电视手机的广播规格与设计挑战

手机上的多媒体功能不断增加，电视手机有可能是下一个杀手级应用。不论是欧洲或日本的微波数位电视广播规格，都为手持设备的应用打开了另一扇窗，可望让这个市场继续主导电子产业的成长。

「行动」与「多媒体」，无疑是当前资讯、通讯与电子产业戮力发展的一个主力趋势，从拍照、Java游戏到MMS，手机上的多媒体功能不断增加，但业者们并不以此为满足，纷纷将版图延伸到另一个娱乐市场的杀手级应用，也就是要「让手机也能看电视」。
 
三种候选标准竞逐

要让手机等手持设备用户可以随时随地收看行动广播电视，目前有三种候选标准包括：在数位音讯广播频谱上的数位多媒体广播（DMB）工作；采用由微波数位电视标准延伸而来的手持装置广播标准；以及透过2.5/3G无线网路的多媒体多点传送/广播服务。
　

表一　行动广播标准列表

在这三种方案中，由于2.5/3G无线网路的频宽有限，加上收费昂贵，因此利用它来收看电视并非极佳的选择，不过在中国方面，已有中国移动与中国联通推出基于串流媒体技术的的手机电视业务，其中中国移动是架在其GPRS网路上，中国联通则是依靠其CDMA1X网路。

至于DMB的部分，则是由韩国所主导的技术。由于韩国订于今年底以DMB推出行动广播电视，因此算是脚步最快的一个方案。DMB分为使用地面广播的T-DMB和采用卫星的S-DMB两种技术，是由韩国已采用近十年的Eureka-147 DAB技术改良而来。其中T-DMB将ITU-T H.264编码技术用于视讯，将MPEG-4位元分片算术编码技术用于音讯，然后，它透过采用MPEG-4同步层和MPEG-2传输串流将它们连同额外资料一起进行多工处理。

■DVB-H规格最受注目
不过，最受全球注目的技术还是应属由欧洲主导的DVB-H规格。目前在全球推行多年的数位电视标准有三大规格，分别是欧洲的DVB（Digital Video Broadcasting）、美国的ATSC（Advanced Television Systems Committee）以及日本的ISDB（Integrated Services Digital Broadcasting），其中DVB发展组织因预见行动通讯与数位广播网路整合的可能性，因此在2002年9月即提案发展适用于手持式装置的视讯标准（DVB-Handheld，DVB-H），并在2004年1月制定出该规格的基本框架，接着在2月进入验证与标准化的程序。由于DVB-H的发展脚步较快，不论是美规或日规的相关技术也都向它靠拢。

DVB-H是以针对家庭电视接收的地面数位视讯广播（DVB-Terrestrial；DVB-T）传输技术为基础，因此保有部分与DVB-T接收电路的相容性，但为了满足手持式装置接收视讯的特性，如低功耗、高移动性、共通平台与网路切换服务不中断等要求，以保证在室内、户外、在步行或行驶中的汽车上都能正常收看，DVB-H做了不少技术改进。

DVB-H在耗电上的目标是将天线、电视调谐器和OFDM解码电路等总的耗电量控制在100mW以下，相较之下，DVB-T计划2007年才能将该指标降到600mW，显然二者要求相距甚远。

广播规格特性
由于家庭的微波数位电视与电视手机等手持式设备的特性相差甚大，在接收技术上也需要有量身定做的考量。以下将介绍几项电视手机广播规格上的设计特性：

■传输速度
DVB-H是利用时间切片（time-slicing）技术来降低平均耗电量，并通过引进蜂窝（cell）方式及频率交接方式来迅速搜索信号。其他的关键技术还包括多重协定封装──前向纠错（Multi-Protocol Encapsulation Error Correction；MPE-FEC）、和K mode传输模式等，如(图一)所示。
　

                                                                 资料来源：HOPENET科技月刊

图一　DVB-H标准家族之关系图

DVB-H使用QPSK的调变方式传送资料，相较于普通电视一个波形分配6位元资讯的64QAM调变方式，QPSK方式给每个波形仅分配2位元资讯，但虽然一次传送的位数少，不过由于是以能够明确区分的波形传送资料，因此更不易受噪音的影响。在DVB-H的设计中，透过无线微波的传播，最大可以向电池供电的终端传送10Mbps资料。

日本的单频段规格

至于日本所规划的作法，是在其ISDB的基础下开发了专有的地面数位电视标准，也就是ISDB-T单频段转播传输规格。单频段传输和DVB-H规格有很多相似之处，不过仍有一些差异，例如DVB-H采用上述的时间切片等技术来提升传输品质，单频段传输则是以频率分割的方式来处理。

单频段传输利用UHF频段（470M～770MHz）来发送无线电波，其中每家电视台分配到的频宽约为5.6MHz。电视台再将所分配到的频宽等分成13个频段（Segment）来使用，每个频段约为433kHz，最大能传送约21Mbps的数位资料。在这种速度下，每个频段可以传送1920 1080像素的MPEG-2格式高画质节目。然而，这13个频段并非全部都分配给普通室内电视，其中的一个位于中间的频段是分给手持式设备的数位电视来使用，提供的传输速度大约为200K～300Kbps。

■压缩编码方式
由于频宽有限，要达到小视窗可接受的视讯品质，就必须要靠视讯压缩技术。?此DVB-H已考查了多种视讯压缩格式，目前最受关注的是H.264/MPEG-4 AVC（H.264）格式。

相较于其他的压缩格式，H.264具有更多的优点，它能够实现高压缩，其压缩率是MPEG-2的2～3倍、MPEG-4的1.5～2倍；若采用它来传输行动资讯，可以用不足200Kbps的速度传输15帧/秒的QVGA格式内容，而从理论上计算，手持设备只需采用125MHz左右的处理器就可以处理传来的视讯节目。

目前DVB-H规格中并没有规定视讯压缩的编码方式，广播电视运营商可自行选择是MPEG-4或者选择H.264。规格不确定对接收信号功能的开发者来说是件头痛的问题，他们总希望自己开发出的产品能够通行全球，在此情况下，业者可能会采取软体方式来保持解码功能的弹性，不过，软体的处理效能比起硬体来说毕竟是差了些。
 
 
手持设备设计挑战

然而，尽管有DVB-H这样的行动电视广播标准，实验性的试播计画也已在美国匹兹堡、德国柏林与芬兰赫尔辛基等地如火如荼地展开，商业服务也预定于2005年推出。但要让手持设备真能收看数位视讯，其内部的系统设计还得先通过严酷的考验，而其中最大的考验将来自于以下几点：电视信号接收零组件（接收器、调谐器、天线等）的尺寸、整体耗电性、接收功能与显示技术等。

■小尺寸的挑战
要在手机等手持设备上接收微波数位电视信号，天线（Antenna）、接收器（Receiver）资料读取解调LSI、UHF（超高频）调谐器（Tuner）等零组件是一个都不能少。它们过去是用在电视机当中，并不用太过于烦忧缩小尺寸的问题，但今日要将它们塞入比电视机小太多的手持设备中，又要保有同样的功能，其中的难度可想而知。

以目前已问世的试制样品来说，NEC与三洋电机开发的信号接收部分的尺寸，除去天线外的大小约是长30mm、宽20mm、厚2mm；号称世界最小的索尼元件虽然要小一些，?纵长20mm、宽16mm，然而，这样的大小仍嫌太占空间，业界认为较理想的大小是至少能达到与手机配备的FM音频调谐器相同的10mm见方。

为了达到这个理想，除了将个别元件尽量再缩小外，另一种设计策略就是采用无缝隙的高密度封装（HDP）。不论是所谓的多晶片模组（MCM）、多晶片封装（MCP）或系统级封装（SiP），都是高密度封装的作法之一。它的好处是能把相同或者不同的数片裸晶片封装到一个平常的塑胶封装里面，从而可以减少安装所需的面积，并具备多种的功能。以松下通信为NTT DoCoMo生产的最新手机P505Is为例，就大量采用了长宽分别?0.6mm及0.3mm的所谓“0603尺寸”元件，由于统一了元件尺寸，所以较容易实现高密度封装。

■降低耗电量
另一个关键性的瓶颈则是手持设备收看电视时的耗电量问题。视讯多媒体一向是最耗运算资源的内容，对於小尺寸采手持电源的设备来说，更是不易承受的负担。以目前手机锂电池的容量来说，大约为700mA/h，而现今厂商试产的手持式电信信号接收装置的耗电量，约在200mW到150mW之间（如NEC及Sony的产品），在这样的规格下收看电视节目，理想上的最长时间只有90分钟，再长就没电了。

然而，在收视时，除了信号接收元件外，手机彩色萤幕也处于全负荷运转状态，因此耗电量还会进一步增加。NEC系统平台研究所研究部长加藤明曾指出，如果没有技术性突破，如使用燃料电池等，手机电池电力不足的问题暂时无法解决。在这种情况下，开发者要延长电视收视时间，只能从减少手机在收视上的多余功能，或调谐器电路在接收视讯以外的时间均处于关闭状态等节电措施下手。

■提升天线接收功能
想在手持设备上微波数位电视接收功能时，另一个要面临的课题是天线的小型化设计。普遍电视因使用大尺寸天线，又安装在高楼顶上，因此可较轻易地收看到清晰的影像。相较之下，要在手持设备上加装天线，尺寸一定要非常小，而且多半要能被收藏到机身内，再加上天线的高度只有使用者的身高，在离地面1至2公尺的高度想要保有接收的灵敏度，确实是一件高难度的任务。

要尽量提高手持设备对微波数位电视的接收灵敏度，一种有效的方法是采用「分集式接收技术」（Diversity Reception）。它的原理是在手持设备上配备两种不同的天线，以同时对电视讯号进行接收，然后采用信号品质较好的那个。

目前最有希望的作法是除了应用手机原有的伸缩式拉杆天线（Whip Antenna），再搭配耳机线的「耳机天线」，如此一来，由于有两个位置接收电视信号，即便一个天线因多路干扰（Multipath Interference）等原因接收信号出现紊乱，还可以使用另一个天线的接收信号，因此能够稳定地接收电视信号。三洋电机先前推出的电视手机样机就是采用双天线接收电视讯号的方式，不过这种方式较为耗电，它的电视调谐器模组的耗电量需要250mW。

■显示技术的突破
收看视讯节目和收看文字讯息或图片、照片有很大的不同，前者着重视听娱乐效果，因此对影像品质的要求高多了。相较于目前主流的液晶显示器（LCD），以有机发光二极体（OLED）来播放手机节目显然是较佳的选择，因为OLED本身会发光，所以它的耗电量比需要用到背光光源的LCD少很多；此外，OLED还具有比LCD更明亮、更高解析度，也更容易制造（因此可能更便宜）的特性。

目前已有多家厂商把OLED视为是电视手机的标准显示技术，例如三洋电机在2003年即试制成功解析度?176 220像素的2.2英寸OLED面板，东芝则在2004年10月推出采用3.5英寸OLED面板的试制机型，支援320 240像素的QVGA规格影像，它的亮度?200cd/m2，但可以提高至300cd/m2，预计投?时面板的厚度将只有1mm左右。

另一个途径则是发展可穿戴式的显示技术（即头戴式显示器“HMD”），让显示器像护目镜一样的戴在头上，既可收看从手机、PDA或手提电脑传来的视讯内容，又不会挡到视线。此一作法的好处除了将双手解放出来，更能提高显示器的解析度与临场感，让用户犹如在收看悬浮在空中的大萤幕一样。

三菱日前即推出一款名为“Scopo”的可穿戴式显示幕，它采用一块小型的液晶显示幕悬挂于眼睛的前方，通过这块显示幕，人眼能够看见萤幕显示的内容，此外还可选择佩带耳机，这样就能边听边看了。
 
零组件市场
目前投入开发电视手机相关零组件的厂商已经不少，在DVB-H的部分，Nokia、Sony Ericsson和Motorola等手机大厂都已在进行接收器与调谐器的开发，而UDcast、TeamCast、ProTV和Thales等公司则是传输装置的开发商。

两大厂商加入战局

在零组件大厂中，掌握手持设备开发平台的两大厂，即TI（OMAP平台）与Freescale（i系列平台），对这个有机会为手机市场再创高峰的新应用，自然也不会置身事外。TI在2004年10月底宣布了一个开发代号为「好莱坞」（Hollywood）的开发计画，目标就是要在2006年推出能将电视手机调谐器电路、OFDM解调电路和频道解码微处理器集于一身的LSI单晶片，并且同时具有DVB-H及ISDB-T的接收功能。

在技术特色上，TI除了计画以90nm的CMOS制程技术来生产Hollywood外，并准备将该公司独到的数位射频处理器（Digital RF Processor；DRP）技术运用来开发电视调谐器电路，它的好处是能够利用与记忆体和逻辑元件完全相同的制程技术来生?无线电路。TI表示，此计画的耗电量目标是「充一次电能够连续收看3至4个小时」。

至于Freescale的技术开发似乎跑得更快，该公司已准备在ISSCC 2005（2005年2月 6～10日）上发布针对DVB-H的接收IC技术。该技术是采用直接转换（Direct-Conversion）的接收电路架构，虽然和Hollywood一样是一颗系统单晶片，但在制程上的作法采不同取径，它使用的是0.35μm双极（bi-polar）CMOS技术，并整合了低噪音放大器（LNA）、混频器、基频筛检程式、VCO等功能于一身，其耗电量?240mW。

日本厂商脚步最快

在电视手机的开发上，其实跑得最快的还是日本厂商。NEC与三洋电机早在2003年即已推出符合日本单频段传输的试制样品，而东芝、夏普和阿尔卑斯电器（Apls）等公司也在2004年中陆续推出调谐器的模组或IC样品。在韩国方面，三星电机（Samsung Electro-Mechanics）也在2004年3月公布了一项支援DVB-H的调谐器模组开发计划。至于在行动广播的终端设备上，日、韩有多家公司已推出展示机种，请参考(图二)、(图三)、(图四)。

图二　Samsung的电视手机
　

图三　Toshiba的的行动广播接收终端

图四　Sharp的行动广播接收终端

以东芝所推出的微波数位电视调谐器模组样品来说，它的调谐器IC和OFDM解码IC是分别开发的，该公司表示这是为了提高调谐器IC的性能，因此舍CMOS技术而采用双极技术，这与Freescale的作法不谋而合。不过，当使用CMOS技术生?的调谐器IC也能确保足够的性能时，东芝表示将会考虑开发调谐器IC与OFDM解码IC整合的系统单晶片。
 
 
结论
不论是欧洲或日本的微波数位电视广播规格，都为手持设备的应用打开了另一扇窗，可望让这个市场继续主导电子产业的成长，而只要有明确的需求契机，大部分的技术问题都可望被一一克服。

值得注意的是，微波电视网路将与2.5G和3G等手机通信网路重叠，进而出现服务上的竞争。以DVB-H来说，它不只是支援电视广播的服务，也能支援其他的多媒体服务，如发送电子报、电子拍卖、旅游导览、线上游戏、视讯点播等等。而另一个也将加入战局的无线网路，则是从区域向外发展而的IP网路，也就是从WLAN的WiFi到WWAN的WiMax技术趋势。这几种网路各有其特色，或许没有一种能独领风骚，但更便宜与更便利仍是赢得客户的不二法门。（作者担任电子产业媒体工作者多年，现为自由作家）(本文原载于零组件杂志第152期）