關鍵詞： LCD , 視頻解碼器

就技術層面而言，LCD TV是屬于高整合電子產品。它涵蓋了算法、軟件、硬件、芯片、無線射頻等領域，而且有許多專利是屬于國外公司或機構所擁有。目前國內很缺乏熟悉這塊領域的系統整合人才。目前即使在先進國家，由于LCD TV或HDTV仍然屬于最新的產品，熟悉這塊領域的技術人才，其實也不多。與之相近的，應該是數位機頂盒(Digital STB)，不過，前者的技術復雜度又遠遠超過后者，因為LCD TV或HDTV除了包含了網絡通信的功能以外，還包括OSD(On Screen Display)和“縮放控制器(Scalar)”、屏幕驅動等功能。所以，即使設計過STB的人，也不敢隨便說LCD TV或HDTV的技術很簡單。

LCD TV的硬件架構

圖1 LCD TV的硬件架構

圖1是LCD TV的硬件架構示意圖。其中，比較重要的音視頻部件有：中央處理器、視頻解碼器(Video Decoder)、射頻調諧器(RF tuner)、信道解調器(Channel Demodulator/Decoder)、音頻編解碼器(Audio Codec)。此外，還可能包含一般常見的I/O接口與裝置，例如：USB、1394、藍牙、WLAN、IrDA、MMC/SD/CF、以太網絡、數字相機、DSL或纜線調制解調器(Cable Modem)、PDA等。

視頻解碼器

圖2 混頻解碼器的位置

圖2是一個LCD TV/HDTV視頻解碼器與相鄰芯片之間的關系。它具有下列的主要功能：

1. 可編程化的像素(Pixel)輸出端口：由8到30位來決定像素的YCbCr/RGB的比例，例如：4:2:2或4:4:4。

2. 支持外部的射頻調諧器，具有10-bit的數字基頻合成(Composite)視頻輸入單元。

3. 自動辨識和處理VCR或數字電視信號。

4. 通過像素輸出端口支持“垂直空白間隔(Vertical Blank Interval；VBI)”數據的輸出，可以用來傳送“字幕(Closed Caption；CC)”數據，例如：傳輸實時的股市行情。其它VBI數據可以通過I2C接口傳輸，例如：版權產生管理系統(Copy Generation Management System；CGMS)、寬屏幕信號(Wide Screen Signalling)、強清晰度電視(Enhanced Definition Television；EDTV)、CC字幕、延伸數據服務(Extended Data Service；XDS)。

5. 支持全球現有的多種色彩格式：

*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的所有輸入信號，例如：525p、625p、720p和1080i，以及其它高分辨率(HD)和SMPTE(Society of Motion Picture Engineers)標準。也支持標準分辨率(SD)。

7. 除支持CVBS、S-Video、YPbPr、RGB以外，還支持5線的YPbPrHV/RGBHV和CSync，如圖3。

圖3 支持多種視頻輸入格式

視頻串流的路徑

附圖四是一個簡易的LCD TV或數字電視接收系統之架構。它包含了上述的硬件架構，也包括了必需的軟件。

圖4 簡易的LCD TV系統架構

從解碼器、解調器傳來的MPEG-2傳輸串流(transport stream；TS)，經過”解多復用器(Demultiplexer)”之后，可以得到視頻、音頻、數據、對白(subtitle)或字幕…..等不同的信號，再經過視頻解碼器(例如：MPEG-2/4或H.264)、音頻解碼器，得到的數據是最原始的(raw)數據。這些數據會被中央處理器送到適當的通信協議層，例如：V4L2、RTP/RTCP/RTSP、HTTP、Java應用程序……等，之后通過“回傳信道(return channel)”，例如：以太網絡，將這些數據送到因特網上；或送至OSD、音頻DAC，交給LCD和揚聲器播放。

沒錯，數字機頂盒也具有上述的類似功能。它和LCD TV一樣也都具有“條件訪問(CA)”的功能。只不過，LCD TV的屏幕都是內建的，而且，一般的數字機頂盒只能通過單一的路徑來獲取視頻，但是，LCD TV可以通過4種不同的路徑來取得視頻，這包含：衛星數字、數字地面、因特網、有線數據網絡。不過，就交互式電視的軟件而言，數字機頂盒和LCD TV的軟件是非常類似的，甚至是一樣的。

在“設備驅動程序(device driver)”層，為了能播放數字電視信號，LCD TV的I/O端口必須要有LCD驅動程序(能夠設定OSD和Scalar)和音頻驅動程序。為了能將互動信息傳送至因特網上，它也需要以太驅動程序和DSL(或纜線)調制解調器驅動程序。外部裝置也可以通過IrDA或I2C、SPI、UART……等接口，將數據送給LCD TV處理。此外，接收端的視頻/音頻解碼器的驅動程序也位于這一層。

有許多工程師不了解LCD TV或數字機頂盒的視頻數據流(data flow)的行動路徑，因此經常造成消錯上的困擾，尤其是在經過視頻解碼器之后，信號應交給中央處理器處理，而不是其它組件。同理，如果在附圖四中的信號來源換成是以太網絡，而不是射頻天線，在經過視頻解碼器解碼之后的信號仍應交給中央處理器。此外，在圖四中，不管是MPEG-2 TS或PS/PES，都可以將它們視為最底層的數字數據封包，其地位和角色皆如同以太封包一樣，有別于模擬信號。

解碼引擎

由于視頻、音頻格式的多樣化，使用單一的解碼器已經無法滿足這么多的需求。于是有所謂的“解碼引擎(decode engine)”，它可能是一顆RISC或DSP，負責重置、停止、加載和啟動固件或“微碼(microcode)”，并處理所有與串流解碼無關的工作，例如：輸出聲音。

每個解碼引擎內部具有數個解碼器，負責下列的工作：1. 開啟或關閉單一串流。2. 傳送命令。例如：初始化、解除初始化、播放、暫停、停止等。3. 取得目前的狀態信息。例如：播放中、已暫停等。4. 各種串流獨有的特性。例如：數據格式等。

在這些RISC或DSP內部都具有許多個硬件模塊，而每一個模塊都具有特定的實體功能；這些功能通常可以利用緩存器(Register)來設定。一般而言，這些RISC或DSP會包含下列的硬件模塊：1. 解多任務(Demux)引擎：同時對視頻和音頻分工。2. MPEG引擎：是一個視頻DSP，內含一個視頻解碼器和一個“子圖像(Subpicture)解碼器”。3. 音頻引擎：是一個音頻DSP，內含兩個音頻解碼器和一個混頻器(mixer)。4. 中央處理器：CPU核心、DMA、中斷處理單元。

這些RISC或DSP的軟件模塊是利用硬件模塊來產生“執行緒(task)”。例如下列的軟件模塊：1. 系統區塊：PLL初始化、DRAM設定……等。2. 圖形加速引擎：使用圖形加速命令所控制的FIFO，來加快處理速度。3. 字幕解碼模塊：軟件的字幕解碼單元。4. I2C：軟件的I2C接口，為可程序化的輸出入端口(PIO)。5. 內存管理模塊：DRAM的配置。

解碼引擎的驅動程序

圖5 視頻解碼引擎的驅動程序架構

通常，視頻解碼引擎的驅動程序會包含下列幾個單元(如附圖五)：1. 與操作系統和芯片無關的應用程序接口(API)：控制緩存器和DRAM的存取。2. 硬件抽象層鏈接庫：與硬件相關，可通過XML語言來設定它，以適應特定的芯片。它不包含與操作系統相關的API，只會呼叫與操作系統和芯片無關的API。3. 最少的核心模塊：它在上述1.的上方，負責存取緩存器和處理DMA，并且處理OS核心的全部作業，例如：IRQ處理、DMA配置…等。4. 核心模塊：它呼叫“最少的核心模塊”，以存取硬件。

內存的配置

圖6 視頻解碼器的內存配置

內存配置是在開發視頻解碼裝置時，必須特別考慮的。圖6是典型的視頻解碼器之內存配置；附表一是各種視頻格式在解碼時所需要的內存大小。

表1 各種視頻格式的內存需求

配置內存時，必須避免分割太小和太多。務必先配置大的、長時間使用的緩沖空間(buffer)；在進行多信道播放時，應避免不必要的配置或釋放緩沖空間。