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手機電視的技術 |
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[ 通信界 / 羅 霖 / m.k-94.cn / 2006/8/9 22:34:12 ] |
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羅 霖
一、前言
在手機業(yè)界有這么一個說法：“去年是拍照年，今年是音樂年，明年是電視年�！�移動電視目前已成為手機產(chǎn)業(yè)的熱門話題。根據(jù)歐洲、美國和日本對下一代通信業(yè)務的調(diào)查顯示，用戶對手機電視業(yè)務非常有興趣，有40-60%的用戶希望可以在手機上收看電視，愿意每個月支付10歐元。到2008年，全球?qū)⒂写蠹s2億用戶使用此項服務，而亞洲將成為手機電視最流行的地區(qū)。
本文將介紹手機電視的相關技術，同時也將探討手機電視的一些解決方案。
二、手機電視面臨的問題
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，接收信號是來自不同路徑的發(fā)射信號的矢量疊加。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
如果信道的延遲擴展大于發(fā)送信號的符號周期，信號將產(chǎn)生頻率選擇性衰落并引起符間干擾，導致系統(tǒng)的性能下降。
手機電視業(yè)務必須為以不同速率運動的移動用戶提供高質(zhì)量和可靠的視頻傳輸，包括基本靜止的室內(nèi)用戶，低速跑動的移動用戶（小于30km/h）和處于高速運動的車輛中的用戶（大于100km/h）。接收方相對于發(fā)送方的運動會產(chǎn)生多普勒頻移。此頻移與相對運動的速度成正比，它會導致相鄰載波的干擾，影響載波之間的正交性。系統(tǒng)設計者希望解調(diào)器具有較大的多普勒頻移范圍，它是衡量無線電信道時間選擇性的尺度。
2.手機的功耗問題
在手機系統(tǒng)設計中，功耗是設計者最為關心的因素之一。移動電視業(yè)務的引入不能以過多地犧牲待機時間為代價，用戶希望一次充電能連續(xù)觀看4個小時以上的電視節(jié)目。以往的地面數(shù)字廣播標準，比如DVB-T，雖然在高速運動下有不錯的接收性能，但并沒有為移動接收的功耗作特別的設計和優(yōu)化，目前較省電的DVB-T前端也要消耗約300-500mW的功耗，這對手機電池而言，還是不夠經(jīng)濟。在移動電視業(yè)務給手機引入的功耗中，接收前端大約要占到80%的比例，因此，選擇針對功耗專門設計的移動電視標準，設計低功耗的調(diào)諧器和解調(diào)器，是芯片設計者需要面對和解決的問題。
3.多種標準、多個頻段的問題
這是個較為復雜的問題，超越了純粹的技術范疇，與數(shù)字電視演進的歷史和各國的政策規(guī)劃相關。在地面數(shù)字電視廣播標準方面，美國和韓國是ATSC標準，日本采用了ISDB-T標準，歐洲和澳洲采用了DVB-T，中國的標準至今尚未確定。在制定移動電視標準時，基于經(jīng)濟利益和技術延續(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 全球范圍的移動電視標準的地理分布示意圖
在頻譜方面，主要涉及到四個頻段：VHF III（174-240MHz）、UHF（470-862MHz）和L1（1452-1492MHz）、L2（1660-1685MHz）。各國對手機電視的頻譜規(guī)劃也并不統(tǒng)一。
多標準、多頻段會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電視的服務。要解決這個問題，移動接收的調(diào)諧器和解調(diào)器，乃至應用處理器必須具備靈活性，支持多種標準和多個頻段，這為芯片廠商帶來了技術上的挑戰(zhàn)。
4.高級的音視頻編碼標準
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，服務提供商必須使用高級的音視頻編碼技術，比如最新的視頻壓縮標準H.264（MPEG-4 Part 10）和音頻編碼標準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，它是手機電視中最為理想的信源壓縮編碼標準。H.264在結構上還是基于DCT域的運動補償架構，不過相比以往的視頻編碼標準，它采用了更先進的技術，比如具有方向性的幀內(nèi)預測、基于可變塊的運動分割、基于上下文的二進制算術編碼、環(huán)內(nèi)濾波、基于4×4塊的整數(shù)變換、1/4象素精度的運動補償、分層的編碼語法等，這些技術使得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的碼流結構網(wǎng)絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網(wǎng)絡的應用。
編碼效率極大提高的代價是計算復雜度大大增加，基于軟件的解決方案，其CPU或DSP的主頻將大幅上升，導致功耗增加，縮短了電池的使用時間。基于硬件H.264解碼的SoC芯片，是一個低功耗、高集成度的解決方案。
三、手機電視的標準
1.手機電視的兩種方式
從目前全球范圍內(nèi)手機電視的業(yè)務開展來看，存在兩種最主要的方式：流媒體和廣播。
為了開發(fā)手機電視的市場需求，部分電信系統(tǒng)商已經(jīng)開始在手機上提供電視收視的服務，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。這些服務和傳統(tǒng)電視并不相同，手機通過電信網(wǎng)絡（2.5G/2.75G/3G）連接到媒體服務器，采用點對點流媒體方式播放，而非多點式的廣播。由于這些服務相當容易導入，而且商業(yè)模式上比較簡單，容易運作，目前在市場上也取得了一定的成功。事實上，這種方式的頻譜利用率并不高，雖然為網(wǎng)絡營運商帶來不錯的收益，但當3G的使用越來越普遍后，利用大量頻譜提供廉價電視內(nèi)容的播放將會越來越不經(jīng)濟，同時對大規(guī)模的商業(yè)運營在技術上也相當不實際。例如，3G用戶可以使用手機電視參看足球比賽的進球集錦，假設一個基站有能力同時給100個用戶傳輸100kb/s的視頻流，這個視頻流在1000s內(nèi)通過10000個基站進行傳輸，這時有100萬個用戶購買了這段進球集錦，這樣每個基站必須在16-17min內(nèi)保持10Mb/s的傳輸數(shù)據(jù)率，在這段時間內(nèi)手機電視用戶的需求將耗盡3G網(wǎng)絡的全部資源，導致語音和其它數(shù)據(jù)業(yè)務無法開展。
更有效地提供手機電視業(yè)務的方式是通過衛(wèi)星或地面數(shù)字廣播來進行傳輸。根據(jù)手機電視業(yè)務數(shù)據(jù)傳送不對稱的特點，在反向信道利用蜂窩網(wǎng)絡可以開展交互式業(yè)務，比如網(wǎng)頁瀏覽、短信、彩信、電郵等。利用廣播網(wǎng)絡，避免了點對點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)運營和在歐洲、美國等的試運營，都論證了廣播方式在技術上的可行性和商業(yè)上的經(jīng)濟性。但是，由于廣播方式可能同時牽涉到電信運營商和廣播網(wǎng)絡運營商，商業(yè)模式上相對復雜，特別是在管制較嚴的國家受政策因素的影響較大，制約較多，給商用運營帶來一定的難度。
2.廣播方式的幾種標準
a.歐洲的DVB-H標準
DVB-H標準是歐洲的DVB組織推出的面向手機等小型移動終端設備的移動數(shù)字電視傳輸標準。DVB-H是建立在DVB和DVB-T兩個標準之上的標準。它的系統(tǒng)前端由DVB-H封裝機和DVB-H調(diào)制器構成，DVB-H封裝機負責將IP數(shù)據(jù)封裝成MPEG-2系統(tǒng)傳輸流，DVB-H調(diào)制器負責信道編碼和調(diào)制；系統(tǒng)終端由DVB-H解調(diào)器和DVB-H終端構成，DVB-H解調(diào)器負責信道解調(diào)、解碼，DVB-H終端負責相關業(yè)務顯示、處理。為了滿足手機電視的業(yè)務要求，DVB-H傳輸系統(tǒng)具有以下的技術特點：
（1）為提高電池的使用時間，采用了時間分片（Time Slicing）的技術，利用數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸和緩沖的方法，終端周期地關掉一部分接收電路，可以節(jié)省多達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，漫游時仍能非常順利地接收DVB-H業(yè)務；
�。�3）使用了多負荷封裝和前向糾錯編碼的技術，使系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力；
�。�4）除了2K和8K模式，增加了4K模式，在移動接收和建網(wǎng)成本之間進行平衡；
�。�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用。
b.韓國的T-DMB標準
T-DMB是韓國推出的地面數(shù)字多媒體廣播系統(tǒng)，從嚴格意義上講，仍然是歐洲的國家標準。該標準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)的基礎上，在技術上作了一些修改，以便向手機、PDA和其它便攜設備播送空中數(shù)字電視節(jié)目。
T-DMB系統(tǒng)包括1個DMB監(jiān)視系統(tǒng)、2個視頻編碼器、視頻網(wǎng)關和多路復用器，可以提供靈活的服務，包括視／音頻廣播、單獨的交通／新聞／天氣頻道。T-DMB利用ITU-T H.264對視頻進行編碼，利用MPEG-4 BSAC對音頻進行編碼，然后利用MPEG-4同步層和MPEG-2傳輸流對視頻、音頻以及數(shù)據(jù)進行處理，某些基本的模塊，比如前向糾錯編碼和調(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廣播運營商發(fā)放了許可證。同期，歐洲的DVB-H標準剛剛開始進行商用試驗。
c.高通的MediaFLO標準
高通公司于2005年推出了MediaFLO標準，這是手機電視標準中唯一的私有標準。據(jù)BDA分析師稱，從純技術角度看，MediaFLO是專門為手機電視開發(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是開放的標準，支持的廠商眾多，而專利費等因素有可能會制約MediaFLO產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
d.小結
這三種標準的未來發(fā)展將主要取決于廠商的推廣策略以及各自商用試驗的進展。這三種技術的比較如表所示。
表 三種標準的技術比較
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類別 |
T-DMB |
DVB-H |
MediaFLO |
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系統(tǒng) |
DAB（Eureka-147） |
DVB-T |
—— |
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帶寬 |
1.536MHz |
5MHz，6MHz，7MHz，8MHz |
6MHz（可用5MHz，7MHz，8MHz） |
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頻道數(shù)量 |
每信道1個視頻和2-3個音頻頻道 |
最多30個視頻和15個音頻以及短格式視頻片段 |
40個視頻和10個音頻以及40個短格式視頻片段 |
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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 |
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傳送技術 |
OFDM（4K模式） |
OFDM（2K、4K、8K模式） |
OFDM（4K模式） |
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視頻編碼 |
H.264 |
歐洲H.264/美國WMV9 |
H.264 |
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音頻編碼 |
韓國BASC/歐洲AAC+ |
歐洲ACC+/美國WMA9 |
AAC+ |
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多路傳送 |
MPEG-2TS/MPEG-4SL |
MPEG-2TS |
MPEG-2TS/超幀 |
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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，一些專家認為應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)射裝置通常被關掉了。因此，在L波段有多達24MHz的頻率可以馬上投入手機電視的使用。例如，在美國，Crown Castle公司用1670-1675MHz的頻段來開展DVB-H的手機電視業(yè)務。
一般會認為，L波段的頻率較高，因此信號的衰減也較大。由此得出的結論是L波段的網(wǎng)絡成本較高，因為發(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，這會帶來7-10dB的損失。
一般來說，空中的信號衰減可以用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。從這個意義上，用L波段來開展手機電視業(yè)務，與UHF波段相比，整個系統(tǒng)的信號傳輸性能并沒有明顯的下降。
加之UHF V（598-862MHz）接近GSM 900頻段，會對GSM的無線接收造成影響。因此，在手機電視的接收端，需要設計一個GSM濾波器，除去這方面的影響，這會對調(diào)諧器的設計帶來一定的難度。
根據(jù)以上的分析，用L波段來開展手機電視業(yè)務，無論從頻率規(guī)劃，還是從接收技術而言，都是可行性較高的方案。
五、解決方案
圖4為具有接收移動電視廣播功能的手機架構。該架構由三個主要的子系統(tǒng)構成：通信子系統(tǒng)、應用子系統(tǒng)和移動接收子系統(tǒng)。我們將重點討論關于移動接收和應用子系統(tǒng)相關的解決方案。
圖4 具備接收移動電視廣播功能的手機架構
移動接收子系統(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UHF頻段（430～862MHz）的MC44CD0I/02和針對美國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，采用集成設計，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)界首款采用標準90nm數(shù)字工藝、將移動電視調(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)界標準，包括應用于歐洲、美國及部分亞洲地區(qū)的DVB-H及應用于日本的ISDB-T，另外，均具備可連接至TI OMAP系列應用處理器的接口。
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支持多種標準（DVB-H、DVB-T、T-DMB、DAB、EPM-DAB）和多個波段（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服務歐洲市場，BGT211服務美國市場。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、文件傳送和實時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標準的信道解碼器（S3C4F10）、CPU和內(nèi)置式存儲器，它的應用子系統(tǒng)也比較有特點，采用了SC32442應用處理器加上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電視移動接收的芯片。在應用處理器方面，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。杰得也將針對移動電視市場，推出支持H.264解碼的應用處理器。
六、結束語
手機電視作為3G的補充，將會成為運營商一個非常重要的增值業(yè)務。技術瓶頸的解決將促進手機電視的普及。目前，已有眾多芯片廠商推出支持DVB-H、T-DMB、ISDB-T和MediaFLO等標準的移動接收芯片，一些多媒體SoC廠商推出支持高級音視頻格式的應用處理器，這將推動產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，降低終端的成本，為手機電視的大規(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 編輯：顧北 |
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