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功率技術/新能源  

手持式行動裝置的視訊處理挑戰

上網時間: 2007年09月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:手機  可攜式  電池 

為了滿足在手機可攜式裝置上以更高畫質進行全動態影音播放的需求,工程師全都面臨著必須為消費者提供這些可行方案的挑戰。這些問題包含了高傳真即時影音播放、輕薄短小的設計、更長的電池續航力等。如果採用類比技術來實現行動化視訊、驅動LCD顯示功能,以及有效的功率管理,就能夠大幅改善消費者的使用經驗。本文將深入分析幾種技術能夠實現小尺寸、高效能顯示器,能夠傳送資料數據,以及有效管理目前手機和個人媒體播放器中裝配不斷縮小的電池技術。

所有技術發展的背後主要推動力量都是源自於消費者。換句話說,技術其實是藉由人們如何使用它來定義的。拿視訊來說,目前已經從五十年代既笨重又昂貴的黑白映像管‘電視’過渡到今天的平面LCD和電漿電視/顯示器時代。隨著PDA、多媒體播放器(PMP)以及可錄影功能的電話普及化,消費者必然會希望在日趨袖珍的手持式裝置上觀賞更高品質的全動態影音畫面。

與體積龐大且採用插座式電源的產品相較,這種改變大幅增加了產品設計的複雜度。與播放時間直接相關的功耗,則是一個主要的限制因素。另外,在愈薄愈好的技術時代,電池的體積必須要小。另外視訊和聲音品質也是影響消費者在品牌/產品選擇上的主要考慮因素之一。本文將仔細探討這些問題,並介紹一些能夠改善消費者於視訊體驗上的解決方案。

功率、功率、功率

當談論到採用電池供電的可攜式裝置時,有三點要特別注意的是︰操作時間、操作時間,還是操作時間。如果一台可攜式裝置在透過電池供電的情況下只能待機一個小時的話,根本就沒有多大用處。因為即使是閃光燈(電池供電的可攜式器材),都需要在不重新充電或更換電池的情況下工作多個小時。尤其當可攜式裝置增加了全速(每秒24個畫面以上)視訊播放功能後,功率就必須滿足額外的要求(相對於靜態顯示而言)。

另一項視訊播放對於功率具有更高需求的例子,是有關視訊串流的處理,例如H.264視訊解碼。這需要專門的處理器或DSP,以執行更多循環功能(相對於解壓縮一個靜態影像而言)。此外,解壓縮的視訊串流本身也存在一個問題──它必須被顯示出來。驅動可攜式行動裝置的LCD顯示螢幕和高品質視訊所需的色彩管理程式需要更高的功率,加上背光的管理也必須注意。這些都是設計人員在進行功率估算時必須要考慮的因素。

目前有幾個解決方案可以使這些具有視訊功能行動裝置的功率管理變得更加容易。美國國家半導體公司的LM3919是一款整合式電源管理單元(PMU),它能夠支援可攜式裝置中的許多子系統。另一方面,自適應電壓調節是可以大幅降低功耗的一項技術。其原理是以閉環模式將處理器核心的電源電壓減低,從而將即時所需的電力要求降至最低。這一項技術適用於以PowerWise(tm)為基礎的開放式標準處理器。目前也已經在ARM的處理器中得到廣泛的應用。美國國家半導體的特殊能源管理單元,例如LP5552,可以與處理器直接通訊,以便於按照裝置要求動態式的調節電源電壓,能夠顯著的降低功耗。

背光是功率管理的另一個重要內容,尤其是在試圖提供高傳真影音播放功能的時候。影像品質的好壞非常重要,消費者在比較同類裝置時也愈來愈加精明。這促使了設計者必須告別傳統的白色LED背光(因為這種背光的色彩控制性較差與製程變異數的問題)。現今的首選,是紅色、綠色和藍色的LED背光,因為它們具有更好的色彩飽和度(超過100% NTSC),並且對視訊影像進行更好的控制。目前,諸如LP5520這樣的元件已經被使用於驅動RGB LED燈。在自適應性模式下,該元件甚至能夠將驅動電流降至在最低功率等級上,同時可以獲得最佳影像品質所需的最低功耗。

視訊串流和顯示品質

上文已闡述一些有關全動態影音播放功率最小化的方法,接下來將討論採用何種模式才能夠在顯示螢幕上播放未經壓縮的視訊。目前有幾個因素正困擾著視訊串流的應用,像是電磁干擾(EMI)、佈線、LCD顯示螢幕驅動燈光等。首先探討的是佈線的問題。

現今許多多媒體播放器都安裝有VGA顯示螢幕,雖然其對角線的尺寸只有2.5英寸,但是這些螢幕可以顯示出最清晰的小尺寸影像。也就是說,在一個非常密集的空間裡必須要驅動大量的行和列。顯示螢幕驅動器,例如FPD95120,一般是直接安裝在LCD玻璃上,這樣可以大限度減少連接數量和降低電磁干擾而且還能提升顯示器的穩定性。

由於驅動器是安裝在顯示器的玻璃上,下一步要採取的合理措施,是對驅動顯示的數據串行化,以減少玻璃下面的互連數量。對於大尺寸LCD顯示螢幕,有時是採用低壓差動訊號(LVDS)的技術來達到此一目的。LVDS是採用電流開關而不是電壓開關,這樣可以使速度更快,EMI更低。但是,在可攜式裝置中,功率是一個需要面對的問題,而LVDS、RSDS和其它介面技術都需要很高的功率。一種名為Mobil Pixel Link或MPL的開放式標準,可以直接解決安裝有LCD顯示螢幕的可攜式裝置所面臨的問題。它將電流強度降至LVDS(對MPL來說為300uA,對LVDS來說為3.5mA)的十分之一,而且還可以降低電壓擺幅,大幅地降低功耗和電磁干擾。MPL還可以減少互連電線的數量──只需兩條有源線路,這使得透過鉸鏈或在第二個顯示螢幕周遭佈線變得更加簡單和可靠。

由於MPL採用電流強度作為訊令的方法,因此,線路兩端的電壓水準可以是不同的,但線路仍可正常工作。這為低壓處理器和用於顯示螢幕的高壓處理器之間的電平移位提供了一種處理方式。現今的MPL元件(如LM2512)甚至具有更多功能,如抖動功能,它可以將24位元RGB數據轉換為18位元數據,功耗水準不僅低於處理全24位元視訊串流,同時仍然可以確保出眾的影音體驗。

其它注意事項

如果一個高效能視訊裝置的音效品質很差,人們通常會直接抱怨顯示品質,而不會注意到其實是音效的問題,因為人類對於聲音品質是否與視訊同步非常敏感。音效和視訊之間只有20到40ms的延遲就能讓消費者留意並且轉移其注意力,因此必須避免失真或有缺陷的音效影響到視訊品質。

只要是有視訊和音效的地方,就會有某種類型的儲存媒介。有一些類型的媒介需要特殊的電平轉換和靜態保護──特別是當這種媒介可以抹除時。在這方面最好的例子就是安全數位(SD)卡。SD卡的容量從8MB到2GB(新的SD2.0或SDHC標準卡的容量從4GB到32GB)不等。由於連接器是曝露在外面,而且消費者會接觸到,因此敏感的內部電子元件需要得到保護,以防止靜電放電(ESD)。此外,SD卡可以在2.85V電壓下工作,而許多可攜式裝置的CPU的I/O匯流排是在1.8V的電壓下工作的。因此,需要電平轉換和ESD保護,以及能夠限制連接器帶來的電磁干擾(EMI)的方法。像LM3929這樣的整合化元件可以做到以上幾點,而且該元件可以耐受+/-8kV的直接接觸放電(符合IEC61000-4-2 Level 4靜電放電規範)。

本文小結

在行動裝置中實現全動態影音播放正面臨著一系列的挑戰,例如視訊串流的新程序、影像和顯示品質、電源管理和操作時間,以及音效和大容量可抹除式媒介等。經過精心設計後,高傳真全動態視訊可以整合到小型手持行動裝置中,而許多製造商已開始生產具備一流視訊效能的手持式行動裝置。

作者:Richard F Zarr

美國國家半導體




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