（信号与信息处理专业论文）多功能dptv平台的研制.pdf

摘要 d p t v - d x 是一个单芯片的数字集成电路。该集成电路功能强 大，集成了数字处理电视技术的一部分先进技术，如1 4 d ( 1 4 种 动态画面增强技术) 、1 0 0 h z 场频技术、隔行变逐行技术等。本文 以d p t v o d x 芯片为基础与微机相结合研制了多功能d p t v 平台。 该平台应用于视频图像处理领域，可对不同制式、形式各异的电 视图像进行多种处理，且能方便地调整处理参数，处理后的信号 可直接输出，并可在显示器上观看其效果。文中详细叙述了 d p t v - d x 芯片的功能、多功能d p t v 平台的结构、印刷电路图的 实现以及d p t v 的编程。在论文的最后一章对该平台的应用举了 一个实际例子，通过实验验证了平台的多功能性。 关键词：数字处理电视技术1 4 d 视频编解码同步图形存储器 印刷电路板接口转换 a b s t r a c t d p t v - d xi sa d i g i t a li n t e g r a t e d c i r c u i to fs i n g l e c h i p w i t h a d v a n c e d d i g i t a l v i d e o p r o c e s st e c h n o l o g y s u c ha s14 一d p i c t u r e e n h a n c e m e n t ，i n t e r l a c e d 10 0 h zs c a nr e f r e s ha sw e l la st h e t r a n s f o r m a t i o nf r o m p r o g r e s s i v e i n t e r l a c e ds c a nt o d e i n t e r l a c i n g f o r m a t t h i s p a p e rd e v e l o p s am u l t i f u n c t i o n a l d i g i t a lp r o c e s s i n g t e l e v i s i o np l a t f o r mb a s e do nd p t v - d x c h i p ，w h i c h i su s e di nt h e f i e l do fv i d e op r o c e s s i n g b yt h ep l a t f o r mt h ed i f f e r e n tp a t t e r ns i g n a l s p r o c e s s e dc a l lb ed i r e c t l ye x p o g e d a n dt h ep i c t u r ec a nb e d i s p l a y e do n t h e s c r e e n f u r t h e r m o r e ，t h e c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s c a l lb e c o n v e n i e n t l ya d j u s t e d t h e s t r u c t u r e ，f u n c t i o n a n dt h em e t h o do f a p p l i c a t i o n a r e i n t r o d u c e di nd e t m l a l lr e s u l t ss h o wt h e h i 【g h m u l t i f u n c t i o no ft h i s p l a t f o r m k e y w o r d ：d p t v 1 4 dv i d e od e e n c o d e rs g r a m p c b i n t e r f a c ec o n v e r s i o n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同： 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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘差 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名：曩良乞 签字日期：年月日签字日期；训t 年l 又月f 口日 引言 电视技术的发展已有数十年的历史，今天的电视已从三十年前的黑白电视 发展到色彩鲜艳而逼真的彩色电视，目前正处在从模拟电视到数字电视的过渡 阶段。电视的使用范围早已大大地越出了广播的界限，扩展和深入到科研、教 育、工业和医疗等各个部门。模拟电视最明显的缺点是：在传输过程中，特别 在接力传输时，信号和图像质量的损伤是积累的。同时模拟电视还具有稳定度 差、可靠性低、调整繁复、不便于集成、自动控制困难以及成本高等缺点。 数字电视的研究最早源于日本，但美国欧洲后来者居上。数字电视的高清 晰、图像多声道、音频多媒体联网以及互动点播等功能与实际收看效果是现行 的模拟电视望尘莫及的。 由于目前的模拟彩电不能满足对d v d 等片源充分展现的要求，也难于适应 越来越大的屏幕幅面的要求，因而清晰废的提高就成为改进模拟彩电首当其冲 的任务。为此众多的数字技术已经运用于模拟彩电中。除了在遥控、r 。c 总线等 控制方面的数字技术运用外，诸如数字延时线的梳状滤波( 数字亮色分离) 、 数字3 d 、画质改善等也得到了应用。而数字存储技术、画中画、d n r 降噪等图 像处理技术更会日渐深入。 随着电子技术的进步，原有的广播电视标准6 2 船5 0 6 2 5 娟o 显示出很多缺 陷，如行间闪烁、帧间闪烁等。为解决这个问题，提出了许多解决方案，如： 其一，改隔行为逐行扫描，使每场由3 1 2 5 行变为6 2 5 行( i o o h z 倍频扫 描) ，同时采用计算增补的方法可以增多每行像素，达到每行7 2 0 个：其二，增加每 场扫描行数，由6 2 5 行增大一倍到1 2 5 0 行，或者采用7 5 h z 逐行扫描，将每场 6 2 5 行提高到1 5 倍：其三，利用行间内插运算方法，把每行水平像素数值由7 2 0 个增加一倍，变为1 4 4 0 行。 如上所述采用数字处理技术，提高原有的模拟电视图像质量，从而形成称 为“数字处理电视”( d i g i t a lp r o c e s s i n gt v ) 的新型产品，简称d p t v 。 d p t v 是模拟彩电应用数字技术的总结，其技术本身体现了视频图像处理领 域从模拟过渡到数字的特点，它既适合模拟电视也能满足数字电视的部分功能 扩展需要。目前，d p t v 技术不仅在彩电的数字化方面取得了飞速发展，而且在 其它军事、医学、冶金等部门也得到了广泛的应用。有多家公司开发出d p t v 处 理芯片，本文就美国t r i d e n t ( 泰鼎) 多媒体技术公司开发的d p t v d x 芯片做 一介绍，并作者利用该芯片结合微机构建了d p t v 平台。详细内容见以下章节。 第一章d p t v i ) x 芯f l 功能概述 第一章d p t v d x 芯片功能概述 美国t r i d e n t 泰鼎多媒体技术公司在上海开发出的d p t v d x 大规模数字处 理集成电路芯片是。2 0 8 p i np q f p 封装的数字处理电视视频芯片，是该公司d 系列视频芯片中的一个单芯片高端数码电视集成电路芯片。它使用厂先进的 o 3 5 u r n 处理技术，集成了诸如可编程的5 行自适应数码梳状滤波器和个 n t s c p a l 电视解码器，1 4 一d 动态画面质量增强功能以及副画面、画耐分割显 示模式等功能。另外，还有p i p ( p i c t u r ei np i c t u r e ) 显示的缩放可编程能力及变 频逐行扫描技术和自适应运动检测能力等优点。其突出的技术特征是把帧存储 器置于芯片内，使得扫描频率与所接收的电视制式无关。它可将现行的模拟电 视信号转换成高画质的逐行电视图像，并可通过m p e g 2 解码器接收h d t v 电 视f 。播。d p t v d x 的功能流程如下图所示 帧蠼冲器 脚叠：i 譬 比特! 教模 ： 羹 带自适应柱 蠹攀 鬻 主置面显示 溪 自动 露鹣薤蘩瓣蘩糍 转换 。 全覃与事| 蠼鬻 性嫱放 1 4 n 动杰i 彩色 l 纛j 鬻 囊增强 诃甍 l 羹鬃簿骥嚣 蓁 状雌谜辱的 缫 帧疆冲控制誊 税叛解玛器 囊萋 j 霎霎囊i鬻鬟； 黼。黼色軎 垂撵蒜匿i 瓣i l 转换 渊徽勰i 驴帅縻 挂连年转换嚣 空闻 捏合 剥接口睡囊。 鏊g i ! l ；i 剽”4 “”目 1 1 数字视频格式变换 圈1 1d p 个v 平台系统框图 d p t v - d x 芯片内集成的n t s c p a l 电视解码器可以把模拟电视信号转化为 i t u - r b t 6 0 1 - a 建议的的数字信号，关于该标准的参数见表1 1 。 表1 1i t u r b t6 0 1 a 建议的主要参数： 第一章d p t v d x 芯片功能概述 编码信号yr yb yyr yb y 取样结构正交正交 r 编码方式对于y u v 信号均采用每样值8 位的均匀量化p c m 取样频率 亮度信号y1 3 5 m 1 3 5 m h z 色度信号uv6 7 5 m h z67 5 m h z 全行的样点数 8 5 88 6 4 uv 4 2 94 3 2 每有效行样点数 7 2 07 2 0 uv3 6 03 6 0 信号电平与量化值对应关系 v 黑电平对应于1 6 ，峰值白电平对应于2 3 5 ，共2 2 0 个量化级；零信 uv号对应于1 2 8 ，共2 2 4 个量化级 该芯片输入的电视信号可以是s v g a m p e g 2 数字视频输入、复合视频输 入、s - v i d e o 输入或分量( y c b c ，) 输入形式。解码器内部的两个模拟转换器可被 编程用以选择不同的输入信号模式。被选中的信号被送到自动增益控制 ( a g c ) 中，然后到1 0 - b 1 的a d c 转换器中。被a d c 取样的信号可以是n t s c 、 p a l 、s e c a m 等。非解码信号直接进入3 5 行梳状滤波器中以保证在亮色分离中 的垂直色度信号的分解。图1 2 是具有a f e a g c 功能的该解码器的功能框图。 c c b c r 瓣 盯s o p lt v 懈玛器 襻 1 2 捕获功能块 圈1 2 具有a f 日a g c 功能解码器功能框图 4 螺 慕 第一章d p t v d x ：苍片功能概述 由于d p t v d x 芯片内置有多种画面显示模式，所以捕获块由两个独立的 主画面块和p 邛块组成。主画面块把通过a f e ( a n a l o g f r o n te n d ) 接收到的 模拟信号送入到电视解码器中。在该解码器中配置有一个可编程的3 、4 、5 或 无行的梳状滤波器。与显示模式相适应，滤波后的信号有选择地送到一换算器 中。p i p ( 画中画) 块只接收数字信号，显示模式和主画面完全相同。但它没有 配置d c f t v 解码器，只有一一个简单的降噪电路。 主嘶面 攫 c 蔓寺s v id e o 、 分量) 一网母 悄蠼冲嚣 图1 3 ：捕获功能块 1 3 画质增强功能 为了消除画面的大面积闪烁和行间闪烁、实施数字降噪、提高整个画面的 画质，d p t v d x 芯片内集成1 4 种动态画面增强技术( 简称1 4 d ) 。该部分是 视频图像数字处理的核心内容，直接关系到画质的改善与提高，为此对其部分 原理及其效果详细介绍如下： 1 3 1 动态亮度瞬时改善d l t i ： 在模拟信号处理中，使用微分尖锐化方法从亮度信号中提取轮廓增强信 号，即对亮度信号f ( x ) 进行二次微分后产生轮廓增强信号，经倒相后叠加在 原信号上，以获得轮廓增强；而在数字信号处理中，运用一阶差分和二阶差分 替代模拟信号的一阶微分和二阶微分，即可实现轮廓增强的目的。 1 3 2 动态色度瞬时改善d c t i ： 从4 ：1 ：1 源来的色度信号经解调后得到色差信号u 及v 。鉴于色差信号 带宽远窄于亮度信号，因此当传送一个前沿很陡的电视信号时，色差信号前沿 第一章d p t v d x 芯片功能概述 的过渡时间较长导致屏幕上图像边沿彩色较模糊。d c t i 通过检测水平方向瞬态 变化来提高无过冲的鲜明度。其工作过程的描绘如图1 - 4 所示。 廿口辟珏 口 口原贻像素 内捕像隶 口 口 口e b廿n 图1 - 4d c t i 基本运行原理 整个电路运行在4 ：2 ：2 格式，它是用线性内插的办法，从4 ：1 ：l 输入数据进行首次重组，在d c t i 块中经过处理和上取样后得到4 ：4 ：4 格 式。主导思想示改变数据路径时延，它是通过u 、v 信号进行两次求导来完 成，无论正瞬态和负瞬态均同样对待。从一次微分器上取得绝对值后，对该信 号再次求导，其输出来控制瞬时数据路径时延。在边缘效应时是明显的，前 半的数据路径时延高于正常值，而后一半的数据路径时延低于正常值，最终使 边缘变得十分陡峭，而大大改善了轮廓的鲜明度。 1 3 3 动态帧问降噪： 6 第一章d p t v d x 芯片功能概述 电视图像的帧间相关性极强，而噪声则具有随机性，因此对各帧信号进行 平均可去除存在于静止图像中的噪声。用一阶递归滤波器实现对信号的平均， 可以使电路变得十分简单。主要部件只有一个帧缓冲器、一个乘法器和一个加 法器。由于递归滤波器的反馈回路不断将输出图像以一定的比例与输入图像相 加，因此递归滤波器是一种多帧平均过程。采用递归滤波器进行噪声抑制的框 图如图1 5 所示。 图1 - 5 由递归滤波器进行噪声抑制 该图的传递函数为 h ( z ) = 素 式中：k 为常数，z 1 代表延时1 帧，或以z - 1 表示。其频率响应为 眦1 = 格 ：! 二墨 1 一k ( c o s r o t j s i nc o t ) 因此，幅频特件为 i h 圳2 = 丽 相频特性为妒( 国) = 一r g 。器 图1 - 6 示出了相应的幅频特性和相频特性。 4 5 0 0 + 4 5 。 ( a ) 幅频特性 ( b ) 相频特性 图1 - 6 递归滤波器的幅频特性和相频特性 ( 1 3 ) 颤特性 第一章d p t v d x 芯片功能概述 振幅 0 图1 7 频谱特性 由图可知，幅频特性是梳齿等幅度和周期性的，有梳状滤波器的特点。在 = 娶各点上( 为整数) ，滤波器的传输函数为1 ，t = 4 0 m s 时，梳齿的间 隔是帧频( 2 5 h z ) 。滤波器的梳齿宽度随系数k 而变，k 越大，梳齿越窄。滤 波器相频特性也是周期性的，虽然是非线性的，且相移也随k 值而变化，但在 珊_ 娶的各点上，相位为零。在其附近，可近似地看成线性相位。另外，我 们己知道，电视信号的频谱分布是周期性的离散谱线，信号能量集中在行频整 数倍附近的间隔为帧频( 包括场频) 的谱线上，如图1 7 所示。因为滤波器的 延迟量为一帧，图像信号可由梳峰通过，噪声能量则可由梳谷抑制，从而提高 了输出的图像信号的信噪比。 下面我们再来分析信噪比的改善程度。设滤波器输出端的信噪比为 墨，输入端的信噪比为s j m ，则有害另争= 瓦n i 。这表明，经滤波后信噪 比的改善度等于输入端噪声功率m 与输出噪声功率o 之比。因滤波器的梳齿是 以帧频为周期的，可在该周期内计算噪声功率。 设输入噪声的能谱宽度为n 2 ，则一个周期内的输入噪声功率为 l = f 玎2 够= 聍2 r 而一个周期内的输出端嗓声功率为 。= 丽1 j 0 2 2 1 h ( ) | 2 耐 = 历n 2f 2 丽d 砑= 等- 篇 此时，信嗓比的改善度，以分贝表示时，有 吐 第一章d p t v d x 芯片功能概述 器=瓦n_lolog酉i+ksk () ，。 。1 一 信噪比的改善度与k 值之间的关系曲线如图1 8 所示。k 越接近1 ，滤波 器的抑制噪声的效果越好，当k = 09 5 时，信噪比改善1 6 d b 。 2 5 2 0 15 l o 5 o oo2o4o6 o81k 系帮 图1 - 8 信噪比的改善度与k 值之间的关系曲线 由式( 1 3 ) 不难导出梳齿的宽度为 ， 矽：一1 c o $ - 1 ( 2 一生壁)“ , z - t 、 2 k 。 例如，当k = 02 5 时，仁1 1 5 h z ，但当k = 04 1 h z 时，仁o 4 1 h z 。对于 静止图像来说，k 系数越大，噪声滤除效果越好，图像也越清晰。但对于活动 图像信号，谱线并不静止不变，而是随运动速度的变化发生谱线位移。如果谱 线的位移超出里，则会产生图像模糊。因此，对于k 之值，静止时要求大； z 活动时要求小。因此电路中加一个运动检测器如图1 - 9 ，它能根据图像中的运动 情况选择不同的反馈系数，对运动进行自适应处理。由于人眼对运动较快图像 中的噪声不太敏感，所以这种自适应控制对降噪有很好的效果。 出 ) 如图1 - 9 具有自适应控制递归滤波器 1 3 4 逐行扫描的运动图像补偿： 当场扫描频率提高到1 0 0 i _ z 1 2 0 h z 时，由于扫描频率的变化便会引起运动 体边缘模糊的现象。最简单的双扫描是每场显示两次，在图1 1 0 中可清楚看出 每第二场运动体的位置不正确的图示形式，若观察者两次跟踪运动体，即会发 现对相同的目标在两场中的位置并非出现在所想象的位置。由于运动出自每秒 9 第一章d v i v d x 芯片功能概述 钟2 5 幅图像帧，所以在电视机上看电影往往会出现众多的视觉误差。对于 5 0 h z 6 0 h z 的电视而言，由于很低的图像切换率，每次运动相移仅显示两次， 导致高速运行物体造成很多麻烦，而在1 0 0 h z 1 2 0 h z 的倍场彩电中，则出现4 次，造成不预期出现位置更明显，运动体边缘更模糊。 v 腩f 图1 1 01 0 0 h z 倍场引起运动边缘模糊 1 ) 运动估算 为了克服上述问题所引起的视觉差错，需要用到运动估算技术，必须使内 插图像出现在观察者所期望看到的位置上。d p t v d x 采用了递归搜索的块匹配 法。它首先把图像分成8 * 8 像索的许多小块，而每一块的运动矢量储藏在芯片 的矢量预测存储器中，根据这些预测矢量来计算出新的矢量。运动估算器使用 了两个同时发生递归块匹配器、并分别检查四个不同覆盖方向的预选矢量。在四 个预选量中有一个来自预先处理的对角相邻的小块，用空间预测矢量来表示， 而另一块来自前一场中的块，用瞬时预测矢量来表示，图1 1 l 表示它们的位 置。估算器a 检查s 。和t 。，估算器b 检查s b 和t h 。对于瞬时预测矢量的块与 空间预测矢量的块是对角线相应的，它们并不邻接，而在一个相同方向有较大 距离，这样有利于提高会聚速度。 第一章d p t v d x 苍片功能概述 垂直方向1 时圊 s a ，s b 空阃于五嘲* 量 t a ，t b 豫时预铡是量 一 理行蛱 莎理行增中的稻铞块 口 预先塥中埭 图1 1 l 空间预测矢量和瞬时预测矢量相对于正在处理块的位置 除了上述两种矢量外，估算器也要测试出一个预选矢量，它是空间预测矢 量和一个修正矢量之和，而修正矢量是从一组不同方向和长度已限定的矢量中 循环地选取每个估算器所测试的第四条矢量就是0 矢量。由于有限的候选 数，所以运算递归可估计出预先值的有限校正。估算产生一个较精确的矢量平 滑的场来描述图像的瞬时内插。利用并行而不同预测方向的两个估算器来解决 运行的问题。 2 ) 运动补偿 运动估算与先进的上变换算法组合在一起，把预先场和下一场的运动补偿 的图像信息加到三点中值滤波器去。与其一起加到滤波器去的还有一个未运动 补偿平均取样值。中值滤波实质上是一种非线性信号处理方式，能有效地滤除 脉冲干扰以及图像扫描噪声。在正确运动矢量状态下，从相邻场中取出两个运 动补偿像素很可能是相同的，并通过中值滤波器选取其中一个。若它们是不同 的，则表明该运动矢量是不稳定的，非运动补偿的像素在输出端出现概率会增 多，其结果是矢量不足情况下图像有一个平滑衰落。首先应考虑“本地违约” 的选择，以及芯片产生在运动矢量普遍可靠性方面的关键数据，这些数据通过 外部微处理来处理，当出现可疑数据，可以逐步强制进入到非运动补偿模进行 上变换处理。 第一章d p t v 、一d x 芯片功能概述 最后动态设置运动图像检测功能，如设置运动自适应逐行使能，边缘自适 应逐行使能等，利用扫描转换算法自动进行数字视频转换，即可消除运动图像 的边缘锯齿。 1 3 5 动态数字梳状滤波器d d c f ： 内建的双制式数字梳状滤波器，d p t v - d x 采用了5 h 自适应梳状滤波器，用作 y c 分离和色度解码，可将视点位置扭曲现象及颜色噪音减至最低，极大地消除 串色干扰及色彩噪声，令色彩更清晰明亮。改变控制寄存器的值，可对色度解调 的相位进行控制。 1 3 6 动态扫描速率调整s v m ： 其功能是取出亮度信号中迅速变化的边缘成分去调制电子束水平扫描速 率，使亮度有显著变化的图像轮廓更清晰更鲜明。当电流以一定的电子束轰击 c r t 荧光屏时，在水平扫描速率较快的扫描点上，其亮度比正常速率时要暗， 反之，则变亮。故可调节电子束扫描速率来控制图像的明暗，从而起到勾边的 作用，使荧光屏上的影像轮廓更加清晰，荧光屏边缘附近的轮廓也能清楚地显 现。 1 3 7 动态g a m m a 校正： 通过执行内部的lut 功能，能弥补在tv 模式上和pc 监视器模式上显 示的差异性，如对比度，色调等。同时校正显象管的亮度非线性问题，改善亮 区层次感。 1 3 8 动态自适应平滑滤波器： 减弱或消除图像信号颇域空间的高频分量，但不影响低频分量。因为高频 分量对应图像中的区域边缘等灰度值具有较大较快变化的部分，滤波器将这些 分量滤去可平滑图像，同时消除高频噪声。 1 3 9 动态帧扫描速度转换： 利用帧存储控制器实现了扫描频率与所接收的电视制式无关的特性，因而 具有强大的数字变频扫描能力。如倍行及倍场处理是将数字视频信号以 1 35 m h z 写入存储器而以2 7 m h z 从存储器中读出，以实现倍行功能。利用同样 原理可以在6 0 、7 5 h z 逐行和5 0 、1 0 0 h z 隔行范围内对扫描频率进行设置，从而消 除大面积图像闪烁和行间闪烁。 1 3 1 0 动态黑电平扩展： 第一章d p t v d x 芯片功能概述 能增强暗区层次，可动态改变黑电平扩展数值。 除此之外该平台还具有动态白电平限制、动态肤色校正、动态自适应静 态背景检测逐行处理等功能。 1 4 屏显( o s o ) 功能块 o s d 是将信息直接以文本或图形的形式覆盖在当前的显示图像上的显示系 统的一种状态。它的数据可以叠加在解码后的视频数据的一部分或全部上。在 d p t v d x 中，o s d 也可以以1 6 个等级灰度与视频信号混合。c p u 可以在任何 时候把o s d 的数据写入到位于帧缓冲器中的o s d 的存储器中。当帧缓冲器确 定一显示地址的同时，c p u 就把新的o s d 数据写入到该缓冲器的另外位置上， 以便将来显示，或直接用于当前显示。屏幕上的所有o s d 数据在帧缓冲器中是 一整块，该块是长方形的，由四个寄存器来定义它。这四个寄存器描述屏幕上 的o s d 块的水平起始位置、水平结束位置、垂直起始位置和垂直结束位置。 一个o s d 块由每像素4 _ b i t 的o s d 像素位图构成。o s d 是以1 6 色显示 的，在芯片内有一1 6 x2 9b i t 的对照表，表中每4 b i t0 s d 像索值和2 9 b i t 的 颜色因子相对应。其中包括2 4 b i t 的r g b 真彩数据，l b i t 用于颜色闪烁功能的 关和闭，闪烁频率由一个寄存器控制。其他的4 b i t 是决定在有背景o s d 时的现 行o s d 的1 6 个彩色透明度值。 屏幕上的g s d 区域可在水平及垂直方向上放大或缩小，它由两个寄存器控 制。 o s d 的背景是可选的，它由一个寄存器控制。0 s d 的输入信号可以是视频 信号也可以是s v g a 信号，同时o s d 也支持隔行或逐行显示。 悄缓冲尊 小嘶r 即 恐古磐 一o s 。阿 图卜1 2 0 s d 功能块 第一章d p t v d x 芯片功能概述 1 5 双时钟合成器 d p t v d x 内部有两个时钟合成器。主时钟用_ 显示记忆( m c l k ) ，它的最 高频率为j 0 0 m h z 。第二个合成器是像素输出时钟( p c l k ) ，频率接近1 0 0 m h z 。 m c l k 和p c l k 都可被编程。在d p t v - d x 芯片上数模转换器( d a c ) 和双时钟合成 器的信号都是模拟的，它们的电源应从外部+ 3 3 v 和g n q ) 分别独立输入。 对该接口，唯一与外部的联系是一个电阻i r s e t ，用于调整d a c 的电流和 c o m p 。 为了正常地工作，双时钟合成器要求在d p t v - d x 的m l f 和v l f 两引脚分别 配置低通滤波器，由x t l i 引脚要输入1 4 3 1 8 m i q z 的t t l 信号或者在x t l i 和 x t l 0 之间配置1 4 3 1 8 m h z 的晶振。对d p t v d x 的基本操作都是对芯片内时钟合 成器和对l u t d a c 的操作。片内的时钟合成器用于对显示记忆时钟( m c l k ) 和 像素时钟( p c l k ) 定时。p c l k 和m c l k 都可通过对5 页的地址为2 0 的寄存器编 程，即改变n 、m 、k 的值由以下公式求得一相应的频率。 f r e q u e n c y = o s c x ( n + 8 ) 1 e a + 2 ) x 翻 ( 公式1 1 ) 在有噪环境下，m 应小于3 l 。各比特数据格式如表3 1 所示 注意 表卜2 ：比特数据格式 m s b d 7d 6 d 5d 4d 3d 2d 1d o k lk om 5m 4m 3m 2m 1m o l s b d 7 d 6d 51 2 4d 3d 2d ld 0 n 7 n 6 n 5n 4n 3n 2n 1n o 1 n 的无效值是：0 - 7 、9 - 1 5 、1 8 2 3 、2 7 3 1 、3 6 3 9 、4 5 4 7 、5 4 5 5 、6 3 2 d 7 一d o = 1 2 c 总线或c p u 输入的数据线；k 1 - k o = 输出频率值： m 5 m o = 输入除法器的参考频率； n t - n 0 = v c o ( 压控振荡器) 的频率分配。表1 3 列出了当晶振或振荡器 频率为1 4 3 1 8 m h z 时，m c l k 及p c l k 的n 、m 、k 。 表1 - 3m c l k 及p c l k 的n 、m 、k 【寄存器值 m k 输出频率 h if i l e x lil o wf i l e x ) m h z 4 ba b 1 7 l 1 1l9 8 5 7 5 1 6 8 3i 2 4 3 6 323 1 5 0 1 4 第二奄多功能平台的建立 第二章多功能d p t v 平台的建立 2 1d p t v 平台的系统构成 基于d p t v d x 芯片的d p t v 平台系统框图如图2 1 所示。由于该d p t v - d x 芯片功能强大，所以系统所需外围元件少，成本低。平台的主要设计任务 是；1 有两路输入信号，视频输入掣1 为主画面信号，视频输入# 2 为经外部解码 器解码输入的副画面信号。其中主画面信号输入形式可以是以下四种： s v g a j m p e g 2 数字视频输入、复合视频输入( c v b s ) 、分量输入 ( y c b c r ) 、s - 端子输入( y c ) ；2 可编程的1 0 0 h z 隔行和6 0 h z 逐行扫描。3 1 4 个动态图形增强功能( 1 4 d ) 、可编程的5 行自适应梳状滤波器、可编程的 图景缩放、t 校正等。4 屏幕显示模式除一般模式外还有画中画( p i p ) 模式、 此外还有2 - 9 个画面分割显示模式。 图2 - 1 d p t v 平台系统框图 本设计中共有两个大的p c b 板和一个小的p c b 板。两个大的p c b 板分别称 为底板和f e a t u r eb o x 板，在底板上有输入输出接口、电源接口以及与f e a t u r e b o x 相连的a vi n 接口。为使系统将来能用遥控器控制，底板上还留有c p 0 接 口。f e a r u r eb o x 板的主要任务是要实现本设计的各种功能，在以d p t v 叼x 芯 片为基础的前提下配置两片2 m 同步图形存储器s g r a m 和一片的k s 0 1 2 7 b 。 数字电视信号处理实际上是基于图像存储器的数据处理操作，所以存储器 的选取至关重要。视频图像存储器必须拥有大容量的存储空闻和高速率的宽u o 数据传输端口。本文选用的同步图形存储器( s g r a m ) 即可满足上述要求，它 第二章多功能平台的建立 的结构和工作方式是以同步动态存储器( s d r a m ) 为基础的。该s g r a m 由 d p t v 芯片内的帧存控制器配置为带有同步接口的1 2 8 k x 3 2 的动态存储器。对 其读写由控制器发出的脉冲信号控制。其存储主画面及副画面的地址分配由 d p t v 内部寄存器进行设置。 副画面解码器使用k s 0 1 2 7 b 视频解码芯片，其功能特性如下：( 1 ) 拥有 六路可选模拟输入，可将复合、亮色分离或分量形式的n t s c 、p a l 或s e c a m 制式的模拟电视信号转换为数字分量电视信号。输出的数据可根据i t u r b t ，6 0 1 a 或方像素取样率标准选择y c b c r 或r g b 格式：( 2 ) 内置两行亮、 色信号梳状滤波器；( 3 ) 亮度带宽、对比度、亮度可编程以及边缘增强效果； ( 4 ) 色度带宽、色调、饱和度可编程；( 5 ) 高质量的水平和垂直双向下取 样：( 6 ) 可编程的g a m m a 校正表；( 7 ) 可编程的时钟信号：( 8 ) 拥有工业 标准的1 2 c 接口。 该系统通过微机完成对d p t v d x 与外解码芯片k s 0 1 2 7 芯片的初始化以 及现场控制。鉴于该二芯片都具有标准的1 2 c 接口，选用1 2 c 总线实现主机与两 芯片的通信，可使系统电路模块化，结构简单、灵活，控制方便。由于数据是 由控制主机的并行端口输出的，所以需要经过并串转换电路，将其转换为1 2 c 串行模式。下图2 - 2 是该系统的硬件方框图。 电漂睹示灯 c 盯l ： l f赢扳 圃 “触 一苫轿一一| 圈2 - 2d p t v 系统的硬件方框图 1 6 第二章多功能d p t v 平台的建立 2 2 印刷电路图的实现 2 2 1 底板的设计 1 f e a t u r eb o x 电源插座 f e a t u r eb o x 的位置在电源接口及a v 接口附近。理论上来说每一个视频信 号都应有其自身的地线，但为了节约插座的管脚，本文中使用一些信号共用地 线。通过共用地线，视频信号之间会互相干扰给信号本身带来可察觉的干扰， 为减小该干扰在靠近视频输入接口处放一7 5 欧姆的负载电阻。 图2 3 给出的是d p t v 系统的各部分放置和信号的路线。其中最重要的部 分是f e a t u r e b o x ，c p u 板( 预留) 和a v 信号输入板。 图2 - 3d p t v 平台各部分放置 如图2 3 所示，a g n d 3 ，a g n d 4 ，a g n d 5 这些地是不同信号的公共地，不 能太长。a g n d l 是所有c v b s y 信号的模拟地，a g - n d 2 是所有色度信号的模 拟地。 2 电源和地电路布线 f e a t u r eb o x 有三个独立的电源电路，它们是5 v d d m g n d 、 5 v d d d a g n d 3 和5 v d d a g n d 5 。5 v d d m 为d p t v - d x 和第二解码器提供 正的数字电压，最大电流可达8 0 0m a 。5 v d d d 为d p t v - d x 和第二解码器的 数模转换器( d a c ) 提供正的模拟电压，最大电流可达3 2 0m a 。5v d d a 为 d p t v d x 和第二解码器的a d c 提供正的模拟电压，最大电流为1 5 0 m a 。这 些电路分别在底板上布线，然后连接在一个焊盘上如图2 - 4 所示。 第二章多功能d p t v 平台的建立 电塬入 地焊点 尽可能箍 图2 - 4 电源和地电路步线 3 7 5 欧姆匹配电阻 当信号源以分量s v i d e o y c r c b 的形式输出视频信号时，理论上它在到达 i c 输入端口时会被7 5 欧姆的匹配电阻分压至1 v 。通常i c 输入端的阻抗为无 穷大，所以可以忽略掉。如图2 5 。 ；西拈= - ： 乙一 制 图2 5 然而在实际应用中，视频信号不能被象用铜轴电缆传输的一样好。如图2 - 6 所 示。 图2 - 6 那时i c 的输入端就不能得到正确的信号电压值，如公式( 2 1 ) 所示。 l s h 、奄 同b，3j鼍3函 第二章多功能d p t v 平台的建立 ；丽烹矧 百万i i 忑磊j ：! ：兰! ：旦 ，t 7 毙虻l z 1 1 + 7 ( 公式2 - 1 ) 当z 等于r + z c + z l 时，r i n 会趋 二无穷。当不能忽略公共地的影响时( 即 使仅o5 欧姆) ，就会产生可察觉的窜扰。这样在主画面上会出现- d , 块阴 影。甚至当公共地阻抗减小到零时，输入视频变为公式( 2 2 ) 值。当z 随着视 频 v “= 2 0 v 【7 5 ( z ”+ 1 5 0 、 ( 公式2 2 ) 信号的频率变化时，在主画面上仍能观察到噪声的存在。因此在放置7 5 欧姆 匹配电阻时离视频源越近越好。 4 输入输出视频信号布线 所有的视频信号及其参考地和高频辐射源分开放置，如电源的m o s f e t ， 转换器和高频调谐器，如图2 7 所示。在有效的空间下，所有的视频信号线均 应被其参考地环绕。 不芷的赫 图2 7 图2 - 8 对r g b 信号的放置，a g n d 4 环绕着r g b 线到v g a 端口的d 型插座， 直到d 型插座的合适角度才可以连在一起。v g a 、s - v i d e o 等的插座外壳通过 一高频电感( 约1 0 0 m h z 时2 0 0 欧姆) 和数字地相连。或是通过一窄线相连， 这样可以有效地减少e m c 的窜扰。 1 9 第二章多功能d p t v 平台的建立 2 2 2f e a t u r eb o x 板的设计 1 器件的放置 f e a t u r eb o x 的板子类型为四层板，1 5 0m m + 9 0 r a m 大小，规格是1 d p t v d x + i p i p 解码器+ l s v g a 捕获，如图2 - 9 、2 1 0 所示。板上的器件由d p t v d x + 2 2 m s g r a m + 1 p i p 解码器+ 1 s v g a 捕获构成。两个模拟电源放在插座附近，以 减少模拟地的损耗。d p t v 的所有滤波电感和滤波电容都紧挨其相应的电源引脚。 为了保证电源平稳，d p t v d x 和s g r a m 还需要一些去耦电容。1 0 u f 以上的电解 电容以及高频电容( 小于l u f 的瓷片) 用来稳定电源，它们均放于电源引脚旁 边。这些电容离负载电容越近，自感越易被旁路。 图2 9 图2 - 1 0 退耦电容和铁氧体瓷珠的放置 第二章多功能d p t v 平台的建立 2 电源要求 对d p t v d x 系统，每一个单独电路都应有相对独立的电源供应。对小的模拟 电流电路尤为重要，任何小的电源或共用地都会导致窜扰。为得到无窜扰电源，需 要使用一些电阻、电感或电容滤波器。滤波器的直流电阻小，它只消耗小部分直 流，但它能把数字地和电源同模拟的量有效地分开。不同容量的电容对不同频率的 噪声有滤波作用。当电流较小时，合适的电阻也有一定的滤波作用。此外，器件的 放雹对电路也有一定的影响。所有旁路电容的地和系统地的连线都越短越好。对大 的电解电容e s r 要足够小，而对瓷片电容e s l 要足够小。 产生噪声的另一起因是由于信号连接到模拟电源和地上，而在模拟电源和地 的上方有高频信号通过。这样对d p t v - d x 的模拟电源电路，要布置一个单独的内部 分立电路以避免这种干扰。同样，对记忆时钟和视频时钟电路，共用地会导致时钟 混乱和抖动。最后把所有独立地在一点连在一起，这点设在插座附近。 3 印刷电路板描述 当高频信号通过印刷电路板传输时，它应等效于如图2 1 l 。 图2 - 1 1 传输信号波长如下式： = ( 3xi o 移f ( c 自) ( 公式2 4 ) 式中x 是波长，f 是频率。当波长与传输路径同样长或稍短时，就要考虑路径的 匹配阻抗。没有匹配阻抗的线路会导致如下后果： 1 ) 能量不能被完全传输。2 ) 反射信号会干扰传输信号。3 ) 一定比例的能量会 以电磁波的形式辐射掉。 对有地层的四层p c b 板，地线上方的径线阻抗可按公式( 2 5 ) 估计： 第二章多功能d p t v 平台的建立 狲焉4 1m t 案器， 1 ，f r + l “w ( 公式2 - 5 ) 式中e r 是电介质常数，w 是线宽，t 是径线的厚度，h 是地层和顶层的厚度。为 安全起见，在9 8 心z 时的最低阻抗控制在6 5 欧姆以内。 具有两层信号层和两层电源层的四层板结构如图2 - 1 2 所示。两信号层分别称 为元件层和焊接层，两电源层分别称为电源层和地层。从项到底的顺序依次为元件 层地层电源层焊接层。在低层和电源层及项层和地层间的绝缘层为 6 r a i l 厚，在地层和电源层间的绝缘层为4 0m i l 厚。绝缘层的材料要求绝缘性 好，它的介电常数为4 5 。 一， 图2 1 2 元作层 砖岳 毫湘 鼻崔雁 在电源层和地层上一般情况下不布线。不得以时，把它尽可能短地放置在电 源层而不是放在地层。所有信号层阻抗都控制在6 5 欧姆内以获得高质量的信号。 4 布线规则 对f e a t u r eb o x 层的大多数信号线，确定其宽为8 m i l ，问隔为1 0m i l 。为 减小导线的自感，电源线的最小宽度为1 5 m i l 。 为减小窜扰，高速总线的设计原则为： 1 ) 在导线问保持1 0 m i l 的间距。 第二章多功能d p t v 平台的建立 2 ) 相邻层上的导线避免平行。 3 )信号线的阻抗均应小于6 5 欧姆， 4 ) 不在i c 芯片上方布置高频时钟导线，这将使i c 芯片成为一个天 线。 5 ) 不让高频信号线和小模拟电流地线平行或着穿过小电流地区域。 6 ) 不让高频线穿过不同的地。 7 ) 为隔开导线在其间设置多个地。 c r t 接口 模拟的r ，g ，和b ( 红，绿，蓝) 信号的导线尽可能短。a g n d 5 对r g b 信号 线是一个模拟电流平衡路径。r g b 是以电流的形式输出的，所以在每一条r g b 线和 a g n d 5 之间需要一个7 5 欧姆的负载电阻来获得输出电压( 大约o 1 2 5 v ) 。当改 变i r e t 电阻时，r o b 电流也会随着改变。 r g b 的滤波网络放在输出插座附近。r g b 线的磁珠具有频率特性可除去相应的 噪声。本设计使用1 0 0 m h z 时阻值为1 9 - 2 6 欧姆的电感。为减少s y n e 信号的较多噪 声使用一些4 7 欧姆的阻尼电阻，或者给h s y n c 和v s y n c 信号加一些旁路电容。如 图2 - 1 3 、2 - 1 4 所示。 图2 1 3 第二章多功能d p t v 平台的建立 图2 1 4 记忆系统层及其布线说明 通过扩展记忆尺寸方式，d p t v - d x 系统可最大支持8 m 内存。通过在内部设置 芯片选择引脚c s o 或c s i ，把s d r a m s g r _ m 的第一个2 4 m 字节或第二个2 4 m 字节 作为帧存储器。通过传输所有的同步数据，d p t v d x 的内部时钟合成器设计如图2 一 1 5 所示。 一一一一一一一一一一一一一1 图2 1 5 设计时，s g r a m 的时钟和s g r a m 的择优器信号娶同时到达。为得到高质量的 2 d 3 d 图形显示，帧存储器的速度必须达到9 8 m h z 。所有信号都得和时钟信号同 步。如图2 - 1 6 所示。 第二章多功能d p t v 平台的建立 为避免时钟信号抖动，在时钟信号必须有折弯时其布线如下