问题。其次，移动电视能否顺利接收到广播信号非常关键，否则将导致其它竞争方案(如卫星方案)加入竞争并赢得了部分的支持者。最后，由于移动电视设备和客户一起以较高的速度移动，信号配时将因多普勒 (Doppler) 效应而被迫改变，这会导致接收和解码困难。

   Siano中国区总经理王渭
      为最大限度地降低移动电视系统的功耗，DVB-H的功耗目标是将天线、调谐器和解调器等的总功耗控制在100mW以下，以保证让手机充电一次能接收8小时以上的电视节目。目前主要的方法是在媒体接入层(MAC)采用时间切片(time-slicing)技术对于DVB-H来说，提高抗干扰性、增强移动接收性能的主要方法是采用多协议封装-前向纠错(MPE-FEC)技术。
      “如何将MTV模块与现有的电话模块无缝集成在一起是电视手机设计的另一大挑战。”北京希图视鼎(C2 Microsystems)科技有限公司市场部经理刘明璋认为，“对于PMP 和 PC，处理器有更强的处理视频和音频的能力，集成移动TV功能将比较容易。此外移动TV标准还没有确定，使得很多设计公司保持观望态度。”        为解决这些挑战，为MTV子系统应该采用小尺寸的模块化设计，但这种模块在不同的终端产品中可以有不同的架构。对于手机，实现MTV功能的最好架构可能是采用手机芯片+MTV SoC。MTV SoC通常集成了多个解复用器和ARM处理器，可以卸载手机芯片的负荷。对于PMP，最好的架构是采用较简单的MTV芯片(如仅集成RF和解调器)+媒体处理器，或者RF+解调器 +媒体处理器。这样可以降低系统级成本。对于笔记本电脑，最好的方式是采用具有MTV功能的USB 软件狗。
      韩晓勇指出，实现移动电视的最好架构是经由 SDIO 接口连接便携式主 CPU 的电视模块 (包括调谐器、解调器和A/V 解码器)，因为这种解决方案对现有系统上的改变最少。同样地，可以在完整的系统上添加或去除功能性模块，以尽可能地降低设计的困难度。
      思亚诺移动芯片有限公司(Siano Mobile Silicon)公司中国区总经理王渭认为芯片架构必须要在系统级具有可行性和高效率。高效率意味着芯片可以实现低功耗，并且体积小，可行性意味着芯片能提供通用硬件接口和灵活多样的软件接口，以便与不同的移动数字电视(MDTV)标准、不同的后台处理器和操作系统相匹配。
      下面分析系统各个功能块面临的技术挑战、实现难点以及主流的半导体解决方案。
      如图2所示，具有移动电视广播功能的手机系统主要由三个子系统构成：通信子系统、应用子系统和移动接收子系统。移动电视接收系统主要由天线、调谐器、解码器组成，此外与移动电视功能相关的部分还有应用处理器、控制器和显示屏。
   图2：电视手机系统主要由通信子系统、应用子系统和移动接收子系统组成
      1.天线
      信号链开始于天线，这对依赖于地面广播信号的移动电视而言非常重要。如果设备既接收VHF(2-13频道)，又接收 UHF(14-83频道)，那么天线必须处理 5.5 米至 34厘米的波长。因此，即便就波长一半或四分之一而言，设备尺寸都不能足够大到支持完全集成的天线，特别就 VHF 频段而言更是如此。
      “天线设计非常具有挑战性，特别是设计笔记本电脑中的DVB-T天线。内置天线是便携式电子设备很受欢迎的移动TV功能之一，但设计一个能满足VHF 和UHF频段的增益要求的天线却很困难。” Broadcom公司移动电视产品市场经理Chris Cytera表示。
  
  Broadcom市场经理Chris Cyter       “如今的技术趋势是朝全集成天线的方向发展，这对设计提出了更高要求。一种提高系统增益的方法是使用可调谐天线，这种天线能保证在各频带都有最佳增益。” Frontier Silicon公司的业务发展总监Mark Hopgood表示。
      当布置移动TV的天线时，考虑持着电话观看电视的使用者的体效应很关键。采用智能可调谐天线设计有助于随着环境不断变化而优化信号接收。为使增益最大，并同时最大限度降低手机噪声的干扰，在集成天线周围保持合理的空间距离也很重要。
      2. 分离的调谐器和解调器方案
      调谐器、解码器是移动电视接收子系统的重要部分。天线将RF 信号传输给调谐器，其可放大输入，并将其转换为适用于解码器级的视频信号。调谐器的重要性还在于它对设备整体大小和电池耗电量影响很大。信号链位于调谐器之后的下一部分就是解码器，它将电视信号数字化，并可能进行某些处理。      
      调谐和解调有两种方案：一种是两者是分离芯片，另一种是单芯片集成。 在早期，为了迅速推出方案，一些厂商选择了分离方案。
      Freescale提供分离方案，该方案采用了该公司分别是针对UHF频段(430～862MHz)的MC44CD0I/02和针对美国L波段(1.67GHz)的MC44CD03，再配上DiBcom公司的DIB7000-H芯片。DIB7000-H是全球首先量产、支持DVB-H移动接收规格的解调器。
      Microtune公司也推出了分离方案。它的双波段DVB-H调谐器芯片MT2260，采用集成设计，无需外部低噪声放大器(LNA)或平衡/不平衡变压器，在观看模式下的典型功耗为20-40mW。MT2260目前可接收到的频段为美国的L波段和欧洲的UHF频段(470-890MHz)。
      Samsung的DVB-H前端芯片组带有Zero-IF(中频)CMOS RF调谐器(S5M8600)，以及符合DVB-H/T标准的信道解码器(S3C4F10)、CPU和内置式存储器，它的应用子系统也比较有特点，采用了SC32442应用处理器加上SA3A480 H.264解码器的双芯片方案。
      Broadcom公司的BCM2900是一款采用0.18μm CMOS工艺的单片零中频调谐器，同时支持DVB-H、DMB-T 和DMB-TH标准。由于支持用于欧洲标准的1450 MHz～1490MHz 频率范围和美国的1670MHz～1675MHz 频率范围的UHF、IV、V波段和L波段，该器件几乎适用于全球任何地方的便携式设备数字电视接收。       ADI和凌讯科技(Legend Silicon)合作推出业界首款符合中国数字电视地面广播标准DMB-TH的移动电视接收机解决方案。该平台整合了ADI公司的Integrant低功耗RF调谐器和凌讯公司的解调器。利用Integrant的调谐器(Tuner)，ADI为该平台提供业界最低功耗的RF调谐器，使电池效率达到最大的同时，其小封装能满足小体积和低成本要求。而凌讯公司符合DMB-TH标准的解调器(Demodulator)采用全新设计，用于移动电视的调谐器是为接收DMB-TH设计的第二代芯片(LS8913)。此外，ADI还采用了它的低功耗Blackfin处理器完成移动电视应用中MPEG-2解码和多媒体处理功能。
      “在同一芯片上集成CMOS直接转换调谐器和解调器实现这些设备的最好架构。硬连线解调器架构可使功耗最低/裸片面积最小，这是因为它不需要“软”方案中指令解码的开销。” Broadcom公司移动电视产品市场经理Chris Cytera表示。由于采用CMOS工艺和直接转换架构，BCM2900不需用外部IF、图像抑制滤波器以及任何可调谐元件，BCM2900适合被用来实现低成本的移动TV方案，如PC用电视调谐卡。
      另外一些分离的调谐器和解调器解决方案还包括：美国高通公司同时支持FLO技术、DVB-H和ISDB-T的通用广播调制解调器(UBM)；卓胜微电子专为DAB、DAB-IP和T-DMB应用而设计的移动数字电视解调芯片MXD0120；创毅视讯公司推出的国际上首颗符合CMMB标准的手机电视信道解调芯片IF101等等。
      3.集成的调谐器和解调器方案
      随着系统厂商对完整接收器解决方案的需要，将调谐器和解调器封装在一起越来越多。此外，大多数供应商都在快速转向能够处理多个移动电视标准的下一代调谐器或解调器IC，以满足变化的市场需求。
      “如何在小尺寸、低功耗和高性能(即高灵敏度、线性度、抗噪声和干扰能力)进行最优折衷是电视手机的设计挑战。”DiBcom 公司市场和业务开发副总裁Azzedine Boubguira，“为解决这些问题，第一阶段是实现在同一个小型封装内集成RF调谐器、解调器和大多数分离器件。”
      DiBcom针对汽车、手机、PC和笔记本电脑、PMP、导航设备、机顶盒、LCD TV等不同的移动电视TV 市场有的产品。它们大部分都集成了多频段RF调谐器和解调器，支持DVB-H, DVB-T、DVB-SH、T-DMB和ISDB-T标准。
      Frontier Silicon公司的Apollo FS1110是一款三频双模射频前端接收器，适用于广播数字收音机和移动电视，如T-DMB和DAB。Apollo与Frontier Silicon的Kino数字基带芯片合用，可以在手机和其它设备上实现全套优化射频和基带T-DMB解决方案。Apollo还可该公司的DVB-T/T-DMB/DAB多标准基带接收芯片Paradiso配合使用。Paradiso是从Frontier Silicon的Kinot和Chorus系列产品(适用于T-DMB和DAB)发展而来的，支持所有DVB-H和T-DMB制式，包括中国、欧洲和韩国的变体。图3给出了基于Paradiso 1T的手机电视系统框图。

   图3：基于Paradiso 1T的手机电视系统框图
      Frontier Silicon方案的优势是采用了智能干扰抑制机制，在不利的客观条件下，如GSM/CDMA噪声对其他频率产生影响时，可保证具有最佳的信号接收灵敏度；当信道上有噪声干扰时，采用同信道干扰消除机制以确保高的接收灵敏度；具有很高的信号衰减/串扰比(ACR)，能确保接收器继续保持良好的工作状态，即使靠近MDTV发射器；对DVB-H具有很高的Doppler 性能(超过 MBRAI 2.0)。
      TI也采用了集成方案。它的Hollywood单芯片解决方案是业界首款采用标准90nm数字工艺、将移动电视调谐器与解调器集成的芯片。其中，DTV1000和DTV1001是Hollywood单芯片系列的首批产品，支持开放的业界标准，包括应用于欧洲、美国及部分亚洲地区的DVB-H及应用于日本的ISDB-T，另外，均具备可连接至TI OMAP系列应用处理器的接口。
      以色列公司Siano Mobile的SMS1000也属于集成方案，包括SMS1001调谐器和SMS1002解调器芯片。SMS1000支持多种标准(DVB-H、DVB-T、T-DMB、DAB、EPM-DAB)和多个波段(VHFIII、UHF、L1、L2)，提供了SPI、SDIO、USB 2.0、GSP接口。该公司的单芯片接收器SMS1010 支持DVB-T、DVB-H、T-DMB、DAB与DAB-IP等标准，以及四个不同频带。它整合了一颗RF调谐器与解调器，在DVB-H模式下的平均耗电量少于22mW。与其它竞争方案最大不同之处，在于SMS1010并不需要外接式内存或VCO。图4是采用了SMS1010的手机电视系统框图。

   图4：采用了SMS1010的手机电视系统框图
      Newport Media公司的单芯片移动电视接收器NMI310具有很高的集成度，它集成了RF调谐器、解调器和所有必要存储模块。该芯片可对采用DVB-H、DVB-T、T-DMB、ISDB-T和MediaFlo以及其它标准的信号进行解调。 NMI310集成了一个四波段、直接转换接收器和一个DVB-H解调器及所有必要的存储器。该芯片可同时接收8路信号，功耗仅为20毫瓦。此外其所具有多种特性，如邻信道信号抑制达55-dB，可