數(shù)字電視信號發(fā)生器原理及設(shè)計-FPGA設(shè)計篇

 而數(shù)字電視信號發(fā)生器能提供可視的測試圖像信號，直觀、快捷的測試方法，因此，數(shù)字電視信號發(fā)生器成為目前電子設(shè)計的熱門研究課題，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)過程中起著不可或缺的作用。

數(shù)字電視信號發(fā)生器的功能與原理

1、系統(tǒng)功能

 數(shù)字電視信號發(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)字信號測試圖像，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)字視頻信號接口標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)的核心是圖像信號的編碼發(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試圖像的數(shù)字輸出信號和模擬輸出信號，其標(biāo)準(zhǔn)測試信號的數(shù)碼發(fā)生內(nèi)核基于FPGA平臺實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)提供了一個人工可控功能，即用戶可根據(jù)按鍵，對以上4種標(biāo)準(zhǔn)的18種測試圖案進(jìn)行切換控制。考慮到輸出信號的實用性，輸出的模擬測試信號和數(shù)字測試信號都必須滿足相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)。為滿足以上約束條件，系統(tǒng)功能設(shè)計如圖1所示。

2、信號產(chǎn)生的原理

 數(shù)字電視也是彩色電視(只是信號的表示形式及信號的處理方法與模擬電視有所不同)，因此在考慮數(shù)字電視測試信號發(fā)生器包含哪些(測試信號)內(nèi)容時，本文根據(jù)彩色電視的基本特點，首先應(yīng)考慮包含一般彩色電視廣播測試圖的基本內(nèi)容，例如觀察顯示設(shè)備掃描非線性失真和幾何失真的棋盤信號和圓信號，觀察圖像清晰度和分辨率的多波群或掃頻信號，觀察亮度非線性失真情況以及顯示器白平衡調(diào)整是否正確的灰度級(或階梯波)信號，觀察彩色重現(xiàn)是否正確的彩條信號等；另外還考慮增加了在視頻測量中最常用的2T脈沖信號、彩色多波群信號和彩色階梯波信號，以及更為直觀的斜波信號等，以便全面地觀察和評價彩色電視系統(tǒng)或設(shè)備的基本質(zhì)量。

 數(shù)字電視信號發(fā)生器的FPGA設(shè)計

1、FPGA設(shè)計原理

 FPGA是整個數(shù)字電視測試信號發(fā)生器系統(tǒng)的核心，各種測試信號編碼都在這一部分實現(xiàn)。FPGA設(shè)計原理如圖2所示。

 所有測試信號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)分別為像素計數(shù)器和行計數(shù)器根據(jù)全局時鐘上升沿進(jìn)行計數(shù)所得數(shù)值。行域信號生成模塊對行計數(shù)器輸出的值進(jìn)行閾值劃分，將測試圖像按行劃分為不同的區(qū)域，稱為行域。在不同的行域中，根據(jù)像素計數(shù)器值進(jìn)行不同的像素區(qū)域劃分，將測試圖像進(jìn)一步劃分為相對獨立的信號編碼區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)一個標(biāo)志信號。此時，行／列坐標(biāo)與信號編碼區(qū)域一一對應(yīng)，稱當(dāng)前輸出信號所在行／列所對應(yīng)的信號編碼區(qū)域為當(dāng)前域，其標(biāo)志信號為當(dāng)前域標(biāo)志信號。最后，根據(jù)當(dāng)前域標(biāo)志信號對測試信號的定時基準(zhǔn)碼、有效區(qū)域等信號進(jìn)行編碼，由測試圖案編碼模塊輸出全圖像信號數(shù)字視頻分量的碼值。

2、FPGA設(shè)計總體結(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種高清電視通用測試圖，如綜合測試卡信號、SMPTE219-2002測試圖、SMPTE198-1998場檢測圖等。主芯片根據(jù)控制模塊輸出的圖案／格式選擇信號，選擇不同的配置程序，輸出相應(yīng)測試圖的數(shù)字Y、Cb／Cr信號碼值，以及相關(guān)的同步／消隱控制信號。

2.2.2圖像信號配置與加密單元

 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關(guān)即根據(jù)控制模塊輸出的5b配置芯片選擇信號，選擇相應(yīng)測試圖案的配置芯片PROM的系統(tǒng)可編程JTAG連線與主芯片對應(yīng)引腳相連接。

2.2.3圖像信號輸出單元

 數(shù)字輸出部分由驅(qū)動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)算放大器電路實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能?？筛鶕?jù)控制模塊的圖案／格式以及模擬輸出接口類型選擇信號，將Y、Cb／Cr的并行數(shù)字視頻分量信號轉(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

 控制模擬信號輸出類型，并通過輸出I2C總線對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，產(chǎn)生相應(yīng)的圖案／格式選擇信號和配置芯片選擇信號，控制主芯片與配置芯片的斷電與上電時序，與選擇連接開關(guān)模塊共同完成測試圖切換功能。這種單片多配置方案，信號轉(zhuǎn)換速度很快，與單片單配置方案一樣，為毫秒級。

2.3FPGA測試圖像信號產(chǎn)生

 綜合測試圖像信號實際上是由多種測試信號合成的，包括圓信號、棋盤信號、多波群信號、彩條信號等。設(shè)計將綜合測試圖分為三個層次實現(xiàn)。第一層設(shè)計采用圓信號作為選通信號，圓信號外的視頻有效區(qū)域輸出棋盤信號，而圓信號內(nèi)的視頻有效區(qū)域輸出多種測試信號；第二層設(shè)計采用行計數(shù)器值作為信號劃分邊界值，不同的行域輸出不同的測試信號，用于測試設(shè)備的各種性能；第三層設(shè)計采用像素計數(shù)器值作為信號內(nèi)部的區(qū)域劃分參數(shù)，完成每種測試信號的生成。其代碼設(shè)計基本框圖如圖4所示。

 其中圓外的棋盤信號采用灰底白格棋盤，圓內(nèi)信號從上至下依次設(shè)計為白場、信號、2T脈沖信號、黑白場交織信號、100％彩條信號、亮度多波群信號、6電平亮度五階梯信號、2T脈沖信號與色亮?xí)r延差觀察信號。其中黑白場交織信號中黑場與白場交替出現(xiàn)，每場寬80個像素點；彩條信號電平符合100／0／100／0，每個彩條信號寬160個像素點；亮度多波群信號每波帶信號寬160個像素點；6電平亮度五階梯信號每階梯寬160個像素點；2T脈沖信號為半幅值寬度為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；根據(jù)黃、紅色亮度電平相差較大及便于觀察等因素，色亮?xí)r延差觀察信號采用黃、紅信號，其紅黃交界處與其上面的2T脈沖峰值點在測試圖中的水平方向位置相一致。為有效利用FPGA資源，并縮短開發(fā)周期，綜合測試圖中的多波群信號直接調(diào)用ROM的IP核實現(xiàn)。