迈向数字化的电视电子系统

在笔者与平面电视的业界先进们接触的经营当中; 发现一个有趣的现象信息科技背景的专业人士习惯于用液晶监视器的电子系统逻辑套用在平面电视上，CE(消费家电)的业者则常常用广播电视的角度看平面电视系统, 而认为电子零件应该不变、只是将显示硬件由映像管换成平面显示器而已。但是，如果用类似剥洋葱的手法仔细解析电视的电子系统, 我们却能够会发现电视远比LCD Monitor复杂许多。
本文将就电视电子系统当中的关键组件及其作用加以说明，期盼能够让读者对此一议题有更清楚的认识与掌握。

解读电视电子系统
图1.是标准液晶电视的电子系统,。
整个电视讯号的传输经由广播系统、天线 调频器(Tuner)  译码器(Decoder)  解交错讯号器(De-interlacer)  图像缩放芯片(Scaler)  时序控制器(T-Con; Timing Controller) , 一直到将讯号显示在液晶屏幕上。而在一般的液晶监视器(LCD Monitor), 由于信号乃是直接来自于计算机的北桥(芯片或PCI, 而且已经经过VGA卡的模拟/数字处理(ADC, Analog Digital Convert), 事实上并没有调频、解碼、交错等复杂的过程, 数字讯号就可以透过缩放芯片直接放大到整个屏幕 (如17” SXGA 的分辨率为 1280x1024 , 就将讯号放大成1280x1024个画素) ; 然后透过液晶面板上的时序控制(Timing Controller)直接按照顺序输出到面板上。
Tuner、Video Decoder、Deinterlacer等组件，对于电视画面品质的表现上占了重要的角色, 让很多令电视机的开发人员头痛的噪声过滤及画质调整的问题常常就在这些芯片的功能完整与否, 以及能否芯片间互相连接的方式。也因为如此，很多日本电视机的领导厂商如SONY、Sharp及Toshiba等通常对于Tuner、Video Decoder、Deinterlacer甚至Scaler等IC采取完全自行开发的目的，藉以达到保护重要Know-how,维持其竞争优势。同时，这也就是不同的电视机品牌厂商采用了同样的电浆面板或同样的液晶面板, 却生产制造出不同的画面品质的主要原因。以下就对整个传输关节进行介绍
1.Tuner (调频器)
Tuner是用来与天线(Antenna)或有线电视(Cable)连接并接收广播讯号, 这些讯号在数字电视广播开播之前, 通常是模拟的, 所以如果是接收数字广播电视的传输讯号, 就必须使用数字调频器( Digital Tuner); 也是一般数字STB内建的东西。
Tuner通常并不只是单颗IC, 而是以模块(Module)的方式整合了PLL (Phase Lock Loop, 程序锁向回路)、RF demodulator ( Radio Frequency天线解频器)、FS (Frequency Synthesizer; 频率同步器)等等复杂的线路。而电视广播的传输频率通常高达GHz (Giga赫兹) , 所以Tuner  Module也常是EMI (电磁干扰)的主要来源, 一般也将整组Tuner模块以金属包裹器起来, 用以防止Tuner发出的EMI对整台电视的电子系统造成影响。
Tuner所接受的讯号(亦即电视台所广播的讯号)通常是由每一个画素(pixel)的彩度(Chrominance) 、亮度( Luminance) 及画素排列的同步序列(Synchronization) 等等所串接起来的混合编码(Modulated Code)。也就是说整个画面事实上是由一个个包含亮度数据与色彩数据的极细微画素, 所拼贴起来的; 如果节目包含字幕(Caption), 则Tuner模块的工作内容当然也包含了接收这些字幕及其排列方式(Tele-text)。而之所以要将这些彩度、亮度、画素排列同步序列等等混合成编码, 主要也是基于传输效率的考量。
此外, 也有些讯号其实不在这个混合编码里, 也有时不会经过Tuner模块，而这些讯号传输通常会用于较高阶的电视机或投影电视等，这些特殊讯号的接收装置如下：
1.Composite : Composite非常常见, 也逐渐成为电视广播接收的主流, 原理是将色彩层次(Color Chroma)、辉度(luminance)两者调和在一起, 并透过Notch Filter将讯号还原，因为是属于调和讯号, 所以常有色彩重迭的问题。
2.S-Video : 代表YC。Y是亮度(Brightness)的代号, 而C是色彩(Color)。S-Video主要是将Y与C分开并用不同的线路传输, 也因为分开传输, 故较没有Composite的色彩重迭的问题, 因此也渐渐受到采用, 尤其是用作DVD 播放机与电视之间的连接。
3.YUV : YUV又称为YCbCr或Component Video。YUV也是将亮度及色彩分开传输。目前也常用作DVD 播放机与电视之间的连接。
4.RGB : 只传输色彩, 没有传输亮度。色彩则分为R(Red)、G(Green)、B(Blue)三原色传输。也同时传输了水平(Horizontal)及垂直(Vertical)的同步(Synchronized)信号。这是一个较原始的传输方式, 也就是一般模拟式的监视器(Monitor)与计算机间的传输方式。

另外导致Tuner更复杂的是, 因为每个国家或区域的电视发展历程不同, 广播传输的条件也不同, 每个国家地区的电视广播也制定了不同的电视广播标准(Broadcast Standard) , 这使得外销到欧洲的电视机会与台湾岛内内销的电视机会装载不一样的调频器模块。
目前全世界的电视广播标准分成三种
1. NTSC （National Television System Committee ） 
由美国国家电视系统委员会所制定, 目前在美国、加拿大、南美洲部份地区、日本、韩国、台湾、中国大陆、东南亚等地定为国家电视广播标准。

2. SECAM（Sequential Couleur Avec Memoire；列式记忆的色彩广播标准)
由法国国家电视广播局所制定, 目前使用于法国、东欧地区、中东地区、俄罗斯、北非、阿拉伯近东地区、印度等地。而阿拉伯地区又根据SECAM自行衍生出ME-SECAM (Middle-East SECAM)的标准。

3. PAL(Phase Alternative Line；分段可变线性广播标准)
由英国国家广播局所制定, 目前在英国、欧洲、南美洲、南非、澳洲等地使用。由于每个国家又细分了规格, 因此又可分为PAL-M(使用于巴西)、PAL-N等。

图2详列了这三种不同标准的规格特征以及使用地区。由图十可知, 一个NTSC的画面, 频率是每秒的大约29.97分之1, 也就是在每秒的29.97分之一呈现一个画面; 而PAL与SECAM为每秒的25分之一。NTSC、PAL、SECAM则需要不同的Tuner模块。Tuner 在接收广播讯号并调整频率后, 便将这些内容传送到下一站, 也就是Video Decoder。
2.Decoder (影像译码器)
Decoder, 也就是Video Decoder, 其实就是一种模拟到数字的转换器。它的功能包括了：
-  接收Tuner、Composite、S-Video、YCbCr、RGB所传来的资料。
-将Tuner传来的模拟讯号及视讯数据转换成数字格式。
-将色彩(Chorma)与亮度(luma) 分开 ; ( Tuner传来的数据是将彩度与亮度调和在一起的混合编码。
-将讯号以 YUV 或ITU-R BT.656 等数字格式呈现。
-将讯号传到下一站 Deinterlacer。

其最重要的功能就是将色彩(Chorma)与亮度(luma) 分开, 因为Tuner模块传来的数据是将彩度与亮度调和在一起的混合编码, Video Decoder的任务就是利用 Y/C (Y代表亮度, C代表色彩) 分离滤波功能(Separate Filter)将两者讯号完整分离。而滤波功能又分为以下几种, 其中自然以3D为最高阶, 技术也较为复杂。

-Analog Filter (模拟滤波器)
-Comb Filter (梳型滤波器)
-Digital 2D-Adaptive Y/C Separation Filter (数位2度空间呈现-Y/C分离滤波器)
-Enhanced Digital 2D-Adaptive Y/C Separation Filter (改良式数位2度空间呈现-Y/C分离滤波器
- Digital 3D-Motion Y/C Separation Filter (数位3度动态-Y/C分离滤波器)

3.Deinterlacer (解交错讯号器)
Deinterlacer 是整个电视的电子讯号最有趣的部分。为求传输过程的效率及准确性(试想从电视台发射天线到你家会经过多少障碍物及长距离) , 所有电视台送出的讯号, 不管数字广播的数字讯号或目前的模拟讯号, 画面讯号其实都是交错的(Interlaced), 而且不管任何一种广播标准(NTSC, SECAM, PAL), Tuner模块接收的也都是交错的讯号。所谓交错的讯号, 也就是一个画面(Picture Frame)其实被依照奇数信号线(1、3、5、7、9….)与偶数信号线(2、4、6、8、10…..) 分成两个区域, 如图十一、交错(interlaced) 影像的范例, 上部领域(upper field)先被传送, 也就是1、3、5、7、,9…等讯号线, 然后下部(lower field)领域, 也就是2、4、6、8、10……等讯号线会接着被传送然后补足整个画面。
我们目前所看到的电视画面, 其实就是一个个依照频率排列的上部领域与下部领域所组成的。 前面也提到依照NTSC的标准, 影像传输频率是每30分之一秒一个画面(Picture Frame), 而这个画面其实也同时包含的一个60分之一秒的上部领域加上了一个60分之一秒的下部领域 (1/60+1/60=1/30); 而SECAM 及PAL的标准, 影像传输频率是每25分之一秒一个画面(Picture Frame), 而这个画面其实也同时包含的一个50分之一秒的上部领域加上了一个50分之一秒的下部领域(1/50+1/50=1/25)。而上、下部这两个领域是交错的关系。至于上部领域及下部领域是如何依照传输程序顺序排列的呢? Deinterlacer就扮演了这个角色(试想如果某个下部领域被略过了, 图3的可爱小女孩便立即变成了少一半画面的倩女幽魂了!) 。
当讯号从Tuner模块, 一路透过Video Decoder, 一直传到Deinterlacer, 其实都还是交错的; 所以Deinterlace的技术关键在于将上下领域依照顺序作完整的排列、并结合在一起, 而一个失效或品质不良的Deinterlacer 造成的就是画面残缺不全, 或者电视画面中的物体的边缘出现梳子状的漏洞。也因此, Deinterlacer成了决定画面品质的重要关键。而由于许多噪声就隐藏在这些上部领域及下部领域当中, 而画面中物体的边缘也常因deinterlacing (解交错)的动作而产生毛边(Blur); Deinteralcer便成了整个电视电子驱动系统的圆桌武士, 专门除暴安良, 以利用结合上下部领域的机会过滤噪声。

总的来说, Deinterlacer的功能如下：

-Deinterlacing (解交错)---结合已经被interlaced 的上下部领域, 方法是用3:2 Pull down 或 2:2 Pull down 。3:2 Pull Down用于NTSC, 2:2 Pull Down则用于PAL及SECAM.
-Motion Adaptive (动作画面展现)
-Noise Reduction (噪声抑制)
-Edge Smoothing (画面中物体的边缘锯齿效果修饰) 
4.caler (影像缩放芯片) 及T-Con (Timing Controller; 时序控制芯片)
画面讯号传到deinterlacer后, 整个讯号已经被完全译码了。接下来由Scaler (影像缩放芯片)担任将影像放大到整个画面的功能, 例如如果画面的分辨率为 XGA , 也就是1024x768 (纵轴有1024条分辨率, 横轴有768条分辨率) , 则Scaler负责将所有的讯号放大并安置在这1024x768个像素上。Scaler是LCD Monitor及平面电视的心脏, CRT显示器因为是使用扫描方式将一条条的讯号扫描在画面上, 所以较无采用Scaler。
Sclaer目前已经是一个相当成熟的技术, 也常常与T-con (Timing Controller)整合在一起以追求更大的成本效益; 而生产厂商之间的竞争因技术门坎较低而异常激烈。生产的厂商包含了外商如Genesis Microchip、Pixelworks、ST Micro Semiconductor、Philips、Silicon Image以及台湾本地的晶捷、晨星半导体、凌越、世纪民生科技、联咏、瑞昱半导体、伟诠、创品、晶磊、联阳等等。至于T-con, 则伴演了负责沟通Scaler与面板(LCD 或PDP)的驱动IC (Driver IC)的角色, 主要功能在于将Scaler的讯号忠实的传达给驱动IC, 让画面呈现; 以交响乐团作比例, Scaler宛如乐团的指挥家、T-con就是乐谱、而驱动IC就是一个个的演奏家。而T-con与驱动IC之间的沟通方式(也是T-con与Scaler的沟通方式) 则因接口的不同而有以下的区分：

- TTL (Transistor-Transistor Logic, 晶体管逻辑传输)
- LVDS (Low Voltage Differential Signal, 低电压差动讯号传输)
- TMDS (Transition Minimized Differential Signal, 精简化差动讯号传输
- RSDS (Reduced Swing Differential Signal, 低频摇摆差动讯号传输)
- Mini-LVDS ( LVDS的精简版, 以求EMI的降低)

结语
在此，我们简单地介绍了平面电视的电子系统, 至于数字化之后, 基本上电子系统的逻辑并不会有大的变化, 不过Tuner模块 却是第一个必须被数字化的；此外，Digital Tuner也是一个数字与模拟电视一个主要的差别。最重要的，就是在于Tuner模块如何去配合各种卫星、有线电视、以及地面数字电视广播等等各种不同的标准了。