可攜式媒體播放器(PMP)機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)趨勢(shì)

       許多的觀察家、分析師都一致表示：今年電子工程及應(yīng)用的領(lǐng)域只會(huì)有兩個(gè)技術(shù)熱題，一個(gè)是無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，另一個(gè)則是數(shù)碼視訊技術(shù)。

       確實(shí)，數(shù)碼視訊技術(shù)一直是近幾年的關(guān)注焦點(diǎn)，包括數(shù)碼視訊的編解碼算法（如：MPEG-4、H.264、VC-1）、數(shù)碼視訊的界面端子（如：HDMI、DisplayPort）、數(shù)碼視訊的廣播技術(shù)（如：DVB-H、Qualcomm MediaFLO）等。同樣的，視訊相關(guān)應(yīng)用的裝置也是當(dāng)熱，各位看看新次代的電視游樂(lè)器（如：Nintendo Wii、Sony PS3）、再看看Apple今年初發(fā)表的Apple TV、再看看Google收并YouTube、還有IPTV、HDTV，以及家庭社區(qū)保全、視訊會(huì)議與視訊電話(huà)等，就知道視訊應(yīng)用是多么地受到歡迎。

        同樣的，在數(shù)碼隨身聽(tīng)大量取代傳統(tǒng)CD（Compact Disc）隨身聽(tīng)、MD（Mini Disc）隨身聽(tīng)、甚至是數(shù)碼錄音筆之后，也積極在尋找下一波的強(qiáng)勁成長(zhǎng)空間，而最有可能的發(fā)展路線(xiàn)即是追加視訊功效，包括靜態(tài)畫(huà)面的顯示、動(dòng)態(tài)影像的播放、以及靜態(tài)攝影、動(dòng)態(tài)錄像等，都將成為新的強(qiáng)化提升方向，再加上手持式裝置的各項(xiàng)技術(shù)也都在不斷地精進(jìn)演算，因此本文以下將針對(duì)PMP的機(jī)內(nèi)技術(shù)與相關(guān)技術(shù)進(jìn)行更多的討論與剖析，期望能對(duì)正想投入或正從事PMP設(shè)計(jì)的業(yè)者、工程師有所助益。

圖說(shuō)：Broadcom推出的BCM2722行動(dòng)多媒體處理器（Mobile Multimedia Processor）具備數(shù)碼信號(hào)處理器的加速運(yùn)算功效，同時(shí)也支持DRM的數(shù)碼版權(quán)管理（內(nèi)容防拷）功效，Apple的iPod Video即是采行此芯片來(lái)加速視訊播放運(yùn)算，圖為BCM2722的功能方塊圖。（圖片來(lái)源：www.Broadcom.com）

        視訊編解碼實(shí)現(xiàn)方案

        「視訊編解碼」是PMP最關(guān)鍵的部分，但同時(shí)也是目前實(shí)現(xiàn)方式最多樣、最無(wú)一致性的部分，以筆者的歸納整理，就有多種不同的實(shí)現(xiàn)手法：

       1.完全針對(duì)PMP需求而設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)出應(yīng)用芯片，多以SoC方式實(shí)現(xiàn)，此亦可稱(chēng)ASIC或ASSP，ASIC/ASSP內(nèi)會(huì)用上嵌入式的處理器（或控制器），甚至是嵌入式的數(shù)碼信號(hào)處理器（Digital Signal Processor；DSP），或硬件線(xiàn)路式的音視訊編解碼器。

       2.使用多媒體處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如Philips半導(dǎo)體（今日已改稱(chēng)NXP）的TriMedia或者是Sigma Designs的Media Processor等，此類(lèi)型的處理器多半具備VLIW架構(gòu)，可加速多媒體視訊的運(yùn)算。

       3.使用雙處理器（或雙核）設(shè)計(jì)，除了使用一個(gè)一般性（General）的32-bit微處理器（或微控制器）外，會(huì)再額外搭配一顆數(shù)碼信號(hào)處理器，音視訊編解碼運(yùn)算的部分就由DSP負(fù)責(zé)，微處理器／微控制器（uP/uC）則負(fù)責(zé)一般性的控制工作及一般性的應(yīng)用程序執(zhí)行，TI的OMAP方桉即是此中的代表。（附注1）

       4.一樣使用一個(gè)一般性的32-bit微處理器、微控制器，但另一個(gè)搭配芯片則是一個(gè)已將音視訊編解碼運(yùn)算加以硬件線(xiàn)路化的編解碼芯片，此一般稱(chēng)為CODEC芯片，如果只需要播放功能則只需要解碼運(yùn)算硬件線(xiàn)路化的芯片，此稱(chēng)為「解碼芯片，Decoder」；如果在播放外也希望能錄像、錄像，那么就必須用上「編解碼芯片，CODEC」。

       5.只使用32-bit微處理器、微控制器芯片，所有的多媒體編解碼運(yùn)算一律以軟件方式實(shí)現(xiàn)，在PMP電源開(kāi)啟后這些演算程序會(huì)加載到PMP的系統(tǒng)主存儲(chǔ)器中，然后由處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行各種格式的編解碼演算。 



      圖說(shuō)：Microsoft推出的Zune數(shù)碼隨身聽(tīng)也等同于可攜式媒體播放器，Microsoft Zune鎖定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手即是Apple iPod，Zune明顯勝于iPod（第五代）的地方主要是WiFi無(wú)線(xiàn)功能，Zune允許使用者透過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)分享數(shù)碼音樂(lè)、數(shù)碼相片給友人，且分享后依然受DRM機(jī)制管理。（圖片來(lái)源：www.Microsoft.com）

      各實(shí)現(xiàn)方式之差異比較

       上述的5種實(shí)現(xiàn)方式并無(wú)絕對(duì)的優(yōu)劣之分，而是適時(shí)適需地選擇運(yùn)用，選擇第1種作法的好處是大量生產(chǎn)時(shí)最具成本效益，理由是芯片的功效整合度最高，主體芯片外的零件搭配需求最低，另外用電效益也最佳，不僅編解碼演算的部分是以硬件方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)高度的整合也最能做到集中、一致性的電源管理。

       不過(guò)，此（第一種）作法的缺點(diǎn)是缺乏彈性，一旦有新增或修改編解碼算法的需求，或需要加入其它的功效，甚至是修正原有功效的錯(cuò)誤，則能夠調(diào)修的幅度也最低，加上PMP屬于電池運(yùn)作的行動(dòng)化運(yùn)算，現(xiàn)階段不容易使用FPGA、CPLD等可程序邏輯裝置來(lái)增進(jìn)硬件線(xiàn)路設(shè)計(jì)的彈性度。

       所以，除非是相當(dāng)大量的供貨，或者是長(zhǎng)期不變性的供貨，否則極少會(huì)以彈性最低的完全客制設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，且此種作法與其它作法相較，必須在芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)更注重除錯(cuò)、驗(yàn)證等程序，否則日后若有修改需求且其它方式都無(wú)法補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，重開(kāi)光罩與重新投產(chǎn)的時(shí)間、心力、成本等都將相當(dāng)高昂。

       接著是第二、第三、第四等居中性的作法，此3種作法的彈性都高于第一種作法，也是目前較常見(jiàn)的作法。在此舉實(shí)際例子，Apple的第五代iPod（也稱(chēng)為iPod Video）用的就是第三種作法，微處理器的部分使用PortalPlayer公司的PP5021C-TDF隨身聽(tīng)主控芯片（核心為2個(gè)ARM7TDMI），然后再搭配1個(gè)Broadcom（博通）公司的BCM2722芯片，BCM2722芯片雖名為行動(dòng)多媒體處理器，但實(shí)質(zhì)上卻是一個(gè)數(shù)碼信號(hào)處理器。（附注2）

  

       圖說(shuō)：數(shù)碼隨身聽(tīng)的背光可以用簡(jiǎn)單的串聯(lián)、并聯(lián)設(shè)計(jì)來(lái)驅(qū)動(dòng)，但PMP因?yàn)榘坠釲ED用量更多，且講究光均性，因此多半需要專(zhuān)門(mén)的白光LED驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)，圖為MAXIM公司的白光LED驅(qū)動(dòng)芯片：MAX1707，其驅(qū)動(dòng)電流最高可至610mA，且可同時(shí)以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)3組LED應(yīng)用。（圖片來(lái)源：www.MAXIM-ic.com）

       再來(lái)看另一個(gè)例子，Microsoft的Zune在主控芯片部分使用Freescale（飛思卡爾）公司的i.MX31L（核心為ARM1136），該芯片同時(shí)也整合了硬件式的MPEG-4編碼器，如此類(lèi)似于第4種作法，差別只在于由兩個(gè)離散封裝的芯片整合成單芯片。不過(guò)，Microsoft Zune也不全然是第四種作法，或許在MPEG-4格式的編碼上可以直接使用i.MX31L芯片內(nèi)的硬件功效，但除了MPEG-4外的其它音視訊格式就只能使用純軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是第五種作法。

       至于第五種作法，它與第1種作法正好是兩種極端，第五種作法的缺點(diǎn)在于最耗電力，且除了耗電之外通常也需要更高效率的處理器以及更大空間的系統(tǒng)主存儲(chǔ)器，甚至要加大電池的電容量（意味著體積、重量要增加）才能與前4種方式擁有相同的連續(xù)播放時(shí)間，然而優(yōu)點(diǎn)則是彈性最高，要新增、修改任何的編解碼算法只要對(duì)韌體程序進(jìn)行更新即可達(dá)到，完全不會(huì)動(dòng)用到硬件層面的調(diào)修，且硬件零件上多半采用一般性標(biāo)準(zhǔn)元件（包括處理器在內(nèi)），硬件供貨的來(lái)源、價(jià)格也較彈性。

      顯示器

       對(duì)于從數(shù)碼隨身聽(tīng)提升至可攜式媒體播放器的設(shè)計(jì)者而言，顯示器方面的工程技術(shù)恐怕也需要?dú)v經(jīng)一番轉(zhuǎn)變，在過(guò)去數(shù)碼隨身聽(tīng)可以使用Color STN、OLED等來(lái)做為顯示器，但在PMP領(lǐng)域恐怕這兩種作法都得舍棄，而必須使用TFT LCD。

       另外，以往在數(shù)碼隨身聽(tīng)可以賣(mài)弄的七彩背光（Backlight）技術(shù)（運(yùn)用7種不同顏色的LED）在PMP領(lǐng)域也一樣不適用（除非是提供電子相簿的情境效果），能用的依舊是LED背光技術(shù)，不過(guò)只能使用白光LED，而且很可能因?yàn)槭‰娀騼r(jià)格因素而要回頭考慮、評(píng)估使用EL、CCFL等背光技術(shù)，如此在背光驅(qū)動(dòng)上的供電設(shè)計(jì)也較LED復(fù)雜。

       即便是使用白光LED，由于顯示面積將比過(guò)去隨身聽(tīng)大上許多，因而需要用上導(dǎo)光板的組件（3.5寸7寸），并在光均性方面要用上更多的設(shè)計(jì)心力。 

  

       圖說(shuō)：由于PMP等手持式裝置相當(dāng)講究省電性，因此能使用的音效功率放大方式多半為D類(lèi)放大，D類(lèi)放大除了用電效益高外，體積也比其它放大計(jì)數(shù)更為精縮。圖為德州儀器（Texas Instruments；TI）的20W單聲道D類(lèi)放大器：TPA3001D1之內(nèi)部功能方塊圖。（圖片來(lái)源：www.TI.com） 



值得注意的是，背光與處理器、微型硬碟等都是PMP裝置中的主要耗電組件，所以要格外注重省電方面的設(shè)計(jì)，在自動(dòng)省電機(jī)制上，要能在若干分鐘（預(yù)設(shè)，或允許使用者設(shè)定）內(nèi)沒(méi)有操作也沒(méi)有內(nèi)容播放（或畫(huà)面內(nèi)容更動(dòng)）時(shí)就要將背光關(guān)閉，藉此來(lái)精省用電。

 

儲(chǔ)存媒體

 

過(guò)去PMP的儲(chǔ)存媒體都是微型硬碟（Micro drive），微型硬碟指的是碟片直徑低于1.8英寸（含）以下的硬碟，此方面主要的業(yè)者Toshiba、Hitachi（更正確而言是HGST）、Seagate、Cornice、以及Magicstor等，除了1.8英寸外主要還有1英寸、0.85英寸等規(guī)格。

 

PMP使用微型硬碟的主要考量是價(jià)格容量比，倘若一部VCD影片要1.3GB（兩片650MB）、一部DVD影片要4.7GB，且假設(shè)合理的外攜影片數(shù)目在610部左右（附注3），如此少說(shuō)需要7.8GB47GB的容量，倘若這些容量都要用快閃存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，則一部PMP的價(jià)格將高昂到消費(fèi)者無(wú)法接受，所以才必須采用微型硬碟。 

 

圖說(shuō)：PMP的儲(chǔ)存媒體多半是微型硬碟，雖然（NAND型）快閃存儲(chǔ)器的價(jià)格快速滑落，初階的PMP與初中階的數(shù)碼隨身聽(tīng)都已改用快閃存儲(chǔ)器，但微型硬碟在中高階的PMP與高階數(shù)碼隨身聽(tīng)的市場(chǎng)中依然有價(jià)格容量比的優(yōu)勢(shì)。圖為Hitachi的微型硬碟。（圖片來(lái)源：www.hitachigst.com）

然而現(xiàn)在情形正逐漸改觀，以USB隨身碟而言，4GB容量已經(jīng)跌至新臺(tái)幣800、900元的價(jià)位，加上MPEG-4、H.264等新視訊壓縮算法的普及速度簡(jiǎn)直能以「瘋狂」來(lái)形容，使一部60分鐘的影片已能儲(chǔ)存在300MB左右的空間內(nèi)且畫(huà)面質(zhì)量仍然能維持在一定的水平（附注4）。

 

由于兩效應(yīng)的交相影響，使PMP可接受的最低合理使用容量能往下修正，合理實(shí)用的最低可接受容量、價(jià)位都有所調(diào)整，配備8GB12GB（NAND）快閃存儲(chǔ)器的PMP已能夠以「入門(mén)初階機(jī)種」的姿態(tài)打入市場(chǎng)，而不像過(guò)去必須獨(dú)尊微型硬碟。


結(jié)論：最后，PMP的其它相關(guān)技術(shù)也在逐漸強(qiáng)化演進(jìn)中，例如更快的充電效率（愈短的時(shí)間內(nèi)充入愈多的電能）、更多的延伸應(yīng)用（文件閱讀、瀏覽網(wǎng)頁(yè)）、更精準(zhǔn)的剩余電量顯示（從ADC量測(cè)到庫(kù)倫電量計(jì)數(shù)法）、更多的聯(lián)機(jī)方式（USB同步、USB對(duì)街、無(wú)線(xiàn)），這些發(fā)展也都必須留意。

 

圖說(shuō)：從某種角度審視，日本索尼（Sony）的Mylo（My Life Online的簡(jiǎn)稱(chēng)）是一種滑蓋式設(shè)計(jì)的PMP，且結(jié)合了更多的應(yīng)用與通訊功效，不過(guò)Mylo僅內(nèi)建1GB快閃存儲(chǔ)器，就視訊播放應(yīng)用而言顯的吃緊，不過(guò)Mylo仍提供記憶卡槽可擴(kuò)充儲(chǔ)存容量。（圖片來(lái)源：www.Sony.com）