便携式视频产品设计要诀

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        打算设计新一代便携式流视频产品?请做好充分准备,因为你前进道路上肯定有不少设计挑战。尽管目前市场上有很多种软硬件平台可供你选择看起来象一种优势,但其实要从这么多选择中找出最佳解决方案是一件相当令人头痛的事。

        今天,当系统设计师为具体的应用量身打造其设计方案时,他们不得不平衡各种相互矛盾的设计要求,如更大的存储容量、更强劲的处理能力、更宽的网络带宽、更低的功耗、更小的设计外形、更高的显示分辨率、不同的显示方式和电源架构(图1)。在这些权衡取舍功夫之外,他们还必须把这些组件天衣无缝地整合在一起、最小化开发成本和加快产品上市时间。

图1:设计一个便携式视频产品要比单纯设计一个处理器或者存储器所要考虑的因素更多。设计师需要考虑编解码器、接口、电源、显示和其它组件。另外,他们还需要选择合适的操作系统,以使所有组件在最短的开发时间内实现完美的协调工作。

        图1:设计一个便携式视频产品要比单纯设计一个处理器或者存储器所要考虑的因素更多。设计师需要考虑编解码器、接口、电源、显示和其它组件。另外,他们还需要选择合适的操作系统,以使所有组件在最短的开发时间内实现完美的协调工作。

        随着DVD播放机、iPod、nanoPod、3.5G和4G手机、以及iPhone等寻求增加或增强流视频能力时,这些要求正变得益发富有挑战性。例如,带2英寸显示屏的小巧手机现在就可处理流视频。

        很自然地,媒体内容服务提供商渴望着将这些机会变成现金收入。目前已经有好几家公司除向住家提供IPTV流视频服务之外,也已可向移动设备提供流视频服务。

        设计师必须明白如何管理和显示来自不同源的视频流。另外,诸如视频压缩、解压缩、编码、解码、视频恶化、抖动、数字化、编解码器、流送方法和网络传输等因素都将影响到视频质量、用户满意度和产品的最终成功。

        在所有影响便携视频设计成功的关键因素中,又以处理器和软件框架为最。一方面,处理器必须足够强大以满足性能要求。另一方面,处理器还必须能够运转在这样一个软件框架内,它不仅可以缩短开发时间,而且还可减少对第三方开发工具和知识产权(IP)的依赖。

        存储器是另一把双刃剑:处理器必须在不对其性能和编程复杂度造成太大影响的前提下支持更大容量的存储器,但存储器又不能给电源带来过大负担,否则用户的收看时间将缩短。

        这些移动设备设计师可以在通用处理器、DSP、多媒体处理器、带定制内核的ASIC和专用标准产品(ASSP)中选择。他们甚至可使用FPGA来为便携式视频产品配置一款处理器。

        “软件兼容性是个很大的设计问题,”TI负责达芬奇应用编程接口的全球技术经理Greg Mar说,“你需要可支持数字视频并具有足够的灵活性以满足不同需求的最新处理器。”

        Mar以TI的DaVinci DM355处理器为例:该处理器具有很强的处理能力,且以OEM批量出货时,成本不到10美元(图2)。“设计工程师需要‘开盒即可用’且支持所选操作系统的软件,”他表示,“设计师不需要重复学习他们业已掌握的东西,因此选择一个恰当的开发平台是成功的关键。”

便携式视频产品设计要诀


         TI的OMAP3525和OMAP3530采用了达芬奇技术,以适合基于DSP的便携式视频应用。“达芬奇和OMAP平台足够灵活,既支持在产品本身的显示器上显示,也支持将显示内容发送到外接的电视机上,”TI的OMAP营销经理Kevin Hawkins表示。

        达芬奇和OMAP平台基于超标量、600MHz的ARM Cortex-A8核,它的处理能力是300MHz ARM9内核的4倍。ARM Cortex-A8核是个32位RISC核,是目前便携式视频产品中使用最广泛的处理器。Marvell的XScale处理器系列也采用了该内核。

        与此同时,ARM的RealView 3.1版专业开发工具包就是为在移动电话多媒体产品中利用ARM内核而推出的。ARM现已推出了基于其处理器和谷歌Android操作系统的移动多媒体手机原型。Android操作系统也许为谷歌的开放手机联盟铺平道路,这是一个由共同拥有改变用户移动体验这一观念的移动和技术方面的领袖所组成的机构。

        ARM核的流行程度从将自己产品与该内核捆绑在一起的公司的数量上可见一斑。例如,三星就推出了用于移动电话多媒体产品、整合了ARM 667MHz核的移动应用处理器。

        许多IC芯片制造商为多媒体处理器提供功能强大的支持芯片。例如,ST的STn8815 Nomadik多媒体处理器引擎为Trolltech的WQtopia应用环境增加了Linux操作系统。

        灵活性和扩展性

        对处理器来说,配置灵活性和扩展性是非常重要的性能指标,特别是对多核处理器来说。ARC International的VRaptor多核处理器可进行调整以满足高分辨率多媒体处理要求(图3)。它支持多个具有多媒体扩展、具有多个向量化128位单指令多数据(SIMD)处理器、高性能流I/O以及特定域加速器的ARC可配设CPU。

图3:ARC International的ARChitect 处理器配置器是一款功能强大的工具,在设计便携式多媒体产品中非常有用。它可以实现ARC处理器内核的自动配置和扩展。

        图3:ARC International的ARChitect 处理器配置器是一款功能强大的工具,在设计便携式多媒体产品中非常有用。它可以实现ARC处理器内核的自动配置和扩展。

        当然,软件操作系统的选择对设计需要考虑的事项有很大的影响。它还会影响到利用第三方应用的可能性。另外,它还通过影响软件投资和所选处理器进而影响产品总成本。

        合适的软件开发环境在简化设计师的工作方面助益良多。整合了处理器、开发工具、软件和系统专门技术的环境可使设计师工作在更高系统抽象层次。Linux和微软的Windows Mobile平台是两个主要玩家。苹果虽然不允许第三方参与其核心IP技术,但凭借其iPod和iPhone,它也成为重量级玩家。

       虽然微软的Windows Mobile平台是一个非开放软件,但它的确是系统设计师的一个很好选择。它易于使用、支持许多行业标准并为多媒体内容提供坚实支持。不好的一面是,使用它要支付更高的许可费用,并牺牲用户化和差异化的灵活性。

       由于Linux是一个开放源码软件,因此其前景看起来很光明。使用商业Linux操作系统可使整个软件开发流程更流畅。Monta Vista Software和Wind River Systems等公司提供基于Linux的商业工具包(图4)。

便携式视频产品设计要诀

       基于Linux核而开发的最新产品是前面提到的谷歌的Android操作系统。TI、Qualcomm及其它一些公司业已展出基于Android操作系统的早期实现。基于Android的最新产品是谷歌的Googlephone。

       数字版权管理(DRM)是另一个主要问题。DRM是一个安全防范层,用来保护DRM版权保护架构内的数字音频/视频内容不被非法使用和侵害。它对用户复制音频/视频媒体内容的时间、地点和方式都做出了限制。一般在内容被编码前、数据速率较低时实施的DRM,比在编码后实施DRM更容易。

        微软的Vista操作系统采用了DRM软件。其视频路径保护(PVP)系统可使受DRM保护的内容不被运行着的未注册软件使用。它还可对传送至显示器或图形卡的信息进行加密,从而使盗用媒体内容的行径更困难。

        最重要的编解码器

       针对多媒体便携式产品的更多高性能视频编解码器正在浮现出来。最新的编解码器(如MPEG-4)使得一系列新产品和新服务成为可能。目前市面上的可扩展便携式视频“jukebox”可处理广播级质量的流视频。另外,与其它事情一样,向后兼容非常重要。例如,一款MPEG-4编解码器能不支持MPEG-3和MPEG-2编解码器吗?

       高清先进视频编解码器(AVCHD)标准是高清流视频背后的推动因素。在2006年,索尼和松下引进了该高清记录格式,它采用的是MPEG-4 AVC(H.264)视频编解码器。它可利用各种存储媒介(如8cm可录制DVD光盘、硬盘或闪存卡)的优势。该高清格式与其它手持录像机录制格式相互竞争,特别是HDV和MiniDV。

       H.264视频编解码器的压缩比是老的MPEG-2编解码器的两倍多。它们可以更少空间提供MPEG-2视频质量的录制。富士通微电子(美国)、Algo Embedded Systems、Silicon Hive、W&W Communications和Mobilygen都可提供H.264编解码器。

        不过,H.264并非完美无缺。编辑及转换这些文件会消耗大量存储器和处理资源。与MPEG-2编解码器进行的类似处理相比,解码和再编码AVC占用的资源要多得多。

        而且,AVCHD采用长GOP(图片组)帧存储。该方法虽然具有空间效率,但却带来材料编辑和编码方面的挑战。(GOP是组合在一起并被回放的独立图片帧,这样观众就感受到视频的空间运动。)但与开始时装在家用PC上的MPEG-2所遭遇的负担一样(甚至需要专用PCI解码器卡),随着时间的推移,特别是借助多核CPU,将克服AVC的挑战。

        目前市场上有很多种支持编解码器的工具,如ON2 Technologies的Hantro 8190多格式寄存器传输级(RTL)视频解码器。该公司利用ARM的NEON处理器来优化好几个ON2视频软件编解码器的性能。

        重要的是要理解,压缩标准只规定如何解码压缩的信息流。它并没规定编码是如何实施的。因此,相同标准的两个实现并不返回同样的压缩比或提供同样的图像质量、它们也不会以相同限制去约束位速率。

        总的来说,高级的移动电话等便携视频产品通常采用两类存储器:易失和非易失。前者存储工作中的数据;后者(主要是若干类闪存)一般存储操作系统和应用程序。

        在便携视频产品中应使用移动RAM来处理多个复杂功能,因为在这种场合,处理功率、灵活性、速度、密度和带宽是主要要求。事实上,移动RAM的双倍数据速率(DDR)版本将具有更优异的性能。

        为满足便携视频产品对小体积、低成本的要求,许多设计师已经开始采用代码映射技术。在这种情况,代码存储在低成本NAND闪存内。在启动时,代码从NAND闪存下载进易失存储器并在此被执行。虽然此举会略微延长启动引导时间,但它的确提升了整个运行速度。

        节能降耗

        能源是便携视频产品内的稀缺资源,特别是当采用电池供电时。选择一款能耗不高但可提供高清流视频支持的强大处理器是项极具挑战的任务。幸运的是,由于几项技术的进步,该领域已经取得了许多市场渴望的性能提升。

        根据Nvidia的介绍,其APX 2500高清计算芯片可提供最低的功耗(图5)。在Windows Mobile手机上,它能支持约10小时的720p高清视频。


 


        设计师还可借助低压视频放大器等电路元件进一步降低功耗。美信开发的MAX9509视频放大器IC可工作在1.8V,而不是通常的3.3V。美信表示,与其它典型视频放大器IC相比,MAX9509的功耗降低了75%以上。

        美信把该进步归功于其直接驱动技术。由于放大器仅当有输入信号且负载连接时才开启,而当便携视频产品的输出视频插孔没有输出连接时则关闭,所以进一步节省了功耗。一旦负载再次连接,则放大器又开启。

        选择合适的显示器也可降低功耗。有源矩阵LCD是最常用的便携视频显示器。全彩流视频LCD要求LED背光必须很有效率,一般可借助LED阵列来满足该要求。

        新兴的有机LED(OLED)不需背光,从而可提供更低功耗。OLED还更可靠更轻便。另外,它们还具有优异的图像质量和对比度,且还可采用低成本工艺方法制造。但如要完全取代LCD显示器,还有很多工作需要完成。

        索尼推出了一款用于便携设备、2.5英寸对角线屏幕的柔性OLED显示器原型。该显示器仅0.3mm厚,它可呈现1,680万种色彩、具有120×160像素分辨率。它采用的是在塑料基底上直接沉积薄膜晶体管的技术。

        考察一下便携视频领域近期取得的其它所有进展,会对当今的显示技术怀有更新期待。消费者不太会情愿在如此小的屏幕上长时间收看情节完整的电影和电视剧。相反,当今的消费者希望通过大显示屏(如电视)与朋友和家人分享媒体内容。除带来更愉悦的观看体验外,这种转变还降低了便携设备的功耗。

        最佳传输方法是高清多媒体接口(HDMI),但HDMI发射器一般很耗电,所以在电池供电的应用中使用起来很困难。

        ADI的ADV7520NK的低功耗HDMI发射器有助于打破这一困局。据ADI介绍,ADV7520NK的有源功耗只有市场上其它器件的一半多,其18μW待机功耗不到竞争产品的25%。

        最后,用于便携媒体设备的视频技术进步非常快,所以即使对一两年内的态势做出正确估算都很艰难。看一看今年一月在拉斯维加斯举行的全球消费电子大展,期间,LG电子展出了其Mobile Pedestrian Handhelds(MPH),三星推出了其Advanced VSB设备。

        这些产品是未来几年内新一代便携视频产品的原型,它们是为接收美国电视广播信号设计的。为了在手机和其它便携式多媒体设备上实现信号接收,它们将采用不同的解码方法来修改信号。

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