从中国角度看视频滤波器和机顶盒市场

        摘要：集成视频滤波器适用于成本敏感型消费电子应用，如机顶盒。随着视频市场朝着更高清晰度发展，视频滤波器不得不添加更多信道和不同带宽并支持异常功能(如声音陷波)，以适应市场需要。由于视频具有后向兼容的特性，了解各种视频滤波器需要支持的清晰度、信道数量和传统标准非常重要。因为本文的目标受众为中国读者，所以本文将说明有关中国市场的一些机顶盒市场数据。
中国机顶盒(STB)制造商正占据着每个机顶盒细分市场，包括标清(SD)、高清(HD)、国内、出口、卫星、有线、IP和混合市场。每个细分市场中的产品仍需要大量模拟视频滤波器集成电路，这是因为后向兼容性仍是这个综合体的重要组成部分。各种型号的机顶盒采用多种不同的视频滤波器，术语可能非常混乱，因此了解设计和市场方面的详细信息非常重要。在中国，无论对于出口还是国内消费，机顶盒市场都变得越来越重要。视频广播服务以及机顶盒设计和制造对于中国经济日益重要。
中国电视广播公司正积极推动高清服务，高清机顶盒出货量在中国快速增长。中国高清机顶盒市场复合年增长率在2015年前有望超过20%。2015年前，中国高清机顶盒的年出货量有望超过每年600万台。中国高清有线提供商将目标指向大城市如北京，并支持加入更多高清编程的部署。久而久之，编程的不断增加进一步推动了中国用户对高清机顶盒的需求，这与美国和欧洲正在经历的事情一样。
全球机顶盒市场分为有线、卫星、IP和混合IP数位地面几个细分市场。大致的市场份额图显示2016年有线占约40%、卫星占约35%、IP占约20%、混合占约5%(图1)。


图1：(2016年)按平台划分的预估全球机顶盒市场份额

非常有趣的是在操作系统和芯片集方面，机顶盒和智能手机系统齐头并进。机顶盒现在也开始由操作系统控制，这与智能手机非常类似。Android是一个明显的例子。另外，很多支持智能手机的主要处理器IC供应商开始加入已有机顶盒处理器制造商行列，提供更复杂的高清机顶盒处理器。大牌智能手机处理器制造商向相邻市场进军可能成为一个重要的持续趋势，因为他们都在寻求扩展市场的途径。
再回头看中国机顶盒市场，称之为ABS-S的中国卫星系统目前是一个重要的市场组成部分并且还在增长中，其运行率为每年约2500万台。中国制造机顶盒的出口市场在2013年有望超过6000万台，这是一个非常大的市场份额，因为2013年全球机顶盒总出货量有望超过1.4亿台。
在北美和欧洲，STB市场正逐步向高清机顶盒转移，而在亚洲和其它新兴地区，发展最快的还是更实惠的标清机顶盒。将来另一个重要的增长推动因素将是新兴地区开始采用数字录像机(DVR)，用于存储其视频内容并在消费者最方便的时候观看节目，这是发达国家正在经历的事情。人口分布趋势数据明确显示新兴国家中产阶级快速成长，随之而来的是对机顶盒市场的需求明显增长。根据经济合作与发展组织(OECD)，中国和印度各自的中产阶级在2023年前将超过美国的中产阶级。全球中产阶级史无前例的增长(主要集中在亚洲)，将对未来的消费电子市场有很大的影响，包括机顶盒市场。目前世界四大顶级机顶盒供应商总部分别位于欧洲、北美和韩国，他们共占略低于一半的市场份额。中国消费者在机顶盒总购买量中的比例不断升高，因此中国制造商将获得越来越大的全球市场份额，因为他们在继续供应不断增长的国内市场的同时，也在进攻进口市场。
虽然运行高清机顶盒的处理器复杂度越来越高，为了提供美丽的高清画面，将机顶盒连接至电视的信号仍需要兼容于原有的模拟标准。这就是后向兼容性的概念。更为先进的数字连接方案(如HDMI)也不可能成为机顶盒支持的唯一方式，因为大量电视已安装模拟输入。在新兴地区尤其如此。因此即使在先进的高清机顶盒中，对传统视频滤波器的需求也仍然存在，并且这种需求将持续很长时间。
机顶盒采用视频滤波器的目的有多种。首先，它们可以用作视频处理器输出的数模转换器之后的重建滤波器。在机顶盒和DVD设备中，它们还可以用作视频处理器输入的抗混叠滤波器。图2显示支持整个模拟视频输出范围的典型机顶盒。


图2：典型机顶盒视频输出方案


       
随着更高清晰度视频的出现，必须创造新术语来描述不同的清晰度类型。新术语中包含数字字母结合的术语，如480i、720p、1080i、1080p，指出视频显示的行数并说明是交错(i)显示还是递增(p)显示。交错方式意味着交替扫描显示器上的行，递增方式意味着逐个显示行。
交错方式(i)是传统阴极射线管(CRT)显示屏的设计方式。方法是点亮玻璃上的发光体，以便在完整显示整个画面前发光体不会变暗。发光体发光只能维持一段时间，因此需要调整发光体点亮的时间，从而避免模糊下一帧图像。在发光体发光时长和刷新时间之间存在一个很精密的平衡。通过采用CRT，点亮相邻行意味着屏幕顶部消逝而底部被填满。自上而下点亮交替行并在下一轮中填满空白位置，这样画面的任何部分都不会明显淡出。
而递增(p)不会交替行。像素逐个被点亮。递增扫描具有更好的空间分辨率并且视觉效果优于交错方式。很显然，这对于只想看视频而不想成为视频工程专家的消费者而言过于复杂了。因此，创建了容易理解的简单术语。各种数字和字母组合根据术语“清晰度”被划分为几类，说明画面的细致程度。清晰度越高，画面效果越好，因为行数越多，表示渲染和描述图像的像素越多。
视频信号的命名以及清晰度类别的划分可能需要长篇大论，尤其是在考虑各个地区不同标准的情况下尤其如此。因此为了方便视频滤波器讨论，美国标准规定低于480p的分辨率称为标准清晰度(SD)，480p称为增强清晰度(ED)，而720p和1080i称为高清晰度(HD)。另外，很多视频设备厂商在不严谨的说法中开始采用术语HD(或高清)。
为了表达更准确，视频行业创造了诸如HD-ready、HD-ready-1080p和Full-HD等术语以期使事情更明了，而实际上却使情况更混乱。因此，为了处理这种混乱情况，视频滤波器制造商决定采用术语SD、ED、HD和1080p HD，根据滤波器的截止频率(或通带)划分滤波器，如下所示：
● SD滤波器截止频率约为8MHz。
● ED滤波器截止频率约为16MHz。
● HD滤波器截止频率约为32MHz。
● 1080p滤波器截止频率介于65至70MHz之间。
按照截止频率划分非常简单，而且能够避免混乱。图3和图4显示SD和HD滤波器频率响应的典型示例。


图3：典型SD滤波器频率响应


图4：典型HD滤波器频率响应


       
在设计机顶盒时，设计人员不仅要考虑信道数量，同时还要考虑清晰度。另外，提供集成电路滤波的方式有两种。一种是采用滤波IC组合，另一种是采用单个滤波IC，处理设计所需的所有信道和清晰度。
视频产品一个令人沮丧的特点是较旧的要求会存在很长时间。后向兼容性是视频市场的一个基本组成部分，这也是为何彩色电视可以显示黑白信号并且高清节目可以在标清显示屏上观看的原因。后向兼容性同样适用于接口。机顶盒背部的接口说明视频连接设计的一些信息，从复合视频、S-视频、分量视频，到HDMI。视频滤波器可用于任何连接方式，除了HDMI，因为HDMI为数字信号，不需要模拟滤波器。分量视频可以是SD、ED或HD，每种情况需要不同的滤波器。此外，还有一种非常罕见的想象，称为“声音陷波”(图5)，它包含在一些采用RF线缆接口(同轴电缆)输出的机顶盒中。
在某些采用RF输出的传统机顶盒中，需要过滤掉频率约为4.5MHz的音频载波(针对NTSC系统)。音频载波存在于SD信号的通带，必须除掉。通过采用一个窄带声音陷波滤波器很容易做到这一点。幸运的是，有一个带有内置声音陷波滤波器的视频滤波IC可用于实现该目的。在视频滤波IC中内置声音陷波是相对具有挑战性的设计。由于其困难程度，带有声音陷波的IC滤波器具有非常长的使用寿命，甚至沿用至今(虽然这种连接方案现在也相对罕见)。即使罕见，这种滤波器仍然存在，这是因为机顶盒制造商仍有一些需要提供后向兼容性(甚至兼容于RF输入)的产品。


图5：带有声音陷波(增益和延迟)的SD视频滤波器的频率响应

机顶盒制造商面临的另一个重要问题是静电放电(ESD)。机顶盒制造商已针对离散滤波实现BAV99 ESD保护二极管的标准化。然而，集成视频滤波器不仅能够去掉很多离散滤波元件，还能去掉二极管。集成滤波器提供高达12kV的ESD保护，视具体产品而定。ESD保护是个好主意，为了防止破坏昂贵的核心处理芯片，设计人员必须对视频输出加以保护才能将其投放市场。
另一个关注点在于减少待机时的电源泄漏。有时称为“吸血鬼功率”，已经成为一个主要的环境问题，因为它完全是浪费功率。发电很昂贵，并且会释放温室气体，这已经成为一个全球问题。在美国，例如加利福尼亚，最近要求液晶电视符合能源之星(Energy Star)的标准，从而降低其吸血鬼功率。为了显示能源之星徽标，所有设备(如电视、电脑、显示器、打印机等)不活动时的功率必须低于30瓦。采用飞兆半导体的低功耗视频滤波器，能够使产品更容易符合能源之星标准。
总之，传统规格仍然存在，甚至新机顶盒通常也需要支持一些旧的要求。幸运的是，视频滤波器制造商如飞兆半导体，提供大量集成视频滤波IC产品，支持各种模拟标准并满足新设计要求。