基于FPGA的視頻信號發(fā)生器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

目前，對視頻信號采集、記錄和處理系統(tǒng)（視頻采集卡、圖像記錄儀和電視跟蹤系統(tǒng)等）的研究測試已經(jīng)十分廣泛。在對這些系統(tǒng)進(jìn)行測試的過程中，需要測試者提供符合該系統(tǒng)輸入制式要求的視頻信號。針對多種被測系統(tǒng)及被測指標(biāo)，測試者應(yīng)該提供不同種類和制式的視頻信號。以往對這些系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)，人們經(jīng)常利用探測器對靶板進(jìn)行成像，將產(chǎn)生的視頻信號送入被測系統(tǒng)。該測試方法給系統(tǒng)評估引入兩方面的誤差：一是靶板的制作誤差，二是探測器本身的成像質(zhì)量偏差。針對這些誤差，國內(nèi)外逐漸使用能夠提供模擬圖像的視頻信號發(fā)生器來取代傳統(tǒng)的測試裝置^[1-3].現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）具有高集成度、高可靠性以及開發(fā)工具智能化等特點(diǎn)，目前逐步成為復(fù)雜數(shù)字電路設(shè)計(jì)的理想首選[ 4].考慮到視頻信號時(shí)序要求嚴(yán)格以及硬件小型化的要求，選用FPGA來設(shè)計(jì)視頻信號發(fā)生器，與其他設(shè)計(jì)方法相比，極大地縮短了開發(fā)周期，提高了測試精度。

1硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)由USB通信模塊、FPGA控制模塊、視頻D/A模塊和輸出接口模塊組成。硬件組成如圖1所示。

1. 1工作原理

上位機(jī)經(jīng)過USB總線與FPGA進(jìn)行通信，將模擬目標(biāo)或靶板的信息以及其他控制信號傳送給FPGA.FPGA對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和計(jì)算，最后輸出具有時(shí)序關(guān)系的數(shù)字信號。如果系統(tǒng)需要輸出模擬視頻信號，那么將數(shù)字信號送入視頻D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出與被測系統(tǒng)制式相符的視頻信號；如果被測系統(tǒng)接收數(shù)字信號，那么將數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)理后，直接送入被測系統(tǒng)。

1. 2與上位機(jī)通信方式的選擇

以前我們開發(fā)的視頻信號發(fā)生器選擇了串口通信的方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該通信方式具有開發(fā)簡單，成本低的特點(diǎn)。但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)了以下問題：一是不支持熱插拔，接上視頻信號發(fā)生器后，主機(jī)需要重新啟動；二是需要為視頻信號發(fā)生器單獨(dú)提供電源；三是數(shù)據(jù)傳輸慢，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

針對以上問題，決定采用USB通信的方式。USB接口具有熱插拔、傳輸速度快以及便攜等特點(diǎn)^[5] ，能夠完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)本系統(tǒng)接入PC的USB接口時(shí)， PC將固件自動下載到USB接口芯片中，測試者只需要操作PC機(jī)上的應(yīng)用程序界面，就可以完成相關(guān)的測試工作。此外， USB接口提供的+5V電源，它的電流可以達(dá)到幾百mA，完全可以驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行正常工作（軟件仿真得到FPGA模塊在生成某種視頻信號時(shí)的功耗為100 mW左右)，省去了系統(tǒng)供電電源的設(shè)計(jì)工作，這樣縮小了系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)的便攜性能。

1. 3 FPGA控制模塊FPGA控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

以生成標(biāo)準(zhǔn)CCIR制式視頻信號為例來介紹該模塊的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)CCIR制式的電視信號標(biāo)準(zhǔn)，它采用隔行掃描的方式，每場312.5行，行頻15 625 Hz，場頻50 H z，水平有效像素點(diǎn)768，垂直有效像素點(diǎn)575.由于采用了隔行掃描的方式，視頻信號中就必須包含前后均衡脈沖。再加上場同步中的開槽脈沖，這些脈沖信號的引入會提高輸出視頻圖像的質(zhì)量，因此模擬該類信號是該模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

由于CC IR制式視頻信號屬于模擬信號，所以FPGA輸出的數(shù)據(jù)以及控制信號需要進(jìn)入D /A轉(zhuǎn)換電路。這里選用了AD公司的3路10位視頻D/A芯片，該芯片的輸入端是復(fù)合同步信號、復(fù)合消隱信號、時(shí)鐘信號、3路（R、G、B）圖像數(shù)據(jù)信號以及其他控制信號，最后輸出3路模擬視頻信號。

因此， FPGA控制模塊需要為視頻D/A轉(zhuǎn)換模塊提供以上所需的輸入信號。本文采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，利用Verilog硬件描述語言生成各種子模塊，再將這些子模塊進(jìn)行頂層的連接，最后輸出圖像數(shù)據(jù)及控制信號。模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在設(shè)計(jì)各子模塊的過程中，充分利用了FPGA設(shè)計(jì)軟件時(shí)序仿真的功能，這給調(diào)試以及選取最優(yōu)模塊帶來極大的方便。圖3是利用M odelSmi SE 6. 0軟件仿真出的開槽脈沖、均衡脈沖、行同步、行消隱和場消隱子模塊時(shí)序圖。

圖中， kcmc是開槽脈沖模塊，其中高電平時(shí)間是4.7μs，低電平時(shí)間為27.3μs； jhmc代表前后均衡脈沖模塊，高電平29.65μs，低電平2.35μs；hsyn代表了行同步脈沖模塊，周期64μs，同步脈沖寬度4.7μs，前肩1.5μs，后肩5.8μs； hblnk是行消隱信號模塊，消隱脈沖寬度12μs.在本系統(tǒng)中，利用FPGA的下載配置軟件生成系統(tǒng)的配置文件（MCS格式），然后經(jīng)JTAG口將配置文件下載到FPGA控制模塊的PROM中。當(dāng)系統(tǒng)每次加電后，PROM將其存儲的文件配置到FPGA中， FPGA開始正常工作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。針對這個(gè)特點(diǎn)，可以根據(jù)測試需要隨時(shí)更新配置文件，完成不同種類被測系統(tǒng)的測試工作，使測試工作更具有靈活性。

1. 4視頻D/A轉(zhuǎn)換模塊

將系統(tǒng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們有類似的地方，即都包含同步信號，而且對同步信號電平有特定的要求。標(biāo)準(zhǔn)視頻信號中要求同步電平比消隱電平低0. 3 V，某型裝備輸出的非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號要求同步電平嚴(yán)格控制在- 0. 3 V.同步電平的這些特性就要求設(shè)計(jì)者必須合理選擇視頻D /A轉(zhuǎn)換芯片。

在本系統(tǒng)中選取了AD公司的三路10位視頻D/A芯片。只要對該芯片的輸入端（復(fù)合同步、消隱信號、時(shí)鐘信號，數(shù)據(jù)信號等）進(jìn)行編程，系統(tǒng)就可以輸出不同制式的模擬視頻信號。表1是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的視頻輸出真值表^[6].

根據(jù)該真值表，利用FPGA嚴(yán)格控制它們的時(shí)序關(guān)系，就可以產(chǎn)生多種制式的模擬視頻信號，該方法增強(qiáng)了視頻信號發(fā)生器的擴(kuò)展性和通用性。視頻D /A轉(zhuǎn)換電路板及同軸電纜輸出接口實(shí)物如圖4所示。

2系統(tǒng)在電視跟蹤性能檢測中的應(yīng)用研究

2.1 電視跟蹤性能指標(biāo)和檢測方法

電視跟蹤箱是電視跟蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)跟蹤和搜索的關(guān)鍵部分。傳統(tǒng)的電視跟蹤箱跟蹤性能測試采用的是室內(nèi)標(biāo)志法和機(jī)械靶標(biāo)法等，這些測試方法中提供的模擬目標(biāo)具有精度低和可控性差的缺點(diǎn)^[7].后來出現(xiàn)了基于ISA總線的模擬目標(biāo)卡，但是該卡使用時(shí)必須插在PC的插槽上，同時(shí)該測試儀器的體積較大，而且擴(kuò)展性不好。

可以利用基于FPGA的視頻信號發(fā)生器完成電視跟蹤性能的檢測。

最小跟蹤目標(biāo)、最小跟蹤對比度、跟蹤速度、目標(biāo)捕獲概率等是評價(jià)電視跟蹤箱跟蹤性能的重要指標(biāo)[ 8].針對這些指標(biāo)，要求本視頻信號發(fā)生器輸出的模擬目標(biāo)，在速度、運(yùn)動方式、對比度、視場中位置和大小上具有可控的功能。

以最小跟蹤目標(biāo)測試來說明該功能的實(shí)現(xiàn)方法。最小跟蹤目標(biāo)測試要求模擬目標(biāo)是運(yùn)動目標(biāo)，測試過程中，測試者通過改變模擬目標(biāo)的大小來觀察波門的跟蹤或搜索狀態(tài)，從而判斷出最小跟蹤目標(biāo)大小。因此，需要在FPGA內(nèi)部通過一定的算法來滿足測試系統(tǒng)對模擬目標(biāo)提出的要求。圖5是本項(xiàng)測試中水平往返運(yùn)動目標(biāo)生成的算法流程圖。

2.2 測試結(jié)果分析運(yùn)用

該視頻信號發(fā)生器對某型電視跟蹤系統(tǒng)電視跟蹤箱進(jìn)行跟蹤性能測試，測試時(shí)將視頻信號發(fā)生器與被測電視跟蹤箱連接，然后設(shè)定被測裝備的某些工作參數(shù)，最后獲得了該裝備的部分跟蹤性能參數(shù)。測試結(jié)果如表2所示。從跟蹤性能測試結(jié)果中可以看出，最小跟蹤目標(biāo)在3 @ 3~ 4 @ 4像素之間，最小跟蹤對比度在3% ~ 4%之間，水平最大跟蹤速度在4. 22~ 4. 24視場/秒之間，捕獲概率始終為100% ，它們的變化幅度始終都控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

同時(shí)，使用一臺標(biāo)定后的某型電視跟蹤檢測儀對被測電視跟蹤箱進(jìn)行測試，得到的測試結(jié)果基本與表2中的相吻合，從而驗(yàn)證了本視頻信號發(fā)生器的工作可靠性。

圖6和圖7是在測試前將本視頻信號發(fā)生器接入某圖像采集卡獲取的模擬目標(biāo)圖像。

3結(jié)論

基于FPGA的視頻信號發(fā)生器可以滿足多種被測視頻輸入系統(tǒng)對視頻信號制式的要求。它采用USB技術(shù)完成與上位機(jī)的通信，解決了工作電源的問題，提高了該系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性。將該視頻信號發(fā)生器應(yīng)用在某型電視跟蹤系統(tǒng)電視跟蹤箱的跟蹤性能測試中，獲得了該裝備的部分電視跟蹤性能參數(shù)，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了該系統(tǒng)具有測試精度高、工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)?？梢哉f該視頻信號發(fā)生器能夠?yàn)闇?zhǔn)確評估裝備的戰(zhàn)斗性能提供必要的技術(shù)保障。今后，可以對該系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，將它應(yīng)用在更多的測試領(lǐng)域中，所以其應(yīng)用前景十分廣泛。