（通信与信息系统专业论文）hdtv测试图案信号及其fpga发生系统研究.pdf

摘要 摘要 高清晰度电视( h d t v ，h i g hd e f m i f i o nt e l e v i s i o n ) 技术是融合信息论、数 字信号处理、计算机技术、超大规模集成电路、通信技术等高新技术成果而综合 发展起来的一项新兴前沿技术。 随着数字高清晰度电视产业的兴起，评价、测试其系统与设备运行的质量状 况成为广播电视行业所关注的热点。可视化的测试图案信号提供了直观、快捷的 评测方法，因此，高清晰度电视测试图案信号发生系统成为当今世界的热门研究 课题。该系统在高清晰度电视节目制作播出系统、科研、生产以及维护部门起着 不可或缺的作用。 论文研究了数字高清晰度电视测试图案信号发生系统基本原理及其基于片上 系统( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) l 拘具体实现。该系统生成了符合s m p t e2 7 4 m 国际标 准的1 8 种普遍采用的h d t v 测试图案信号。它提供y p b p r 、r g b 两种视频数字 输出与模拟输出，其接口符合i t u rb t 1 1 2 0 2 g y t 1 5 7 2 0 0 0 演播室高清晰度 数字视频信号接口标准。 论文首先对h d t v 测试信号研究现状进行了概述，并介绍了h d t v 技术、 s m p t e 国际标准及国内的演播室高清晰度电视数字视频信号接口等h d t v 信号 设计参考标准。之后，论文采用了一种自顶向下的分步设计方法，针对系统任务 及设计平台，对h d t v 测试图案信号发生系统的功能，方案设计进行了讨论，并 对各子系统功能进行了阐述。 论文分析了h d t v 测试信号的原理及数理模型，提出了一种以单芯片多配置 为特色的信号生成方案，并对该方案的配置连接、芯片选路、控制切换时序设计 等关键模块进行了详细叙述，该方案以增加配置芯片数量来降低对主芯片要求， 不但降低了产品成本，还使各测试信号的代码编写和产生相对独立，有利于合理 使用芯片资源，实现多种复杂的h d t v 测试信号，缩短开发周期。 论文重点讨论了系统的f p g a 代码功能结构及典型信号的算法实现。由于本 系统硬件平台是一个高速数字电路，本文对在该平台上实现综合测试图、s m p t e r p2 1 9 2 0 0 2 测试图等复杂信号的难点及关键技术进行了分析与讨论。此外，本 文还对系统开发和调试中遇到的一些问题进行了讨论。 关键词：现场可编程门阵列，高清晰度电视，数字测试图信号，测试信号发生器 a b s t r a c t h i 曲d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( h d t v ) i san e wt e c h n o l o g yw h i c hi sd e v e l o p e da n d s y n c r e t i z e db yh i g ht e c h n o l o g i c a lp r o d u c t i o ns u c h 越i n f o r m a t i o nt h e o r y , d i g i t a l s i 霉u ap r o c e s s i n g , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , s l s i ( s u p e rl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) ， c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n a l o n g 、航md i g i t a li - i d t v ss p r i n g i n gu p t e s t i n ga n da s s e s s m e n to fh d t vs y s t e ma n de q u i p m e n t s r u n n i n gq u a l i t yb e c o m ea h o t s p o to ft e l e v i s i o ni n d u s t r y v i e w a b l et e s tp a t t e r ns i g n a lp r o v i d e s 锄i n t u i t i o n i s t i c a n dc o n v e n i e n te v a l u a t i n gm e t h o d , t h e r e f o r e ，h d t vt e s tp a t t e r ns i g n a lg e n e r a t i n g s y s t e mb e c o m eah o tr e s e a r c ho fw o r l dt o d a y t 1 l i ss y s t e mp l a y sa ni n d i s p e n s a b l er o l e i nh d t vp r o g r a m sm a k i n ga n dp l a y i n gs y s t e m ，s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，p r o d u c t i o na n d m a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t 1 1 1 et h e s i sr e s e a r c h st h eb a s i ct h e o r yo fd i g i t a lh d t vt e s tp a t t e r ns i g n a l g e n e r a t i n gs y s t e ma n di t sr e a l i z a t i o nb a s e do ns o c ( s y s t e mo nc h i p ) t h es y s t e m g e n e r a t e s1 8k i n d so f w o r l d w i d eu s e dh d t v t e s tp a t t e r ns i g n a l ss u p p o r t e db ys m p t e 2 7 4 ms t a n d a r d , a n da l s op r o v i d e sy p b p r , r g bv i d e oo u t p u t sb o t hi nd i g i ta n da n a l o g a n dt h eo u t p u ti n t e r f a c e so fh u rb t 1 1 2 0 - 2 g y t 1 5 7 - 2 0 0 0s t u d i oh d t vd i g i t a l v i d e os i g n a li n t e r f a c es t a n d a r d t h et h e s i sf i r s t l ys u m m a r i z e s 也ec u r r e n tr e s e a r c ho fh d t vt e s tp a t t e r ns i g n a l a n di n t r o d u c e st h eh d t vt e c h n o l o g y , h d t vs i g n a ld e s i g nr e f e r e n c es t a n d a r d s ，s u c h a ss 【p t ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa n dc h i n e s es t a n d a r d sf o rh d t vd i g i t a lv i d e o s i g n a li n t e r f a c eo fs t u d i o n et h e s i st h e ni n t r o d u c e st o p - t o b o t t o ms c h e m e s w h i c h d i s c u s st h ef u n c t i o n a ld e s i g no fh d t vt e s tp a t t e r ns i g n a lg e n e r a t o ra c c o r d i n gt ot h e t a s k sa n dp l a t f o r mo f t h es y s t e m ，a n dd e v e l o p st h ef i m c t i o no f s u b s y s t e m s t h et h e s i sa n a l y s e st h et h e o r ya n dm a t h e m a t i cm o d e lo fh d t vt e s ts i g n a l ，a n d s t u d i e st h es i g n a lg e n e r a t i n gs c h e m ec a l l e ds i n g l e - f p g aa n dm u l t i - p r o m , a n d d e s c r i b e si nd e t a i li t sk e ym o d u l e ss u c h 髂c o n f i g u r a t i o nc o n n e c t i n g ，p r o mr o u t i n g , c o n t r o la n ds w i t c ht i m i n gd e s i g na n ds oo n t h es i n g l e f p g aa n dm u l t i - p r o m s c h e m ei n c r e a s e st h en u m b e ro fp r o mt or e d u c et h ed e g r e eo ff p g ad e m a n d e d ，t h u s i l l a b s t r a c t t or e d u c et h ec o s t t h e r e f o r e t h ec o d i n ga n dg e n e r a t i n go ft e s tp a a e ms i g n a l sc a nb e c a r r i e do u ti n d e p e n d e n t l y a n dt a k i n go ft h ef u l la d v a n t a g eo ff p g ar e s o u r c e ，t h e g e n e r a t i o no fs o m ec o m p l i c a t e ds i g n a l si sr e a l i z e da n dt h ed e v e l o p i n gc y c l eo ft h e p r o d u c ti ss h o r t e n d t h et h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ef p g ac o d e s f u n c t i o n a ls t r u c t u r ea n dt y p i c a l s i g n a l s a r i t h m e t i c a lr e a l i z a t i o no ft h es y s t e m b e c a u s eo ft h es y s t e m sh a r d w a r e p l a t f o r mi sah i g h - s p e e dd i g i t a lc i r c u i t ，t h et h e s i sa n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h ed i f f i c u l t i e s a n dk e yt e c h n o l o g yo fc o m p l i c a t e ds i g n a ls u c ha si n t e g r a t e dt e s tp a r e ma n ds m p t e r p2 1 9 - 2 0 0 2t e s tp a t t e r n f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sd i s c u s s e ss o m ep r o b l e m si ns y s t e m d e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n g k e y w o r d s ：f p g a ，h d t v , d i g i t a lt e s tp a t t e ms i g n a l ，t e s t i n gs i g r l a lg e n e r a t i n gs y s t e m 图表目录 图表目录 图2 1 数字视频数据传输9 图2 2s m p t e 2 7 4 m 隔行扫描系统的垂直、水平分布1 2 图2 - 3s m p t e 2 7 4 m 模拟接口垂直定时1 4 图2 - 4 数字接口垂直定时1 4 图2 - 5h d t v 视频的行格式1 7 图2 - 6x y z 字节格式。1 8 图3 1 系统基本任务2 0 图3 2 系统功能模块2 1 图3 3 系统总体结构框图2 2 图3 _ 42 t 脉冲与条信号2 9 图3 5r o m 块结构图- 3 3 图3 - 6 配置引脚连接原理图3 6 图3 7 选路原理图3 6 图3 - 8 程控时序关系图3 7 图3 - 9s i 开关的3 8 图3 1 0 用户交互予板控制原理图一3 8 图3 1 l 多路电源产生原理3 9 图3 。1 2 桥式整流4 0 图3 - l3 电容滤波电路4 0 图3 1 4 稳压器级联原理4 1 图3 - 1 5d a 转换原理4 2 图3 1 6 模拟输出波形图一4 3 图4 1v m t e x - e 结构图4 5 图4 2v m t e x - e 的i ，o 组4 6 图4 3v i r t e x - ec l b 的两个逻辑片( s u c e ) 4 7 图4 - 4f p g a 设计原理图4 8 图4 5 行，列坐标发生流程图4 9 图4 6h i ) t v1 9 2 0 x 1 0 8 02 6 4 0 x 1 1 2 5 逐行扫描2 5 h z7 4 2 5 m h z 定时基准信号5 0 图4 7h d t v1 9 2 0 x 1 0 8 02 2 0 0 x 1 1 2 5 逐行扫描3 0 h z7 4 2 5 m h z 定时基准信号5 0 图4 8h d t v 数字定时基准信号编码生成框图5 1 图4 9 定时基准码的时间位置f 1 0 8 0 1 6 0 ) 5 1 图4 1 07 5 彩条信号( 1 6 ：9 宽高比) 5 3 图4 1 1h d t v 数字视频彩条信号一5 3 图4 1 27 5 b a r s r e d 编码时序5 4 图4 1 3 五阶梯信号编码时序5 5 图4 1 4 五阶梯信号一5 5 图4 1 5 棋盘信号有限状态机5 6 图4 1 61 6 x 9 棋盘信号( 1 6 ：9 宽高比) 5 6 v i i 图表目录 图4 - 17 斜波信号模块设计5 7 图4 1 8 多波群信号5 8 图4 1 9 多波群信号模块设计，5 9 图4 2 0s m p t e r p 2 1 9 2 0 0 2 彩条测试图( 1 6 ：9 宽高t g ) 6 0 图4 2 1s m p t e r p 2 1 9 - 2 0 0 2 设计结构图。6 0 图4 2 2s m p t e r p 2 1 9 2 0 0 2 测试图模块框图6 1 图4 2 3 综合测试图设计结构图6 2 图4 2 4 综合测试图信号模块框图6 2 图4 - 2 5 配置芯片选择信号设计流程图6 4 图4 2 6 图像帧频选择信号设计流程图6 5 图舢2 7l e d 显示控制信号设计流程图6 6 图4 2 8 时钟与数据的关系6 7 图4 2 9r a m 块读数据时序6 9 图5 1 奇偶场信号o d de v e n 7 1 图5 2 场同步信号v s 宽度7 1 图5 3 奇场v s 7 l 图5 - 4 偶场v s 一7 1 图5 5 行同步信号h s 7 2 图5 - 6 奇场消隐期间的定时基准码7 2 图5 7 奇场有效视频期间的定时基准码7 2 图5 8 偶场消隐期间的定时基准码7 3 图5 - 9 偶场有效视频期间的定时基准码7 3 图5 1 0 彩条红场信号7 4 表2 - 1 常用h i ) 4 ：2 ：2 视频分量标准9 表2 2s m p t e2 7 4 m 扫描系统l 1 表2 3 视频定时基准码1 7 表2 - 4e a 、，和s a v 的保护比特18 表3 - 1v m t e x - e 配置模式一3 5 表3 2 模拟输出信号特性4 4 表4 1v m t e x e 中的b l o c k s e l e c t r a m 的数量4 7 表4 2 定时基准码码表5 2 表4 3 “7 5 b a r s ”( “1 0 0 b a r s ”) 编码表( 6 0 h z ) 5 4 表5 1h d t v 测试信号发生器支持的测试信号表7 4 v i i i 缩略词汇表 缩略词汇表 v l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n c c i rc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo fi n t e r n a t i o n a l r a d i o h d t v h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n s m p t e s o c i e t yo fm o t i o np i c t u r ea n dt e l e v i s i o n e n g i n e e r s a d t va d v a n c e dd i g i t a lt e l e v i s i o n f c cf e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n r r ui n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su 1 1 i o n 蛆s ca d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e d v b d t v p r o m f p g a a s i c c p l d m p u s o c p c b r a m n t s c c e a v s a v h d s d i l e d f 【r i p c o r e b r a m s r a m l u t c l 屉 i o b g r m l c p l u g e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g d i 豇t a l1 e l e v i s i o n p r o g r e m m a b l er e a d o n l ym e m o r y f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i m u i t c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e m i c r op r o c e s s o ru l l i t s y s t e mo nc h i p p r i n t e dc i r c u i tb o a r d r a n d o ma c c e s sm e m o r y n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e c o m m i s s i o ni n t e m a t i o n a ld ei e e l a l r a g e e n do f a c t i v ev i d e o s t a r to f a c t i v ev i d e o h i g h - d e f t n i t i o n - s e r i a ld i g i t a li n t e r f a c e l i g h t e m i t t i n gd i o d e f i l l i t ei m p o s er e s p o n s e i n t e l l i g e n tp r o p e r t yc o r e b l o c kr a n d o ma c c e s sm e m o r y s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y l o o k - u p - 皿出l e c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k i n p u t 0 u t p u tb l o c k g e n e r a lr o u t i n gm a t r i x l o g i cc e l l p i c t u r el i n e u pg e n e r a t i n ge q m p m e n t i x 超大规模集成电路 国际无线电咨询委员会 高清晰度电视 电视电影工程师协会 高级数字电视 联邦通信委员会 国际电信联盟 美国高级电视业务顾问 委员会 数字电视广播 数字电视 可编程只读存储器 现场可编程门阵列 专用集成电路 复杂可编程逻辑器件 微处理器 片上系统 印刷电路板 随机存储器 全国电视系统委员会 国际照明委员会 有效视频结束 有效视频起始 高清晰度串行数字接口 发光二极管 有限冲击响应 知识产权功能块 随机存储器块 静态随机存储器 查找表 可配置逻辑块 输入输出块 通用布线矩阵 逻辑单元 图像阵列产生设备 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：鏊壁墼日期：珈6 年2 月劢曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 新繇珍丝 日期：彩年二月幼日 第一章概述 第一章概述 1 1 数字高清晰度电视的发展概况吐3 1 近几十年来，电视系统经历了从模拟黑白电视，模拟彩色电视到数字电视的 变化。数字电视是现代数字信号处理理论与先进的大规模集成电路设计技术相融 合的产物。所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换 成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录， 也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备 获得比原有模拟式设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术不能达到的新功能， 使电视技术进入崭新的时代。与模拟电视相比，数字电视具有很多突出的优点， 如频谱资源利用率高、抗干扰性强、图像和伴音质量显著改善、便于提供新的服 务业务( 如电子节目指南、加密、视频点播) 等。数字电视代替模拟电视是必然 的趋势。 随着社会的进步和人民生活水平的不断提高，人们对电视图像的质量和艺术 表现力提出了更高的要求，期望新一代电视能提供更高级的视听享受，更清晰的 图像，更逼真的色彩，更优美动听的音乐，并能给人以身临其境的感觉，这是发 展高清晰度电视的原动力。另一方面，由于超大规模集成电路( v l s i ，v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 和数字通信技术的迅速发展，特别是数字视频压缩技术的发展， 为发展高清晰度电视提供了物质基础。 高清晰度电视能够给人们提供最高达1 0 8 0 1 9 2 0 分辨率的视频图像，配以 多声道环绕声音响和大屏幕显示，带来身临其境的视听感受，成为真正的家庭影 院。根据国际无线电咨询委员会( c c i lc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo fi n t e r n a t i o n a l r a d i 0 1 对h d t v 的权威定义：当观众在约为画面高度三倍的距离处观看时，具有 正常视力的观众所能看到的画面质量应该与在原始场景中所能觉察出的细节一 致；演播室信号应具有约两倍于现行标准的水平和垂直分辨率；显示屏幕对角线 的长度应该大于一米，其图像的宽高比应为1 6 ：91 4 1 此外通常还要配有多声道环 绕声的优质伴音。 电子科技大学硕士学位论文 黑自电视到彩色电视的过渡具有良好的兼容性，而数字电视与模拟彩色电视 之间没有兼容性，因此这个过渡也更剧烈，甚至有人称之为电视领域的一场革命。 相关设备的更新必将带来新的经济增长点。特别是h d t v ，它是融合信息论、数 字信号处理、计算机技术、超大规模集成电路、通信技术等商新技术成果而综合 发展起来的一项新兴前沿技术，它的发展对上述各技术领域的发展必将产生深远 的影响，进而带动社会各部门的发展与技术更新。因此，h d t v 技术的研究与应 用不仅仅有着广泛的社会意义，而且会对一个国家的信息产业的发展产生巨大的 推动作用，其潜在的巨大经济效益是不容忽视的。 国际无线电咨询委员会于1 9 7 7 年把高清晰度电视列为研究课题。美国电视电 影工程师协会( s m f t e ，s o c i e t yo f m o t i o np i c t u r ea n d t e l e v i s i o ne n g i n e e r s ) ，于1 9 7 7 年成立了高清晰度电视研究组。日本于1 9 8 0 年用1 2 g h z 卫星进行高清晰度电视 广播实验，在东京装有直径为1 6 m 的抛物面天线进行接收，获得很好的图像质 量。美国通用仪器公司于1 9 9 0 年6 月公布了数字高清晰度电视系统d i g i c i p h e r 。 此后，美国“高级电视研究财团”( 由四大财团组成) 于1 9 9 0 年1 1 月宣布，联合 研制“高级数字电视”( a d t v ) 。同年1 2 月，美国a t & t 微电子公司与贝尔实验 室宣布共同开发“数字频谱兼容h d t v ”系统。美国电视联盟研制了“信道兼容 的h d t v 系统”。美国政府机构联邦通信委员会( f c c ，f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n s c o m m i s s i o n ) 于1 9 9 1 年4 月至1 9 9 2 年4 月对已研究出的六套高清晰度电视进行 了测试，1 9 9 2 年三季度提出美国的h d t v 广播标准草案，1 9 9 4 年开始h d t v 试 播，1 9 9 6 年在美国亚特兰大举行的奥运会上试用。 美国、欧洲、日本这些发达国家已经将数字电视看作一个新兴的产业，争先 制定各自的数字电视标准，形成了目前国际电信联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) 推荐的a t s c 、d v b 等数字电视标准，并制定相应的 数字电视发展进程表以促进标准实施。此外也积极地在世界范围内推广各自的标 准，期望占领更多的市场。在2 0 0 1 年前后，韩国、新加坡、加拿大、澳大利亚、 巴西、中国香港、中国台湾等国家和地区先后确定了自己所采纳的数字电视标准。 日本、美国和欧洲在h d t v 制式上相争具有正负两方面的影响：负面的影 响是阻碍了世界上的h d t v 标准的统一；而正面的影响则是为我国发展h d t v 事业提供了一个良好的机遇。 2 第一章概述 我国在8 0 年代末期开始了h d t v 的研究。1 9 8 9 年，原国家科委组织了 h d t v 软科学研究，并且经过“八五”攻关项目“高清晰度电视研究”，使我国 在h d t v 仿真实验研究方面已达到国际先进水平。1 9 9 4 年6 月，国务院召开 专门会议研究加快h d t v 研究开发的问题，决定采取“分两步走”的策略。1 9 9 6 年4 月，作为第一步目标的数字h d t v 功能样机系统总体实施方案得到批准。 同年6 月在全国范围内公开招标，整个研制工作于1 9 9 6 年7 月全面开展。一 共有1 4 个单位，2 0 0 多名研究人员参加这个项目。经过全体人员的努力，用两 年多的时间研制出了我国第一套数字h d t v 功能样机系统，该系统的性能达到 了1 9 9 3 年美国“大联盟”的样机水平，引起了国内外的广泛关注。1 9 9 8 年9 月 成功地在北京中央电视台进行了开路演示试验，并且在1 9 9 9 年1 0 月1 日，中 华人民共和国建国5 0 周年之际，对天安门广场的国庆大典进行了现场直播，获 得了成功。虽然我国还没有正式开始数字h d t v 的广播，但我国众多省市、地 方电视台都已实现了电视节目的数字卫星传输，中央电视台和许多地方省台都在 通过卫星向全国传送数字卫星节目，电视台的发送和接收设备正在逐步实现数字 化，只是当电视台将数字节目从卫星上接收下来之后，仍然将其变成模拟信号送 到各家庭。数字电视( d 1 d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 的试点已经由京、沪、深圳三地区， 扩展到十三个地区。技术标准的制订接近完成。h d t v 即将进入普通老百姓的家 中。2 0 0 2 年初在北京举行的国家数字电视研究开发及产业化领导小组会议上，有 关部门指出，我国数字电视发展已进入实质性阶段，未来几年内中国政府将加快 数字电视研究发展的进程。并决定在2 0 0 8 年，在我国主要城市普及数字h d t v 的商用播出，北京奥运会将以h d t v 方式向全世界转播。 1 2 数字高清晰度电视测试信号的研究现状峙1 评价、测试一直是广播电视工程中一项非常重要的工作，而可视化的测试图 由于提供了更为直观、快捷的方法，方便了电视工作者了解系统或设备运行的质 量状况而得到了广泛的应用。g b 2 0 9 7 - 1 9 9 7 彩色电视广播测试图”1 是目前广 泛用于模拟彩色电视广播工程中的国家标准，无论是在电视节目制作、播出中心， 还是电视发射台、有线传输台，甚至在电视设备的生产或维修部门，都用得非常 之广泛。事实上每天早上，在大多数的电视台、电视节目频道正式节目播出之前， 都在播放这种类似功能的测试图，其目的在于用这种测试图来观察评价整个电视 系统( 包括播出系统、发送传输系统和接收显示系统) 的质量情况，以便及时发 电子科技大学硕士学位论文 现和解决问题，为正式节目播出做好准备。因为这种测试图综合了彩色电视测量 中使用的主要测试信号，包括棋盘信号、圆信号、亮度多波群信号或扫频信号、 阶梯信号、彩条信号、肤色及各种特殊的色块信号等等，这正是该测试图应用得 如此广泛的主要原因。 我国已开始播出高清晰度电视，由于在某些基本参数上( 例如在有效图像尺 寸或行、场消隐脉冲宽度、基色或彩色信号电平、色差信号的压缩系数及视频带 宽等方面) 数字电视与模拟电视有所差别，模拟彩色电视环境中十分通用的 g b 2 0 9 7 1 9 9 7 彩色电视广播测试图已不能满足数字电视系统有效测试的要求， 迫切需要符合国际标准及我国标准的各种高清晰度电视测试图像信号，以确保设 备和系统的质量。这也是我们研究制作数字电视测试图的重要意义之所在。 视频测试信号一般由摄像机或信号发生器提供。前者因制作标准测卡困难， 再经光电转换，难以提供标准的电信号。后者通常用电子线路形成或从p r o m ( 可 编程只读存储器) 读取数据转换而得。本文研究了h d t v 测试信号基于现场可编 程门阵y f f f p g a ，f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 的生成原理和方法，按不同电视 标准产生了多种电视测试信号，以适应电视技术的发展。数字式测试信号精确， 便于应用、修改、增删、存储和交换，经驱动电路或d a 转换电路，可转换成分 量或复合电视信号。 1 3 课题选题依据及研究工作 在高清晰度电视不断发展的同时，随着电子技术的不断发展与进步，尤其是 近1 0 年来，计算机电路辅助设计技术和半导体集成工艺技术的快速发展，在生产 的电子系统中，专用集成电路( a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 和现场 可编程门阵列的使用交得越来越多。与基于软件绘图和硬盘实现h d t v 测试信号 发生器相比，基于f p g a 实现的h d t v 测试信号发生器体积轻巧，便于携带，故 笔者对基于f p g a 的高清晰度电视测试信号发生系统进行了研究。 研究工作着重于高清晰度电视数字测试图案信号发生器的基本原理及其基于 f p g a 的具体实现。其中包括四个方面： 第一：系统的总体方案设计。包括对h d t v 国内外标准、测试信号原理、以 及单芯片多配置方案的研究和可行性分析。并针对系统任务采用了自顶向下的设 计方法进行了系统总体功能方案设计。 电子科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ 一_ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ 一 现和解决问题，为正式节目播出做好准备。因为这种测试圈综合了彩色电视测量 中使用的主要测试信号，包括棋盘信号、圆信号、亮度多波群信号或扫频信号、 阶梯信号、彩条信号、肤色及各种特殊的色块信号等等，这正是该测试图应用得 如此广泛的主要原因。 我国已开始播出高清晰度电视，由于在某些基本参数上( 例如在有效图像尺 寸或行、场消隐脉冲宽度、基色或彩色信号电平、色差信号的压缩系数及视频带 宽等方面) 数字电视与模拟电视有所差别，模拟彩色电视环境中十分通用的 g b 2 0 9 7 - 1 9 9 7 彩色电视广播测试图已不能满足数字电视系统有效测试的要求， 迫切需要符合国际标准及我国标准的各种高清晰度电视测试图像信号，以确保设 备和系统的质量。这也是我们研究制作数字电视测试图的重要意义之所在。 视频测试信号一般由摄像机或信号发生器提供。前者因制作标准钡卡困难， 再经光电转换，难咀提供标准的电信号。后者通常用电子线路形成或从p r o m f 可 编程只读存储器) 读取数据转换而得。本文研究了h d t v 测试信号基于现场可编 程门阵列( f p g a ，f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 的生成原理和方法，按不同电视 标准产生了多种电视测试信号，以适应电视技术的发展。数字式测试信号精确， 便于应用、修改、增删、存储和交换，经驱动电路或d a 转换电路，可转换成分 量或复合电视信号。 1 3 课题选题依据及研究工作 在高清晰度电视不断发展的同时，随着电子技术的不断发展与进步，尤其是 近1 0 年来，计算机电路辅助设计技术和半导体集成工艺技术的快速发展，在生产 的电子系统中，专用集成电路( a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n l c g r a t m dc i r c u i t ) 和现场 可编程门阵列的使用变得越来越多。与基于软件绘图和硬盘实现h d t v 测试信号 发生器相比，基于f p g a 实现的i - i d t v 测试信号发生器体积轻巧，便于携带，故 笔者对基于i = p o a 的高清晰度电视测试信号发生系统进行了研究。 研究工作着重于高清晰度电视数字测试图案信号发生器的基本原理及其基于 f p g a 的具体实现。其中包括四个方面： 第一：系统的总体方案设计。包括对h d t v 国内外标准、测试信号原理、以 及单芯片多配置方案的研究和可行性分析。并针对系统任务采用了自顶向下的设 计方法进行了系统总体功能方案设计。 计方法进行了系统总体功能方案设计。 第一章概述 第二：硬件系统实现。为了实现总体方案，必须首先针对系统各部分功能特 性和性能进行选片，即通过研究相关器件性能，选择合适的器件( f p g a 、 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 、m p u ( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ) 、d a 芯片、运算放大器以及晶体振荡器等) 进行系统设计与实现；其次在选好器件的 基础上，设计外围电路，绘制原理图；之后根据原理图以及时钟频率、数模电路 等约束条件，绘制p c b 图；最后，焊接元器件，调试p c b 板。 第三：软件系统实现。包括基于f p g a 的不同标准h d t v 测试信号的v e r i l o g 代码编写、基于c p l d 和m p u 的单芯片多配置方案的v e r i l o g 代码汇编代码编写、 基于m p u 的用户控制信号的汇编代码编写以及基于m p u 的d a 芯片寄存器配 置；在代码设计完成后，对代码进行调试、功能仿真和时序仿真，保证代码可靠 性。 第四：硬件系统与软件系统的联合调试。将代码下载或烧录到相关器件上， 通过数字示波器、万用表等仪器对输出信号进行观察，输出的h d t v 测试信号则 通过h d t v 显示设备进行观察。本系