消費電子和多媒體影音視訊技術設計推陳出新

上一期我們介紹了美國矽谷半導體電子廠商在高速傳輸介面規格的技術革新發展現況。另一方面在消費電子和多媒體影音視訊應用領域，矽谷廠商也不斷地因應市場需求，推出各類處理晶片、低功耗控制和彈性化設計平台解決方案。目前高解析串流影音應用在電子、系統及網通設備領域的發展方興未艾，多媒體影音視訊晶片設計及視訊演算法攸關視訊品質甚鉅，包括針對多媒體行動上網裝置開發所需的彈性化設計平台也越來越重要。同時，提升支援多媒體視訊影像傳輸的功率介面控制設計、與無線基地台寬頻增益的效能，對於強化多媒體影音視訊傳輸品質亦有所助益。矽谷廠商Tensilica、Quicklogic和Linear在相關應用領域正積極推出最新成果。此外，MEMS時脈控制技術應用在消費電子領域的發展前景亦備受市場矚目，SiTime在此部分已累積相當的技術優勢，特別是在手持裝置應用。另外針對即時方位跟蹤、無線感測傳輸、行動設備和資產追蹤標識的Wi-Fi網路應用，G2 Microsystems集中研發資源提出相關Wi-Fi低功耗SoC設計，可有效降低待機功耗和基礎建設佈建成本。以下便是相關介紹內容。

Tensilica勾勒多媒體影音視訊晶片設計輪廓

數位家庭（digital home）、個人消費電子、車用娛樂系統（infotainment）應用以及塵埃落定的藍光（Blu-ray）播放器標準，正帶動著高解析串流影音技術的快速革新，SoC設計以及DSP處理器的角色，對於呈現高解析語音和高畫質視訊品質來說越來越關鍵，如何滿足市場瞬息萬變的應用需求以及縮短上市時程，一直是多媒體影音視訊晶片設計大廠的關注焦點。

《圖一　Tensilica市場策略經理暨技術推廣講師（Technology Evangelist）Steve Leibson表示，提供逼真視訊圖像讓用戶根據不同顯示設備調整畫面的數位視訊壓縮技術，以及提高圖像品質和色彩還原能力的視頻預先處理和後置處理器設計，是市場產品差異化的重要關鍵》

Tensilica市場策略經理暨技術推廣講師（Technology Evangelist）Steve Leibson表示，高解析語音標準和音訊處理器晶片設計正面臨三大挑戰：行動裝置、數位家庭和耳機產品的音訊標準越來越多，效能需求益加嚴苛外，音訊處理技術複雜度也越來越高。既有16位元DSP無法滿足消費電子應用需求，手機廠商需要24位元的音訊處理器解決方案，並可支援多聲道音訊傳輸功能。Tensilica的HiFi 2音頻引擎可編程處理器IP內核，可支援24位元高解析音訊，處理各類音訊標準軟體，並具備超過50種的流行音頻演算法資料庫。日前Tensilica亦宣布HiFi 2音頻引擎資料庫新增杜比aacPlus解碼器以支持音訊廣播DAB+技術；AMD的Imageon M210音訊處理器更採用HiFi 2音頻引擎內來達到低功耗設計。

在藍光音訊解碼設計部分，Steve Leibson說明必備式（mandatory）藍光音訊編解碼Dolby Digital（或稱AC-3）以及DTS規格均可支援單聲道串流5.1 聲道，DTS更可支援可選式6.1聲道，Dolby Digital可支援192～640kbps傳輸速率，DTS一般而言傳輸速率為768kbps，少數可達1.5Mbps。至於可選式藍光音訊編解碼規格包括Dolby Digital Plus、Dolby TrueHD、Dolby Digital Compatible Output、DTS-HD Master Audio、DTS High Resolution、DTS-Express。Steve Leibson表示，由於市場價格因素，藍光播放器SoC架構正朝向單晶片設計發展，對於SoC電源管理要求也更嚴謹，高效能DSP處理設計為滿足多通道音訊應用而更為重要。

Steve Leibson因此強調，將所有音訊編解碼規格放在一起，是最壞的設計示範，效能負擔也可達到389MHz。在此他建議可使用兩顆音訊處理器，而HiFi 2音訊引擎便可承擔此一任務，可支援所有藍光音訊編解碼規格，例如Intel的CE 3100架構便使用相關解決方案。整體來看，專用音訊指令可強化24位元高解析度HiFi 2音訊引擎DSP，降低原始碼密度減少對內部記憶體的需求，更可降低功耗，可作為類似藍光播放器需要高效能音訊處理核心的替代方案。

《圖二　Intel的CE 3100多媒體處理器設計架構示意圖 》 資料來源：Tensilica

在多媒體視訊處理設計方面，Steve Leibson表示，可編程處理核心對於視訊影像處理的重要性，在於視訊影像處理本身並非以標準所定，而高解析數位視訊編解碼演算法已經標準化，提供逼真視訊圖像讓用戶根據不同顯示設備調整畫面的數位視訊壓縮技術，以及提高圖像品質和色彩還原能力的視頻預先處理和後置處理器設計，是市場產品差異化的重要關鍵，新的可編程視訊處理內核演算法應可滿足市場對於快速改變韌體的設計需求。

《圖三　四種視訊預先處理演算法比較圖：從上到下依次為雜訊濾波、抖動檢測與補償、局部動態範圍補償和顏色校正 》 資料來源：Tensilica

一般而言，視訊預先處理演算法包括畫素掃描和資料傳輸、拜爾格式解交錯（Bayer pattern deinterleaving）、雜訊濾波、抖動檢測與補償、局部動態範圍補償、對焦調整或銳化、顏色校正、臉部辨識和3D立體圖像等。視訊後置處理演算法則包含解塊和解環濾波器、圖像邊界檢測、影像縮放、解交錯、雜訊濾波、提高畫面頻率（Rrame Rate Upconversion）、視訊覆蓋／透明效果、色彩空間轉換／亮度／對比度／gamma校正等。Steve Leibson表示，具備可編程能力處理器設計，才可因應上述多樣變化的視訊預先和後置處理演算需求。Tensilica Xtensa處理架構可執行5種視訊處理演算法，經過SIMD/DSP擴展的Xtensa處理器更可提升處理效能，或可採用Direct TIE工具革新SoC設計架構。

QuickLogic掌握CSSP組合彈性設計要點

QuickLogic執行長E. Thomas Hart在從行動裝置的變革看未來發展策略時表示，QuickLogic正在把自己重新定位為一家CSSP供應商；QuickLogic未來的發展，將主要側重於客戶特定標準產品CSSP（customer Specific Standard Products）應用當中。

《圖四　QuickLogic執行長E. Thomas Hart表示，行動多媒體視訊應用正逐漸普及，社群網路行動化也是主要發展趨勢。為順應市場脈動，QuickLogic將主要側重於客戶特定標準產品CSSP（customer Specific Standard Products）應用當中》

E. Thomas Hart指出，目前全球網通電信營運商正積極驅動消費者使用數據傳輸以提升ARPU營收。他以AT&T的統計數據為例，iPhone用戶的ARPU值比一般電信用戶高出2倍，特別是利用行動上網（Mobile Internet）瀏覽網路應用的成長非常明顯。根據FierceMobileContent的統計，95％的iPhone用戶時，常藉由iPhone功能上網瀏覽網頁。再者行動多媒體視訊應用亦逐漸普及，根據comScore統計，51％的行動上網用戶已藉由YouTube觀賞過視訊影像，去年7月全球YouTube瀏覽次數便達到50億次。此外，社群網路行動化也是主要發展趨勢，藉由iPhone應用Facebook社群網路的使用者便將近100萬戶。未來攜帶iPhone取代筆電的趨勢將會越來越明顯。

《圖五　QuickLogic全球行銷副總裁Brian Faith指出，複雜的智慧型手機元件應用需求，促使一個具備高度整合性、可實現標準功能、按照客戶特殊需求設計彈性化解決方案的平台出現，以簡化軟硬體整合的設計時間並降低成本》

在此行動多媒體上網方興未艾的應用趨勢下，QuickLogic全球行銷副總裁Brian Faith指出，MID和CMMB等以及可行動上網的智慧型手機，促使諸如GPS定位、LBS服務及針對VoIP電話的Wi-Fi功能及應用越來越普及。若要提升行動視訊觀賞品質，畫質與螢幕尺寸是相當重要的因素，無線連結傳輸的頻寬以及電池使用壽命亦是使用者關注焦點。例如藉由動態LCD對比度控制VEE技術，便可提升像是HTC Touch Diamond手機的LCD背光影像清晰度，並提升65％的電池壽命。

這些複雜的智慧型手機元件應用需求，促使一個具備高度整合性、可實現標準功能、按照客戶特殊需求設計彈性化解決方案的平台出現，以簡化軟硬體整合的設計時間並降低成本。同時，Brian Faith強調，應用處理器之間的連接效能，便攸關智慧型手機能否發揮功能的重要關鍵。以往傳統低速UART串列傳輸應用以及針對外設連接的安全數位SD主控制器，已無法滿足這時應用環境下智慧型手機的處理效能和需求。

《圖六　依照CSSP客戶特定標準組合彈性設計為基礎的多媒體視訊開發工具》

Brian Faith指出，QuickLogic倡導的客戶特定標準產品（CSSP），是以FPGA的精神為基礎，並藉由過去以來所累積的已驗證系統模塊庫（Proven System Block Library）中，讓客戶挑選出最適合最需要的「組合拼盤」；亦即以CSSP為核心，提供客戶降低設計成本、節省開發投入，創造產品差異化的空間，來滿足不同客群的需求。

Linear全面把關多媒體高速傳輸高效能功耗設計

類比電源晶片供應大廠Linear這次藉由亞洲媒體採訪團前往矽谷進行深入報導的機會，一口氣介紹應用於個人手持GPS導航裝置的下一代高效能雙電池電源管理IC、支援車用娛樂系統與安全控制的高壓降轉換穩壓器、應用於新一代乙太網路供電IEEE 802.3at（PoE+）標準的介面控制器，與支援同步轉換穩壓、DC/DC穩壓和降低頻率電磁干擾的矽晶振盪器；以及應用於各類無線寬頻通訊標準的增益放大器。Linear市場行銷總監Todd Reimund指出，Linear所推出的各類類比晶片產品有95％都在自己的晶圓廠生產，亞洲佔Linear全球39％的銷售比例首位，設計部分則以北美佔48％比例最高。Linear將持續高效能類比IC的設計能力，進一步擴展在消費電子和手持裝置的應用影響力。

《圖七　Linear 混合訊號產品部門產品行銷經理Alison Steer指出，針對25.5W高功率PD受電裝置應用，Linear發表符合802.3af／802.3at標準的乙太網路供電介面控制器，可滿足802.11n無線接取點或網路攝影機、安全監控系統、大螢幕彩色顯示器等受電設備應用需求》

Linear在去年12月中已推出應用於PoE+和無線寬頻通訊標準的新款類比晶片產品。由於新一代乙太網路供電（Power over Ethernet；PoE）標準IEEE 802.3at（PoE Plus）／Draft 3.0草案即將在今年定案，最新的IEEE 802.3at可提供比原有PoE標準IEEE 802.3af更大的輸出功率，支援多媒體視訊影像傳輸所需更高的功率效能。Linear 混合訊號產品部門產品行銷經理Alison Steer指出，以往PoE標準IEEE802.3af連結可讓例如路由器或集線器等供電設備（PSE），最多可提供VoIP電話、網路攝影機或無線接取點等受電裝置（PD）12.95W的功率；不過對於802.11n無線接取點或網路攝影機、安全監控系統、大螢幕彩色顯示器等受電設備來說，功率傳輸容量因此受限不足。IEEE正制訂的新一代PoE+標準IEEE 802.3at，將可支援25.5W（600mA）的功率輸出，並可與目前可用的 802.3af設備共存。

《圖八　Linear所推出符合802.3af／802.3at標準的乙太網路供電介面控制器》

Alison Steer表示，針對25.5W高功率PD受電裝置應用，Linear發表符合802.3af／802.3at標準的乙太網路供電介面控制器。此介面控制器亦具備符合IEEE 802.3at標準的規格技術，可在供電設備PSE認定符合既有IEEE 802.3af功率位準的Layer-1硬體、或與IEEE 802.3at功率位準相符的Layer-2硬體之間，動態分配相適應的電力。介面控制器亦具備2-Event分類辨識特性，2-Event硬體分類放在Layer-1硬體層，能與Layer-2供電設備相互識別，並與802.3at相符的受電裝置相互連接，以此提供訊號至能輸出與802.3at電源相關之更高功率位準的受電裝置。2-Event新分類機制能確保新一代PoE標準802.3at Layer-1和Layer-2裝置之間的互通性。

Alison Steer強調，這款針對25.5W高功率PD受電裝置應用的介面控制器，亦具備可與以往IEEE 802.3af 向下相容的特性。為達高效率電源分配，使用者可配置代表PD電源分類的分類負載電流；具備SHDN功能的關機針腳，則提供彈性的輔助支援，在電源輸出互補性、Onboard Signature Resistor、欠壓／過壓鎖住及完整的過熱保護亦有關鍵設計。

《圖九　Linear高頻產品部門產品行銷經理James Wong表示，諸如LTE及WiMAX等新一代無線寬頻技術，使用並具備12dB 波峰因素的調變訊號，因此在傳輸寬廣作業位準間、維持線性度效能，便成為整合基地台性能的重要關鍵》

此外Linear亦發表應用於無線寬頻通訊數位可設定增益IF放大器，具有10dB低雜訊設計，可支援無線通訊接收器及訊號處理系統的動態範圍效能。Linear高頻產品部門產品行銷經理James Wong表示，此放大器可於5ns內從增益變化完成安置，並提供低突波雜訊及支援自動增益控制（AGC）效能，其輸出步階功能不產生失真及雜訊，能在ADC系統達到無雜散2dB～18dB的動態範圍效能。

James Wong強調，諸如LTE及WiMAX等新一代無線寬頻技術，使用並具備12dB 波峰因素的調變訊號，因此在傳輸寬廣作業位準間、維持線性度效能，便成為整合基地台性能的重要關鍵，此款增益放大器可產生0.125dB步幅增益控制粒度，可於-40℃～85℃擁有±0.1dB增益精準度，能在廣泛多變的訊號位準範圍內保持一致性的高效能，可支援包括GSM/CDMA/TD-SCDMA/LTE/WiMAX等無線基地台、寬頻ADC驅動器、數位預失真增益控制、車用增益控制放大器（AGC amplifier）、雷達接收器、量測儀器等。

SiTime時脈控制在消費電子領域出類拔萃

由於電子系統內部都需要多個頻率傳遞訊息，因此時脈振盪器（timing oscillator）或是諧振器（resonators）便是消費電子產品不可或缺的零組件，以往多數採用石英（quartz）晶體的振盪器或共振器，正逐漸被MEMS元件所取代。這股趨勢隨著MEMS微細化技術更加成熟而越來越普及；在車輛安全、駕駛控制、互動式娛樂遊戲裝置、可攜式通訊裝置、醫療電子、電腦裝置等應用領域，MEMS時脈控制元件正被廣泛地採用，MEMS時脈控制元件在可攜式裝置上的發展亦被市場高度關注。

《圖十　SiTime行銷副總裁Piyush Sevalia表示，目前SiTime的MEMS時脈控制元件，在微型化封裝、低功耗、降低時脈抖動、更寬的輸出頻率、更精確的頻率精度、更廣的溫度容忍範圍等設計上，能進一步滿足客戶特殊應用的設計需求》

SiTime行銷副總裁Piyush Sevalia表示，成立於2004年12月的SiTime，主要創始團隊在過去30年來，一直從事於MEMS的技術開發研究，SiTime的MEMS產品結合MEMS機械結構與類比技術，能發揮自身時脈控制與類比設計的良好品質。目前全球時脈控制元件市場規模約為50億美元，2007年全球MEMS元件出貨量為25億組，MEMS共振器已出貨數百萬組，市場成長空間頗具潛力。

Piyush Sevalia認為MEMS共振器可取代石英晶體共振器的主要因素在於，採用標準CMOS製程的MEMS共振器，尺寸比石英共振器小10倍，厚度更薄4倍，良率更可超過90％。MEMS共振器並具備零漂移（Zero drift）誤差和可達150K Q值（Quality Factor）的高效能，MEMS共振器更可承受50000G的重力衝擊，在可靠度和品質上均有相關優勢。Piyush Sevalia強調，MEMS元件的可編程架構，具備分數-N型鎖相迴路（Fractional-N PLL）效能、壓控振盪（Voltage Controlled Oscillator）設計佳、可支援Gigabite級寬頻頻率和更低雜訊設計。

目前SiTime的MEMS時脈控制元件，操作電壓僅為1.8～3.3V範圍，針對硬碟、監控設備、伺服器、印表機、錄放影機、攝影裝置、LCD顯示螢幕、汽車控制等，推出各類可編程MEMS時脈控制解決方案，在微型化封裝、低功耗、降低時脈抖動（jitter）、更寬的輸出頻率、更精確的頻率精度、更廣的溫度容忍範圍等設計上，能進一步滿足客戶特殊應用的設計需求。

Piyush Sevalia進一步強調，電子產品加上高速傳輸通訊應用需求不斷激增，電子產品相互影響，導致許多低頻雜訊源干擾電子產品的時脈運作。去年12月SiTime新推出的兩款MEMS振盪器，就是結合MEMS和類比技術，其頻率穩定值可達±10 PPM，可讓系統有效對抗低頻環境雜訊諸如其他裝置的電磁干擾（EMI），降低系統時脈誤差並提高可靠度，可謂MEMS振盪器技術的重大革新，預估市場規模可達1.8億美元。唯一具備3-PLL鎖相迴路效能的MEMS單晶片時脈整合器SiT9103和SiT9104，可滿足高頻時脈的應用。這兩種產品更可支援10～220MHz不同的輸出頻率，預計在今年2月推出相關樣品。

《圖十一　超薄型MEMS時脈振盪器產與傳統石英振盪器厚度比較示意圖 》 資料來源：SiTime

此外Piyush Sevalia特別指出，主要運用於近場無線通訊（Near Field Communication）功能手機的超薄型MEMS時脈振盪器，可應用在大容量SIM卡（HC-SIM）、智慧卡和超薄手機用的SiP封裝模組、USB2.0和快閃記憶體儲存解決方案。超薄型MEMS時脈振盪器厚度只有原來的三分之一；與之前0.85mm厚度相比，新式晶片只有0.25mm，此外增加了表面積為3.5mm×3mm。在封裝上超薄型MEMS時脈振盪器不同於以往stacked堆疊封裝，將MEMS元件和ASIC結合在一起，將兩組元件並排（side by side）放置。

Piyush Sevalia表示，目前SiTime已和7～8家NFC手機業者洽談合作計劃，他並認為手機等可攜式裝置將是驅動MEMS應用發展的主要動力，SiTime將結合Bosch作為創始者和主要投資者的重要角色和技術優勢，進一步拓展MEMS時脈元件在手機裝置的影響力。

G2 Microsystems心無旁騖專注Wi-Fi低功耗SoC設計

總部位於美國加州Campbell的G2 Microsystems，主要針對微控制器為基礎以及電池供應的裝置，提供專門設計和超低功耗特定用途的Wi-Fi解決方案，應用領域則以即時方位跟蹤、無線感測傳輸、行動設備和資產追蹤標識等為主。由於G2 Microsystems研發班底核心是先前首創802.11a Wi-Fi CMOS革新方案的Radiata工作團隊，因此相關R&D中心便就近位於澳洲雪梨。G2 Microsystems行銷副總裁Lisa Payne表示，G2 Microsystems近期市場目標將側重於資產追蹤及時定位系統（RTLS）解決方案，並擴及至嵌入式Wi-Fi裝置應用領域。

《圖十二　G2 Microsystems行銷副總裁Lisa Payne表示，以往Wi-Fi解決方案偏重於RF傳輸效能，雖然因此驅動了高傳輸容量802.11n在筆記型電腦以及網路接取點應用的成長，不過低功耗設計往往無法有效兼顧》

Lisa Payne進一步表示，目前大多數資產追蹤解決方案都需要專有的基礎設備，需要數百萬美元投資進行試驗性應用。另一方面，以往Wi-Fi解決方案偏重於RF傳輸效能，雖然因此驅動了高傳輸容量802.11n在筆記型電腦以及網路接取點（Access Point）應用的成長，不過低功耗設計往往無法有效兼顧。另一方面，在網路堆疊架構上，Wi-Fi解決方案也需要32位元的微控制器管理，無法支援自動運作，因此都需要大量的電池供應。

Lisa Payne說明指出，對於Wi-Fi網路應用來說，欲兼顧RF效能與低功耗設計，仍有許多課題有待突破，特別是在RF效能驗證測試部分。例如PCB板和元件設計等校正測試（calibration and test）不易，同時整合嵌入式軟體設計亦需花費較多時間，包括TCP/IP、802.11安全模式、以及網路路由器和接取點的相容性測試等。之後還需經過Wi-Fi聯盟（Wi-Fi Alliance）驗證核可包括802.11、FCC/CE等安規認證項目，時間和驗證成本均所費不貲。

《圖十三　G2 Microsystems所推出的802.11b/g SoC解決方案以及802.11b Wi-Fi模組（右）》

Lisa Payne表示，G2 Microsystems在去年Q3～Q4陸續推出802.11b/g SoC解決方案以及802.11b Wi-Fi模組，特別強調Wi-Fi低功耗SoC設計，可增加電池使用壽命，且只需一顆電池加上嵌入式快閃記憶體即可獨立運作。G2 Microsystems的SoC設計同時可藉由使用多點定位技術，取代基礎射頻RFID技術；Wi-Fi單晶片微型化尺寸，可整合至Wi-Fi資產追蹤標籤當中，並提供智慧跟蹤與感測器功能，可被廣泛應用於Wi-Fi無線網路基礎設施，以及Host端的資產追蹤標籤和無線感測裝置應用。

G2的Wi-Fi低功耗SoC解決方案，可相容IEEE 802.11網路，以標準APIs支援嵌入式TCP/IP，並可提供最低的待機功耗以及最快的開機時間設計。G2的Wi-Fi低功耗解決方案並提供Icon和Recon網路應用方案設計，客戶無須瞭解諸如802.11i、WMM、WPA-PSK、TCP、ARP等Wi-Fi軟體語法，可讓客戶軟體開發時間降低至數周，提供客戶客製化的的原始碼設計。此外G2的Wi-Fi模組化設計，無須經過RF設計和繁瑣的校正驗證（calibration），只需藉由簡單的API，即可讓客戶的網路裝置不再受限於原始碼更新問題，並可協助取得FCC/CE驗證，進一步具備上網連結功能。

《圖十四　G2 Microsystems的Wi-Fi低功耗模組化設計，可提供客戶Icon和Recon網路應用方案，可應用在採用RTLS方案的資產追蹤系統》

Lisa Payne強調，安裝於既有的基礎設施，G2的Wi-Fi單晶片資產追蹤系統採用RTLS方案追蹤和偵測設施內外的資產，其安裝成本僅為現有系統的數分之一，可為系統廠商降低至少75%的費用。G2的Wi-Fi解決方案可進一步有效整合感測介面以及資產追蹤應用的相關軟硬體支援。

@結語

矽谷電子產業雖然無法避免金融風暴和經濟衰退的陰影，不過IC設計廠商們仍對未來充滿信心，秉持從危機中找尋轉機的生存哲學，積極掌握市場發展脈動，按部就班推陳出新各類晶片技術應用解決方案，藉此轉折持續壯大實力等待順勢而起。或許這就是矽谷從無到有、草創奠基、進而執全球電子產業牛耳位居首位的不二法門吧！