デジタルTV対応システムLSI開発

デジタルTV対応システムLSI開発
デジタル放送対応テレビを支える技術とLSI
2004 年1 月 10 日
松下電器産業㈱ 半導体社
システムLSI開発本部 第一商品分野開発センター
第三開発グループ
寒川 賢太（そうかわ けんた）
まず、はじめに. . .
デジタル放送
デジタル放送対応テレビ
デジタル回路で
処理しているTV
タイトルはこちらの意味
デジタルTV
1394
MPEG2デコーダ
HTML
JAVA
BML
Bluetooth
デジタル放送対応システムLSI
802.11
Linux
μITRON
PLC
Internet
最先端の技術はあれこれありますが。。。。
内容
1.はじめに
・デジタル放送の概要
2.デジタル放送対応TV
-1 フロントエンド
-2 バックエンド
-3 映像表示
3.結び
1.はじめに
・デジタル放送の概要
2.デジタル放送対応TV
-1 フロントエンド
-2 バックエンド
-3 映像表示
3.結び
デジタル放送方式の規格化
1980年代後半
1990
1994
米国ATV(Advanced TV)規格化の動き
米GI(General Instrument)社
DigiCipher方式提案
⇒にわかに放送デジタル化の流れに
ＭＰＥＧ２規格
日米欧で放送方式策定
（米国）ＡＴＳＣ方式
（欧州）ＤＶＢ方式
（日本）ＡＲＩＢ方式
Advanced Television Systems Committee
Digital Video Broadcasting Project
Association of Radio Industries and Businesses
世界のデジタル放送規格
USA(ATSC）
Ｓｙｓｔｅｍ
Ｂｉ
ｔｒ
ａ
ｔ
ｅ
Ｅｘｔｅｒｎａ
ｌｃｏｄ
ｉｎｇ
Ｉ
ｎ
ｔ
ｅ
ｒｎａ
ｌｃｏｄ
ｉｎｇ
Ｍｏｄｕ
ｌ
ａ
ｔ
ｉ
ｏｎ
Ｔｅｒ
ｒ
ｅ
ｓ
ｔ
ｒ
ｉ
ａ
ｌ
19.39Ｍｂｐｓ
ＲＳ(207,187）
Trellis ｃｏｄ
ｉｎｇ
8−ＶＳＢ
６ＭＨｚ
Ｂａｎｄｗｉｄ
ｔｈ
Ｍｕｌ
ｔ
ｉ
ｐ
ｌ
ｅ
ｘｍｅｔｎｏｄ ＭＰＥＧ2 ＴＳ
Ｖｉｄｅｏｅｎｃｏｄ
ｉｎｇ ＭＰＥＧ２（ＭＰ＠ＨＬ）
ｉ
ｔ
ａ
ｌ(ＡＣ−3）
Ａｕｄ
ｉｏｅｎｃｏｄ
ｉｎｇ ＤｏｌｂｙＤｉｇ
１０８０
ｉ−３０
Ｖｉｄｅｏｆ
ｏ
ｒｍａ
ｔ
１０８０ｐ−24／30
720ｐ−24／30
480ｐ−24／30／60
480ｉ−30
Europe(DVB)
Japan(ARIB)
Ｔｅ
ｒ
ｒ
ｅ
ｓ
ｔ
ｒ
ｉ
ａ
ｌ Ｓａｔｅ
ｌ
ｌ
ｉ
ｔ
ｅ
Cａｂｌｅ Ｔｅ
ｒ
ｒ
ｅ
ｓ
ｔ
ｒ
ｉ
ａ
ｌ Ｓａｔｅ
ｌ
ｌ
ｉ
ｔ
ｅ Cable
23.5Ｍｂｐｓ 29.2Ｍｂｐｓ 38.1Ｍｂｐｓ 23.4Ｍｂｐｓ 52.2Ｍｂｐｓ 29.2Ｍｂｐｓ
ＲＳ(204,188）
ＲＳ(204,188）
Ｃｏｖｏ
ｌｕ
ｔ
ｉｏｎｃｏｄ
ｉｎｇ
―
Ｃｏｖｏ
ｌｕ
ｔ
ｉｏｎｃｏｄ
ｉｎｇ
―
ＯＦＤＭ＋
PSK,QAM
８ＭＨｚ
ＱＰＳＫ
QAM
26∼54ＭＨｚ ８MHz
ＭＰＥＧ2 ＴＳ
ＭＰＥＧ２
ＭＰＥＧ2 ＢＣ
1080ｉ−25／30
1080ｐ−25／30
576ｉ−25
576ｐ−25
ＯＦＤＭ＋
PSK,QAM
6ＭＨｚ
8ＰＳＫ
34.5ＭＨｚ
ＭＰＥＧ2 ＴＳ
ＭＰＥＧ２
ＭＰＥＧ2 AAC
1080ｉ−30
（1080ｐ−60）
720ｐ−60
480ｐ−60
480ｉ−30
ＱＡＭ
6ＭＨｚ
日本における放送デジタル化の動き
96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
標準規格・免許
高画質・高音質・データ放送
<米国の動き>
ＤＴＶチューナ装備義務化
（２００２年８月８日、ＦＣＣ可決）
ＢＳ
2000/12本放送開始
96/9
98/4
PerfecTV SkyPerfecTV
３６インチ以上
見るだけのTVから使うTVへ！
epサービス開始
ＣＳ
97/12DirecTV
モアチャンネル
2007年BS5先発機打上げ
2002年春 CS110°
２００４年７月１日 ５０％
２００５年７月１日１００％
２５∼３５インチ
２００５年７月１日 ５０％
２００６年７月１日１００％
１３∼２４インチ
２００７年７月１日１００％
ＶＴＲ ＤＶＤレコーダ等
2003年東名阪 2006年全国展開
２００７年７月１日１００％
地上波
99年実験放送開始
FCC
2011年
ｱﾅﾛｸﾞ放送終了予定
デジタル放送の送信システム例(衛星)
MPEG2エンコード
通信衛星へ
（地球から宇宙へ）
ベースバンド
11GHz帯
映像：1.2 Gbps
音声信号符号化
送信
＋
アップリンク
映像信号符号化
34.5MHz帯域
デジタル変調
音声信号符号化
誤り訂正符号
56.61 Mbps
情報多重化
音声：1.5 Mbps
映像信号符号化
番組情報
映像：22 Mbps
音声：128 kbps
bps = bit / second
1秒当りの伝送ﾋﾞｯﾄ数
デジタル放送の受信システム例(衛星)
11.7∼12.0 GHz
1 GHz帯
ﾄﾗﾝｽﾎﾟｰﾄｽﾄﾘｰﾑ
情報分離
誤り訂正
デジタル復調
ＢＳチューナ
34.5MHz帯域
MPEG2デコード
映像
デコード
音声
デコード
56.61 Mbps
ＣＰＵ
番組情報
今後は
MPEG4
とか
ベースバンド
映像信号
音声信号
1.はじめに
・デジタル放送の概要
2.デジタル放送対応TV
-1 フロントエンド
-2 バックエンド
-3 映像表示
3.結び
デジタル放送対応テレビの構成図
バックエンド
フロントエンド
Tuner
Digital Terrestrial
Digital Satellite
CATV
Tuner
Rx/Tx
JPN：ISDBOFDM
US：ATSC-VSB
EU：DVB-OFDM
JPN：
QPSK/8PSK
US:QPSK
EU：QPSK
1ChipシステムLSI
DTV System LSI
TS
デコーダ
マイコン
AV
Decoder
Peripheral
1394
PDP
Panel
Panel
Controller
LCD
Panel
フォーマット変換
多画面表示
PIP
POP
無線LAN
DVC
PDP
Controller
高画質化処理
64/256QAM
OOB
D-VHS
映像表示
CRT drive
card
DAC
x3
VM
CRT
DAC
x１
Deflection
Tuner
Conventional
NTSC/PAL/SECAM
VIF
/
SIF
AV-SW
ADC
Video
Decoder
Tele-Text
Audio(音多、NICAM)
TV
Micro.
SP
2-1 フロントエンド
バックエンド
フロントエンド
Tuner
Digital Terrestrial
Digital Satellite
CATV
Tuner
Rx/Tx
JPN：ISDBOFDM
US：ATSC-VSB
EU：DVB-OFDM
JPN：
QPSK/8PSK
US:QPSK
EU：QPSK
1ChipシステムLSI
DTV System LSI
TS
デコーダ
マイコン
AV
Decoder
Peripheral
1394
PDP
Panel
Panel
Controller
LCD
Panel
フォーマット変換
多画面表示
PIP
POP
無線LAN
DVC
PDP
Controller
高画質化処理
64/256QAM
OOB
D-VHS
映像表示
CRT drive
card
DAC
x3
VM
CRT
DAC
x１
Deflection
Tuner
Conventional
NTSC/PAL/SECAM
VIF
/
SIF
AV-SW
ADC
Video
Decoder
Tele-Text
Audio(音多、NICAM)
TV
Micro.
SP
国内地上デジタル放送
■放送スケジュール（予定）
’99
’00
1999年
実験放送開始
’01
’02
’03
’04
’05
2003年
本放送（東・名・阪）
’06
’07
’08
’09
’10
’11
2011年
デジタル完全移行
2006年
全国放送
■放送サービス例と端末例
テレビジョン放送方式
（13セグメント）
’12
音声放送方式
（1／3セグメント）
OFDMとは
マルチキャリア伝送方式の一種
Orthogonal Frequency Division Multiplex :直交周波数分割多重
マルチキャリアシステム
周波数
シンボル
時間
時間
・日本や欧州の地上デジタル放送で採用
・マルチパス妨害
（反射波による妨害の事で，放送ではゴー
スト信号）に強い
帯域幅
直接波
・多数の狭帯域キャリア
・シンボル時間が長い
マルチパス干渉に強い
遅延波
LSI開発の背景と課題
１．移行期間の視聴エリアの拡大
デジタル
15CH
混信
アナログ
15CH
アナログ放送の妨害除去
２．移動体による独自サービスの実現
※端末例
電波の
変動
安定した移動受信
システムの低消費電力化
妨害除去性能
高精度妨害検出アルゴリズム
デジタル
アナログ
電波の
レベル
電波の
レベル
周波数
周波数
送信信号
レベル
受信信号
アナログ放送
の混信
レベル
周波数
周波数
送信信号中のパイロット信号
受信信号中のパイロット信号
アナログ妨害を高精度に検出
データの確からしさに従って、誤り訂正を制御
移動受信性能
高精度波形等化技術
パイロット信号
伝送路特性
電波の
レベル
時間
今回の伝送路推定
従来の伝送路推定
推定誤差大
電波の
レベル
推定誤差小
電波の
レベル
時間
：パイロット信号
：推定した信号
時間
伝送路の変動に対する追従性を向上
低消費電力化
低消費電力FFTアーキテクチャ
従来アーキテクチャ
並列アーキテクチャ
演算部
演算部
＋
＋
＋
− ＋
−
−
−
＋
−
高速動作
電力大
高速転送
大容量メモリ
演算ﾒﾓﾘ
中容量
メモリ
中容量
メモリ
低速動作
電力小
・並列転送
・アクセス削減
消費電力0.3Wを実現
2-2 バックエンド
バックエンド
フロントエンド
Tuner
Digital Terrestrial
Digital Satellite
CATV
Tuner
Rx/Tx
JPN：ISDBOFDM
US：ATSC-VSB
EU：DVB-OFDM
JPN：
QPSK/8PSK
US:QPSK
EU：QPSK
1ChipシステムLSI
DTV System LSI
TS
デコーダ
マイコン
AV
Decoder
Peripheral
1394
PDP
Panel
Panel
Controller
LCD
Panel
フォーマット変換
多画面表示
PIP
POP
無線LAN
DVC
PDP
Controller
高画質化処理
64/256QAM
OOB
D-VHS
映像表示
CRT drive
card
DAC
x3
VM
CRT
DAC
x１
Deflection
Tuner
Conventional
NTSC/PAL/SECAM
VIF
/
SIF
AV-SW
ADC
Video
Decoder
Tele-Text
Audio(音多、NICAM)
TV
Micro.
SP
モアCH 高画質・高音質・高機能
デジタル放送対応システムＬＳＩ開発の取組み
HD
1チップ デジタルハイビジョン用システムLSI
MN2WS0010
ｅＳＴＢ用
チップセット
MN2WS00013
MN677542
BSデジタル放送用
チップセット
MN2WS0002BH
ﾊｲﾋﾞｼﾞｮﾝ対応AVﾃﾞｺｰﾀﾞ
MN677541
ﾊｲﾋﾞｼﾞｮﾝ対応AVﾃﾞｺｰﾀﾞ
SD
98
STB用システムLSI
MN2WS0002AD
99
00
01
02
03
04
05
年
システムLSIのブロック図
フロントエンド
チューナ
HDD
ﾌﾗｯｼｭ
ﾒﾓﾘ
復調LSI
ﾄﾗﾝｽﾎﾟｰﾄ
ﾃﾞｺｰﾀﾞ
IEEE1394
DVC
階調ﾌｫﾝﾄ
ｴﾝｼﾞﾝ
32bit
マイコン
クロスバ
・スイッチ
DMA
各種I/F
I/F
ｷｬｯｼｭ
ﾒﾓﾘ
I/F
I/F
D-VHS
RDRAM
復調LSI
I/F
チューナ
SDRAM
ｸﾞﾗﾌｨｯｸｽ
ｴﾝｼﾞﾝ
DSP型
ﾌﾟﾛｾｯｻ
ﾏﾙﾁｽﾚｯﾄﾞ
型
ﾌﾟﾛｾｯｻ
映像信号
VLIW型
ﾌﾟﾛｾｯｻ
SIMD型
ﾌﾟﾛｾｯｻ
音声信号
メディアコアプロセッサ
HDD
モデム
インターネット
＊「ＲＤＲＡＭ」は、ラムバス社の登録商標です。
IC
Car
d
バックエンド処理機能を
１チップで実現
３２ビットマイクロプロセッサ
デジタル家電用途に最適化
□ コードサイズの最小化とマルチメディア性能の両立
基本命令語長を１バイトとした可変長命令方式をベースに､
信号処理に適したＤＳＰ命令を拡張したオリジナル命令セット
■ バストラフィック改善によるシステム性能向上
クロスバ・スイッチの搭載および
外部バスの２分割化（メモリバス、システムバス）
□ LinuxやWindows
®
CEなどの汎用OSに対応
汎用ＯＳの搭載を可能とするメモリ管理システム
クロスバ・スイッチ
● 効率良いデータ転送によるシステム性能の向上（約1.75倍）
クロスバ・スイッチが無い場合
クロスバ・スイッチが有る場合
処理待ち時間が多発
スムーズな流れ
バストラフィック改善によるシステム性能向上
AM33
AM33
CPU
CPU コア
コア
DMA
DMA
DMA
CD
クロスバ・スイッチ動作例
１．SDカードのデータをDMA転送
２．SDRAMから命令フェッチ
CI
３．内蔵ＲＡＭをデータＲＡＭ
として使用
IO
OCI
SBC
EMC
３マスタの同時平行アクセスが可能
On-Chip
On-Chip
Peripheral
Peripheral
On-chip
On-chip System
System
Co-proc.
Bus
Co-proc.
Bus
Interface
Controller
Interface Controller
External
External
Memory
Memory
Controller
Controller
バス衝突無く
タイマ
シリアル
ADCなど
バストラフィックを改善
内蔵RAM
SRAM SDRAM
Flash等
メディア・コア・プロセッサ(MCP)
外付けメモリ
MCP
ＤＳＰ型
プロセッサ
並列処理
非同期
イベント処理
逐次処理
外部メモリ
インタフェース
ｺｰﾄﾞ変換
ユニット
（VLD）
MC
(動き補償） SIMD型
プロセッサ
処理
VLIW型
プロセッサ
ピクセル処理部
デコード処理部
マルチスレッド型
ＲＩＳＣプロセッサ
ストリーム
解析
ストリーム
データ
オーディオ
出力処理
音声出力
ビデオ出力
処理
入出力処理部
・複数規格（アプリケーション）の効率的実装
・新しい規格（アプリケーション）への短期間での対応
・ソフトウェアIP化
映像出力
トランスポートデコーダ
ｸﾛｽｽﾄﾘｰﾑ・ｽｲｯﾁ
ｽﾄﾘｰﾑ・ﾌﾟﾛｾｯｻ
「システム構成のプログラマブル化」
「ストリーム処理機能のプログラマブル化」
ストリームI/F・ストリームプロセッサ間
マトリックススイッチ構造の開発
ストリーム処理専用アーキテクチャ
の開発
柔軟なシステム構成可能
各種ストリーム形式の並行処理
複数ストリームの同時処理
CH1
フロント
エンド
フロント
エンド
D-VHS
CH２
IEEE
1394
I/F
AV
デコード
ｽﾄﾘｰﾑ
ｽﾄﾘｰﾑ
ﾌﾟﾛｾｯｻ
ﾌﾟﾛｾｯｻ
メモリ
I/F
メモリ
CPU
SDｶｰﾄﾞ
I/F
HDD
I/F
HDDレコーダ
ﾄﾗﾝｽﾎﾟｰﾄﾃﾞｺｰﾀﾞｺｱ
HDD
メモリ
I/F
メモリ
システムとしての組上げ
ソフトウエアによる
様々な方式への対応
単独動作で
最高性能でも
。。。
将来のデジタルTV放送
への拡張性
システムノウハウ
実動作解析による
実動作解析による
ﾎﾞﾄﾙﾈｯｸの把握
ﾎﾞﾄﾙﾈｯｸの把握
システム総合性能の追求
システム総合性能の追求
１．分離バス構成の採用
２．クロスバススイッチ回路
３．アーキテクチャーの最適化
バックエンドLSIのシステムアーキテクチャ
システムLSIの利点を活かした
並列バスアーキテクチャ
クロスバ・スイッチによる
バストラフィックの改善
アクセス調停の最適化
システムLSI
SRAM
FLASH
メモリ
外部ﾊﾞｽ
制御
SDRAM
SDRAM
制御
命令バス データバス
I/Oバス
フロント
エンド
トランスポート
デコーダ
クロスバ
スイッチ
I-Cache
4way,8KB
D-Cache
4way,4KB
マイコン
(AM33)
121MHz
DMA制御
ｽﾄﾘｰﾑﾊﾞｽ
MCP
周辺I/O
SDRAM
Video
Audio
2-3 映像表示処理
バックエンド
フロントエンド
Tuner
Digital Terrestrial
Digital Satellite
CATV
Tuner
Rx/Tx
JPN：ISDBOFDM
US：ATSC-VSB
EU：DVB-OFDM
JPN：
QPSK/8PSK
US:QPSK
EU：QPSK
1ChipシステムLSI
DTV System LSI
TS
デコーダ
マイコン
AV
Decoder
Peripheral
1394
PDP
Panel
Panel
Controller
LCD
Panel
フォーマット変換
多画面表示
PIP
POP
無線LAN
DVC
PDP
Controller
高画質化処理
64/256QAM
OOB
D-VHS
映像表示
CRT drive
card
DAC
x3
VM
CRT
DAC
x１
Deflection
Tuner
Conventional
NTSC/PAL/SECAM
VIF
/
SIF
AV-SW
ADC
Video
Decoder
Tele-Text
Audio(音多、NICAM)
TV
Micro.
SP
映像フォーマット
１０８０ｉ
ｉはインタレース方式
p はプログレシブ方式
有効走査線数 （全走査線数 : 1125、750、525）
アスペクト比
走査方式
フレーム
周波数(Hz)
1920 x1080
16：9 飛び越し
29.97
74,25／1.001
1280 x 720
16：9 順次
525／480
27.0
720 x 480
480i
525／480
27.0
720 x 480
1080p
1125／1080
148.5／1.001
走査線数／
サンプリング 有効画素数
1080i
1125／1080
74,25／1.001
720p
750／720
480p
ﾌｫｰﾏｯﾄ 有効走査線数 周波数（MHz) （水平x垂直）
1920 x1080
16：9 16：9
4：3
順次 16：9 順次 飛び越し
59.94
59.94
29.97
59.94
映像表示処理
TVの画質を決定する要
PC
STB
DVD
VGA
XGA
SXGA
UXGA
480i
480p
720p
1080i
PDP
LCD
CRT
etc.
映像表示処理
Display
ex)
WXGAパネル：1280x720
■フォーマット変換
- H/V resize
- Frame rate conversion
- Interlace/Progressive conversion
■多画面処理
- Double window
- Picture In Picture, Picture Out Picture
■高画質化処理、画質調整処理
- Gradation correction
- Enhancer
- Hue,Saturation,Brightness,Contrast and Gamma
IP変換(De-Interlacing)技術
インターレース(飛び越し走査)信号をプログレッシブ(順次走査)信号に変換する技術
伝送されたライン(画素)から伝送されてないライン(画素)を補間して作り出す
今後主流となるFPD(PDP,LCD)には必須の技術
時間
第1-field
IP変換
第2-field
IP変換
単純にはめ込んだだけでは。。。
動画が二重像になる
IP変換技術
●動き適応IP変換
(n-1)
field
(n)
field
(n+1)
field
時間
伝送ライン(画素)
補間ライン(画素)
垂直
方向
フレーム間差分検出
フィールド間補間
フィールド内補間
映像
信号
Frame
メモリ
差分
ABS
Q
動き
検出信号
●最近では、動きベクトル検出による高性能なIP変換も実用化
どの方向にどれだけ動いた
半導体プロセスの進化
業務用映像機器技術が民生機器に
1.はじめに
・デジタル放送の概要
2.デジタル放送対応TV
-1 フロントエンド
-2 バックエンド
-3 映像表示処理
3.結び
HDTV市場予測
●国内：2011年のアナログ停波に向けて年20％以上の市場成長
●北米：2005年には36インチ以上でフルデジタル化
2007年には14インチ以上でフルデジタル化(2000万台市場）
02/08FCC勧告
万台
２４５５
2500
北米DTV
PC,DVR分野
１３−２４ｲﾝﾁ
2000
８００
２５−３５ｲﾝﾁ
１７８６
３６ｲﾝﾁ以上
１６１
ﾌﾟﾛｼﾞｪｸｼｮﾝＴＶ
国内DTV
1500
STB
１０８０
一体型TV
1000
５５５
500
３５６
２１０
0
１１２０
４０
９８
４４
６８
１００
２５６
2003年
４５６
２０
２０３
９５
１３８
４６３
１１０
2004年
１１３０
１２０
６００
１２０
２３５
２２０
２０５
６２０
４８０
３５３
７４０
２８０
2005年
２８５
2006年
２９０
2007年
デジタルTVが創る新たな世界
●放送と通信の融合で、見るだけテレビから使うテレビへ、さらに、どこでもテレビへ
放送事業者
ＣＡＳ
パソコン
無線LAN
高速ﾓﾃﾞﾑ
プロバイダ
HDD
インターネット
IEEE1394
D-VHS
蓄積型データ放送サービス
HDD
レコーダ
双方向通信サービス
AVアンプ
・
・
・
放送連携サービス
Ｅメールサービス
ご静聴ありがとうございました