一種從SDTV到HDTV的解決方案設(shè)計

摘要：基于專用格式轉(zhuǎn)換芯片(VTP)提出了一種從SDTV到HDTV的解決方案，分析了此方案的各個功能模塊，并討論了其電路系統(tǒng)的主要特點，最后對其應(yīng)用前景進行了展望。

長期以來，視頻格式轉(zhuǎn)換主要用于普通模擬電視、不同電視制式的轉(zhuǎn)換。例如PAL與NTSC制之間的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)國際市場不同國家、電視制式不同的需要。直到最近，采用提升場頻或行頻技術(shù)的“100Hz、逐行掃描”電視的出現(xiàn)，現(xiàn)有的視頻格式轉(zhuǎn)換技術(shù)大多仍局限于對模擬電視信號的處理。但隨著數(shù)字電視的推出和發(fā)展，為了追求更高的清晰度，針對數(shù)字視頻信號格式轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究及硬件實現(xiàn)也逐漸成為熱點。經(jīng)過多年深入研究及FPGA硬件驗證［1］，一種數(shù)字視頻專用格式轉(zhuǎn)換芯片VTP(Video Transform Processor)最終成功流片，并通過了功能測試。

本文所設(shè)計的電路系統(tǒng)正是為此芯片提供一種解決方案，目的是通過輸入普通標清數(shù)字信號，經(jīng)過本電路處理后，輸出目前市場數(shù)字高清電視機所能接收的高清信號，為其提供一種可靠的節(jié)目源。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成原理

目前廣泛流行的DVD播放機和衛(wèi)星機頂盒(STB)，所處理的視頻信號一般都是基于MPEG-2MP@ML編碼［2］，且其圖像掃描格式與ITU-RBT656標準［3］所要求的圖像掃描格式兼容，即720x576x25(PAL)或720x480x30(NTSC)。

而與此同時，由于數(shù)字電視國家標準遲遲未能出臺，使得市場中各種先已推出的“數(shù)字高清電視”，只能收看一般節(jié)目，而全無“高清”的意義。

對此，綜合以上兩個方面，結(jié)合VTP芯片的功能，設(shè)計了一種比較廉價的解決方案，其基本原理框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，電路系統(tǒng)的輸人為符合ITU-RBT656標準的視頻信號(標清信號)，而輸出為高清電視機所能播放的模擬高清信號；在此電路系統(tǒng)中完成了標清視頻信號到高清視頻信號的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)視頻信號在電路系統(tǒng)中的處理過程，將此電路分為四個模塊：輸入接口模塊、時鐘鎖相模塊、格式轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)模塊。

以下將對各個模塊進行詳細分析。

1．1 輸入接口模塊

在此模塊中，主要包括兩部分：輸入接口和電平轉(zhuǎn)換，以完成輸入信號的預(yù)處理。

1．1．1 輸入接口的物理定義

由于輸入的標清視頻信號其頻率高達27MHz，考慮到必須要保證視頻信號的質(zhì)量，減少信號在傳輸過程中受到的干擾；需要采用差分信號傳輸(實際中采用了LVDS信號)，輸入電路板后再轉(zhuǎn)換為普通TTL數(shù)字信號。根據(jù)標準［3］，差分信號的物理接口需要采用DB25的形式。

實際使用中，考慮成本因素，視頻信號采用8bit量化方式，其數(shù)據(jù)位最低的兩位不用(如圖2所示)，因而圖2中PIN腳11、24、12、25直接懸空。

1．1．2 信號電平轉(zhuǎn)換模塊

經(jīng)DB25接口輸入的信號為LVDS格式，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換變成TTL信號后才能輸出給后續(xù)的模塊處理。對此，在實際設(shè)計中，采用了國家半導(dǎo)體(NS)專用芯片DS90LV032A實現(xiàn)LVDS到TTL信號的轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過接口模塊后，實際輸出8bit的視頻數(shù)據(jù)和時鐘信號(27MHz)到后續(xù)處理模塊；其中，視頻數(shù)據(jù)直接進入格式轉(zhuǎn)換模塊，而時鐘信號進入鎖相模塊轉(zhuǎn)化成兩種相位鎖定的時鐘信號再輸出到格式轉(zhuǎn)換模塊。

1．2 時鐘鎖相模塊

對于格式轉(zhuǎn)換模塊而言，輸入的視頻數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的時鐘頻率為27MHz；而根據(jù)SMPTE-274標準［4］，高清數(shù)字電視信號(1080i)采樣時鐘，即VTP芯片輸出的高清數(shù)據(jù)對應(yīng)時鐘必須為74．25MHz。由于VTP芯片內(nèi)部并未含有時鐘鎖相功能，故需在外部為其提供相位準確鎖定的兩種時鐘分別輸入。

在本模塊中選用了一顆專用的視頻時鐘鎖相芯片，以實現(xiàn)此功能。輸入時鐘經(jīng)過鎖相電路，分別輸出27MHz和74．25MHz兩種時鐘到VTP芯片，以滿足其內(nèi)部SDTV部分和HDTV部分各自工作的需要。

1.3 視頻格式轉(zhuǎn)換模塊

視頻格式轉(zhuǎn)換模塊是本電路系統(tǒng)的核心部分，包括VTP芯片和SDRAM兩部分。其中VTP芯片是一顆專用視頻處理芯片(ASIC)，有如下主要功能：

·上變換(Up-conversion)和去隔行(Interlace to Progressive)；

·幅型轉(zhuǎn)換(4：3 to 16：9)；

·任意尺寸放大(ZOOM)和平移(PAN)；

·各種格式轉(zhuǎn)換(SD到HD、HD到HD、HD到SD)。

其主要輸入輸出接口，如圖3所示：

·輸入時鐘SD_CLK_IN (27MHz) 和HD_CUK_IN(74．25MHz)，兩者在相位上準確鎖定；輸人數(shù)據(jù)8bit(單通道)或16bit(雙通道)；

·輸出時鐘HD_CLK_OUT(74.25MHz)；輸出數(shù)據(jù)16bit(8bit亮度信號、8bit復(fù)用色差信號)；輸出同步控制信號SYN_OUT；

·SDRAM讀寫接口；

·參數(shù)下載接口PARA_SELECT，用于工作方式的選擇。

本文只利用了此VTP芯片的部分功能，完成SDTV到HDTV的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換模塊處理后，輸出16bit(4：2：2)1920x1080i格式的數(shù)字高清信號。

1．4 數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)模塊

經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換模塊處理后，輸出的數(shù)據(jù)是16bit數(shù)字高清信號：亮度Y、復(fù)用色度信號Cb、Cr；而現(xiàn)有的高清顯示器所能提供的接口是模擬高清信號輸入Y、Pb、Pr，所以信號必須經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)后才能輸出給電視機播放。

在本模塊中，數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)芯片采用德州儀器公司(TI)的專用高清數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片THS8133，其接口兼容SMPTE-274和ITU-R BT656標準，內(nèi)部并行三路數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時輸出Y、Pb、Pr三路模擬信號；在本模塊中，三路視頻信號(一個亮度、兩個色度)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，只需一顆芯片即可完成。

2 一些關(guān)鍵問題

在實際設(shè)計中，本文研究的電路系統(tǒng)解決了多種技術(shù)難題，如：電路中存在多種不同頻率的信號，分別高達27MHz(標清信號)和74．25MHz(高清信號)；數(shù)字信號和模擬信號在電路中共存；甚至在信號形式上也有TTL信號和LVDS信號之分。最終，筆者采用合理的電路布局、信號走線方式和地層分割來保證此電路系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地工作。

    對于此解決方案，由于主要針對普通民用市場，降低成本是本方案設(shè)計考慮的主要因素，對此也采用了多種解決方式：

(1)盡量減少電路中所使用的其他非核心芯片的數(shù)量(例如數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊只使用了一顆芯片)，努力縮小電路板的尺寸，從而減少電路制造成本；

(2)盡管VTP芯片有多種功能，但本電路系統(tǒng)并非驗證其功能特征，所以只使用了其中的一部分功能，即實現(xiàn)SDTV到HDTV(1080i)格式轉(zhuǎn)換；由于其在VTP芯片中是默認的工作方式，從而省略了參數(shù)下載所必需的MCU模塊。

由于數(shù)字電視國家標準遲遲未能出臺，而高清終端顯示市場卻迫于競爭的壓力，已經(jīng)開始啟動，從而造成這樣一種奇怪的現(xiàn)象：各種高清電視機在實際應(yīng)用中只能收看普通電視節(jié)目。而本文所研究的電路方案提供了一種廉價的SDTV到HDTV解決方案，直接從末端輸出高清節(jié)目源，從而解決了現(xiàn)有高清電視機推出而無高清節(jié)目可看的尷尬。

很顯然，在數(shù)字電視國家標準推出和演播室完全實現(xiàn)高清數(shù)字化之前，本文的解決方案將會有非常廣泛的應(yīng)用前景。