（通信与信息系统专业论文）基于fpga的数字视频信号发生器的设计与实现.pdf

基于f p g a 的数字视频信号发生器的设计与实现 摘要 随着数字技术的高速发展，越来越多的针对数字视频压 缩、传送、显示等的设备涌入市场。要从这些良莠不齐的产 品中挑选出令人满意的商品，一套良好的数字视频测试设备 就必不可少。然而，现阶段大多数数字视频信号源都存在不 同的缺点，如测试图像种类太少、没有动态测试源、缺乏专 用测试信号等。为有效克服这些缺陷，作者设计并开发了一 套基于f p g a 的数字视频信号发生器。整个系统包括硬件平 台和图像格式转换软件两大部分。硬件平台本身即为独立的 信号发生器，可以生成多种测试图像。配备了图像格式转换 软件，就可以实现硬件平台从p c 机接收各种静态测试图像、 动态测试序列，不断更新测试图像库。整个系统具有良好的 硬件体系结构、便捷的输入接口，稳定的信号输出，同时操 作灵活、方便，易于升级更新。 在系统的开发过程中，使用了多种硬件、软件开发工具， 如p r o t e ld x p 、i s e 、m o d e ls i m 、m a t l a b 、c 带n e t 等。 由于软硬件调试均由同一人完成，因此整个系统具备良好的 统一性和兼容性。 另外，作者还研究并设计了一种针对h 2 6 4 编解码器压 缩损伤的测试信号。评估一个编码器的性能可采用主观评价 或客观评价两种方法。其中主观评价最为直接、有效。本文 在依托主观评价方法的基础上，结合客观参数的指导性，研 究并设计一种通过人眼就可以方便的观测到实际存在的压缩 损伤的测试信号，以达到直接对编解码器性能进行比较的目 的。 关键词主观评价数字视频通信标准p c b 设计 f p g a 开发压缩损伤 d i g l 7 i a lv i d e os i g n a lg e n e r a t o r o nf p g a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g y ，d i g i t a l v i d e op r o d u c t s ，s u c ha sv i d e oc o d i n gs y s t e m s ，v i d e ot r a n s c e i v e r s a n dm o n i t o r s ，h a v eb e c o m et h em a i n s t r e a mo fc u r r e n tm a r k e t a p r o f e s s i o n a lt e s t i n ge q u i p m e n t i sn e e d e dt oe v a l u a t et h e s e p r o d u c t s h o w e v e r ，m o s td i g i t a lv i d e os i g n a lg e n e r a t o r si nt h e m a r k e t sh a v ed i f f e r e n td e f e c t s ，s u c ha sl i m i to ft e s ts i g n a l s ，l a c k o fd y n a m i ca n ds p e c i a lt e s ts i g n a l s t oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ， an e w g e n e r a t o ri sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do nf p g a t h e e n t i r es y s t e mi sm a d eo ft w op a r t s ，h a r d w a r e p l a t f o r m a n d f o r m a tc o n v e r s i o ns o f t w a r e t h eh a r d w a r ep l a t f o r mc a nw o r ka s a ni n d e p e n d e n ts i g n a lg e n e r a t o r ，w h i c hc o u l ds e n dk i n d so ft e s t s i g n a l s w i t h t h e i m a g e f o r m a tc o n v e r s i o n s o f t w a r e ，t h e h a r d w a r ep l a t f o r mc a nr e c e i v ea l lk i n d so fs t a t i ct e s ti m a g e so r d y n a m i ct e s ts e q u e n c e sf r o mp c ，u p d a t i n gi t ss o u r c el i b r a r y t h e w h o l es y s t e mh a v ea d v a n t a g e so fg o o dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ， c o n v e n i e n t i n p u t ，s t a b l eo u t p u t ，f l e x i b i l i t y i n o p e r a t i n ga n d u p d a t i n g d u r i n gt h ed e v e l o p i n gp r o c e s s ，av a r i e t yo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l sa r ep u ti nu s e ，s u c ha sp r o t e ld x p , i s e ，m o d e ls i m ，m a t l a b ，c 样n e t i na d d i t i o n ，as p e c i a lt e s ts i g n a lu s e di n e v a l u a t i n gh 2 6 4 c o d e cc o m p r e s s i o nd i s t o r t i o ni sd e s i g n e d h 2 6 4i so n eo ft h e m o s ta t t r a c t i v ec a n d i d a t e sa m o n gk i n d so fv i d e oc o d i n gs t r a t e g y b u tp i c t u r ed e g r a d a t i o ni sa l s on o tn e g l e c t a b l ew h e nu s i n gt h i s c o d i n g m e t h o d t h e r ea r et w o w a y s i n e v a l u a t i n g t h e d e g r a d a t i o n ，i ns u b j e c t i v e m o d eo r o b j e c t i v e m o d e t h e s u b j e c t i v em o d ei s b e t t e ri nd i r e c ta n de f f e c t h o w e v e r ，i ti s d i f f i c u l tt oo b s e r v es u c ht i n yd e g r a d a t i o nb yu s eo fc o m m o n t e s t i n gs i g n a l s i nt h i sp a p e r ，as p e c i a lt e s t i n gs i g n a li sd e s i g n e d ， w h i c hc a nw o r kt oe v a l u a t et h ed e g r a d a t i o ne a s i l yo n l yb y h u m a ne y e s k e y w o r d s ：s u b j e c t i v ee v a l u a t i o n c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d p c bd e s i g nf p g a c o m p r e s s i o nd i s t o r t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的 内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得北京邮电大学或其他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 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： i 本人承担一切相关责任。 日期： 皇竺2 1 31 l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 序 本文详细介绍了一种基于f p g a 的数字视频信号发生器的设计流 程与实现方法。 第一章介绍了主观评价的概念及优缺点。 第二章主要介绍数字视频通信协议，包括i t u rb t 6 0 1 和i t u - r b t 6 5 6 标准。 第三章主要介绍硬件平台的p c b 设计。 第四章主要介绍系统的实现方案。包括系统模块，f p g a 开发程序， s d r a m 控制时序等。 第五章主要介绍图像格式转换软件i m g c o v e x c 的功能和操作。 第六章展示了整个系统的运行情况，并与一些实际的信号发生器 进行简单的比较。 第七章主要介绍h 2 6 4 编解码流程，变换量化的实现原理以及压 缩损伤的出现和评估。同时举例设计了一种针对压缩损伤的测试信号。 每一章后均附该章小结。其内容主要包括知识总结，经验和心得 的归纳。另外，还阐明了该章对整个系统实现的意义以及附加一些补 充说明。 1 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章：主观评价 第一章：主观评价 数字视频系统主要环节采用了与常规模拟视频系统完全不同的电 路技术，即图像压缩的信源编码技术和纠错保护的信道编码及高数码 率的调制技术等。由此可能引入的失真机理和表现，与常规模拟视频 系统也有很大差别。所以，传统模拟视频系统的评价测量方法及测试 图像和信号，已经不能完全或正确反映观众对数字视频特有失真的主 观感觉。迄今为止，由于有效的测试信号和测量方法尚在研究和发展 中，而系统性能的优劣最终要靠图像的主观质量来判定，因此，主观 评价是当前数字视频系统最有效的检测方法。 1 1 主观评价的一般要求 主观评价是直接利用观察者对被测系统图像的主观反应来确定系 统性能的一种测试。 主观评价的关键在于所使用的方法能否产生稳定、有效的结果。 因此，采用合适的评价方法和测试图像对系统进行有效的评价，非常 重要。 由于主观评价结果不仅与被测系统的性能有关，而且与评价观看 条件、信号源、测试图像、观看员、评分方法和评分标度、数据统计 方法和结果表达方式等因素有关为使评价结果的可变因素仅限于被 测系统的性能，在主观评价中必须对上述因素作严格的规定l 1 观看条件 由于图像的主观质量与图像大小、亮度、对比度和观看距离等有 关，因此，主观评价的观看条件中规定了评价用显示器的显示尺寸、 峰值亮度、对比度和环境照明，以及观看距离和观看位置等。 2 信号源 信号源一方面直接提供评价的基准图像信号，另一方面作为被测 3 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章：主观评价 系统的输入。对于所使用的电视标准，信号源( 包括评价用监视器) 应该 具有最佳的质量，因为基准图像无缺陷是获得稳定结果的关键。 3 测试图像 测试图像是主观评价的基础，它对评价结果有重大影响，因此， 选择合适的测试图像素材是至关重要的。为了全面评价数字视频系统 的性能，需要建立一套数字视频主观评价标准测试图像。一套测试图 像通常包含一定数目的静止图像和含运动物体的图像序列，每个序列 大约持续1 0 1 5 s 。 4 观看员 观看员即应邀参加主观评价的评分员。观看员一般分专业和非专 业两类。一般都由非专业观看员进行主观评价，当需要作精确判断时， 可由受过专业训练的专业观看员进行评价和分析。 由于观看员直接影响评分结果，因此，对于非专业观看员应该慎 重挑选。通常他们应该具有代表性，包括不同性别、年龄、文化层次 的观众；具有正常的视力( 含校正视力) 和色觉；有一定的分析判断能力， 能较快地接受和掌握评分方法和要求。 主观评价所需观看员的数目一般不少于1 5 人，在数据处理结果中 要说明观看员的类型和人数。 5 评价测试阶段 在每个测试阶段开始时，应该向观看员详细、正确地介绍评分方 法和评分标度、存在的质量因素或损伤类型，并进行评分示范。示范 显示应该使用正式测试的图像或序列以外的图像或序列，但应与正式 测试中使用的图像或序列具有可比性。 6 数据处理和结果表达 对于在评价中采集的大量评分数据，需要根据统计学的基本理论 和技术进行处理，得出以图形或数据的结果形式概括被测系统的性能， 给出每个测试图像评分统计分布的平均值和9 5 置信区间。 4 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第一幸：主观评价 1 2 主观评价的优缺点 优点：主观评价是完全基于人眼的一种评估手段，因而，其具有 实效性强的优点主观评价的要求与我们对系统的最优要求是相一致 的。 缺点：虽说主观评价是当前数字电视最有效的检测方法，但是， 从上述评价方法及基本要求我们不难看出，进行主观评价不仅要具备 严格的观看条件和组织一定数量的观看员参加评分，而且整个进行过 程及大量的评分数据统计需要耗费大量的时间和人力。 1 3 小结 主观评价是当前数字视频系统最有效的检测方法。要使得整个评 价过程比较精确，多个环节都有着严格的要求。无疑，一个优良的测 试信号源至关重要。因此，在设计信号源时，要充分考虑主观评价中 的一些要求，如信号的稳定性、视频序列长度、信号内容等。 在对编解码器进行主观评价时，如果评估帧率的均匀性或大体压 缩失真等时，i t u 推荐的标准测试序列就可以满足要求。但如果要精 确比较不同的编码器压缩性能，这样的测试信号就很难获得良好的结 果。此时，运用客观评估将更适宜，但这样又需要大量的计算机辅助 运算，且未必与人眼感观一致。 因此，能否结合客观评估中的性能指标，找到某些独特的测试信 号，实现仅通过人眼观测就可以察觉出细微的压缩损伤，这将十分有 实际意义。 5 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章：数字视频通信协议 第二章：数字视频通信协议 2 1i t u rb t 6 0 1 标准介绍 电视信号数字化i t u rb t 6 0 1 编码标准最初的应用主要是在演播 室，当时迫切需要制定一个将模拟电视中n t s c 、p a l 、s e c a m 三大 制式统一的数字演播室标准，于是i t u rb t 6 0 1 ( 原名c c i r 6 0 1 ) 便应 运而生。i t u rb t 6 0 1 标准的制定，是向着数字电视广播系统参数统 一化、标准化迈出的第一步，其对标准清晰度电视图像在转换过程中 的取样频率、取样方式、量化比特数和编码等基本参数值进行了规定。 2 1 1 亮度信号与色差信号的建立 在模拟系统向数字系统转化时，涉及模拟参量数字化的问题。在 模拟电视系统中，主要采用模拟y c 信号作为传送参数。而数字系统 则采用数字y c b c r 信号。因此，需要建立规范的数字化公式【2 1 假定e r ，e o ，e b 的范围为【o ，1 】，进行如下定义： 亮度信号 e t - o 2 9 9 磁+ o 5 8 7 e 6 + o 1 1 4 l 强( 2 1 ) 红色差信号 媾丧一e | 、一e 矗一o 2 9 9e 表一o 5 8 7 e 6 一o 1 1 4e 矗 - o 7 0 1 碰一o 5 8 7 e 6 0 1 1 4 e 古( 2 2 ) 蓝色差信号 唾矗一e | 、一e 蠢一o 2 9 9 e a o 5 8 7e 6 一o 1 1 4e 矗 一一o 2 9 9 e 矗一o 5 8 7 e 6+ o 8 8 6 e 庙( 2 - 3 ) - 7 - 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章：数字视频通信协议 表2 - 1 ：标准化信号样值“ c o n d i t i o n e 女d矗e 矿e a e te 一e t w h i t c1 o1 o1 01 o0o b l a c ko00o00 r e d 1 oo00 2 9 90 7 0 10 2 9 9 g r e ：o n01 00o 5 8 70 5 8 7 一o 5 8 7 b l u c00 1 o0 1 1 40 1 1 40 8 8 6 y e i l o wl 01 0o0 8 8 6o 1 1 40 8 8 6 c y a h 01 01 o0 7 0 l0 7 0 10 2 9 9 m a g e n t a 1 001 00 4 1 30 5 8 70 5 8 7 将其中的( 删一e 矿) 压缩至【一o 7 0 1 ，0 7 0 1 l ，( 删一e 矿) 压缩至 1 - 0 8 8 6 ，0 8 8 6 】。 设k r = 0 5 0 7 0 1 = 0 7 1 3 ，k s = 0 5 0 8 8 6 = 0 5 6 4 e d s。o 7 1 3 ( e ke 王，) 一o 5 0 0z 强一o 4 1 9 e 6 一o 0 8 1 e 矗 ( 2 - 4 ) e 如 - o - 5 6 4 ( e be ) 一一o 1 6 9 一o 3 3 1 e 6 + o 5 0 0 ( 2 - 5 ) 2 1 2 亮度信号与色差信号的量化 i t u rb t 6 0 1 协议中规定，对亮度信号和色差信号采用8 b i t s 量化， 则共有2 5 6 阶。但在实际量化中，并不采用全部的阶数。 亮度信号的量化阶数为2 3 5 ，即 7 - 2 1 9 但步) + 1 6 ( 2 6 ) 因此，纯黑电平对应的亮度值为1 6 ，纯白电平对应的亮度值为2 3 5 。 色差信号的量化阶数为2 2 5 阶，并将0 色差对应为1 2 8 ，即 c r 2 2 4f o 7 1 3 饵矗一e ) 】+ 1 2 8 ( 2 7 ) c b 2 2 4 【o 5 6 4 ( e 古一e 步) 】+ 1 2 8 ( 2 - 8 ) 简化两式为 c r 一1 6 0 ( 磁一步) + 1 2 8 ( 2 9 ) 8 北京邮电大擘硕士研究生毕业论文第二章：数字视频通信协议 c b - 1 2 6 ( 1 强一e t ) + 1 2 8( 2 1 0 ) 量化取值为最接近的整数。 经过量化后的亮度信号和色差信号，分别记做y 蚀和o 表2 - 2 ：量化后信号样值 yc rc b w h “e2 3 5 ( e b )1 2 8 ( 8 0 )1 2 8 ( 8 0 ) b l a c k1 6( 1 0 )1 2 8 ( 8 0 )1 2 8 ( 8 0 ) r e d8 1( 5 1 )2 4 0 ( f 0 )9 0 ( 5 a ) g r e e n1 4 5 ( 9 1 )3 4( 2 2 )5 4 ( 3 6 ) b l u e4 1( 2 9 )1 1 0 ( 6 e )2 4 0 ( f o ) y c l l o w2 1 0 ( d 2 )1 4 6 ( 9 2 )1 6 ( 1 0 ) 2 1 3 抽样速率及编码形式 i t u rb t 6 0 1 中规定，对标清信号，有两种抽样速率：1 3 5 m h z 和1 8 m h z 。以常用的1 3 5 m h z 为例说明。 表2 - 3 ：抽样速率及编码形式参数表 参数 5 2 5 一行。6 0 场，秒6 2 5 行。5 0 场秒 1 编码信号：y c r ，蚀 2 苎篓整捷警：m 8 5 88 6 4 一每个色差信号( c s ， 4 2 94 3 2 c 8 ) 3 抽样结构 每行、场、帧反复取值。c r 和c b 联合 定位在奇数行取值( 1 s t ，3 r d ，5 t h ，行等) ，y 在每行取值。 4 1 垫羹餮著乌 1 3 5 m h z 一每个色差信号 6 7 5m h z 5 编码形式 亮度和色差信号的每个样值一律采用8 比 特( 可选1 0 比特) p c m 量化。 依据i t u rb t 6 0 1 标准定义，分量信号的编码数据流为( 4 ：2 ： 2 取样，8 比特量化) ：1 3 5 * 8 + 6 7 5 8 2 = 2 1 6 m b s 。 9 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章：数字视频通信协议 2 2i t u rb t 6 5 6 标准介绍 i t u - rb t 6 5 6 ( c c i r 6 5 6 ) 是4 ：2 ：2 并行接1 2 1 的数字演播室标准。 对于p a l 制系统( n t s c 系统类似) ，每一场图像由四部分构成：有效视 频数据、水平消隐、垂直消隐、控制字。有效数据分为奇、偶场，均 由2 8 8 行组成。 图2 - 1 ：完整帧的数据结构 每行数据包含水平消隐和y c b c r 视频数据信号。视频数据信号捧 列顺序为c b y c r y 。 以p a l 制转换的数字信号为例( 8 6 4 x 2b y t e s ) ，每行开始的2 8 0 字节为水平消隐信号，随后为4 字节的s a v 信号( 有效视频起始) ，紧 接着1 4 4 0 个有效视频信号数据，最后是4 字节的e a v 信号( 有效视频 结束1 。 f 队v洲 卜 fox8l0l11ff0x c y c y cc v foy0 0 oo0 0r fo yb rbr r 7 寸”气矿f 了十“ 图2 - 2 ：i t u 6 5 6 每行的数据结构 i 枷 在1 4 4 0 个有效数字信号中，有7 2 0 个亮度y 取样字，蓝色差c b 和红色差c r 分别有3 6 0 个取样字( 即4 ：2 ：2 格式) 。 水平消隐( e a v 和s a v 之间的数据1 和垂直消隐通常用8 0 1 0 来填 充，也可以用来携带数字音频或者用户自定义的信息。 - l o 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二幸：数字视频通信协议 e a v ( e n do f a c t i v ev i d e o ) 和s a v ( s t a r to fa c t i v ev i d e o ) 为嵌入的控制 字，表示有效视频的终点和起始点。s a v 和e a v 信号有3 字节的前导： f f 、f f 、0 0 ；最后1 字节x y 表示该行位于整个数据帧的位置及如何 区分s a v 、e a v 。 x y ( 8b i t s ) 的格式为1 f v h p 3 p 2 p l p o 其含义分别为：最高位为 固定数据1 ；f = 0 表示偶数场，f = i 表示奇数场；v = o 表示该行为有效 视频数据，v - - 1 表示该行没有有效视频数据；h - - 0 表示为s a v 信号， h = i 表示为e a v 信号；p 3 一p o 为保护信号，由f 、v 、h 信号计算生 成：p 3 = v 异或h ，p 2 - - f 异或h ，p l = f 异或v ，p o = f 异或v 异或h 。 由于e a v 和s a v 代表了定时信息，因此使用i t u 6 5 6 标准的接口 只需要数据线和时钟线( 2 7 m h z ) ”。 2 3 小结 标准化的最大作用，就是规范了通信接口，便捷、有效的实现了 不同厂商设备之间的互连。 无论是着眼于信号发生器的通用性，还是其内部所采用的专用芯 片( 如c l c 0 2 0 ) ，都要求系统产生的视频格式满足以上两个标准 要获得稳定的标清信号，两个因素至关重要：恒定的码流速率 ( 2 7 m b p s ) ，正确的同步信号恒定的码流速率需要精确的时钟和速率 平滑处理。正确的同步信号，则需要系统内部拥有精准的定位算法 另外，在e a v 和s a v 之间，存在2 8 0 个空闲样值点。其间可以传 送字幕、标题、音频等 1 1 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章：系统的p c b 设计 第三章：系统的p c b 设计 3 1 硬件平台开发环境 本系统采用p r o t e l d x p 作为p c b 电路设计的开发软件。 a l t i u mp r o t e ld x p 是第一套将所有的设计工具集成于一身的板级 设计系统，真正实现在单个应用程序中的集成。从最初的项目模块规 划到最终形成生产数据都可以按照设计者自己的设计方式实现。通过 把设计输入仿真、p c b 绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和 设计输出等技术的融合，p r o t e l d x p 为用户提供了全线的设计解决方 案。p r o t e ld x p 能充分发挥w i n d o w sx p 和w i n d o w s2 0 0 0p r o 平台的 优势，具有更稳定、更强大的图形处理和更友好的用户界面，使设计 者可进行更轻松、更高效的设计1 6 j 。 1 3 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章：系统的p c b 设计 图3 - 1 ：p r o t e ld x p 操作界面 3 2 硬件平台的原理图设计 3 2 1 电源 电源工作的稳定性，决定了整个系统工作的稳定性。尤其对于高 速数字信号，良好的电源性能将会有效的降低干扰，保证系统工作正 常。本系统中，需要使用3 3 v ，2 5 v ，1 8 v ，1 2 v 四种电压值。为保 证良好的工作性能，3 3 v 采用有源电压器t p s 5 4 6 1 6 p w p ，其他幅值的 电压采用l m t 3 1 7 t 可调电压器。 l m 3 1 7 图3 - 2 ：t p s 5 4 6 1 6 p w p 有源电压器原 争口蚓 图3 - 3 ：l m t 3 17 t 可调电压器 - 1 4 c co v o 一2 刚1 + 爷i 删民 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章：系统的p c b 设计 3 2 2f p g a 配置 由于本系统中采用的f p g a 芯片并不含用r o m 存储芯片，掉电后 程序自动消失，因此需要配置相应的记忆存储芯片，以保证f p g a 上 电时正常工作。 通常，f p g a 有五种配置模式：主串模式、从串模式、主并模式、 从并模式和j t a g 在线调试模式。考虑到实际管脚数量、f p g a 规模以 及调试的便利性，本系统中采用主串与j t a g 混合配置的模式。 图3 - 4 ：f p g a 启动配置电路 x c 0 2 s 是与f p g a x 3 c s 4 0 0 配套的e e p r o m 图3 - 5 ：f p g a 配置莲花链电路 通过跳线的选择，可以方便的在主串和j t a g 模式间切换。 1 5 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章：系统的p c b 设计 3 2 3c l c 0 2 0 设计电路 c l c 0 2 0 是国家半导体( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o rc o r p o r a t i o n ) 公司 生产的一款高性能数字视频流处理芯片。其主要功能是可将并行的数 字信号串化。其输入最高速率可达4 0 0 m b p s 。 图3 - 6 ：c l c 0 2 0 配置电路 3 2 4u a r t 通信接口 本系统采用m a x 2 3 2 作为u a r t 通信接口的电平转换器。其最高 速率可支持1 2 0 k b p s 。 r s 2 3 2 厂l k 旺s i ”“i ic 6 ； c l +v c c 1 1 5 d ；v c c _ 5 i v +g n d c i t i o t 兀 1 41 w y x d 0 i i 慨“1 篓； c 2 +r i i n 1 3r s r x d o g 2 -r l o u t 1 2r ) d 0 v t l i n i l1 x d 0 n o u tt 2 l n 1 0n r t s 0 9n c t s 0 r 2 i nr 2 0 u t 图3 - 7 ：u a r t 电平转换电路 - 1 6 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章：系统的p c b 设计 3 3p c b 电路设计与实现 3 3 1e m c 主要原则 1 电源模块 如果系统中同时存在模拟信号和数字信号( 如存在a d d a 转换 器) ，则一定要分离模拟电源和数字电源，并沿着模拟电源与数字电源 的分割线，对地平面进行分割，划分出模拟地与数字地。模拟地和数 字地通过单点连接( 如电感、0 欧姆电阻等) 连接至地【 。 图3 - 8 ：正确的电源，地平面分割 n 瞄l l l tq l m l l h 。 图3 - 9 ：错误的电源、地平面分割 如果系统中均为数字信号，则可以不分割地平面 电源部分最好大面积敷铜，这会有效的平衡电荷分布。 2 布局原则 布局的基本原则是，模拟信号接口的芯片一定要远离高速数字信 号接口的芯片。同时，考虑到布线的方便性以及将干扰降至最低，最 - 1 7 - 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章：系统的p c b 设计 好将高速芯片与低速芯片分布在不同层( 顶层和底层) ，至少二者尽量 远离。 为保证芯片工作的稳定性，需要为每个芯片配置合理数量的滤波 电容。 最好在每两个信号层间夹一层电源层或地层，这将有效降低干扰。 良好的布局将会极大的降低布线的难度，同时还可以减少过孔数 量，降低干扰。 3 布线原则 布线拐弯处最好采用圆弧，或者4 5 度折线，不可使用直角拐弯。 高速信号线要远离低速信号线。如果是一组相关的高速信号线( 如 s d r a m 地址线、信号线等) ，则它们要尽量等长。这对数字视频信号 线的要求尤其严格。 尽可能的加大线宽。两条信号线的间距应该至少为信号线的宽度。 主要的电源线一定要加宽，保证在普通信号线宽度的3 倍以上。 4 去耦滤波 布置充足电源滤波退耦电容，这些电容是为开关器件( 1 - j 电路1 或 其它需要滤波退耦的部件而设置的。保证这些电容尽量靠近这些元部 件【引。 图3 - 1 0 ：去耦滤波电容的布局 - 1 8 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章：系统的p c b 设计 3 3 2 系统电路的i c b 设计 分层结构： 系统采用六层电路扳，分层顺序为s g s s p s t o p l 玛啊- g n d i g n d l _ m d a 归1 h d q 啊2 胛岫n e 嘲i b o t t o m 岫一 图3 - t l ：电路板层划分示意图 c o m n z 翻神 p - e 嗍c 1 2 钿 c o r nn 2 臼呻 h 朔 l z 钿 c 弭。门z 钿司 图3 - 1 2 ：系统p c b 图( 局部) 图中，f p g a 与s d r a m 接口部分采用蛇行线，这是为了保证地址 线间、数据线间等距。 主要地线采用5 0 r a i l 宽度。 电路中，配置了合理的滤波电容。 1 9 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章：系统的p c b 设计 3 4 小结 p c b 电路板是整个系统的地基。因此，设计一个具备优良s i 和 e m c 性能的p c b 板，对整个系统的实现至关重要。 p c b 电路设计是一项经验要求很高的工作。不仅要有基本的e m c 知识，还需要有大量的布局、布线经验。需要考虑的因素非常多，如 板面大小、芯片布局、走线方向，并要为调试留有充分的余地。 在实际的设计和绘制p c b 电路板时，遇到很多问题。最终的p c b 板也是经过了两次修改后，才最终完成的。以下归纳了几个曾经出现 的主要问题。 1 电源不仅要满足系统所需要的电压幅度，还要满足系统所需要的吸 收电流。即电源要能够提供充足的负载能力。因此，事先需要查阅 主要芯片的手册，估计整个系统所需要总电流，以选择合适的电源。 2 由于各种芯片的功效、面向对象不同，因此不同芯片间的接口规范 也不尽相同。如存在t t l 、c m o s 、e c l 等不同规格的接口。因此， 芯片连接时，一定要注意它们之间的电平转换问题。 3 在采用s d r a m 的系统中，信号线的等距要求是比较严格的，否则 将可能出现错误信息。 一2 0 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第四章：系统实现方案 第四章：系统实现方案 4 1 系统设计思路及实现方案 首先，要保证数字视频信号发生器具备独立性，即其自身可生成 多种测试信号。同时，充分考虑到通用性和升级更新，又开发了信号 发生器与p c 机的通信接口。信号发生器可以从p c 机接收白定义格式 的静态测试图像和测试序列。可以通过自开发软件i m g c o v c x e 将任意 b m p 图像及标准y u v 测试序列转换为自定义格式。 4 1 1 系统的硬件实现方案 说明： 圈4 一l ：系统硬件实现框图 信号发生器与p c 机的通信接口为r s 2 3 2 串行接口，输出信号接 口为s d l 接口 f p o a 负责处理输入信号，并将其转换为符合i t u rb t 6 0 1 6 5 6 协议的标准信号。 s d r a m 作为f p g a 处理芯片的内存。 c l c 0 2 0 芯片可以将标准格式的数字信号转换为s d i 格式。 2 1 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第四章：系统实现方案 4 1 2 信号流向说明 图4 - 2 ：信号流向示意图 说明： 自定义格式参考5 3 【产生】是由f p g a 自运算产生。 【接收】前的码流为1 b i t 的串行码流，为了将其存储到s d r a m 中， 要将其不断组合为四组双字( 1 6 b i t s x 4 ) 。 【缓存】是在f p g a 中的f i f o 实现的。 【组帧】就是要将码流恒定为2 7 m b p s ，并插入所需要的同步信号。 - 2 2 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第四章：系统实现方案 4 2f p g a 功能及实现 本系统中，采用x i l i n x 公司的x c 3 s 4 0 0 ( t q l 4 4 封装) 作为控制 缓冲区域的主芯片x c 3 s 4 0 0 是x i l i n x 公司s p a r t a n 3 家族的一员，其 拥有4 0 万个系统门一一相当于8 0 0 0 个逻辑单元( 4 输入的查找表和触 发器) ，5 6 k 分布式r a m 和2 2 8 k 的块r a m ，1 6 个乘法器，4 个d c m 模块以及最多9 7 个通用i o 口。其性能足以满足系统要求。 f p g a 开发环境：i s e 7 1 4 2 1f p g a 功能模块介绍 输入 图4 - 3 ：f p g a 功能模决 ( 8 ) f p g a 模块输入为1 b i t 串行输入。 f p g a 模块输出为8 b i t 并行输出( i t u 6 5 6 标准) f p g a 输入时钟为2 7 m h z ，经过内部的d c m 倍频和分频，分别产 生5 4 m h z ( 用于s d r a m 控制、异步切换等) 、2 7 m h z ( 用于并行输出 的同步时钟等) 以及2 0 7 6 9 k h z ( 用于u a r t 接收) 的时钟 4 2 2f p g a 输入接口单元 f p g a 输入接口主要包括三个小模块：信号产生模块、u a r t 接收 模块、切换模块。如下图所示： 2 3 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第四章：系统实现方案 s i 乳g e n e r a t o r i 图4 - 4 ：f p g a 输入接口单元 1 信号产生模块： 用于在系统上电时，自动生成一组动态彩条信号。图像大小为c i f 格式，其中横彩条1 0 0 帧( 4 秒) ，竖彩条1 0 0 帧。请参照图6 3 。 2 u a r t 接收模块； 系统默认u a r t 的发送速率为1 1 5 2 k b p s 。为保证接收准确，u a r t 接收模块中采用的时钟u c l k l 8 x = 1 1 5 2 x1 8 = 2 0 7 6 9k h z 。使用高速 时钟进行采样，可以保证接收数据的准确性。 u a r t 接收模块功能，是将串行的1 b i t 数据流转换为并行的8 b i t s 数据流。当1 个字节接收完毕后，o u t e n 维持一段高电平，表示数 据有效。时序图如下： 图4 - 5 ：u a r t 收发转换时序图 3 切换模块： 上电时，选通信号发生模块。稳定后，如果u a r t 接收到信号， 则选通u a r t 接收模块。 2 4 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第四章：系统实现方案 4 2 3 异步切换单元 异步切换主要包括两个模块：f i f o 模块和字节转换模块 1 f i f o 控制时序图 w r _ c m w ra c k s , l m o s t f u l l r d a c k r dc o u n t 图4 - 6 ：f p g a 异步转换单元 j 1 j 1 _ j 1 j j 1 _1 j j _ j j 1 j j 1 j 1 _ j 1 j 1 j 1 j 九j 1 j 1 j _ l j l 九_ r 1 j _ 1 j 1 1 r 1 _ l n 几n n ：涟n n 几n j _ u _ l 几_ r l r l门_ r u l 门- r u _ l 几几n j _ u _ l 几1 _ n _ r u _ l f u _ l 几u - l 几j _ u v i：_ il r n _i 图4 - 7 ：f i f 0 控制时序 a i n i t 是f i f o 的控制使能端。只有其为低时，f i f o 模块才会允 许进行读写 在w r e n 为高时，每一个w r c l k 上升沿将写入一个单位的数 据。 在r d e n 为高时，每一个r d c l k 上升沿将读出一个单位的数 据。 如果f u l l 为高，表示f i f o 已满，不允许写入；如果e m p t y 为 高，表示f i f o 为空，不允许读出。 2 f i f o 模块 考虑到f i f o 模块要与s d r a m 相对接，因此设定f i f o 的数据宽 2 5 - 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第四章：系统实现方案 度与s d r a m 数据宽度一致，即1 6 b i t s 。 f i f o 模块的写控制由字节转换模块控制，读控制由s d r a m 控制 模块控制。由于字节转换模块与s d r a m 控制模块之间存在固定的时 序关系，因此不会出现f i f o 溢出或堵塞的情况。因此，f u l l 和e m p t y 信号端没有外接。 3 字节转换模块 将前级输出的8 b i t s 格式转换为1 6 b i t s 格式，同时根据自定义的文 件格式( 参照5 3 节) ，调整数据流顺序。 4 2 4s d r a m 控制单元 这部分是f p g a 控制模块的核心部分。这部分模块不仅仅完成对 s d r a m 的读写工作，同时还包括恒定码流速率、生成同步信号等作用。 1 控制模块说明： d a t _ r e a d y = 0 r e s e t = t l | p r exi m g yi m g = l 图4 - 8 ：s d r a m 控制模块流程图 s t e p 0 ：为保证s d r a m 正常工作，等待2 0 0 u s 时延。 s t e p l ：s d r a m 初始化配置。此阶段需要6 0 个时钟。当 d a t r e a d y = 0 时，表示前级f i f o 已经有准备好的数据，可以将其 - 2