關(guān)鍵詞： 視頻濾波器

? ? ? ? 摘要：集成視頻濾波器適用于成本敏感型消費(fèi)電子應(yīng)用，如機(jī)頂盒。隨著視頻市場(chǎng)朝著更高清晰度發(fā)展，視頻濾波器不得不添加更多信道和不同帶寬并支持異常功能(如聲音陷波)，以適應(yīng)市場(chǎng)需要。由于視頻具有后向兼容的特性，了解各種視頻濾波器需要支持的清晰度、信道數(shù)量和傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)非常重要。因?yàn)楸疚牡哪繕?biāo)受眾為中國(guó)讀者，所以本文將說(shuō)明有關(guān)中國(guó)市場(chǎng)的一些機(jī)頂盒市場(chǎng)數(shù)據(jù)。
中國(guó)機(jī)頂盒(STB)制造商正占據(jù)著每個(gè)機(jī)頂盒細(xì)分市場(chǎng)，包括標(biāo)清(SD)、高清(HD)、國(guó)內(nèi)、出口、衛(wèi)星、有線(xiàn)、IP和混合市場(chǎng)。每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)中的產(chǎn)品仍需要大量模擬視頻濾波器集成電路，這是因?yàn)楹笙蚣嫒菪匀允沁@個(gè)綜合體的重要組成部分。各種型號(hào)的機(jī)頂盒采用多種不同的視頻濾波器，術(shù)語(yǔ)可能非常混亂，因此了解設(shè)計(jì)和市場(chǎng)方面的詳細(xì)信息非常重要。在中國(guó)，無(wú)論對(duì)于出口還是國(guó)內(nèi)消費(fèi)，機(jī)頂盒市場(chǎng)都變得越來(lái)越重要。視頻廣播服務(wù)以及機(jī)頂盒設(shè)計(jì)和制造對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)日益重要。
中國(guó)電視廣播公司正積極推動(dòng)高清服務(wù)，高清機(jī)頂盒出貨量在中國(guó)快速增長(zhǎng)。中國(guó)高清機(jī)頂盒市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率在2015年前有望超過(guò)20%。2015年前，中國(guó)高清機(jī)頂盒的年出貨量有望超過(guò)每年600萬(wàn)臺(tái)。中國(guó)高清有線(xiàn)提供商將目標(biāo)指向大城市如北京，并支持加入更多高清編程的部署。久而久之，編程的不斷增加進(jìn)一步推動(dòng)了中國(guó)用戶(hù)對(duì)高清機(jī)頂盒的需求，這與美國(guó)和歐洲正在經(jīng)歷的事情一樣。
全球機(jī)頂盒市場(chǎng)分為有線(xiàn)、衛(wèi)星、IP和混合IP數(shù)位地面幾個(gè)細(xì)分市場(chǎng)。大致的市場(chǎng)份額圖顯示2016年有線(xiàn)占約40%、衛(wèi)星占約35%、IP占約20%、混合占約5%(圖1)。

圖1：(2016年)按平臺(tái)劃分的預(yù)估全球機(jī)頂盒市場(chǎng)份額

非常有趣的是在操作系統(tǒng)和芯片集方面，機(jī)頂盒和智能手機(jī)系統(tǒng)齊頭并進(jìn)。機(jī)頂盒現(xiàn)在也開(kāi)始由操作系統(tǒng)控制，這與智能手機(jī)非常類(lèi)似。Android是一個(gè)明顯的例子。另外，很多支持智能手機(jī)的主要處理器IC供應(yīng)商開(kāi)始加入已有機(jī)頂盒處理器制造商行列，提供更復(fù)雜的高清機(jī)頂盒處理器。大牌智能手機(jī)處理器制造商向相鄰市場(chǎng)進(jìn)軍可能成為一個(gè)重要的持續(xù)趨勢(shì)，因?yàn)樗麄兌荚趯で髷U(kuò)展市場(chǎng)的途徑。
再回頭看中國(guó)機(jī)頂盒市場(chǎng)，稱(chēng)之為ABS-S的中國(guó)衛(wèi)星系統(tǒng)目前是一個(gè)重要的市場(chǎng)組成部分并且還在增長(zhǎng)中，其運(yùn)行率為每年約2500萬(wàn)臺(tái)。中國(guó)制造機(jī)頂盒的出口市場(chǎng)在2013年有望超過(guò)6000萬(wàn)臺(tái)，這是一個(gè)非常大的市場(chǎng)份額，因?yàn)?013年全球機(jī)頂盒總出貨量有望超過(guò)1.4億臺(tái)。
在北美和歐洲，STB市場(chǎng)正逐步向高清機(jī)頂盒轉(zhuǎn)移，而在亞洲和其它新興地區(qū)，發(fā)展最快的還是更實(shí)惠的標(biāo)清機(jī)頂盒。將來(lái)另一個(gè)重要的增長(zhǎng)推動(dòng)因素將是新興地區(qū)開(kāi)始采用數(shù)字錄像機(jī)(DVR)，用于存儲(chǔ)其視頻內(nèi)容并在消費(fèi)者最方便的時(shí)候觀看節(jié)目，這是發(fā)達(dá)國(guó)家正在經(jīng)歷的事情。人口分布趨勢(shì)數(shù)據(jù)明確顯示新興國(guó)家中產(chǎn)階級(jí)快速成長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是對(duì)機(jī)頂盒市場(chǎng)的需求明顯增長(zhǎng)。根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)，中國(guó)和印度各自的中產(chǎn)階級(jí)在2023年前將超過(guò)美國(guó)的中產(chǎn)階級(jí)。全球中產(chǎn)階級(jí)史無(wú)前例的增長(zhǎng)(主要集中在亞洲)，將對(duì)未來(lái)的消費(fèi)電子市場(chǎng)有很大的影響，包括機(jī)頂盒市場(chǎng)。目前世界四大頂級(jí)機(jī)頂盒供應(yīng)商總部分別位于歐洲、北美和韓國(guó)，他們共占略低于一半的市場(chǎng)份額。中國(guó)消費(fèi)者在機(jī)頂盒總購(gòu)買(mǎi)量中的比例不斷升高，因此中國(guó)制造商將獲得越來(lái)越大的全球市場(chǎng)份額，因?yàn)樗麄冊(cè)诶^續(xù)供應(yīng)不斷增長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的同時(shí)，也在進(jìn)攻進(jìn)口市場(chǎng)。
雖然運(yùn)行高清機(jī)頂盒的處理器復(fù)雜度越來(lái)越高，為了提供美麗的高清畫(huà)面，將機(jī)頂盒連接至電視的信號(hào)仍需要兼容于原有的模擬標(biāo)準(zhǔn)。這就是后向兼容性的概念。更為先進(jìn)的數(shù)字連接方案(如HDMI)也不可能成為機(jī)頂盒支持的唯一方式，因?yàn)榇罅侩娨曇寻惭b模擬輸入。在新興地區(qū)尤其如此。因此即使在先進(jìn)的高清機(jī)頂盒中，對(duì)傳統(tǒng)視頻濾波器的需求也仍然存在，并且這種需求將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。
機(jī)頂盒采用視頻濾波器的目的有多種。首先，它們可以用作視頻處理器輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器之后的重建濾波器。在機(jī)頂盒和DVD設(shè)備中，它們還可以用作視頻處理器輸入的抗混疊濾波器。圖2顯示支持整個(gè)模擬視頻輸出范圍的典型機(jī)頂盒。

圖2：典型機(jī)頂盒視頻輸出方案
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隨著更高清晰度視頻的出現(xiàn)，必須創(chuàng)造新術(shù)語(yǔ)來(lái)描述不同的清晰度類(lèi)型。新術(shù)語(yǔ)中包含數(shù)字字母結(jié)合的術(shù)語(yǔ)，如480i、720p、1080i、1080p，指出視頻顯示的行數(shù)并說(shuō)明是交錯(cuò)(i)顯示還是遞增(p)顯示。交錯(cuò)方式意味著交替掃描顯示器上的行，遞增方式意味著逐個(gè)顯示行。
交錯(cuò)方式(i)是傳統(tǒng)陰極射線(xiàn)管(CRT)顯示屏的設(shè)計(jì)方式。方法是點(diǎn)亮玻璃上的發(fā)光體，以便在完整顯示整個(gè)畫(huà)面前發(fā)光體不會(huì)變暗。發(fā)光體發(fā)光只能維持一段時(shí)間，因此需要調(diào)整發(fā)光體點(diǎn)亮的時(shí)間，從而避免模糊下一幀圖像。在發(fā)光體發(fā)光時(shí)長(zhǎng)和刷新時(shí)間之間存在一個(gè)很精密的平衡。通過(guò)采用CRT，點(diǎn)亮相鄰行意味著屏幕頂部消逝而底部被填滿(mǎn)。自上而下點(diǎn)亮交替行并在下一輪中填滿(mǎn)空白位置，這樣畫(huà)面的任何部分都不會(huì)明顯淡出。
而遞增(p)不會(huì)交替行。像素逐個(gè)被點(diǎn)亮。遞增掃描具有更好的空間分辨率并且視覺(jué)效果優(yōu)于交錯(cuò)方式。很顯然，這對(duì)于只想看視頻而不想成為視頻工程專(zhuān)家的消費(fèi)者而言過(guò)于復(fù)雜了。因此，創(chuàng)建了容易理解的簡(jiǎn)單術(shù)語(yǔ)。各種數(shù)字和字母組合根據(jù)術(shù)語(yǔ)“清晰度”被劃分為幾類(lèi)，說(shuō)明畫(huà)面的細(xì)致程度。清晰度越高，畫(huà)面效果越好，因?yàn)樾袛?shù)越多，表示渲染和描述圖像的像素越多。
視頻信號(hào)的命名以及清晰度類(lèi)別的劃分可能需要長(zhǎng)篇大論，尤其是在考慮各個(gè)地區(qū)不同標(biāo)準(zhǔn)的情況下尤其如此。因此為了方便視頻濾波器討論，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低于480p的分辨率稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)，480p稱(chēng)為增強(qiáng)清晰度(ED)，而720p和1080i稱(chēng)為高清晰度(HD)。另外，很多視頻設(shè)備廠商在不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)法中開(kāi)始采用術(shù)語(yǔ)HD(或高清)。
為了表達(dá)更準(zhǔn)確，視頻行業(yè)創(chuàng)造了諸如HD-ready、HD-ready-1080p和Full-HD等術(shù)語(yǔ)以期使事情更明了，而實(shí)際上卻使情況更混亂。因此，為了處理這種混亂情況，視頻濾波器制造商決定采用術(shù)語(yǔ)SD、ED、HD和1080p HD，根據(jù)濾波器的截止頻率(或通帶)劃分濾波器，如下所示：
● SD濾波器截止頻率約為8MHz。
● ED濾波器截止頻率約為16MHz。
● HD濾波器截止頻率約為32MHz。
● 1080p濾波器截止頻率介于65至70MHz之間。
按照截止頻率劃分非常簡(jiǎn)單，而且能夠避免混亂。圖3和圖4顯示SD和HD濾波器頻率響應(yīng)的典型示例。

圖3：典型SD濾波器頻率響應(yīng)

圖4：典型HD濾波器頻率響應(yīng)


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在設(shè)計(jì)機(jī)頂盒時(shí)，設(shè)計(jì)人員不僅要考慮信道數(shù)量，同時(shí)還要考慮清晰度。另外，提供集成電路濾波的方式有兩種。一種是采用濾波IC組合，另一種是采用單個(gè)濾波IC，處理設(shè)計(jì)所需的所有信道和清晰度。
視頻產(chǎn)品一個(gè)令人沮喪的特點(diǎn)是較舊的要求會(huì)存在很長(zhǎng)時(shí)間。后向兼容性是視頻市場(chǎng)的一個(gè)基本組成部分，這也是為何彩色電視可以顯示黑白信號(hào)并且高清節(jié)目可以在標(biāo)清顯示屏上觀看的原因。后向兼容性同樣適用于接口。機(jī)頂盒背部的接口說(shuō)明視頻連接設(shè)計(jì)的一些信息，從復(fù)合視頻、S-視頻、分量視頻，到HDMI。視頻濾波器可用于任何連接方式，除了HDMI，因?yàn)镠DMI為數(shù)字信號(hào)，不需要模擬濾波器。分量視頻可以是SD、ED或HD，每種情況需要不同的濾波器。此外，還有一種非常罕見(jiàn)的想象，稱(chēng)為“聲音陷波”(圖5)，它包含在一些采用RF線(xiàn)纜接口(同軸電纜)輸出的機(jī)頂盒中。
在某些采用RF輸出的傳統(tǒng)機(jī)頂盒中，需要過(guò)濾掉頻率約為4.5MHz的音頻載波(針對(duì)NTSC系統(tǒng))。音頻載波存在于SD信號(hào)的通帶，必須除掉。通過(guò)采用一個(gè)窄帶聲音陷波濾波器很容易做到這一點(diǎn)。幸運(yùn)的是，有一個(gè)帶有內(nèi)置聲音陷波濾波器的視頻濾波IC可用于實(shí)現(xiàn)該目的。在視頻濾波IC中內(nèi)置聲音陷波是相對(duì)具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)。由于其困難程度，帶有聲音陷波的IC濾波器具有非常長(zhǎng)的使用壽命，甚至沿用至今(雖然這種連接方案現(xiàn)在也相對(duì)罕見(jiàn))。即使罕見(jiàn)，這種濾波器仍然存在，這是因?yàn)闄C(jī)頂盒制造商仍有一些需要提供后向兼容性(甚至兼容于RF輸入)的產(chǎn)品。
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圖5：帶有聲音陷波(增益和延遲)的SD視頻濾波器的頻率響應(yīng)

機(jī)頂盒制造商面臨的另一個(gè)重要問(wèn)題是靜電放電(ESD)。機(jī)頂盒制造商已針對(duì)離散濾波實(shí)現(xiàn)BAV99 ESD保護(hù)二極管的標(biāo)準(zhǔn)化。然而，集成視頻濾波器不僅能夠去掉很多離散濾波元件，還能去掉二極管。集成濾波器提供高達(dá)12kV的ESD保護(hù)，視具體產(chǎn)品而定。ESD保護(hù)是個(gè)好主意，為了防止破壞昂貴的核心處理芯片，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)視頻輸出加以保護(hù)才能將其投放市場(chǎng)。
另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)在于減少待機(jī)時(shí)的電源泄漏。有時(shí)稱(chēng)為“吸血鬼功率”，已經(jīng)成為一個(gè)主要的環(huán)境問(wèn)題，因?yàn)樗耆抢速M(fèi)功率。發(fā)電很昂貴，并且會(huì)釋放溫室氣體，這已經(jīng)成為一個(gè)全球問(wèn)題。在美國(guó)，例如加利福尼亞，最近要求液晶電視符合能源之星(Energy Star)的標(biāo)準(zhǔn)，從而降低其吸血鬼功率。為了顯示能源之星徽標(biāo)，所有設(shè)備(如電視、電腦、顯示器、打印機(jī)等)不活動(dòng)時(shí)的功率必須低于30瓦。采用飛兆半導(dǎo)體的低功耗視頻濾波器，能夠使產(chǎn)品更容易符合能源之星標(biāo)準(zhǔn)。
總之，傳統(tǒng)規(guī)格仍然存在，甚至新機(jī)頂盒通常也需要支持一些舊的要求。幸運(yùn)的是，視頻濾波器制造商如飛兆半導(dǎo)體，提供大量集成視頻濾波IC產(chǎn)品，支持各種模擬標(biāo)準(zhǔn)并滿(mǎn)足新設(shè)計(jì)要求。



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