数字电视技术内涵与芯片设计发展趋势

本文作者:admin       点击: 2003-10-01 00:00
前言:
相较于传统模拟电视仅以单一芯片因应所有电路需求,数字电视需要更多的集成电路,除了解调器(Demodulator)之外,标准定义的DTV与数字缆线/卫星STB所需IC极为类似。
以影音压缩芯片而言,Main Profile @ High Level规格的MPEG-2译码器有逐渐取代Main Profile @ Main Level规格MPEG-2译码器的趋势,各种数字地面电视的电子解调设计都不太相同,主要差别端视产品销往的地区是选择ATSC标准或DVB-T(数字影像广播)标准。图1显示的是数字电视调谐器(TV Tuner)的方块图,并清楚描述DTV Tuner的主要功能 ,以下将详细介绍DTV Tuner所包含半导体组件之技术内涵(方块图功能说明/BOM表分析)与芯片整合发展趋势:

(一)技术内涵:
1.DTV Tuner方块图功能介绍
1.调谐器(Tuner):接收模拟(或数字)广播或有线电视节目讯号,并将频率调整至正确的频道。
2.数位解调器(Demodulator):以8-VSB解调器(美规ATSC)或COFDM解调器(欧规 DVB-T)将输入的数字讯号进行解调。
3.传输分工器(Transport Demultiplexer):将解调后的讯号经由分工器处理,输出MPEG数字影像及杜比数位音效(Dolby Digital)数据流。 
4.MPEG-2&NTSC/PAL译码器(Decoder):
(1)MPEG-2译码器:根据算法将Transport Demultiplexer传来的数字影像进行解压缩,并处理影像定标(scalable)、转换及屏幕显示(OSD)后,再透过DAC转换出自然界的影像。
(2)NTSC/PAL译码器:将Analog Video Decoder输入的模拟影像讯号(图中的Analog Video) 进行译码动作。
5.音效处理器(Audio Processor):针对杜比数位数据(Dolby Digital)与其它环绕音效(Stereo Audio)数据进行解压缩后,再透过DAC转换成模拟音效。 
6. CPU:管理、联系半导体组件,运作软件应用程序。 
7. IEEE1394及DVI界面:对TV外围提供一个数字连结。
2.DTV BOM表分析:
(1)ATSC TV Tuner
就材料成本(BOM Cost)来看,2002年ATSC TV Tuner的BOM cost仍高达158美元,随着内部组件不断整合与相关授权金的下降,加上FCC及各国政府极力推动下促使模拟电视2006年后逐步走向全面数字化之政策效应,预期也将进一步带动经济规模的形成及终端产品的急速下探,使TV Tuner的BOM cost以每年24%的平均降价幅度推进,直到在2007年down到40美元的市场普遍接受水准(见图2)。
    就ATSC TV Tuner芯片整合发展时程来看(见表1),2003/2004年Stereo/AC-3等音效译码器预计将率先被整合到MPEG decoder /Graphics中。随后在2005年左右(MPEG decoder /Graphics+ Stereo/AC-3)将进一步整合NTSC/PAL decoder、Transport Demultiplexer、VBI数据分割、色彩处理等功能组件到CPU当中。2005年底至 2006年初,因应FPD相关Controller走向高整合(SoC)阶段,除可望进一步把TV面板Controller整合进来,也将整合前端8-VSB解调器与DVI/HDMI/1394等数字接口IC。
经过不断整合的结果,TV Tuner的内部组件最后就仅剩下CPU、Memory、Audio DAC等横跨数字、模拟、内存三大领域的关键IC,此时就必须借重与SIP、设计服务等业者的共同合作,迈向真正的SoC,高度整合的关键IC不仅尺寸更轻薄短小,价格也更具竞争力。
   就系统面而言,目前包括Sony、Philips、Samsung…等传统电视机品牌大厂多拥有许多自有研发IP及相关半导体部门来生产TV相关IC,以供本身内部系统产品所需。
(2)DVB-T Tuner
至于欧规的DVB-T部份,其BOM cost同样将随着前后端IC的走向整合,
而进一步带动终端产品的成本下探(见表2),包括Transport Demultiplexer、CPU、绘图处理器、影音译码器、COFDM demodulator…都将逐步整合为一,而此解决方案也将锁定有线/卫星STB等市场,加上一个可选择的Modem,以满足用户对交互式应用的要求。
根据估计,若扣除Modem成本,COFDM DTV Tuner的BOM cost可望在2007年降至28美元水准
(二)DTV相关芯片解决方案发展趋势

    呼应前述四大SoC整合应用趋势,本节将就个别芯片厂所提出之solution做一验证(见图七),并归纳出以下四大方向:

1.TV Tuner前后端芯片整合走向SoC
以TV Tuner的芯片解决方案而言(见表3),厂商普遍先将MPEG-2、NTSC/PAL decoder、Graphics、CPU等后端核心组件整合为一;进而纳入Audio CODEC等音效组件;之后再追求统一的内存架构(如Broadcom)以节省成本,并将PCI/USB等接口功能整合进来。
后端整合就绪后,才逐步向前整合Transport Demultiplexer及接受各种讯号的解调器(Demodulator),目前芯片商因应各区域市场与收讯方式的差异而支持不同的解调规格,然资源雄厚者已可同时针对地面(8-VSB/COFDM)、有线(QAM)、卫星(QPSK)推出完整且相对应的解调器(Demodulator);包括Broadcom、ST、Philips、Micronas、Zarlink…等技术领先群已相继推出整合前后端芯片的SoC产品(见表4),其次如ATI、Conexant则兼具前后端产品,但尚未大幅走向SoC,最后则是固守前端(如Oren Semiconductor)与后端(如Sigma Design、OAK)芯片解决方案的厂商,虽然后两者还没走向SoC,但也都普遍以系统单芯片为目标,进行上下游、及水平的策略结盟。

2.欧、美厂商以多媒体处理器搭配完整产品线走向高度整合
除了采取硬件芯片解决方案外,也有厂商采取多媒体应用处理器整合TV相关功能的做法,代表厂商有LSI Logic的DoMiNo媒体处理器架构及Philips的pnx1500媒体处理器架构,整合如Ethernet controller、TriMedia核心、并可针对2个HD影像串流进行同步译码、甚至在电路板上提供TV-enhancement、LCD Controller等功能。
3.整合平面显示技术蔚为潮流
如表5所示,显示技术与品质的良窳攸关DTV的应用能否快速走向成熟,并为消费者大量接受,因此除了前述TV Tuner相关芯片、或媒体处理器供货商普遍有将显示技术整合进来的规划(如Broadcom TV on a Chip方案纳入光收发器、LCD drive IC为其SoC的一环;Philips的pnx1500媒体处理器也在电路板上提供LCD Controller功能);随着五、六代面板厂的陆续动工与量产,也带动了国内外LCD相关IC厂商在TV产品的激烈竞赛,除了LCD Controller IC龙头Genesis积极进军LCD TV Controller IC新品开发外,原本便在TV Controllers固守领导地位的Trident、Pixelworks也稳守高阶市场,并企图进一步拉开与后进者的距离。
再者,旣有LCD Controller/Driver IC的国内设计业族群(晶磊、凌越、凌泰、创品、联咏)在意识到LCD控制/驱动IC已成杀戮战场的前提下,也大幅抢进LCD TV这块市场处女地。
值得注意的,是原本在通讯/消费性电子领域SoC整合能力表现卓著的凌阳、瑞昱、兆宏等厂商也相中这块潜力市场,预计其整合型产品在2004、2005年逐步迈向成熟,刚好契合数字电视起飞时点,势必一举点燃DTV爆量成长的引信。

4.整合DVI/HDMI接口为大势所趋
DVI/HDMI是由Silicon Image与各CE、IT大厂所共同推动的新兴数字接口标准,前者负责PC和Display间的接口传输,后者则为透过较小的connector、在HDCP(高画质拷贝保护)功能的加值前提下,对CE领域高频宽、未压缩影像信息,进行影音同步支持的一种接口传输技术。
数字多媒体时代成形的关键之在于建构一丰富多元的节目内容,由于此两种接口考量到内容供货商最在意的『拷贝保护功能:HDCP』,因此普遍受到广泛支持,加上HDMI卓越的影像处理能力与线路大幅减少所带来的成本节省效应,使此两种数字接口标准备受期待,特别是DTV未来和DVD、STB等外围设备的连结,也可望透过HDMI的应用快速走向成熟。
有鉴于此,芯片供货商一致看好DVI/HDMI而大量投入相关技术或在旣有solution中将其纳入功能整合(见表6),目前除国内设计业者积极切入外,原始推广者Silicon Image也已开发出芯片应用于JVC、松下、日立Philips的高阶DLP HDTV与LCD TV。除此以外,包括数字宽频芯片大厂Conexant也于日前推出了整合TV视讯译码器与DVI收发器的单芯片产品,而包括前述Broadcom、ATI也打算在其TV Tuner后端解决方案整合DVI功能,由此可知在未来的DTV世界,整合DVI/HDMI功能将是大势所趋。
结语
  综合以上四大方向,可以看出芯片供货商清楚认知到,要在半导体芯片技术着力以加速DTV兴起,关键唯有『整合』二字,如图4所示,透过前后端整合(Demodulator与MPEG/Graphics/CPU…)、软硬件整合(媒体处理器整合TV功能)、光电显示半导体整合(LCD Controller)、数字接口整合(USB/1394/PCI/DVI/HDMI…),甚至因应数字家庭概念的崛起,可望在未来进一步整合有线/无线网络、DVD/STB外围、记忆卡插槽功能…,形成一无障碍、完全连结的数字多媒体环境。