pdp機房多制式數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

pdp機房多制式數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

1數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路視頻源轉(zhuǎn)換電路是pdp集成電路的重要組成部分。它的主要功能是解碼和數(shù)字模擬信號的通道，并提供必要的預(yù)處理。同時，可以為pdp集群提供同步信號、消隱信號和時間信息。有了多制式數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路,就使得PDP能夠兼容各種現(xiàn)存的視頻制式,使其應(yīng)用面更廣。同時,數(shù)字視頻制式的標(biāo)準(zhǔn)化也為下一步對視頻信號進(jìn)行各種優(yōu)化處理作了必不可少的鋪墊。在一個PDP顯示系統(tǒng)中,數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路作為接口電路的核心部分,其重要作用是不言而喻的。它對輸入視頻數(shù)據(jù)處理的好壞直接關(guān)系到這個PDP顯示系統(tǒng)對視頻制式的支持以及顯示圖像質(zhì)量的優(yōu)劣。研究多制式數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換電路對于PDP的應(yīng)用和發(fā)展是很重要的。高端的數(shù)字視頻處理芯片在國內(nèi)已經(jīng)有相當(dāng)長的研究歷史,西安交大于1994年率先提出研制開發(fā)數(shù)字視頻格式轉(zhuǎn)換與處理專用集成電路的立項,先后在國家863計劃和省市科技計劃的支持下,經(jīng)過6年多的科技攻關(guān),采用先進(jìn)的運動檢測自適應(yīng)插補算法,實現(xiàn)了隔行/逐行掃描變換,開發(fā)出了國內(nèi)的首枚數(shù)字視頻處理芯片。在此之后,海爾集成電路設(shè)計有限公司、北京中星微電子有限公司等眾多的國內(nèi)公司都將注意力投放到了數(shù)字視頻處理芯片的設(shè)計和開發(fā)上來。本文介紹了我們開發(fā)多制式數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方案實例。2系統(tǒng)功能要求多制式數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路的輸入信號為復(fù)合視頻信號(包括PAL/NTSC/SECAM幾種制式)、S-VIDEO信號和VGA信號。輸出信號為RGB888格式同步輸出信號、場同步信號(VS)、行同步信號(HS)、消隱信號(DE)和時鐘信號(CLK)。要求系統(tǒng)具備如下功能:(1)兼容現(xiàn)存多種視頻格式,包括PAL/NTSC/SE-CAM/S-Video和VGA模式;(2)對于復(fù)合視頻信號能進(jìn)行隔行/逐行轉(zhuǎn)換;(3)對單幀視頻信號進(jìn)行尺度變換,進(jìn)行縮小和放大;(4)進(jìn)行幀頻轉(zhuǎn)換(要求50Hz和100Hz);(5)具有亮度/色度/飽和度調(diào)節(jié)功能。根據(jù)要求設(shè)計的視頻卡功能結(jié)構(gòu)如下圖所示:2.1解碼芯片的模擬輸入需要解碼的視頻信號主要有幾種類型,一種是復(fù)合視頻信號,比如PAL/NTSC/SECAM,一種是S端子信號(Y/C),還有一種是VGA信號。解碼工作需要針對這幾種模式進(jìn)行。SAA7118是PHILIPS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款視頻專用解碼芯片,功能很強大。它支持I2C總線,需要有MCU通過I2C總線對它進(jìn)行控制才能正常運行。不同格式的視頻信號通過輸入端子接入解碼芯片的模擬輸入端(7118共有16路模擬接口,可同時輸入16線的信號)。可以通過設(shè)定輸入模式的控制字來確定輸入的信號模式。SAA7118共有40種信號輸入模式,其中CVBS模式為16種,YC模式為8種,Y-PBPR模式為4種,RGB模式為4種。所有的這些輸入視頻信號都被送到ADC進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換,但是不同的信號有著不同的輸出。如果是YUV/GRB分量信號,則先轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的分量信號,然后通過轉(zhuǎn)換矩陣變換為YCrCb分量信號。如果是S-VIDEO信號,則通過ADC先轉(zhuǎn)換為數(shù)字的Y/C信號,然后亮色信號分別經(jīng)過亮色處理,轉(zhuǎn)化為YCrCb分量信號。如果是CVBS信號,則首先通過ADC數(shù)字化,然后通過一個梳狀濾波器改善亮色分離性能后再分別進(jìn)行亮色處理,最后同樣的轉(zhuǎn)化為亮色信號YCrCb分量。在處理亮度和色度信號的同時,同步信號也得到了解碼。該信號一方面被用來作為解碼的輸出控制,另一方面還可以用來協(xié)助BCS控制及分辨率變換處理,NTSC制式時為720×480,PAL制式時為720×576。2.2場間插補算法隔行到逐行掃描變換的基本方法就是利用已知的圖形信息,通過線性內(nèi)插方法重構(gòu)出每場中缺少的行。一種獲得插補行的最簡單的方法是利用圖像的空間相關(guān)性,直接利用場內(nèi)上一行和下一行的信息平均來獲得,即場內(nèi)插補。方法僅需要少量行存儲器,算法簡單,運算量小,可以有效地消除閃爍,增加圖像的細(xì)膩感,但它沒有充分利用電視圖像的時間相關(guān)性,圖像的垂直清晰度并未提高;另一種方法是利用電視圖像的時間相關(guān)性,將相鄰兩場的掃描線鑲嵌,即場間插補。這種方法需要大容量的場存儲器,可以消除閃爍,提高靜止區(qū)域圖像的垂直清晰度,但對運動圖像會產(chǎn)生較嚴(yán)重的運動模糊。這兩種線性插補算法,對圖像的所有部分采用同一算法,而實際圖像既包括靜止部分也包括運動部分,如果沒有根據(jù)圖像的局部特征而采用相應(yīng)算法,則不能保證圖像的所有部分均獲得好的轉(zhuǎn)換效果。因此,必須采用基于運動檢測的自適應(yīng)控制內(nèi)插算法,即首先通過判斷待插補點是靜止還是運動,然后對靜止圖像采用場間插補,對運動圖像采用場內(nèi)插補,以達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)換效果。2.3非線性放電的運用一般的視頻處理器都支持圖像格式的尺度變換,但是他們大都采用了線性變換,即對整屏的數(shù)據(jù)采用相同的縮放比例進(jìn)行縮放。在我們開發(fā)的視頻處理器中引入了非線性縮放特性,它通過對寄存器的值的設(shè)定,在垂直方向上設(shè)定上、中、下三個區(qū)域,在水平方向上設(shè)定左、中、右三個區(qū)域。對于處在中間區(qū)域的使用線性變換(根據(jù)寄存器設(shè)定的值進(jìn)行變換),對處在旁邊的兩個區(qū)域,可以使用線性變換或者非線性變換(遞增或者遞減模式變換)。2.4變換后的信號失真經(jīng)過前面視頻解碼以及去隔行處理后,視頻格式的幀頻為50Hz和60Hz兩種標(biāo)準(zhǔn)。在輸入給顯示屏顯示之前,需要將這兩種視頻格式的幀頻進(jìn)行統(tǒng)一。要對原有視頻信號的幀頻作變換,首先要最大程度的利用原有信號的信息量,這樣才能讓變換后的信號失真最小。由于幀頻轉(zhuǎn)換后,目標(biāo)視頻的圖像序列所處的時間點同原有視頻信號的圖像序列處于不同的時間標(biāo)度上。其中有的圖像的時刻能夠準(zhǔn)確對應(yīng),而有的圖像的時刻則相距較遠(yuǎn)。對于那些時間點能準(zhǔn)確對應(yīng)(或者有較小偏差)的幀,完全可以采用復(fù)制的方式,利用源幀圖像作為目標(biāo)幀的圖像。而對于那些時間偏差較大的對應(yīng)幀,則需要利用插值的方式來實現(xiàn)。因為要考慮到硬件實現(xiàn)的問題,因此,我們首先提出了采用可調(diào)整的幀復(fù)制策略,即動態(tài)的對整個圖像序列中需要插值的幀進(jìn)行調(diào)整。規(guī)定一個標(biāo)準(zhǔn)的時間間隔作為最小插值時間間隔△t,假設(shè)目標(biāo)幀的時刻為t3ilinx公司的fpga因為該算法對系統(tǒng)實時性要求較高,一般的DSP處理器無法滿足需要,因此選用FPGA器件來實現(xiàn)算法。根據(jù)已有文獻(xiàn),采用運動補償?shù)膸l提升的算法可以采用5萬門的邏輯電路實現(xiàn),為保證裕度,選用10萬門的邏輯器件。與CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)相比,FPGA(FieldProgrammableGateArray)具有更高的集成度、更強的邏輯功能和更大的靈活性。FPGA屬于陣列型PLD,這里以Xilinx公司的FPGA為例來進(jìn)行相關(guān)的介紹。XC9500是Xilinx公司采用Flash工藝的PLD,常見型號有XC9536,XC9572,XC95144;CoolRunner原是PHILIPS的PLD產(chǎn)品,99年被Xilinx收購,特點是功耗很低,可以用于電池供電系統(tǒng).;CoolRunner-II是最新一代1.8v低功耗PLD產(chǎn)品。Spartan是中等規(guī)模SRAM工藝FPGA;Spartan-II是2.5VSRAM工藝FPGA,Spartan的升級產(chǎn)品;Virtex/Virtex-E是大規(guī)模SRAM工藝FPGA;Virtext-II是大規(guī)模SRAM工藝FPGA,Virtex的下一代產(chǎn)品。其中,Virtex-II系列FPGA由于其容量大、速度快等一系列優(yōu)點,在科研開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用,圖5是FPGA的基本結(jié)構(gòu)框圖。本文采用XILINX公司的XCV100E芯片作為硬件實現(xiàn)。視頻格式的轉(zhuǎn)換算法,包括去隔行算法、幀頻轉(zhuǎn)換算法、尺度縮放算法都是在一個FPGA中實現(xiàn)。SAA7118解碼芯片出來的解碼信號輸入到FPGA后,通過MCU控制轉(zhuǎn)換參數(shù),根據(jù)客戶要求,將FPGA的輸出變換為需要的形式。在中間轉(zhuǎn)換的過程中,因為需要進(jìn)行多幀圖像的處理,所以需要對每幀輸入的信號作暫存處理。采用SDRAM存儲圖像數(shù)據(jù),利用FPGA對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,然后輸出變換后的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)輸出的同時,時鐘信號、同步信號以及數(shù)據(jù)使能信號同時輸出,提供給PDP的驅(qū)動電路。本文采用10萬門的邏輯器件,本算法用了總資源的45%,經(jīng)過實驗,該算法得到了很好的應(yīng)用效果。4sdram算法本