LCD TV视频解码器技术简介

关键词： LCD , 视频解码器

就技术层面而言，LCD TV是属于高整合电子产品。它涵盖了算法、软件、硬件、芯片、无线射频等领域，而且有许多专利是属于国外公司或机构所拥有。目前国内很缺乏熟悉这块领域的系统整合人才。目前即使在先进国家，由于LCD TV或HDTV仍然属于最新的产品，熟悉这块领域的技术人才，其实也不多。与之相近的，应该是数位机顶盒(Digital STB)，不过，前者的技术复杂度又远远超过后者，因为LCD TV或HDTV除了包含了网络通信的功能以外，还包括OSD(On Screen Display)和“缩放控制器(Scalar)”、屏幕驱动等功能。所以，即使设计过STB的人，也不敢随便说LCD TV或HDTV的技术很简单。

LCD TV的硬件架构

图1 LCD TV的硬件架构

图1是LCD TV的硬件架构示意图。其中，比较重要的音视频部件有：中央处理器、视频解码器(Video Decoder)、射频调谐器(RF tuner)、信道解调器(Channel Demodulator/Decoder)、音频编解码器(Audio Codec)。此外，还可能包含一般常见的I/O接口与装置，例如：USB、1394、蓝牙、WLAN、IrDA、MMC/SD/CF、以太网络、数字相机、DSL或缆线调制解调器(Cable Modem)、PDA等。

视频解码器

图2 混频解码器的位置

图2是一个LCD TV/HDTV视频解码器与相邻芯片之间的关系。它具有下列的主要功能：

1. 可编程化的像素(Pixel)输出端口：由8到30位来决定像素的YCbCr/RGB的比例，例如：4:2:2或4:4:4。

2. 支持外部的射频调谐器，具有10-bit的数字基频合成(Composite)视频输入单元。

3. 自动辨识和处理VCR或数字电视信号。

4. 通过像素输出端口支持“垂直空白间隔(Vertical Blank Interval；VBI)”数据的输出，可以用来传送“字幕(Closed Caption；CC)”数据，例如：传输实时的股市行情。其它VBI数据可以通过I2C接口传输，例如：版权产生管理系统(Copy Generation Management System；CGMS)、宽屏幕信号(Wide Screen Signalling)、强清晰度电视(Enhanced Definition Television；EDTV)、CC字幕、延伸数据服务(Extended Data Service；XDS)。

5. 支持全球现有的多种色彩格式：

*PAL B/D/I/G/H、PAL60、PAL M、PAL N、PAL Nc

*NTSC M/J、NTSC 4.43

*SECAM B/D/G/K/L

*NTSC方形像素(square pixel)

6. 支持HDTV的所有输入信号，例如：525p、625p、720p和1080i，以及其它高分辨率(HD)和SMPTE(Society of Motion Picture Engineers)标准。也支持标准分辨率(SD)。

7. 除支持CVBS、S-Video、YPbPr、RGB以外，还支持5线的YPbPrHV/RGBHV和CSync，如图3。

图3 支持多种视频输入格式

视频串流的路径

附图四是一个简易的LCD TV或数字电视接收系统之架构。它包含了上述的硬件架构，也包括了必需的软件。

图4 简易的LCD TV系统架构

从解码器、解调器传来的MPEG-2传输串流(transport stream；TS)，经过”解多复用器(Demultiplexer)”之后，可以得到视频、音频、数据、对白(subtitle)或字幕…..等不同的信号，再经过视频解码器(例如：MPEG-2/4或H.264)、音频解码器，得到的数据是最原始的(raw)数据。这些数据会被中央处理器送到适当的通信协议层，例如：V4L2、RTP/RTCP/RTSP、HTTP、Java应用程序……等，之后通过“回传信道(return channel)”，例如：以太网络，将这些数据送到因特网上；或送至OSD、音频DAC，交给LCD和扬声器播放。

没错，数字机顶盒也具有上述的类似功能。它和LCD TV一样也都具有“条件访问(CA)”的功能。只不过，LCD TV的屏幕都是内建的，而且，一般的数字机顶盒只能通过单一的路径来获取视频，但是，LCD TV可以通过4种不同的路径来取得视频，这包含：卫星数字、数字地面、因特网、有线数据网络。不过，就交互式电视的软件而言，数字机顶盒和LCD TV的软件是非常类似的，甚至是一样的。

在“设备驱动程序(device driver)”层，为了能播放数字电视信号，LCD TV的I/O端口必须要有LCD驱动程序(能够设定OSD和Scalar)和音频驱动程序。为了能将互动信息传送至因特网上，它也需要以太驱动程序和DSL(或缆线)调制解调器驱动程序。外部装置也可以通过IrDA或I2C、SPI、UART……等接口，将数据送给LCD TV处理。此外，接收端的视频/音频解码器的驱动程序也位于这一层。

有许多工程师不了解LCD TV或数字机顶盒的视频数据流(data flow)的行动路径，因此经常造成消错上的困扰，尤其是在经过视频解码器之后，信号应交给中央处理器处理，而不是其它组件。同理，如果在附图四中的信号来源换成是以太网络，而不是射频天线，在经过视频解码器解码之后的信号仍应交给中央处理器。此外，在图四中，不管是MPEG-2 TS或PS/PES，都可以将它们视为最底层的数字数据封包，其地位和角色皆如同以太封包一样，有别于模拟信号。

解码引擎

由于视频、音频格式的多样化，使用单一的解码器已经无法满足这么多的需求。于是有所谓的“解码引擎(decode engine)”，它可能是一颗RISC或DSP，负责重置、停止、加载和启动固件或“微码(microcode)”，并处理所有与串流解码无关的工作，例如：输出声音。

每个解码引擎内部具有数个解码器，负责下列的工作：1. 开启或关闭单一串流。2. 传送命令。例如：初始化、解除初始化、播放、暂停、停止等。3. 取得目前的状态信息。例如：播放中、已暂停等。4. 各种串流独有的特性。例如：数据格式等。

在这些RISC或DSP内部都具有许多个硬件模块，而每一个模块都具有特定的实体功能；这些功能通常可以利用缓存器(Register)来设定。一般而言，这些RISC或DSP会包含下列的硬件模块：1. 解多任务(Demux)引擎：同时对视频和音频分工。2. MPEG引擎：是一个视频DSP，内含一个视频解码器和一个“子图像(Subpicture)解码器”。3. 音频引擎：是一个音频DSP，内含两个音频解码器和一个混频器(mixer)。4. 中央处理器：CPU核心、DMA、中断处理单元。

这些RISC或DSP的软件模块是利用硬件模块来产生“执行绪(task)”。例如下列的软件模块：1. 系统区块：PLL初始化、DRAM设定……等。2. 图形加速引擎：使用图形加速命令所控制的FIFO，来加快处理速度。3. 字幕解码模块：软件的字幕解码单元。4. I2C：软件的I2C接口，为可程序化的输出入端口(PIO)。5. 内存管理模块：DRAM的配置。

解码引擎的驱动程序

图5 视频解码引擎的驱动程序架构

通常，视频解码引擎的驱动程序会包含下列几个单元(如附图五)：1. 与操作系统和芯片无关的应用程序接口(API)：控制缓存器和DRAM的存取。2. 硬件抽象层链接库：与硬件相关，可通过XML语言来设定它，以适应特定的芯片。它不包含与操作系统相关的API，只会呼叫与操作系统和芯片无关的API。3. 最少的核心模块：它在上述1.的上方，负责存取缓存器和处理DMA，并且处理OS核心的全部作业，例如：IRQ处理、DMA配置…等。4. 核心模块：它呼叫“最少的核心模块”，以存取硬件。

内存的配置

图6 视频解码器的内存配置

内存配置是在开发视频解码装置时，必须特别考虑的。图6是典型的视频解码器之内存配置；附表一是各种视频格式在解码时所需要的内存大小。

表1 各种视频格式的内存需求

配置内存时，必须避免分割太小和太多。务必先配置大的、长时间使用的缓冲空间(buffer)；在进行多信道播放时，应避免不必要的配置或释放缓冲空间。