基于FPGA的數字電視信號發(fā)生器的設計與實(shí)現

電視信號的數字化使得數字電視設備越來(lái)越受到廣大電子消費者的青睞，如何選擇自己理想的數字電視產(chǎn)品，也成了消費者關(guān)心的問(wèn)題，評價(jià)、測試電視系統與設備運行的質(zhì)量狀況成為廣播電視行業(yè)所關(guān)注的熱點(diǎn)。而數字電視信號發(fā)生器能提供可視的測試圖像信號，直觀(guān)、快捷的測試方法，因此，數字電視信號發(fā)生器成為目前電子設計的熱門(mén)研究課題，他在數字電視節目制作播出、科研、生產(chǎn)以及售后服務(wù)過(guò)程中起著(zhù)不可或缺的作用。本文設計了一種基于FPGA的數字電視信號友生器，該信號發(fā)生器以一種單芯片多配置的方案，針對系統各部分功能特性和性能進(jìn)行選片沒(méi)計，并利用FPGA內部存儲資源來(lái)生成各種測試信號的圖像。

1數字電視信號發(fā)生器的功能與原理

1.1 系統功能

數字電視信號發(fā)生系統的主要任務(wù)是產(chǎn)生符合SMPTE274M系統標準的18種數字信號測試圖像，YPbPr，RGB兩種視頻輸出接口符合ITU-R BT．1120-2／GY／T157-2000演播室高清晰度數字視頻信號接口標準。本系統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(jìn)行配置與加密。人機界面由單片機控制，可快速地進(jìn)行圖像切換和格式轉換。在普通電源接入下，系統需生成支持SMPTE274M系統標準中的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字輸出信號和模擬輸出信號，其標準測試信號的數碼發(fā)生內核基于FPGA平臺實(shí)現。在此基礎上，本系統提供了一個(gè)人工可控功能，即用戶(hù)可根據按鍵，對以上4種標準的18種測試圖案進(jìn)行切換控制?？紤]到輸出信號的實(shí)用性，輸出的模擬測試信號和數字測試信號都必須滿(mǎn)足相應的接口標準。為滿(mǎn)足以上約束條件，系統功能設計如圖1所示。

1.2信號產(chǎn)生的原理

數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)，因此在考慮數字電視測試信號發(fā)生器包含哪些(測試信號)內容時(shí)，本文根據彩色電視的基本特點(diǎn)，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(guān)察顯示設備掃描非線(xiàn)性失真和幾何失真的棋盤(pán)信號和圓信號，觀(guān)察圖像清晰度和分辨率的多波群或掃頻信號，觀(guān)察亮度非線(xiàn)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(guān)察彩色重現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(guān)的斜波信號等，以便全面地觀(guān)察和評價(jià)彩色電視系統或設備的基本質(zhì)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字硬件中的數代表。對于亮度多波群信號，根據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(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；對于色度多波群信號，根據數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(gè)取樣點(diǎn)，其方程為：

2數字電視信號發(fā)生器的FPGA設計

2.1 FPGA設計原理

FPGA是整個(gè)數字電視測試信號發(fā)生器系統的核心，各種測試信號編碼都在這一部分實(shí)現。本系統選用的FPGA是XILINX公司Vertex-E系列的XCV300E，開(kāi)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(yǔ)言編程實(shí)現。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(chǎn)生，其行坐標和列坐標分別為像素計數器和行計數器根據全局時(shí)鐘上升沿進(jìn)行計數所得數值。行域信號生成模塊對行計數器輸出的值進(jìn)行閾值劃分，將測試圖像按行劃分為不同的區域，稱(chēng)為行域。在不同的行域中，根據像素計數器值進(jìn)行不同的像素區域劃分，將測試圖像進(jìn)一步劃分為相對獨立的信號編碼區域，每個(gè)區域對應一個(gè)標志信號。此時(shí)，行／列坐標與信號編碼區域一一對應，稱(chēng)當前輸出信號所在行／列所對應的信號編碼區域為當前域，其標志信號為當前域標志信號。最后，根據當前域標志信號對測試信號的定時(shí)基準碼、有效區域等信號進(jìn)行編碼，由測試圖案編碼模塊輸出全圖像信號數字視頻分量的碼值。

2.2 FPGA設計總體結構

2.2.1 圖像信號產(chǎn)生單元

該模塊是系統工作的核心，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、SMPTE219-2002測試圖、SMPTE 198-1998場(chǎng)檢測圖等。主芯片根據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字Y、Cb／Cr信號碼值，以及相關(guān)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(shí)現單芯片多配置方案的關(guān)鍵模塊。配置程序選擇連接開(kāi)關(guān)即根據控制模塊輸出的5 b配置芯片選擇信號，選擇相應測試圖案的配置芯片PROM的系統可編程JTAG連線(xiàn)與主芯片對應引腳相連接。

2.2.3 圖像信號輸出單元

數字輸出部分由驅動(dòng)電路與接口芯片組成，模擬輸出部分由TI公司的D／A轉換芯片THS8200及其內部IFIR數字濾波器以及外圍運算放大器電路實(shí)現數模轉換功能?？筛鶕刂颇K的圖案／格式以及模擬輸出接口類(lèi)型選擇信號，將Y、Cb／Cr的并行數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(lèi)型，并通過(guò)輸出I2C總線(xiàn)對D／A轉換芯片的寄存器進(jìn)行相應配置。根據外部輸入信號，產(chǎn)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(shí)序，與選擇連接開(kāi)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(chǎn)生

綜合測試圖像信號實(shí)際上是由多種測試信號合成的，包括圓信號、棋盤(pán)信號、多波群信號、彩條信號等。設計將綜合測試圖分為三個(gè)層次實(shí)現。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域輸出棋盤(pán)信號，而圓信號內的視頻有效區域輸出多種測試信號；第二層設計采用行計數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器值作為信號內部的區域劃分參數，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。

其中圓外的棋盤(pán)信號采用灰底白格棋盤(pán)，圓內信號從上至下依次設計為白場(chǎng)、信號、2T脈沖信號、黑白場(chǎng)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(shí)延差觀(guān)察信號。其中黑白場(chǎng)交織信號中黑場(chǎng)與白場(chǎng)交替出現，每場(chǎng)寬80個(gè)像素點(diǎn)；彩條信號電平符合100／0／100／0，每個(gè)彩條信號寬160個(gè)像素點(diǎn)；亮度多波群信號每波帶信號寬160個(gè)像素點(diǎn)；6電平亮度五階梯信號每階梯寬160個(gè)像素點(diǎn)；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；根據黃、紅色亮度電平相差較大及便于觀(guān)察等因素，色亮時(shí)延差觀(guān)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(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(kāi)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(shí)現。

3結 語(yǔ)

基于FPGA的數字電視信號發(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，可全面地評估數字電視系統或設備的基本質(zhì)量，特別適合用于電視臺(數字節目)播出前對系統或設備進(jìn)行測試評價(jià)及接收、顯示設備的調整，同時(shí)也適合電視臺其他技術(shù)部門(mén)以及數字電視設備生產(chǎn)流水線(xiàn)上或維修部門(mén)等用于對系統或設備進(jìn)行調整和檢測；另外還可以借助選行視頻測試儀對系統或設備進(jìn)行模擬視頻指標的測量，作為低成本的數字電視信號源具有廣泛的應用前景。