摘 要：闡述了數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器基本原理及基于片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)的FPGA具體實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)能產(chǎn)生符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的18種普遍采用的數(shù)字電視測(cè)試用圖像信號(hào)，并提供YPbPr，RGB兩種視頻數(shù)字和模擬輸出接口。對(duì)FPGA內(nèi)部邏輯功能結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的硬件構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)的說明，用單芯片多配置的方案來降低對(duì)主芯片的要求，降低了產(chǎn)品成本，縮短了開發(fā)周期。該數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器具有精度高、可靠性高、電路簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)。

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關(guān)鍵詞：數(shù)字電視信號(hào)發(fā)生器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；數(shù)字視頻接口;圖像編碼

中圖分類號(hào)：TN949.17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-138-03

Design and Realization for Digital Television Signal Generator Based on FPGA

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XIE Wancheng

(Loudi Vocational and Technical College，Loudi，417000，China )

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Abstract：This paper discusses the basic theory of digital television signal generator and its realization based on SoC.The system generates 18 kinds of worldwide used digital television test pattern signal supported by international standard，and also provides YPbPr，RGB video outputs both in digital and analog interfaces.It explains the logic function design in FPGA and the hardware configuration of this system detail.The single-FPGA chip and multi- PROM scheme to reduce the degree of FPGA demanded，thus to reduce the cost and the developing cycle of the product is shortened.This television signal generator has many advanced features such as high precision，high reliability，simple circuit and small equipment size.

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Keywords：digital television signal generator； field programmable gate array；digital video interface;image encoding

電視信號(hào)的數(shù)字化使得數(shù)字電視設(shè)備越來越受到廣大電子消費(fèi)者的青睞，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(cè)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(cè)試圖像信號(hào)，直觀、快捷的測(cè)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)發(fā)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)行選片設(shè)計(jì)，并利用FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)資源來生成各種測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試圖案進(jìn)行切換控制?？紤]到輸出信號(hào)的實(shí)用性，輸出的模擬測(cè)試信號(hào)和數(shù)字測(cè)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。

圖1 系統(tǒng)功能方框圖

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(cè)試信號(hào)發(fā)生器包含哪些(測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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：



M(sin(Ωt))=219(sin(ni)+1)×12+16

φ(ni ) = (Kni  + π2)mod 2π

Kni=2πfsni74.25ni∈1，2，…，ns；ns=74.25fs



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(cè)試信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的核心，各種測(cè)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(cè)試信號(hào)編碼均采用Verilog硬件描述語言編程實(shí)現(xiàn)。FPGA設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 FPGA設(shè)計(jì)原理框圖

所有測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試圖，如綜合測(cè)試卡信號(hào)、SMPTE219-2002測(cè)試圖、SMPTE 198-1998場(chǎng)檢測(cè)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(cè)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)。

圖3 FPGA總體結(jié)構(gòu)框圖

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(cè)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?？筛鶕?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I2C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(cè)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(cè)試圖像信號(hào)產(chǎn)生

綜合測(cè)試圖像信號(hào)實(shí)際上是由多種測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試信號(hào)，用于測(cè)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(cè)試信號(hào)的生成。其代碼設(shè)計(jì)基本框圖如圖4所示。

圖4 綜合測(cè)試圖像信號(hào)產(chǎn)生框圖

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(chǎng)、信號(hào)、2T脈沖信號(hào)、黑白場(chǎng)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(chǎng)交織信號(hào)中黑場(chǎng)與白場(chǎng)交替出現(xiàn)，每場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)試圖、SMPTE RP 219-2002彩條測(cè)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(cè)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(cè)；另外還可以借助選行視頻測(cè)試儀對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行模擬視頻指標(biāo)的測(cè)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。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］SMPTE.SMPTE 274M -1998.Standard for Television-1920×1080 Scanning and Analogand Parallel Digital Interfaces for Multiple-Picture Rates.N.Y.: White Plains，1998.

［2］SMPTE.SMPTE RP219-2002.High-Definition Standard-Definition Compatible ColorBar Signal.N.Y.: White Plains，2002.

［3］XILINX Preliminary Product Specification.DS123 (v2.6).Platform Flash In-System Programmable Configuration PROMS，XILINX，2005.

［4］Texas Instruments.THS8200-All Format over Sampled Component Vide/PC Graphics D/A System with Three 11-Bit DACs.CGMS Date Insertion.TI，2005.

［5］李在銘.數(shù)字圖像處理壓縮與識(shí)別技術(shù)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，2002.

［6］鄭蕓，胡參，郭向東，等.HDTV測(cè)試圖像信號(hào)發(fā)生器研究與FPGA實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)有線電視，2005(19):1 968-1 971.

［7］中國(guó)廣播電視總局.中國(guó)廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T 157 2000.演播室高清晰度電視，數(shù)字視頻信號(hào)接口[S].2000.

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作者簡(jiǎn)介 謝完成 男，1966年出生，湖南雙峰人，碩士，副教授。主要研究方向?yàn)殡娮优c通信技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。