便攜式視頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)要訣

今天，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師為具體的應(yīng)用量身打造其設(shè)計(jì)方案時(shí)，他們不得不平衡各種相互矛盾的設(shè)計(jì)要求，如更大的存儲(chǔ)容量、更強(qiáng)勁的處理能力、更寬的網(wǎng)絡(luò)帶寬、更低的功耗、更小的設(shè)計(jì)外形、更高的顯示分辨率、不同的顯示方式和電源架構(gòu)(圖1)。在這些權(quán)衡取舍功夫之外，他們還必須把這些組件天衣無(wú)縫地整合在一起、最小化開(kāi)發(fā)成本和加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

圖1：設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式視頻產(chǎn)品要比單純?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)處理器或者存儲(chǔ)器所要考慮的因素更多。設(shè)計(jì)師需要考慮編解碼器、接口、電源、顯示和其它組件。另外，他們還需要選擇合適的操作系統(tǒng)，以使所有組件在最短的開(kāi)發(fā)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完美的協(xié)調(diào)工作。

隨著DVD播放機(jī)、iPod、nanoPod、3.5G和4G手機(jī)、以及iPhone等尋求增加或增強(qiáng)流視頻能力時(shí)，這些要求正變得益發(fā)富有挑戰(zhàn)性。例如，帶2英寸顯示屏的小巧手機(jī)現(xiàn)在就可處理流視頻。

很自然地，媒體內(nèi)容服務(wù)提供商渴望著將這些機(jī)會(huì)變成現(xiàn)金收入。目前已經(jīng)有好幾家公司除向住家提供IPTV流視頻服務(wù)之外，也已可向移動(dòng)設(shè)備提供流視頻服務(wù)。

設(shè)計(jì)師必須明白如何管理和顯示來(lái)自不同源的視頻流。另外，諸如視頻壓縮、解壓縮、編碼、解碼、視頻惡化、抖動(dòng)、數(shù)字化、編解碼器、流送方法和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纫蛩囟紝⒂绊懙揭曨l質(zhì)量、用戶滿意度和產(chǎn)品的最終成功。

在所有影響便攜視頻設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵因素中，又以處理器和軟件框架為最。一方面，處理器必須足夠強(qiáng)大以滿足性能要求。另一方面，處理器還必須能夠運(yùn)轉(zhuǎn)在這樣一個(gè)軟件框架內(nèi)，它不僅可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且還可減少對(duì)第三方開(kāi)發(fā)工具和知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的依賴。

存儲(chǔ)器是另一把雙刃劍：處理器必須在不對(duì)其性能和編程復(fù)雜度造成太大影響的前提下支持更大容量的存儲(chǔ)器，但存儲(chǔ)器又不能給電源帶來(lái)過(guò)大負(fù)擔(dān)，否則用戶的收看時(shí)間將縮短。

這些移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)師可以在通用處理器、DSP、多媒體處理器、帶定制內(nèi)核的ASIC和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)中選擇。他們甚至可使用FPGA來(lái)為便攜式視頻產(chǎn)品配置一款處理器。

“軟件兼容性是個(gè)很大的設(shè)計(jì)問(wèn)題，”TI負(fù)責(zé)達(dá)芬奇應(yīng)用編程接口的全球技術(shù)經(jīng)理Greg Mar說(shuō)，“你需要可支持?jǐn)?shù)字視頻并具有足夠的靈活性以滿足不同需求的最新處理器。”

Mar以TI的DaVinci DM355處理器為例：該處理器具有很強(qiáng)的處理能力，且以O(shè)EM批量出貨時(shí)，成本不到10美元(圖2)?！霸O(shè)計(jì)工程師需要‘開(kāi)盒即可用’且支持所選操作系統(tǒng)的軟件，”他表示，“設(shè)計(jì)師不需要重復(fù)學(xué)習(xí)他們業(yè)已掌握的東西，因此選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)平臺(tái)是成功的關(guān)鍵?！?/P>

達(dá)芬奇和OMAP平臺(tái)基于超標(biāo)量、600MHz的ARM Cortex-A8核，它的處理能力是300MHz ARM9內(nèi)核的4倍。ARM Cortex-A8核是個(gè)32位RISC核，是目前便攜式視頻產(chǎn)品中使用最廣泛的處理器。Marvell的XScale處理器系列也采用了該內(nèi)核。

與此同時(shí)，ARM的RealView 3.1版專業(yè)開(kāi)發(fā)工具包就是為在移動(dòng)電話多媒體產(chǎn)品中利用ARM內(nèi)核而推出的。ARM現(xiàn)已推出了基于其處理器和谷歌Android操作系統(tǒng)的移動(dòng)多媒體手機(jī)原型。Android操作系統(tǒng)也許為谷歌的開(kāi)放手機(jī)聯(lián)盟鋪平道路，這是一個(gè)由共同擁有改變用戶移動(dòng)體驗(yàn)這一觀念的移動(dòng)和技術(shù)方面的領(lǐng)袖所組成的機(jī)構(gòu)。

ARM核的流行程度從將自己產(chǎn)品與該內(nèi)核捆綁在一起的公司的數(shù)量上可見(jiàn)一斑。例如，三星就推出了用于移動(dòng)電話多媒體產(chǎn)品、整合了ARM 667MHz核的移動(dòng)應(yīng)用處理器。

許多IC芯片制造商為多媒體處理器提供功能強(qiáng)大的支持芯片。例如，ST的STn8815 Nomadik多媒體處理器引擎為Trolltech的WQtopia應(yīng)用環(huán)境增加了Linux操作系統(tǒng)。

靈活性和擴(kuò)展性

對(duì)處理器來(lái)說(shuō)，配置靈活性和擴(kuò)展性是非常重要的性能指標(biāo)，特別是對(duì)多核處理器來(lái)說(shuō)。ARC International的VRaptor多核處理器可進(jìn)行調(diào)整以滿足高分辨率多媒體處理要求(圖3)。它支持多個(gè)具有多媒體擴(kuò)展、具有多個(gè)向量化128位單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)處理器、高性能流I/O以及特定域加速器的ARC可配設(shè)CPU。

圖3：ARC International的ARChitect 處理器配置器是一款功能強(qiáng)大的工具，在設(shè)計(jì)便攜式多媒體產(chǎn)品中非常有用。它可以實(shí)現(xiàn)ARC處理器內(nèi)核的自動(dòng)配置和擴(kuò)展。

當(dāng)然，軟件操作系統(tǒng)的選擇對(duì)設(shè)計(jì)需要考慮的事項(xiàng)有很大的影響。它還會(huì)影響到利用第三方應(yīng)用的可能性。另外，它還通過(guò)影響軟件投資和所選處理器進(jìn)而影響產(chǎn)品總成本。

合適的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)師的工作方面助益良多。整合了處理器、開(kāi)發(fā)工具、軟件和系統(tǒng)專門技術(shù)的環(huán)境可使設(shè)計(jì)師工作在更高系統(tǒng)抽象層次。Linux和微軟的Windows Mobile平臺(tái)是兩個(gè)主要玩家。蘋果雖然不允許第三方參與其核心IP技術(shù)，但憑借其iPod和iPhone，它也成為重量級(jí)玩家。

雖然微軟的Windows Mobile平臺(tái)是一個(gè)非開(kāi)放軟件，但它的確是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的一個(gè)很好選擇。它易于使用、支持許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并為多媒體內(nèi)容提供堅(jiān)實(shí)支持。不好的一面是，使用它要支付更高的許可費(fèi)用，并犧牲用戶化和差異化的靈活性。

由于Linux是一個(gè)開(kāi)放源碼軟件，因此其前景看起來(lái)很光明。使用商業(yè)Linux操作系統(tǒng)可使整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)流程更流暢。Monta Vista Software和Wind River Systems等公司提供基于Linux的商業(yè)工具包(圖4)。

基于Linux核而開(kāi)發(fā)的最新產(chǎn)品是前面提到的谷歌的Android操作系統(tǒng)。TI、Qualcomm及其它一些公司業(yè)已展出基于Android操作系統(tǒng)的早期實(shí)現(xiàn)?；贏ndroid的最新產(chǎn)品是谷歌的Googlephone。

數(shù)字版權(quán)管理(DRM)是另一個(gè)主要問(wèn)題。DRM是一個(gè)安全防范層，用來(lái)保護(hù)DRM版權(quán)保護(hù)架構(gòu)內(nèi)的數(shù)字音頻/視頻內(nèi)容不被非法使用和侵害。它對(duì)用戶復(fù)制音頻/視頻媒體內(nèi)容的時(shí)間、地點(diǎn)和方式都做出了限制。一般在內(nèi)容被編碼前、數(shù)據(jù)速率較低時(shí)實(shí)施的DRM，比在編碼后實(shí)施DRM更容易。

微軟的Vista操作系統(tǒng)采用了DRM軟件。其視頻路徑保護(hù)(PVP)系統(tǒng)可使受DRM保護(hù)的內(nèi)容不被運(yùn)行著的未注冊(cè)軟件使用。它還可對(duì)傳送至顯示器或圖形卡的信息進(jìn)行加密，從而使盜用媒體內(nèi)容的行徑更困難。

最重要的編解碼器

針對(duì)多媒體便攜式產(chǎn)品的更多高性能視頻編解碼器正在浮現(xiàn)出來(lái)。最新的編解碼器(如MPEG-4)使得一系列新產(chǎn)品和新服務(wù)成為可能。目前市面上的可擴(kuò)展便攜式視頻“jukebox”可處理廣播級(jí)質(zhì)量的流視頻。另外，與其它事情一樣，向后兼容非常重要。例如，一款MPEG-4編解碼器能不支持MPEG-3和MPEG-2編解碼器嗎？

高清先進(jìn)視頻編解碼器(AVCHD)標(biāo)準(zhǔn)是高清流視頻背后的推動(dòng)因素。在2006年，索尼和松下引進(jìn)了該高清記錄格式，它采用的是MPEG-4 AVC(H.264)視頻編解碼器。它可利用各種存儲(chǔ)媒介(如8cm可錄制DVD光盤、硬盤或閃存卡)的優(yōu)勢(shì)。該高清格式與其它手持錄像機(jī)錄制格式相互競(jìng)爭(zhēng)，特別是HDV和MiniDV。

H.264視頻編解碼器的壓縮比是老的MPEG-2編解碼器的兩倍多。它們可以更少空間提供MPEG-2視頻質(zhì)量的錄制。富士通微電子(美國(guó))、Algo Embedded Systems、Silicon Hive、WW Communications和Mobilygen都可提供H.264編解碼器。

不過(guò)，H.264并非完美無(wú)缺。編輯及轉(zhuǎn)換這些文件會(huì)消耗大量存儲(chǔ)器和處理資源。與MPEG-2編解碼器進(jìn)行的類似處理相比，解碼和再編碼AVC占用的資源要多得多。

而且，AVCHD采用長(zhǎng)GOP(圖片組)幀存儲(chǔ)。該方法雖然具有空間效率，但卻帶來(lái)材料編輯和編碼方面的挑戰(zhàn)。(GOP是組合在一起并被回放的獨(dú)立圖片幀，這樣觀眾就感受到視頻的空間運(yùn)動(dòng)。)但與開(kāi)始時(shí)裝在家用PC上的MPEG-2所遭遇的負(fù)擔(dān)一樣(甚至需要專用PCI解碼器卡)，隨著時(shí)間的推移，特別是借助多核CPU，將克服AVC的挑戰(zhàn)。

目前市場(chǎng)上有很多種支持編解碼器的工具，如ON2 Technologies的Hantro 8190多格式寄存器傳輸級(jí)(RTL)視頻解碼器。該公司利用ARM的NEON處理器來(lái)優(yōu)化好幾個(gè)ON2視頻軟件編解碼器的性能。

重要的是要理解，壓縮標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定如何解碼壓縮的信息流。它并沒(méi)規(guī)定編碼是如何實(shí)施的。因此，相同標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)并不返回同樣的壓縮比或提供同樣的圖像質(zhì)量、它們也不會(huì)以相同限制去約束位速率。

總的來(lái)說(shuō)，高級(jí)的移動(dòng)電話等便攜視頻產(chǎn)品通常采用兩類存儲(chǔ)器：易失和非易失。前者存儲(chǔ)工作中的數(shù)據(jù)；后者(主要是若干類閃存)一般存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

在便攜視頻產(chǎn)品中應(yīng)使用移動(dòng)RAM來(lái)處理多個(gè)復(fù)雜功能，因?yàn)樵谶@種場(chǎng)合，處理功率、靈活性、速度、密度和帶寬是主要要求。事實(shí)上，移動(dòng)RAM的雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)版本將具有更優(yōu)異的性能。

為滿足便攜視頻產(chǎn)品對(duì)小體積、低成本的要求，許多設(shè)計(jì)師已經(jīng)開(kāi)始采用代碼映射技術(shù)。在這種情況，代碼存儲(chǔ)在低成本NAND閃存內(nèi)。在啟動(dòng)時(shí)，代碼從NAND閃存下載進(jìn)易失存儲(chǔ)器并在此被執(zhí)行。雖然此舉會(huì)略微延長(zhǎng)啟動(dòng)引導(dǎo)時(shí)間，但它的確提升了整個(gè)運(yùn)行速度。

節(jié)能降耗

能源是便攜視頻產(chǎn)品內(nèi)的稀缺資源，特別是當(dāng)采用電池供電時(shí)。選擇一款能耗不高但可提供高清流視頻支持的強(qiáng)大處理器是項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。幸運(yùn)的是，由于幾項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步，該領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多市場(chǎng)渴望的性能提升。

根據(jù)Nvidia的介紹，其APX 2500高清計(jì)算芯片可提供最低的功耗(圖5)。在Windows Mobile手機(jī)上，它能支持約10小時(shí)的720p高清視頻。

設(shè)計(jì)師還可借助低壓視頻放大器等電路元件進(jìn)一步降低功耗。美信開(kāi)發(fā)的MAX9509視頻放大器IC可工作在1.8V，而不是通常的3.3V。美信表示，與其它典型視頻放大器IC相比，MAX9509的功耗降低了75%以上。

美信把該進(jìn)步歸功于其直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。由于放大器僅當(dāng)有輸入信號(hào)且負(fù)載連接時(shí)才開(kāi)啟，而當(dāng)便攜視頻產(chǎn)品的輸出視頻插孔沒(méi)有輸出連接時(shí)則關(guān)閉，所以進(jìn)一步節(jié)省了功耗。一旦負(fù)載再次連接，則放大器又開(kāi)啟。

選擇合適的顯示器也可降低功耗。有源矩陣LCD是最常用的便攜視頻顯示器。全彩流視頻LCD要求LED背光必須很有效率，一般可借助LED陣列來(lái)滿足該要求。

新興的有機(jī)LED(OLED)不需背光，從而可提供更低功耗。OLED還更可靠更輕便。另外，它們還具有優(yōu)異的圖像質(zhì)量和對(duì)比度，且還可采用低成本工藝方法制造。但如要完全取代LCD顯示器，還有很多工作需要完成。

索尼推出了一款用于便攜設(shè)備、2.5英寸對(duì)角線屏幕的柔性O(shè)LED顯示器原型。該顯示器僅0.3mm厚，它可呈現(xiàn)1,680萬(wàn)種色彩、具有120×160像素分辨率。它采用的是在塑料基底上直接沉積薄膜晶體管的技術(shù)。

考察一下便攜視頻領(lǐng)域近期取得的其它所有進(jìn)展，會(huì)對(duì)當(dāng)今的顯示技術(shù)懷有更新期待。消費(fèi)者不太會(huì)情愿在如此小的屏幕上長(zhǎng)時(shí)間收看情節(jié)完整的電影和電視劇。相反，當(dāng)今的消費(fèi)者希望通過(guò)大顯示屏(如電視)與朋友和家人分享媒體內(nèi)容。除帶來(lái)更愉悅的觀看體驗(yàn)外，這種轉(zhuǎn)變還降低了便攜設(shè)備的功耗。

最佳傳輸方法是高清多媒體接口(HDMI)，但HDMI發(fā)射器一般很耗電，所以在電池供電的應(yīng)用中使用起來(lái)很困難。

ADI的ADV7520NK的低功耗HDMI發(fā)射器有助于打破這一困局。據(jù)ADI介紹，ADV7520NK的有源功耗只有市場(chǎng)上其它器件的一半多，其18μW待機(jī)功耗不到競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的25%。

最后，用于便攜媒體設(shè)備的視頻技術(shù)進(jìn)步非?？?，所以即使對(duì)一兩年內(nèi)的態(tài)勢(shì)做出正確估算都很艱難。看一看今年一月在拉斯維加斯舉行的全球消費(fèi)電子大展，期間，LG電子展出了其Mobile Pedestrian Handhelds(MPH)，三星推出了其Advanced VSB設(shè)備。

這些產(chǎn)品是未來(lái)幾年內(nèi)新一代便攜視頻產(chǎn)品的原型，它們是為接收美國(guó)電視廣播信號(hào)設(shè)計(jì)的。為了在手機(jī)和其它便攜式多媒體設(shè)備上實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收，它們將采用不同的解碼方法來(lái)修改信號(hào)。