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[图文]移动电视的技术及解决方案解析

作者:时间:2017-06-08来源:网络

(俗称)目前已成为手机产业的热门话题。 根据欧洲、美国和日本对下一代通信业务的调查显示,用户对业务非常有兴趣,有40-60%的用户希望可以在手机上收看电视,愿意每个月支付10欧元。到2008年,全球将有大约2亿用户使用此项服务,而亚洲将成为最流行的地区。

  本文将介绍的相关技术,同时也将探讨的一些解决方案。

移动电视面临的问题

1.恶劣的无线接收环境

  无线接收环境带来了多径问题,接收信号是来自不同路径的发射信号的矢量叠加。不同的路径引入了不同的延迟和相位,如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/351855.htm

图1 无线信道中的多径传播

  如果信道的延迟扩展大于发送信号的符号周期,信号将产生频率选择性衰落并引起符间干扰,导致系统的性能下降。

  手机电视业务必须为以不同速率运动的移动用户提供高质量和可靠的视频传输,包括基本静止的室内用户,低速跑动的移动用户(小于30km/h)和处于高速运动的车辆中的用户(大于100km/h)。接收方相对于发送方的运动会产生多普勒频移。此频移与相对运动的速度成正比,它会导致相邻载波的干扰,影响载波之间的正交性。系统设计者希望解调器具有较大的多普勒频移范围,它是衡量无线电信道时间选择性的尺度。

2.手机的功耗问题

  在手机系统设计中,功耗是设计者最为关心的因素之一。移动电视业务的引入不能以过多地牺牲待机时间为代价,用户希望一次充电能连续观看4个小时以上的电视节目。以往的地面数字广播标准,比如DVB-T,虽然在高速运动下有不错的接收性能,但并没有为移动接收的功耗作特别的设计和优化,目前较省电的DVB-T前端也要消耗约300-500mW的功耗,这对手机电池而言,还是不够经济。在移动电视业务给手机引入的功耗中,接收前端大约要占到80%的比例,因此,选择针对功耗专门设计的移动电视标准,设计低功耗的调谐器和解调器,是芯片设计者需要面对和解决的问题。

3.多种标准、多个频段的问题

  这是个较为复杂的问题,超越了纯粹的技术范畴,与数字电视演进的历史和各国的政策规划相关。在已经商用的地面数字电视广播标准方面,美国和韩国是ATSC标准,日本采用了ISDB-T标准,欧洲和澳洲采用了DVB-T,中国不久前也制定了DMB-TH地面电视标准。在制定移动电视标准时,基于经济利益和技术延续性方面的考虑,各国也采用了不同的路线,除了中国日前制定的CMMB本土移动电视行业标准,全球移动电视标准大致的分布如图2所示。

图2 目前投入使用的移动电视标准的地理分布示意图

  在频谱方面,主要涉及到四个频段:VHF III(174-240MHz)、UHF(470-862MHz)和L1(1452-1492MHz)、L2(1660-1685MHz)。各国对手机电视的频谱规划也并不统一。

  多标准、多频段会带来全球漫游的问题,美国的用户到了日本就可能无法享受到手机电视的服务。要解决这个问题,移动接收的调谐器和解调器,乃至应用处理器必须具备灵活性,支持多种标准和多个频段,这为芯片厂商带来了技术上的挑战。

4.高级的音视频编码标准

  为了充分利用宝贵的频谱资源,在有限的带宽下提供尽可能多的节目频道,服务提供商必须使用高级的音视频编码技术,比如最新的视频压缩标准H.264(MPEG-4 Part 10)和音频编码标准AAC,其中H.264的压缩率比MPEG-2高出2-3倍,1Mb/s的图像数据接近MPEG-2DVD的图像质量,因此,它是手机电视中最为理想的信源压缩编码标准。H.264在结构上还是基于DCT域的运动补偿架构,不过相比以往的视频编码标准,它采用了更先进的技术,比如具有方向性的帧内预测、基于可变块的运动分割、基于上下文的二进制算术编码、环内滤波、基于4×4块的整数变换、1/4象素精度的运动补偿、分层的编码语法等,这些技术使得H.264具有很高的压缩效率,在相同的重建图像质量下,能够比MPEG-4/H.263节约50%左右的码率。H.264的码流结构网络适应性强,增加了差错恢复能力,能够很好地适应IP和无线网络的应用。

编码效率极大提高的代价是计算复杂度大大增加,基于软件的解决方案,其CPU或DSP的主频将大幅上升,导致功耗增加,缩短了电池的使用时间。基于硬件H.264解码的SoC芯片,是一个低功耗、高集成度的解决方案。

二、移动电视的标准

1.手机电视的两种方式

  从目前全球范围内手机电视的业务开展来看,存在两种最主要的方式:流媒体和广播。

  为了开发手机电视的市场需求,部分电信系统商已经开始在手机上提供电视收视的服务,其中较为知名的有Huchison3G以及最近的Orange、Vodafone与意大利电信(Telecom ltalia)等。这些服务和传统电视并不相同,手机通过电信网络(2.5G/2.75G/3G)连接到媒体服务器,采用点对点流媒体方式播放,而非多点式的广播。由于这些服务相当容易导入,而且商业模式上比较简单,容易运作,目前在市场上也取得了一定的成功。事实上,这种方式的频谱利用率并不高,虽然为网络营运商带来不错的收益,但当3G的使用越来越普遍后,利用大量频谱提供廉价电视内容的播放将会越来越不经济,同时对大规模的商业运营在技术上也相当不实际。例如,3G用户可以使用手机电视参看足球比赛的进球集锦,假设一个基站有能力同时给100个用户传输100kb/s的视频流,这个视频流在1000s内通过10000个基站进行传输,这时有100万个用户购买了这段进球集锦,这样每个基站必须在16-17min内保持10Mb/s的传输数据率,在这段时间内手机电视用户的需求将耗尽3G网络的全部资源,导致语音和其它数据业务无法开展。

  更有效地提供手机电视业务的方式是通过卫星或地面数字广播来进行传输。根据手机电视业务数据传送不对称的特点,在反向信道利用蜂窝网络可以开展交互式业务,比如网页浏览、短信、彩信、电邮等。利用广播网络,避免了点对点单播方式带来的频谱利用率较低的瓶颈,能有效地降低大规模商用的成本。在韩国的商业运营和在欧洲、美国等的试运营,都论证了广播方式在技术上的可行性和商业上的经济性。但是,由于广播方式可能同时牵涉到电信运营商和广播网络运营商,商业模式上相对复杂,特别是在管制较严的国家受政策因素的影响较大,制约较多,给商用运营带来一定的难度。

2.目前投入使用的广播方式的几种标准

  a.欧洲的DVB-H标准

  DVB-H标准是欧洲的DVB组织推出的面向手机等小型移动终端设备的移动数字电视传输标准。DVB-H是建立在DVB和DVB-T两个标准之上的标准。它的系统前端由DVB-H封装机和DVB-H调制器构成,DVB-H封装机负责将IP数据封装成MPEG-2系统传输流,DVB-H调制器负责信道编码和调制;系统终端由DVB-H解调器和DVB-H终端构成,DVB-H解调器负责信道解调、解码,DVB-H终端负责相关业务显示、处理。为了满足手机电视的业务要求,DVB-H传输系统具有以下的技术特点:

  (1)为提高电池的使用时间,采用了时间分片(Time Slicing)的技术,利用数据突发传输和缓冲的方法,终端周期地关掉一部分接收电路,可以节省多达90%的功耗,DVB-H的数据突发传输和缓冲见图3:

图3 DVB-H的数据突发传输和缓冲

  (2)支持漫游,漫游时仍能非常顺利地接收DVB-H业务;

  (3)使用了多负荷封装和前向纠错编码的技术,使系统具有很强的抗干扰能力;

  (4)除了2K和8K模式,增加了4K模式,在移动接收和建网成本之间进行平衡;

  (5)系统能提供足够的灵活性以满足不同传输带宽和信道带宽应用。


b.韩国的T-DMB标准

  T-DMB是韩国推出的地面数字多媒体广播系统,从严格意义上讲,仍然是欧洲的国家标准。该标准建立在欧洲厂商开发的尤里卡147数字音频广播(DAB)系统的基础上,在技术上作了一些修改,以便向手机、PDA和其它便携设备播送空中数字电视节目。

  T-DMB系统包括1个DMB监视系统、2个视频编码器、视频网关和多路复??单独的交通/新闻/天气频道。T-DMB利用ITU-T H.264对视频进行编码,利用MPEG-4 BSAC对音频进行编码,然后利用MPEG-4同步层和MPEG-2传输流对视频、音频以及数据进行处理,某些基本的模块,比如前向纠错编码和调制等,与DVB-H相似。

T-DMB在韩国已经步入商用阶段。2005年3月,韩国已向T-DMB广播运营商发放了许可证。同期,欧洲的DVB-H标准刚刚开始进行商用试验。

c.高通的MediaFLO标准

  高通公司于2005年推出了MediaFLO标准,这是手机电视标准中唯一的私有标准。据BDA分析师称,从纯技术角度看,MediaFLO是专门为手机电视开发的系统,在系统和终端表现上都优于T-DMB和DVB-H,比如频道切换时间和相同频带可容纳的频道数。但T-DMB和DVB-H现在的商用成熟度领先于MediaFLO,MediaFLO还缺乏成熟的产品,加之T-DMB和DVB-H是开放的标准,支持的厂商众多,而专利费等因素有可能会制约MediaFLO产业链的发展。

小结

  这三种标准的未来发展将主要取决于厂商的推广策略以及各自商用试验的进展,而中国最近制定的标准也将同时参与竞争。这三种技术的比较如表所示。

表 三种标准的技术比较

三、频谱问题

  目前,UHF频段主要由模拟电视和数字电视所使用。在很多国家,一些专家认为应该将模拟电视的频段拿出来用于发展数字电视。

  在大多数国家,L波段用于DAB和卫星传输。但是,DAB在很多国家并没有取得成功,发射装置通常被关掉了。因此,在L波段有多达24MHz的频率可以马上投入手机电视的使用。例如,在美国,Crown Castle公司用1670-1675MHz的频段来开展DVB-H的手机电视业务。

  一般会认为,L波段的频率较高,因此信号的衰减也较大。由此得出的结论是L波段的网络成本较高,因为发射器之间的距离需要更近,所以需要更多的发射器。然而,这并没有考虑到接收器的实现问题。

  UHF的主要问题是接收天线的尺寸。好的UHF天线需要10-20cm长,但是绝大多数的手机电视接收天线只有几厘米长,与最优尺寸的UHF天线相比,这会带来7-10dB的损失。

  一般来说,空中的信号衰减可以用20log(f)来表示,这意味着在给定距离的条件下,L波段相比UHF波段大概有8dB的损失,这跟由于UHF天线尺寸的限制而造成的损失基本相互抵消了。从这个意义上,用L波段来开展手机电视业务,与UHF波段相比,整个系统的信号传输性能并没有明显的下降。

  加之UHF V(598-862MHz)接近GSM 900频段,会对GSM的无线接收造成影响。因此,在手机电视的接收端,需要设计一个GSM滤波器,除去这方面的影响,这会对调谐器的设计带来一定的难度。

  根据以上的分析,用L波段来开展手机电视业务,无论从频率规划,还是从接收技术而言,都是可行性较高的方案。

四、解决方案

  图4为具有接收移动电视广播功能的手机架构。该架构由三个主要的子系统构成:通信子系统、应用子系统和移动接收子系统。我们将重点讨论关于移动接收和应用子系统相关的解决方案。

图4 具备接收移动电视广播功能的手机架构

  移动接收子系统主要由接收天线、调谐器和解调器组成。这里不讨论接收天线。调谐和解调有两种方案:一种是两者是分离芯片,另一种是单芯片集成。

  在早期,为了迅速推出方案,抢占市场,一些厂商选择了分离方案。Freescale提供射频调谐器,分别是针对UHF频段(430~862MHz)的MC44CD0I/02和针对美国L波段(1.67GHz)的MC44CD03,再配上DiBcom公司的DIB7000-H芯片,它是全球首先量产、支持DVB-H移动接收规格的解调器。

  Microtune公司也推出了分离方案。它的双波段DVB-H调谐器芯片MT2260,采用集成设计,无需外部低噪声放大器(LNA)或平衡/不平衡变压器,在观看模式下的典型功耗为20-40mW。MT2260目前可接收到的频段为美国的L波段和欧洲的UHF频段(470-890MHz)。

  TI则采用了集成方案。它的Hollywood单芯片解决方案是业界首款采用标准90nm数字工艺、将移动电视调谐器与解调器集成的芯片。其中,DTV1000和DTV1001是Hollywood单芯片系列的首批产品,支持开放的业界标准,包括应用于欧洲、美国及部分亚洲地区的DVB-H及应用于日本的ISDB-T,另外,均具备可连接至TI OMAP系列应用处理器的接口。
以色列公司Siano Mobile的SMS1000属于集成方案,包括SMS1001调谐器和SMS1002解调器芯片。SMS1000支持多种标准(DVB-H、DVB-T、T-DMB、DAB、EPM-DAB)和多个波段(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服务欧洲市场,BGT211服务美国市场。芯片包含一片电视调谐器(TDA18281/2)、可编程通道解码器/解调器(TDA10105)、源解码器和完整的用于DVB-H传输控制、文件传送和实时A/V传送的软件包。

  Samsung的DVB-H前端芯片组带有Zero-IF(中频)CMOS RF调谐器(S5M8600),以及符合DVB-H/T标准的信道解码器(S3C4F10)、CPU和内置式存储器,它的应用子系统也比较有特点,采用了SC32442应用处理器加上SA3A480 H.264解码器的双芯片方案。

结束语

  手机电视作为3G的补充,将会成为运营商一个非常重要的增值业务。技术瓶颈的解决将促进手机电视的普及。目前,已有众多芯片厂商推出支持DVB-H、T-DMB、ISDB-T和MediaFLO和中国DMB-TH、CMMB等标准的移动接收芯片,一些多媒体SoC厂商推出支持高级音视频格式的应用处理器,这将推动产业链的成熟,降低终端的成本,为手机电视的大规模商用创造有利条件。



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