數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器原理及設(shè)計(jì)-FPGA設(shè)計(jì)篇

如何選擇自己理想的數(shù)字電視產(chǎn)品，也成了消費(fèi)者關(guān)心的問(wèn)題，評(píng)價(jià)、測(cè)試電視系統(tǒng)與設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量狀況成為廣播電視行業(yè)所關(guān)注的熱點(diǎn)。 而數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器能提供可視的測(cè)試圖像信號(hào)，直觀(guān)、快捷的測(cè)試方法，因此，數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器成為目前電子設(shè)計(jì)的熱門(mén)研究課題，他在數(shù)字電視節(jié)目制作播出、科研、生產(chǎn)以及售后服務(wù)過(guò)程中起著不可或缺的作用。 數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器的功能與原理 1、系統(tǒng)功能 數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)的主要任務(wù)是產(chǎn)生符合SMPTE274M系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的18種數(shù)字信號(hào)測(cè)試圖像，YPbPr，RGB兩種視頻輸出接口符合ITU-RBT．1120-2／GY／T157-2000演播室高清晰度數(shù)字視頻信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)的核心是圖像信號(hào)的編碼發(fā)生單元FPGA，采取單芯片多配置方案可使18種圖像信號(hào)方便地進(jìn)行配置與加密。人機(jī)界面由單片機(jī)控制，可快速地進(jìn)行圖像切換和格式轉(zhuǎn)換。在普通電源接入下，系統(tǒng)需生成支持SMPTE274M系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的1080I60Hz，1080I50Hz，1080P60Hz、1080P50Hz四種標(biāo)準(zhǔn)格式的18種高清晰度電視通用測(cè)試圖像的數(shù)字輸出信號(hào)和模擬輸出信號(hào)，其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)的數(shù)碼發(fā)生內(nèi)核基于FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)提供了一個(gè)人工可控功能，即用戶(hù)可根據(jù)按鍵，對(duì)以上4種標(biāo)準(zhǔn)的18種測(cè)試圖案進(jìn)行切換控制?？紤]到輸出信號(hào)的實(shí)用性，輸出的模擬測(cè)試信號(hào)和數(shù)字測(cè)試信號(hào)都必須滿(mǎn)足相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)。為滿(mǎn)足以上約束條件，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖1所示。 2、信號(hào)產(chǎn)生的原理 數(shù)字電視也是彩色電視(只是信號(hào)的表示形式及信號(hào)的處理方法與模擬電視有所不同)，因此在考慮數(shù)字電視測(cè)試信號(hào)發(fā)生器包含哪些(測(cè)試信號(hào))內(nèi)容時(shí)，本文根據(jù)彩色電視的基本特點(diǎn)，首先應(yīng)考慮包含一般彩色電視廣播測(cè)試圖的基本內(nèi)容，例如觀(guān)察顯示設(shè)備掃描非線(xiàn)性失真和幾何失真的棋盤(pán)信號(hào)和圓信號(hào)，觀(guān)察圖像清晰度和分辨率的多波群或掃頻信號(hào)，觀(guān)察亮度非線(xiàn)性失真情況以及顯示器白平衡調(diào)整是否正確的灰度級(jí)(或階梯波)信號(hào)，觀(guān)察彩色重現(xiàn)是否正確的彩條信號(hào)等；另外還考慮增加了在視頻測(cè)量中最常用的2T脈沖信號(hào)、彩色多波群信號(hào)和彩色階梯波信號(hào)，以及更為直觀(guān)的斜波信號(hào)等，以便全面地觀(guān)察和評(píng)價(jià)彩色電視系統(tǒng)或設(shè)備的基本質(zhì)量。 數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器的FPGA設(shè)計(jì) 1、FPGA設(shè)計(jì)原理 FPGA是整個(gè)數(shù)字電視測(cè)試信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的核心，各種測(cè)試信號(hào)編碼都在這一部分實(shí)現(xiàn)。FPGA設(shè)計(jì)原理如圖2所示。 所有測(cè)試信號(hào)的編碼均基于圖像的行／列坐標(biāo)而產(chǎn)生，其行坐標(biāo)和列坐標(biāo)分別為像素計(jì)數(shù)器和行計(jì)數(shù)器根據(jù)全局時(shí)鐘上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)所得數(shù)值。行域信號(hào)生成模塊對(duì)行計(jì)數(shù)器輸出的值進(jìn)行閾值劃分，將測(cè)試圖像按行劃分為不同的區(qū)域，稱(chēng)為行域。在不同的行域中，根據(jù)像素計(jì)數(shù)器值進(jìn)行不同的像素區(qū)域劃分，將測(cè)試圖像進(jìn)一步劃分為相對(duì)獨(dú)立的信號(hào)編碼區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。此時(shí)，行／列坐標(biāo)與信號(hào)編碼區(qū)域一一對(duì)應(yīng)，稱(chēng)當(dāng)前輸出信號(hào)所在行／列所對(duì)應(yīng)的信號(hào)編碼區(qū)域?yàn)楫?dāng)前域，其標(biāo)志信號(hào)為當(dāng)前域標(biāo)志信號(hào)。最后，根據(jù)當(dāng)前域標(biāo)志信號(hào)對(duì)測(cè)試信號(hào)的定時(shí)基準(zhǔn)碼、有效區(qū)域等信號(hào)進(jìn)行編碼，由測(cè)試圖案編碼模塊輸出全圖像信號(hào)數(shù)字視頻分量的碼值。 2、FPGA設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu) 該模塊是系統(tǒng)工作的核心，如圖3所示，單芯片多配置方式中的主芯片，可提供支持SMPTE274M1080I60Hz／1080I50Hz格式的18種高清電視通用測(cè)試圖，如綜合測(cè)試卡信號(hào)、SMPTE219-2002測(cè)試圖、SMPTE198-1998場(chǎng)檢測(cè)圖等。主芯片根據(jù)控制模塊輸出的圖案／格式選擇信號(hào)，選擇不同的配置程序，輸出相應(yīng)測(cè)試圖的數(shù)字Y、Cb／Cr信號(hào)碼值，以及相關(guān)的同步／消隱控制信號(hào)。 2.2.2圖像信號(hào)配置與加密單元 該模塊由8片配置芯片XCF02S與1片XC95144XL組成，是成功實(shí)現(xiàn)單芯片多配置方案的關(guān)鍵模塊。配置程序選擇連接開(kāi)關(guān)即根據(jù)控制模塊輸出的5b配置芯片選擇信號(hào)，選擇相應(yīng)測(cè)試圖案的配置芯片PROM的系統(tǒng)可編程JTAG連線(xiàn)與主芯片對(duì)應(yīng)引腳相連接。 2.2.3圖像信號(hào)輸出單元 數(shù)字輸出部分由驅(qū)動(dòng)電路與接口芯片組成，模擬輸出部分由TI公司的D／A轉(zhuǎn)換芯片THS8200及其內(nèi)部IFIR數(shù)字濾波器以及外圍運(yùn)算放大器電路實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。可根據(jù)控制模塊的圖案／格式以及模擬輸出接口類(lèi)型選擇信號(hào)，將Y、Cb／Cr的并行數(shù)字視頻分量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬輸出，或者轉(zhuǎn)換為RGC模擬輸出。 2.2.4人機(jī)界面與控制單元 控制模擬信號(hào)輸出類(lèi)型，并通過(guò)輸出I2C總線(xiàn)對(duì)D／A轉(zhuǎn)換芯片的寄存器進(jìn)行相應(yīng)配置。根據(jù)外部輸入信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的圖案／格式選擇信號(hào)和配置芯片選擇信號(hào)，控制主芯片與配置芯片的斷電與上電時(shí)序，與選擇連接開(kāi)關(guān)模塊共同完成測(cè)試圖切換功能。這種單片多配置方案，信號(hào)轉(zhuǎn)換速度很快，與單片單配置方案一樣，為毫秒級(jí)。 2.3FPGA測(cè)試圖像信號(hào)產(chǎn)生 綜合測(cè)試圖像信號(hào)實(shí)際上是由多種測(cè)試信號(hào)合成的，包括圓信號(hào)、棋盤(pán)信號(hào)、多波群信號(hào)、彩條信號(hào)等。設(shè)計(jì)將綜合測(cè)試圖分為三個(gè)層次實(shí)現(xiàn)。第一層設(shè)計(jì)采用圓信號(hào)作為選通信號(hào)，圓信號(hào)外的視頻有效區(qū)域輸出棋盤(pán)信號(hào)，而圓信號(hào)內(nèi)的視頻有效區(qū)域輸出多種測(cè)試信號(hào)；第二層設(shè)計(jì)采用行計(jì)數(shù)器值作為信號(hào)劃分邊界值，不同的行域輸出不同的測(cè)試信號(hào)，用于測(cè)試設(shè)備的各種性能；第三層設(shè)計(jì)采用像素計(jì)數(shù)器值作為信號(hào)內(nèi)部的區(qū)域劃分參數(shù)，完成每種測(cè)試信號(hào)的生成。其代碼設(shè)計(jì)基本框圖如圖4所示。 其中圓外的棋盤(pán)信號(hào)采用灰底白格棋盤(pán)，圓內(nèi)信號(hào)從上至下依次設(shè)計(jì)為白場(chǎng)、信號(hào)、2T脈沖信號(hào)、黑白場(chǎng)交織信號(hào)、100％彩條信號(hào)、亮度多波群信號(hào)、6電平亮度五階梯信號(hào)、2T脈沖信號(hào)與色亮?xí)r延差觀(guān)察信號(hào)。其中黑白場(chǎng)交織信號(hào)中黑場(chǎng)與白場(chǎng)交替出現(xiàn)，每場(chǎng)寬80個(gè)像素點(diǎn)；彩條信號(hào)電平符合100／0／100／0，每個(gè)彩條信號(hào)寬160個(gè)像素點(diǎn)；亮度多波群信號(hào)每波帶信號(hào)寬160個(gè)像素點(diǎn)；6電平亮度五階梯信號(hào)每階梯寬160個(gè)像素點(diǎn)；2T脈沖信號(hào)為半幅值寬度為34ns、幅度為80％視頻幅度的2T正弦平方正脈沖和負(fù)脈沖信號(hào)；根據(jù)黃、紅色亮度電平相差較大及便于觀(guān)察等因素，色亮?xí)r延差觀(guān)察信號(hào)采用黃、紅信號(hào)，其紅黃交界處與其上面的2T脈沖峰值點(diǎn)在測(cè)試圖中的水平方向位置相一致。為有效利用FPGA資源，并縮短開(kāi)發(fā)周期，綜合測(cè)試圖中的多波群信號(hào)直接調(diào)用ROM的IP核實(shí)現(xiàn)。