移动电视终端的设计开发挑战

手机的功能愈来愈强大，在众多不断加入的功能中，目前最受瞩目的杀手级应用，无疑是移动电视（Mobile TV），也就是透过手机的萤幕，随时随地都能收看无线的数字电视，让视听节目成为随手可得的一项服务。此一愿景正在全球各地如火如荼的推展中，主要的技术标准包括 DVB-H、T-DMB（韩）、ISDB-T（日）、MediaFLO（美），而目前在全球接受度最高的，无疑当属DVB-H。 目前已有包括包括澳大利亚、芬兰、法国、德国、义大利、西班牙、英国、美国、台湾等超过19个地区正在进行或已完成DVB-H电视试播，欧洲预计2006年底就会开始提供DVB-H商业服务；到了2007年底，欧洲、美国和亚洲将会完成DVB-H基础设施的佈建并准备全面播出。在移动终端方面，Nokia、Siemens和Samsung等大厂已有推出数款标榜支援移动电视服务的手机，其中又以Nokia将上市的N92相当受到注目，因为它既是手机，也是相机、收音机，而且能透过 2.8 吋的 QVGA TFT LCD 来收看即时视频节目。不过，这并不表示行动电视功能已能成功的整合在手机等小型化手持设备当中，在设计上仍面临许多的挑战，也是本文的探讨重点。

DVB-H的技术架构 建立DVB-H等标准的目的，在于建构起涵盖地面数字视讯广播系统端、手机网路系统（3GPP蜂巢式系统）端及手持设备端的移动电视服务架构。以DVB-H来说，它是基于DVB-T系统研发适合手持接收装置应用之数字广播技术（其字母H即是指handheld），所以可以利用既存的数字广播系统来播送移动电视节目。DVB-H的定位请参考(图一)。 　 图一　DVB-H在移动电视服务架构中的角色 资料来源：Nokia 　 此标准的重点在于克服手持设备对移动接收和耗电性这两大议题，解决的方法包括在资料链结层（MAC）採用时间切片（Time Slicing）技术以节省功耗，以及採用多重协定封装-前向纠错（Multi-Protocol Encapsulation-Forward Error Correction; MPE-FEC）技术来提升移动接收性能；此外，针对DVB-T 系统之实体层（PHY）新增 4K mode机制。请参考(图二)。 　 图二　DVB-H新增的技术机制 资料来源：Nokia 　 若採用DVB-T的作法，一个典型的DVB-T接收机之前端电路所需之功耗平均约为 1 W，这对移动设备来说太耗电了，根本不可行。DVB-H的耗电目标是将天线、电视调谐器（tuner）和解调器（demodulator）等的总耗电量控制在100mW以下，为的是要让手机充电一次能观看8小时以上的电视节目。为了达到此目标，Time Slicing的作法将时域分割成不同的 time-slot（或称作 burst duration），并在不同的time-slot传送不同的内容。这样一来，移动接收端的FE不需要接收并解开所有的信号，只要在需要的time-slot开启接收信号，大部分时间则处于 sleep或off 状态，因此能达到省电目的。此技术理论上平均可节省 90% 功耗（实际之省电效率视系统容量、服务所需之位元传输率以及硬件效能而定），在 DVB-H 核心规格中明言此项技术是必要之技术。请参考(图三)。 　 图三　Time Slicing的观念说明 　 另一项关键技术是MPE-FEC，该技术主要是结合里德-所罗门（Reed-Solomon; RS）编码与时间交错（time-interleaving）的传送机制来提升接收性能，此作法经验证效果极佳，足以媲美使用双天线接收技术所提升的效能，而且能改善接收器对时变衰减通道与脉冲杂讯（impulse noise）效应的容忍力。不过，採用此一解码机制会增加接收器的运算资源，进而提高硬体成本和功耗，因此，在 DVB-H 核心规格中将此项技术列为可选用之技术。 还有一个选用技术是4K mode，这是原本DVB-T规范中 2K 和 4K mode两种传输模式的折衷方案。其中 8K mode 处理多重路径反射效应的能力较强，可提供较广的电波覆盖范围，进而能降低网路建构成本，但其移动接收性能却较差，2K mode 的特性则恰好与8K mode 相反。因为採用4K mode将涉及实体层的更动，对于既有的DVB-T网路业者来说牵一髮而动全身。目前全球多数的业者是採用8K mode，今后若要採用新增的4K mode来提供 DVB-H 服务，除了必须升级（或汰换）其发射端设备，其对应之基础建设网路也必须重新规划。 除了引进上述的技术来满足移动服务的需求，由于DVB-H与DVB-T的网路系统相容，因此不需架构新的网路即能开始提供服务。此外，只要透过新增中继站（repeater）和广播增力机（gap filler），就可以快速且容易地扩大室内接收的涵盖区域。就传输品质来说，一般情况下，500kbps已足够保证服务品质；目前DVB-H实体层可达到10Mbps的速度，因此同时传送20频道是可行的，而一个DVH-H多工器就可以提供高达52个频道。

移动电视终端的开发议题 由于移动电视终端的开发仍处于萌芽期，制造业者还有许多的困难必须克服。整体而言，需解决的问题包括：(1) 如何改善接收终端器的可携性，这得从降低耗电性来下手；(2) 如何增强接收器的灵敏度，作法上包括：改善 C/N值、解决衰落性议题、对噪音的容忍度、解决迴音的议题；(3) 如何在高速时仍能保持高品质，除了需对都普勒效应做出补偿外，也得解决handover的问题；(4) 在商业化的考量上，除了对小型化的追求外，多频的功能和弹性的通道频宽也是不可少的设计重点。 就DVB-H移动设备的开发来说，在架构上涵盖了软、硬件层面，硬件部分需考量天线、前端（front-end, FE）模组、音／视频的编解码（CODEC）、应用处理平台，其中前端模组又包括射频接收的调谐器（tuner）和基频段的解调器（demodulator）；软件部分则包括中介软件（Middleware）、电视播放器、电子服务指南（Electronic Service Guide, ESG）等。就运作架构来说，由射频段接收器送来的资料经基频段处理后，又再分流为IP datagram和TS packet送到DVB-H播放处理平台，此平台中的应用处理器及音、视频解码器（decoder）会做进一步的运算处理，最后才将电视节目的影音内容传送到萤幕上播放，请参考(图四)。以下将针对终端设计上的开发议题进一步探讨： 　 图四　移动电视终端的运作架构

前端模组 前端模组又分为射频段（RF Part）和基频段（Baseband Part）。移动电视终端的射频段主要元件为RF Tuner，它必须涵盖较广的UHF频率范围，并输出OFDM基频信号。为满足功耗及小尺寸的需求，在设计上，传统的Canned Tuner并不可行，需採用Silicon Tuner或进一步运用直接转换（Direct Conversion）的ZeroIF架构来降低元件数及功耗。基频段的主要元件为Demodulator，它除了是执行DVB-H的Time slicing 和　MPE-FEC功能的核心外，也负责支援IPDC（IP datacast）的软体处理能力。

视频解码 以DVB-T来说，MPEG-2仍是主要的视频压缩格式，但因此格式的压缩传输效率不佳，因此有转移到新格式上的趋势。对于移动电视服务来说，不论是频宽或是档案大小，都是锱珠必计的，因此高压缩比的新格式是必要的选择。目前市场上的新一代视频编解码规格包括MPEG-4、H.264/AVC（即MPEG-4 Part 10）及VC-1等。以MPEG-2和H.264来比较，在传输视频内容时要达到相同的画质，两者所需的频宽就差了2.5至3倍。以目前的移动终端萤幕来说，CIF的画质已经足够用来欣赏节目（小尺寸的VGA画质甚至能提供比一般电视更佳的细节品质）。在DVB组织中提出的文件中，针对H.264 等级、视频解析度、最大位元速率，以及适用的应用类型做出比较，该文件认为若採用H.264做为视频压缩格式，手机或PDA应採用QCIF（180 x 144）或CIF（360 x 288）的解析度，最大的传输速率分别为128 kbps和 384 kbps，讯框速率则为15 fps。请参考(图五)。 　 图五　DVB接收器的型式与H.264的应用等级

音频解码 音频部分也是设计上的一大重点。目前主流的音频格式包括AMR、ACC和MP3，其中最新的高阶音频格式为Enhanced aacPlus (HE AAC v.2) 和AMR WB+，是移动电视终端必须考虑支援的新规格。此外，为了达到更佳的收听效果，单声道已不能满足，现在要求手机也要能提供Hi-Fi立体声的临场感体验。 这在设计上是很大的考验，手持设备的播音系统需採立体声的扬声器架构。在手机扬声器的设计上，主要的问题是配置架构、功率与耗电性的考量。若要支援立体声，手机需要有两个外部扬声器，但由于手机体积太小，这两个扬声器的位置难以拉开，所以立体声的效果不易展现，这时就需要採用特殊的3D效果处理。

DVB-H应用层标准 由于移动电视服务涉及庞大的广播及手机通信系统，因此必须透过一致性的介面标准来完成资料的传递、解读、交换等沟通动作。这部分属于DVB-H协定中应用层（IP datacast, IPDC）的功能，主要的工作包括移动电视服务的授权、计费、帐单处理、客户服务、客户管理，以及用户的内容搜寻、下载及其他互动功能等。在服务类型上，IPDC Forum定义了四项主轴，即娱乐服务（TV、游戏等）、资讯服务（新闻、旅游资讯等）、电子商务服务（广告等）、专业服务（使用非广播频谱的特殊服务）。相关重要议题如下： 1. DVB-CBMS vs. OMA-BCAST 在DVB-H应用层标准的制定上，目前出现了两大阵营及标准，分别是DVB组织下的DVB-CBMS和OMA组织下的OMA-BCAST。由于这两大阵营分别是数字电视广播和手机通信的重量级标准制定单位，因此两者的作法分歧可能对移动电视服务的推动造成不小的冲击。在传输协定上，两大标准皆遵循FLUTE协定，这是Multicast 的 IP 传输协定，允许大的档案在广播环境中进行传输，也是 ESG多重资料流管理的基础。在资料模式（data model）上虽然不同，但差异不大。两者的主要差别是在内容管理的作法，OMA採用OMA DRM，对管理架构有详细的定义，服务上的互操作性较佳，但安全性较为脆弱；DVB的CBMS在此部分採用开放性的架构，也就是允许不同的专属性系统能建置在这个平台上，彼此能同时存在，安全性也较高。 两大阵营的作法各有其优缺点，一方是着重电视业者的经营，另一方则重视手机多样化服务的推展。不过，在制定进度上，DVB阵营的脚步较快，当OMA-BCAST还未定案，DVB-CBMS已进入其第二代的版本制定了。第二版的重点包括ESG的双向传输、告示服务（notification service）、行动性和漫游等。 2. ESG IPDC的关键性应用技术为ESG与内容保护机制。其中ESG是一个可携式多媒体搜寻引擎，是行动电视内容与服务接取的入口。对用户来说，它必须简单容易上手、有效率，并能提供丰富的内容，才能刺激使用的意愿；对于服务业者来说，则是产生差异化内容与服务的关键，也能了解用户的消费行为。透过这个引擎，用户可以寻找想看的节目、要求播放，服务端则可主动推播广告宣传，也可达成其他的互动性功能，例如进行线上即时投票等3G内容或服务的连结。此外，理想的ESG设计甚至能达到节省频宽、降低终端设备的记忆体和CPU用量等优势。ESG的运作架构请参考(图六)。 　 图六　ESG的运作架构 资料来源：Expway

应用处理平台 上述的前端模组、解码器、应用层软件处理功能，最后都得与终端设备中的应用处理平台整合，才能发挥其应有的效果。对手机等手持设备来说，移动电视服务无疑是一项负担极大的工作，有必要採用更理想的应用处理架构，例如採通信与应用分离的分散式架构，或具备专属的视频解码硬件以加速处理效率。以Nomadik为例，即分别以音频及视频加速器来处理图像、录影、播放节目和双向影音通信等功能，除了展现极低的耗电性外，所提供处理动力和记忆体频宽，甚至足以驱动1024x1024 pixels的萤幕。

结论 收看视听娱乐、新闻已是多数现代人生活中不可或缺的一环，而大众的商业性广告也仰赖这套行为模式。过去人们只能在回家时坐在客厅中看电视，行动上受到很大的限制。当电视的收看被推及到手机等手持装置时，除了收看的时间可能拉长，更会出现与网路结合的互动性、多样性服务，并将赋与电视频道更生活化的附加功能。不过，在这个愿景实现之前，仍得一一克服眼前的许多挑战。除了上述的技术议题外，电视产业与手机产业能否达成合解共识，更是影响整体推动进度的一大重点。毕竟这是一个「移动」加「电视」的服务模式，两套系统环环相扣，缺一不可。DVB与OMA这两大阵营虽然各霸一方，但在共同利益的着眼点下，早晚会放下身段，坐下来好好谈谈的吧。（作者为意法半导体亚太区通信及移动多媒体事业部资深技术行销工程师，联络方式：vincent.chiang@st.com）