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[导读]标签:PMP 数码信号处理许多的观察家、分析师都一致表示:今年电子工程及应用的领域只会有两个技术热题,一个是无线通讯技术,另一个则是数码视讯技术。确实,数码视讯技术一直是近几年的关注焦点,包括数码视讯的编

标签:PMP  数码信号处理

许多的观察家、分析师都一致表示:今年电子工程及应用的领域只会有两个技术热题,一个是无线通讯技术,另一个则是数码视讯技术。

确实,数码视讯技术一直是近几年的关注焦点,包括数码视讯的编解码算法(如:MPEG-4、H.264、VC-1)、数码视讯的界面端子(如:HDMI、DisplayPort)、数码视讯的广播技术(如:DVB-H、Qualcomm MediaFLO)等。同样的,视讯相关应用的装置也是当热,各位看看新次代的电视游乐器(如:Nintendo Wii、Sony PS3)、再看看Apple今年初发表的Apple TV、再看看Google收并YouTube、还有IPTV、HDTV,以及家庭社区保全、视讯会议与视讯电话等,就知道视讯应用是多么地受到欢迎。

同样的,在数码随身听大量取代传统CD(Compact Disc)随身听、MD(Mini Disc)随身听、甚至是数码录音笔之后,也积极在寻找下一波的强劲成长空间,而最有可能的发展路线即是追加视讯功效,包括静态画面的显示、动态影像的播放、以及静态摄影、动态录像等,都将成为新的强化提升方向,再加上手持式装置的各项技术也都在不断地精进演算,因此本文以下将针对PMP的机内技术与相关技术进行更多的讨论与剖析,期望能对正想投入或正从事PMP设计的业者、工程师有所助益。

图说:Broadcom推出的BCM2722行动多媒体处理器(Mobile Multimedia Processor)具备数码信号处理器的加速运算功效,同时也支持DRM的数码版权管理(内容防拷)功效,Apple的iPod Video即是采行此芯片来加速视讯播放运算,图为BCM2722的功能方块图。

视讯编解码实现方案

视讯编解码是PMP最关键的部分,但同时也是目前实现方式最多样、最无一致性的部分,以笔者的归纳整理,就有多种不同的实现手法:

完全针对PMP需求而设计、开发出应用芯片,多以SoC方式实现,此亦可称ASIC或ASSP,ASIC/ASSP内会用上嵌入式的处理器(或控制器),甚至是嵌入式的数码信号处理器(Digital Signal Processor;DSP),或硬件线路式的音视讯编解码器。

使用多媒体处理器来实现,例如Philips半导体(今日已改称NXP)的TriMedia或者是Sigma Designs的Media Processor等,此类型的处理器多半具备VLIW架构,可加速多媒体视讯的运算。

使用双处理器(或双核)设计,除了使用一个一般性(General)的32-bit微处理器(或微控制器)外,会再额外搭配一颗数码信号处理器,音视讯编解码运算的部分就由DSP负责,微处理器/微控制器(uP/uC)则负责一般性的控制工作及一般性的应用程序执行,TI的OMAP方桉即是此中的代表。(附注1)

一样使用一个一般性的32-bit微处理器、微控制器,但另一个搭配芯片则是一个已将音视讯编解码运算加以硬件线路化的编解码芯片,此一般称为 CODEC芯片,如果只需要播放功能则只需要解码运算硬件线路化的芯片,此称为「解码芯片,Decoder」;如果在播放外也希望能录像、录像,那么就必须用上「编解码芯片,CODEC」。

只使用32-bit微处理器、微控制器芯片,所有的多媒体编解码运算一律以软件方式实现,在PMP电源开启后这些演算程序会加载到PMP的系统主存储器中,然后由处理器负责执行各种格式的编解码演算。

图说:Microsoft推出的Zune数码随身听也等同于可携式媒体播放器,Microsoft Zune锁定的市场竞争对手即是Apple iPod,Zune明显胜于iPod(第五代)的地方主要是WiFi无线功能,Zune允许使用者透过WiFi无线分享数码音乐、数码相片给友人,且分享 后依然受DRM机制管理。(图片来源:www.Microsoft.com

各实现方式之差异比较

上述的5种实现方式并无绝对的优劣之分,而是适时适需地选择运用,选择第1种作法的好处是大量生产时最具成本效益,理由是芯片的功效整合度最高,主体芯片外的零件搭配需求最低,另外用电效益也最佳,不仅编解码演算的部分是以硬件方式实现,同时高度的整合也最能做到集中、一致性的电源管理。

不过,此(第一种)作法的缺点是缺乏弹性,一旦有新增或修改编解码算法的需求,或需要加入其它的功效,甚至是修正原有功效的错误,则能够调修的幅度也最低,加上PMP属于电池运作的行动化运算,现阶段不容易使用FPGA、CPLD等可程序逻辑装置来增进硬件线路设计的弹性度。

所以,除非是相当大量的供货,或者是长期不变性的供货,否则极少会以弹性最低的完全客制设计来实现,且此种作法与其它作法相较,必须在芯片设计开发时更注重除错、验证等程序,否则日后若有修改需求且其它方式都无法补强时,重开光罩与重新投产的时间、心力、成本等都将相当高昂。

接着是第二、第三、第四等居中性的作法,此3种作法的弹性都高于第一种作法,也是目前较常见的作法。在此举实际例子,Apple的第五代iPod(也称为 iPod Video)用的就是第三种作法,微处理器的部分使用PortalPlayer公司的PP5021C-TDF随身听主控芯片(核心为2个 ARM7TDMI),然后再搭配1个Broadcom(博通)公司的BCM2722芯片,BCM2722芯片虽名为行动多媒体处理器,但实质上却是一个数码信号处理器。(附注2)

图说:数码随身听的背光可以用简单的串联、并联设计来驱动,但PMP因为白光LED用量更多,且讲究光均性,因此多半需要专门的白光LED驱动芯片来驱 动,图为MAXIM公司的白光LED驱动芯片:MAX1707,其驱动电流最高可至610mA,且可同时以并联方式驱动3组LED应用。(图片来 源:www.MAXIM-ic.com)

再来看另一个例子,Microsoft的Zune在主控芯片部分使用Freescale(飞思卡尔)公司的i.MX31L(核心为ARM1136),该芯片同时也整合了硬件式的MPEG-4编码器,如此类似于第4种作法,差别只在于由两个离散封装的芯片整合成单芯片。不过,Microsoft Zune也不全然是第四种作法,或许在MPEG-4格式的编码上可以直接使用i.MX31L芯片内的硬件功效,但除了MPEG-4外的其它音视讯格式就只能使用纯软件的方式来实现,也就是第五种作法。

至于第五种作法,它与第1种作法正好是两种极端,第五种作法的缺点在于最耗电力,且除了耗电之外通常也需要更高效率的处理器以及更大空间的系统主存储器,甚至要加大电池的电容量(意味着体积、重量要增加)才能与前4种方式拥有相同的连续播放时间,然而优点则是弹性最高,要新增、修改任何的编解码算法只要对韧体程序进行更新即可达到,完全不会动用到硬件层面的调修,且硬件零件上多半采用一般性标准元件(包括处理器在内),硬件供货的来源、价格也较弹性。

显示器

对于从数码随身听提升至可携式媒体播放器的设计者而言,显示器方面的工程技术恐怕也需要历经一番转变,在过去数码随身听可以使用Color STN、OLED等来做为显示器,但在PMP领域恐怕这两种作法都得舍弃,而必须使用TFT LCD。

另外,以往在数码随身听可以卖弄的七彩背光(Backlight)技术(运用7种不同颜色的LED)在PMP领域也一样不适用(除非是提供电子相簿的情境效果),能用的依旧是LED背光技术,不过只能使用白光LED,而且很可能因为省电或价格因素而要回头考虑、评估使用EL、CCFL等背光技术,如此在背光驱动上的供电设计也较LED复杂。

即便是使用白光LED,由于显示面积将比过去随身听大上许多,因而需要用上导光板的组件(3.5寸7寸),并在光均性方面要用上更多的设计心力。

图说:由于PMP等手持式装置相当讲究省电性,因此能使用的音效功率放大方式多半为D类放大,D类放大除了用电效益高外,体积也比其它放大计数更为精缩。 图为德州仪器(Texas Instruments;TI)的20W单声道D类放大器:TPA3001D1之内部功能方块图。(图片来源:www.TI.com)

值得注意的是,背光与处理器、微型硬碟等都是PMP装置中的主要耗电组件,所以要格外注重省电方面的设计,在自动省电机制上,要能在若干分钟(预设,或允许使用者设定)内没有操作也没有内容播放(或画面内容更动)时就要将背光关闭,藉此来精省用电。

储存媒体

过去PMP的储存媒体都是微型硬碟(Micro drive),微型硬碟指的是碟片直径低于1.8英寸(含)以下的硬碟,此方面主要的业者Toshiba、Hitachi(更正确而言是HGST)、 Seagate、Cornice、以及Magicstor等,除了1.8英寸外主要还有1英寸、0.85英寸等规格。

PMP使用微型硬碟的主要考量是价格容量比,倘若一部VCD影片要1.3GB(两片650MB)、一部DVD影片要4.7GB,且假设合理的外携影片数目在610部左右(附注3),如此少说需要7.8GB47GB的容量,倘若这些容量都要用快闪存储器来实现,则一部PMP的价格将高昂到消费者无法接受,所以才必须采用微型硬碟。

图说:PMP的储存媒体多半是微型硬碟,虽然(NAND型)快闪存储器的价格快速滑落,初阶的PMP与初中阶的数码随身听都已改用快闪存储器,但微型硬碟在中高阶的PMP与高阶数码随身听的市场中依然有价格容量比的优势。图为Hitachi的微型硬碟。(图片来源:www.hitachigst.com)

然而现在情形正逐渐改观,以USB随身碟而言,4GB容量已经跌至新台币800、900元的价位,加上MPEG-4、H.264等新视讯压缩算法的普及速度简直能以「疯狂」来形容,使一部60分钟的影片已能储存在300MB左右的空间内且画面质量仍然能维持在一定的水平(附注4)。

由于两效应的交相影响,使PMP可接受的最低合理使用容量能往下修正,合理实用的最低可接受容量、价位都有所调整,配备8GB12GB(NAND)快闪存储器的PMP已能够以「入门初阶机种」的姿态打入市场,而不像过去必须独尊微型硬碟。

结论:最后,PMP的其它相关技术也在逐渐强化演进中,例如更快的充电效率(愈短的时间内充入愈多的电能)、更多的延伸应用(文件阅读、浏览网页)、更精准的剩余电量显示(从ADC量测到库伦电量计数法)、更多的联机方式(USB同步、USB对街、无线),这些发展也都必须留意。

图说:从某种角度审视,日本索尼(Sony)的Mylo(My Life Online的简称)是一种滑盖式设计的PMP,且结合了更多的应用与通讯功效,不过Mylo仅内建1GB快闪存储器,就视讯播放应用而言显的吃紧,不过 Mylo仍提供记忆卡槽可扩充储存容量。

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