FPGA的數(shù)字電視信號發(fā)生器原理及設計

如何選擇自己理想的數(shù)字電視產品，也成了消費者關心的問題，評價、測試電視系統(tǒng)與設備運行的質量狀況成為廣播電視行業(yè)所關注的熱點。

而數(shù)字電視信號發(fā)生器能提供可視的測試圖像信號，直觀、快捷的測試方法，因此，數(shù)字電視信號發(fā)生器成為目前電子設計的熱門研究課題，他在數(shù)字電視節(jié)目制作播出、科研、生產以及售后服務過程中起著不可或缺的作用。本文設計了一種基于FPGA的數(shù)字電視信號友生器，該信號發(fā)生器以一種單芯片多配置的方案，針對系統(tǒng)各部分功能特性和性能進行選片沒計，并利用FPGA內部存儲資源來生成各種測試信號的圖像。

1數(shù)字電視信號發(fā)生器的功能與原理

1.1 系統(tǒng)功能

數(shù)字電視信號發(fā)生系統(tǒng)的主要任務是產生符合SMPTE274M系統(tǒng)標準的18種數(shù)字信號測試圖像，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)字視頻信號接口標準。本系統(tǒng)的核心是圖像信號的編碼發(fā)生單元FPGA，采取單芯片多配置方案可使18種圖像信號方便地進行配置與加密。人機界面由單片機控制，可快速地進行圖像切換和格式轉換。在普通電源接入下，系統(tǒng)需生成支持 SMPTE274M系統(tǒng)標準中的1080I 60 Hz，1080I 50 Hz，1080P 60 Hz、1080P 50 Hz四種標準格式的18種高清晰度電視通用測試圖像的數(shù)字輸出信號和模擬輸出信號，其標準測試信號的數(shù)碼發(fā)生內核基于FPGA平臺實現(xiàn)。在此基礎上，本系統(tǒng)提供了一個人工可控功能，即用戶可根據(jù)按鍵，對以上4種標準的18種測試圖案進行切換控制?？紤]到輸出信號的實用性，輸出的模擬測試信號和數(shù)字測試信號都必須滿足相應的接口標準。為滿足以上約束條件，系統(tǒng)功能設計如圖1所示。



1.2信號產生的原理

數(shù)字電視也是彩色電視(只是信號的表示形式及信號的處理方法與模擬電視有所不同)，因此在考慮數(shù)字電視測試信號發(fā)生器包含哪些(測試信號)內容時，本文根據(jù)彩色電視的基本特點，首先應考慮包含一般彩色電視廣播測試圖的基本內容，例如觀察顯示設備掃描非線性失真和幾何失真的棋盤信號和圓信號，觀察圖像清晰度和分辨率的多波群或掃頻信號，觀察亮度非線性失真情況以及顯示器白平衡調整是否正確的灰度級(或階梯波)信號，觀察彩色重現(xiàn)是否正確的彩條信號等；另外還考慮增加了在視頻測量中最常用的2T脈沖信號、彩色多波群信號和彩色階梯波信號，以及更為直觀的斜波信號等，以便全面地觀察和評價彩色電視系統(tǒng)或設備的基本質量。

以多波群測試信號為例，他包含了亮度多波群信號和色度多波群信號，信號在任何瞬間的值可用數(shù)字硬件中的數(shù)代表。對于亮度多波群信號，根據(jù)1125／50高清析度電視亮度信號采樣頻率(74.25 MHz)，為避免相位跳變，多波群測試信號各組應含整個采樣周期，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；對于色度多波群信號，根據(jù)數(shù)字電視色差信號采樣頻率(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個取樣點，其方程為：



2數(shù)字電視信號發(fā)生器的FPGA設計

2.1 FPGA設計原理

FPGA是整個數(shù)字電視測試信號發(fā)生器系統(tǒng)的核心，各種測試信號編碼都在這一部分實現(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，所有測試信號編碼均采用Vetilog硬件描述語言編程實現(xiàn)。FPGA設計原理如圖2所示。



所有測試信號的編碼均基于圖像的行／列坐標而產生，其行坐標和列坐標分別為像素計數(shù)器和行計數(shù)器根據(jù)全局時鐘上升沿進行計數(shù)所得數(shù)值。行域信號生成模塊對行計數(shù)器輸出的值進行閾值劃分，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)像素計數(shù)器值進行不同的像素區(qū)域劃分，將測試圖像進一步劃分為相對獨立的信號編碼區(qū)域，每個區(qū)域對應一個標志信號。此時，行／列坐標與信號編碼區(qū)域一一對應，稱當前輸出信號所在行／列所對應的信號編碼區(qū)域為當前域，其標志信號為當前域標志信號。最后，根據(jù)當前域標志信號對測試信號的定時基準碼、有效區(qū)域等信號進行編碼，由測試圖案編碼模塊輸出全圖像信號數(shù)字視頻分量的碼值。

2.2 FPGA設計總體結構

2.2.1 圖像信號產生單元

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、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，選擇不同的配置程序，輸出相應測試圖的數(shù)字Y、Cb／Cr信號碼值，以及相關的同步／消隱控制信號。



2.2.2 圖像信號配置與加密單元

該模塊由8片配置芯片XCF02S與1片XC95144XL組成，是成功實現(xiàn)單芯片多配置方案的關鍵模塊。配置程序選擇連接開關即根據(jù)控制模塊輸出的5 b配置芯片選擇信號，選擇相應測試圖案的配置芯片PROM的系統(tǒng)可編程JTAG連線與主芯片對應引腳相連接。

2.2.3 圖像信號輸出單元

數(shù)字輸出部分由驅動電路與接口芯片組成，模擬輸出部分由TI公司的D／A轉換芯片THS8200及其內部IFIR數(shù)字濾波器以及外圍運算放大器電路實現(xiàn)數(shù)模轉換功能?？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，將Y、Cb／Cr的并行數(shù)字視頻分量信號轉換為模擬輸出，或者轉換為RGC模擬輸出。

2.2.4 人機界面與控制單元

控制模擬信號輸出類型，并通過輸出I2C總線對D／A轉換芯片的寄存器進行相應配置。根據(jù)外部輸入信號，產生相應的圖案／格式選擇信號和配置芯片選擇信號，控制主芯片與配置芯片的斷電與上電時序，與選擇連接開關模塊共同完成測試圖切換功能。這種單片多配置方案，信號轉換速度很快，與單片單配置方案一樣，為毫秒級。

2.3 FPGA測試圖像信號產生

綜合測試圖像信號實際上是由多種測試信號合成的，包括圓信號、棋盤信號、多波群信號、彩條信號等。設計將綜合測試圖分為三個層次實現(xiàn)。第一層設計采用圓信號作為選通信號，圓信號外的視頻有效區(qū)域輸出棋盤信號，而圓信號內的視頻有效區(qū)域輸出多種測試信號；第二層設計采用行計數(shù)器值作為信號劃分邊界值，不同的行域輸出不同的測試信號，用于測試設備的各種性能；第三層設計采用像素計數(shù)器值作為信號內部的區(qū)域劃分參數(shù)，完成每種測試信號的生成。其代碼設計基本框圖如圖4所示。

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其中圓外的棋盤信號采用灰底白格棋盤，圓內信號從上至下依次設計為白場、信號、2T脈沖信號、黑白場交織信號、100％彩條信號、亮度多波群信號、6電平亮度五階梯信號、2T脈沖信號與色亮時延差觀察信號。其中黑白場交織信號中黑場與白場交替出現(xiàn)，每場寬80個像素點；彩條信號電平符合 100／0／100／0，每個彩條信號寬160個像素點；亮度多波群信號每波帶信號寬160個像素點；6電平亮度五階梯信號每階梯寬160個像素點；2T 脈沖信號為半幅值寬度為34 ns、幅度為80％視頻幅度的2T正弦平方正脈沖和負脈沖信號；根據(jù)黃、紅色亮度電平相差較大及便于觀察等因素，色亮時延差觀察信號采用黃、紅信號，其紅黃交界處與其上面的2T脈沖峰值點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直接調用ROM的 IP核實現(xiàn)。

3結 語

基于FPGA的數(shù)字電視信號發(fā)生器體積小，攜帶方便，能生成了綜合測試圖、SMPTE RP 219-2002彩條測試圖等復雜信號，可全面地評估數(shù)字電視系統(tǒng)或設備的基本質量，特別適合用于電視臺(數(shù)字節(jié)目)播出前對系統(tǒng)或設備進行測試評價及接收、顯示設備的調整，同時也適合電視臺其他技術部門以及數(shù)字電視設備生產流水線上或維修部門等用于對系統(tǒng)或設備進行調整和檢測；另外還可以借助選行視頻測試儀對系統(tǒng)或設備進行模擬視頻指標的測量，作為低成本的數(shù)字電視信號源具有廣泛的應用前景。