基于FPGA與SDRAM的數(shù)字電視信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

要FPGA與的數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)。可以提供大容量的存儲(chǔ)空間。提供優(yōu)秀的系統(tǒng)適應(yīng)能力。該方案通過計(jì)算機(jī)并口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信 ,但是高性能的邏輯分析儀價(jià)格昂貴,而且存取深度不足限制了對(duì)于海量數(shù)字電視信號(hào)的分析能力。盡管采用圖像采集卡也可以方便地采集到大量的模擬電視圖像,但是圖像采集卡通常只能保存有效圖像內(nèi)容,行場(chǎng)同步信號(hào)將被丟失。而且采集卡使用自身的對(duì)模擬電視信號(hào)進(jìn)行采集,其性能與數(shù)字電視系統(tǒng)的真實(shí)環(huán)境存在差異。本文采用作為外部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)的大容量數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)采集到真實(shí)的數(shù)字電視信號(hào)。 1SDRAM接口狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2 上電序列

FPGA與一塊外掛的比特構(gòu)成。設(shè)計(jì)靈活,修改方便?；诘脑O(shè)計(jì)經(jīng)過修改可以移植到不同的工作環(huán)境。內(nèi)的采集系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩沖、接口和接口四大部分。數(shù)字化的電視信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集模塊被采集到內(nèi),并進(jìn)行位寬調(diào)整等數(shù)據(jù)預(yù)處理,然后使用數(shù)據(jù)緩沖模塊匯集批量的數(shù)據(jù)后通過接口存入外掛的芯片,最后使用接口將數(shù)據(jù)讀入到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行后處理。

ITU601標(biāo)準(zhǔn)量化的數(shù)字電視信號(hào)包含一組比特的亮度信號(hào),一組比特的色差信號(hào)和一組比特的同步信號(hào),還有一條時(shí)鐘信號(hào)。同步信號(hào)包含場(chǎng)同步與行同步,分別指示場(chǎng)消隱期和行消隱期。信號(hào)采用簡(jiǎn)單的線性編碼方式。亮度信號(hào)的取樣頻率定為。在：：格式中,每個(gè)色差信號(hào)取樣數(shù)為亮度信號(hào)的一半,取樣頻率定為。為了采集完整的電視信號(hào)需要每一個(gè)時(shí)鐘采集亮度、色差與同步共比特?cái)?shù)據(jù)。

SDRAM總線相同的比特?cái)?shù)據(jù)。如果的容量足夠大,系統(tǒng)可以只是簡(jiǎn)單地將每次比特?cái)?shù)據(jù)填充至比特以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。如果容量有限,可以將次采集的比特?cái)?shù)據(jù)調(diào)整成個(gè)比特的數(shù)據(jù)以充分利用存儲(chǔ)空間。還可以去除電視行場(chǎng)同步期間的無效數(shù)據(jù)以節(jié)省空間。采集模塊在開始采集后等待一場(chǎng)電視信號(hào)開始后才開始采集,保證存入的數(shù)據(jù)可以構(gòu)成完整的電視圖像,有效地利用存儲(chǔ)空間。當(dāng)空間被數(shù)據(jù)填滿時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)停止數(shù)據(jù)采集。這樣采集的數(shù)據(jù)量大小完全由可配置的容量大小決定。通過增加可以方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)容量。

13.5 MHz或者的電視信號(hào)采樣頻率上,而接口模塊工作在高速時(shí)鐘上。為了避免跨越時(shí)鐘域可能導(dǎo)致的亞穩(wěn)態(tài)問題,數(shù)據(jù)采集模塊與接口模塊必須使用進(jìn)行緩沖與數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)緩沖模塊采用一個(gè)個(gè)字,每個(gè)字長比特的雙時(shí)鐘、雙端口的作為存儲(chǔ)單元。當(dāng)開始采集數(shù)據(jù)時(shí)將復(fù)位,然后數(shù)據(jù)采集模塊每采集一個(gè)比特的數(shù)據(jù)就將其寫入。當(dāng)內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到個(gè)后通知接口模塊進(jìn)行讀寫。由于采用了進(jìn)行時(shí)鐘域間的數(shù)據(jù)傳遞,輸入模塊的時(shí)鐘與后端的工作時(shí)鐘沒有任何聯(lián)系,便于靈活地配置采樣時(shí)鐘。當(dāng)用于采集頻率更高,數(shù)據(jù)量更大的場(chǎng)合時(shí),應(yīng)適當(dāng)加大字深,以防溢出。

SDRAM容量大,但是命令多,操作復(fù)雜。的命令由、和構(gòu)成,分別表示行選擇、列選擇與讀寫控制。當(dāng)每一次只寫入一個(gè)字時(shí),必須使用至少個(gè)命令,帶寬利用率低于％。為了充分利用的特點(diǎn),本文采用連續(xù)寫入模式來減少的命令開銷,提高帶寬的利用率。連續(xù)寫入個(gè)字只需要個(gè)時(shí)鐘,帶寬利用率提高到％ 。因?yàn)榕c通信的帶寬很低,因此每一次只需讀出一個(gè)字就可以了。根據(jù)系統(tǒng)工作需要,接口模塊只提供必需的連續(xù)個(gè)寫、單獨(dú)個(gè)讀的種操作接口,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)?！?/p>

SDRAM的命令與時(shí)序。為了實(shí)現(xiàn)高效的存取,提高總線的利用率,接口模塊采用的高速時(shí)鐘。當(dāng)?shù)玫綌?shù)據(jù)存取模塊的讀要求后,向連續(xù)寫入個(gè)字,當(dāng)?shù)玫浇涌谀K的讀請(qǐng)求后讀出個(gè)字,其他時(shí)間保證進(jìn)行刷新工作,以免數(shù)據(jù)丟失。

SDRAM是易失性存儲(chǔ)器,需要保證在內(nèi)對(duì)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作,否則內(nèi)的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。由于系統(tǒng)采用了高速訪問時(shí)鐘,而且采用連續(xù)寫入個(gè)數(shù)據(jù)的模式,總線的帶寬利用率最高只有,當(dāng)從讀出數(shù)據(jù)時(shí)的總線帶寬利用率就更低了,大量時(shí)間處于空閑狀態(tài)。因此可以讓在空閑狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新工作,當(dāng)有數(shù)據(jù)讀寫要求時(shí)退出刷新操作,進(jìn)入讀寫操作,其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖所示。一個(gè)完整的寫入操作執(zhí)行以下命令序列：,,,連續(xù)個(gè),,。一個(gè)完整的讀出操作執(zhí)行以下命令序列：,,,,。

SDRAM特有的操作。在上電后進(jìn)入不定態(tài),為了讓進(jìn)入確定的狀態(tài)必須進(jìn)行以下的上電序列操作：保持至少INHI比特和命令外不能有其他命令;在一個(gè)命令后施加命令;接著施加個(gè)命令;最后施加命令設(shè)置工作模式。本文采用如圖所示的上電序列。

SDRAM中的數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)提取等再處理工作。由于此項(xiàng)工作沒有實(shí)時(shí)性的要求,所以采用簡(jiǎn)單的低速并口接口實(shí)現(xiàn)與的通信。當(dāng)發(fā)出一個(gè)讀的邏輯地址時(shí),接口模塊將其低位的地址保留,其余高位地址發(fā)送給接口模塊轉(zhuǎn)換為的塊地址,行地址與列地址、并同時(shí)向接口發(fā)出讀命令。當(dāng)讀出比特?cái)?shù)據(jù)后,根據(jù)保留的低位地址選擇出一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù),然后傳輸給。由于可能存在同時(shí)讀寫的請(qǐng)求,所以采用一個(gè)仲裁器對(duì)的訪問要求進(jìn)行仲裁。優(yōu)先滿足寫入請(qǐng)求,在寫入操作結(jié)束后再響應(yīng)讀出請(qǐng)求

PC里通過軟件進(jìn)行。軟件與硬件配合使用減少了修改硬件的風(fēng)險(xiǎn),提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可升級(jí)性。硬件系統(tǒng)采集到的是每一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù),并不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)是否在消隱期等。通過后期軟件處理將數(shù)字化的電視信號(hào)根據(jù)行場(chǎng)結(jié)構(gòu)提取出具有×可見窗口的有效數(shù)據(jù),并根據(jù)仿真要求安排亮度與色度信號(hào)的排列格式。當(dāng)應(yīng)用于不同場(chǎng)合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),只要修改數(shù)據(jù)后處理部分的軟件和內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的移植,而不需要改動(dòng)硬件設(shè)計(jì)。

Stratix系列30F780C7型號(hào)和×的。采用語言實(shí)現(xiàn)的編程。整個(gè)采集系統(tǒng)使用了,個(gè)邏輯單元。

ITU601標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視信號(hào)的時(shí)鐘頻率為,數(shù)據(jù)為比特,其中比特亮度信號(hào),比特色度信號(hào),比特行同步信號(hào)和比特場(chǎng)同步信號(hào)。一場(chǎng)電視信號(hào)的數(shù)據(jù)量約是。項(xiàng)目開發(fā)的算法分析需要采集連續(xù)幀場(chǎng)的數(shù)據(jù)。采用的就可以保證存儲(chǔ)容量。該系統(tǒng)能夠完整不失真地采集連續(xù)場(chǎng)的數(shù)字電視信號(hào)。采集的電視信號(hào)用于芯片降噪、去隔行和畫質(zhì)增強(qiáng)等算法分析與仿真中。

SDRAM容量來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)是面向數(shù)字電視采集應(yīng)用開發(fā)的,如果前端增加就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集。由于主控部分在中實(shí)現(xiàn),只需對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分的位寬等進(jìn)行相應(yīng)的修改就可以適應(yīng)不同的應(yīng)用。如果使用或等高速總線接口實(shí)現(xiàn)與機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸,該系統(tǒng)還可以脫離容量的限制,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集。