FPGA的數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器原理及設(shè)計(jì)

FPGA的數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器原理及設(shè)計(jì)

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)心的問題，評(píng)價(jià)、測試電視系統(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試圖像信號(hào)，直觀、快捷的測試方法，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。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的數(shù)字電視信號(hào)友生器，該信號(hào)發(fā)生器以一種單芯片多配置的方案，針對(duì)系統(tǒng)各部分功能特性和性能進(jìn)行選片沒計(jì)，并利用FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)資源來生成各種測試信號(hào)的圖像。

1數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器的功能與原理

1.1 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)測試圖像，YPbPr，RGB兩種視頻輸出接口符合ITU-R BT．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1080I 60 Hz，1080I 50 Hz，1080P 60 Hz、1080P 50 Hz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(hào)和模擬輸出信號(hào)，其標(biāo)準(zhǔn)測試信號(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，即用戶可根據(jù)按鍵，對(duì)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(hào)的實(shí)用性，輸出的模擬測試信號(hào)和數(shù)字測試信號(hào)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(jì)如圖1所示。



1.2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)字電視測試信號(hào)發(fā)生器包含哪些(測試信號(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(hào)和圓信號(hào)，觀察圖像清晰度和分辨率的多波群或掃頻信號(hào)，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(jí)(或階梯波)信號(hào)，觀察彩色重現(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)，以及更為直觀的斜波信號(hào)等，以便全面地觀察和評(píng)價(jià)彩色電視系統(tǒng)或設(shè)備的基本質(zhì)量。

以多波群測試信號(hào)為例，他包含了亮度多波群信號(hào)和色度多波群信號(hào)，信號(hào)在任何瞬間的值可用數(shù)字硬件中的數(shù)代表。對(duì)于亮度多波群信號(hào)，根據(jù)1125／50高清析度電視亮度信號(hào)采樣頻率(74.25 MHz)，為避免相位跳變，多波群測試信號(hào)各組應(yīng)含整個(gè)采樣周期，其頻率自左向右各組正弦波的頻率(fs)可分別取4.125 MHz，6.187 5 MHz，7.425 MHz，10.6 MHz，14.85 MHz，18.56 MHz；對(duì)于色度多波群信號(hào)，根據(jù)數(shù)字電視色差信號(hào)采樣頻率(370 125 MHz)的要求，其頻率自左向右各組正弦波的頻率(fs)可分別取2.063 MHz，3.094 MHz，3.713 MHz，5.3 MHz，7.425 MHz，9.28 MHz；每組320個(gè)取樣點(diǎn)，其方程為：



2數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器的FPGA設(shè)計(jì)

2.1 FPGA設(shè)計(jì)原理

FPGA是整個(gè)數(shù)字電視測試信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的核心，各種測試信號(hào)編碼都在這一部分實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)選用的FPGA是XILINX公司Vertex-E系列的 XCV300E，開發(fā)工具為XILINX公司的ISE 6.0，所有測試信號(hào)編碼均采用Vetilog硬件描述語言編程實(shí)現(xiàn)。FPGA設(shè)計(jì)原理如圖2所示。



所有測試信號(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(jì)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(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。

2.2 FPGA設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

2.2.1 圖像信號(hào)產(chǎn)生單元

該模塊是系統(tǒng)工作的核心，如圖3所示，他由XILINX公司生產(chǎn)的XCV300E組成，是單芯片多配置方式中的主芯片，可提供支持SMPTE274M 1080I 60 Hz／1080I 50 Hz格式的18種高清電視通用測試圖，如綜合測試卡信號(hào)、SMPTE219-2002測試圖、SMPTE 198-1998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(hào)，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(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關(guān)即根據(jù)控制模塊輸出的5 b配置芯片選擇信號(hào)，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(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)輸出類型，并通過輸出I2C總線對(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(hào)轉(zhuǎn)換速度很快，與單片單配置方案一樣，為毫秒級(jí)。

2.3 FPGA測試圖像信號(hào)產(chǎn)生

綜合測試圖像信號(hào)實(shí)際上是由多種測試信號(hào)合成的，包括圓信號(hào)、棋盤信號(hào)、多波群信號(hào)、彩條信號(hào)等。設(shè)計(jì)將綜合測試圖分為三個(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)域輸出棋盤信號(hào)，而圓信號(hào)內(nèi)的視頻有效區(qū)域輸出多種測試信號(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試信號(hào)，用于測試設(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。

?

其中圓外的棋盤信號(hào)采用灰底白格棋盤，圓內(nèi)信號(hào)從上至下依次設(shè)計(jì)為白場、信號(hào)、2T脈沖信號(hào)、黑白場交織信號(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延差觀察信號(hào)。其中黑白場交織信號(hào)中黑場與白場交替出現(xiàn)，每場寬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34 ns、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察等因素，色亮?xí)r延差觀察信號(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(hào)直接調(diào)用ROM的 IP核實(shí)現(xiàn)。

3結(jié) 語

基于FPGA的數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器體積小，攜帶方便，能生成了綜合測試圖、SMPTE RP 219-2002彩條測試圖等復(fù)雜信號(hào)，可全面地評(píng)估數(shù)字電視系統(tǒng)或設(shè)備的基本質(zhì)量，特別適合用于電視臺(tái)(數(shù)字節(jié)目)播出前對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行測試評(píng)價(jià)及接收、顯示設(shè)備的調(diào)整，同時(shí)也適合電視臺(tái)其他技術(shù)部門以及數(shù)字電視設(shè)備生產(chǎn)流水線上或維修部門等用于對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢測；另外還可以借助選行視頻測試儀對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行模擬視頻指標(biāo)的測量，作為低成本的數(shù)字電視信號(hào)源具有廣泛的應(yīng)用前景。