一種從SDTV到HDTV的解決方案設(shè)計(jì)

摘要：基于專(zhuān)用格式轉(zhuǎn)換芯片(VTP)提出了一種從SDTV到HDTV的解決方案，分析了此方案的各個(gè)功能模塊，并討論了其電路系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，最后對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

長(zhǎng)期以來(lái)，視頻格式轉(zhuǎn)換主要用于普通模擬電視、不同電視制式的轉(zhuǎn)換。例如PAL與NTSC制之間的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)不同國(guó)家、電視制式不同的需要。直到最近，采用提升場(chǎng)頻或行頻技術(shù)的“100Hz、逐行掃描”電視的出現(xiàn)，現(xiàn)有的視頻格式轉(zhuǎn)換技術(shù)大多仍局限于對(duì)模擬電視信號(hào)的處理。但隨著數(shù)字電視的推出和發(fā)展，為了追求更高的清晰度，針對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)格式轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究及硬件實(shí)現(xiàn)也逐漸成為熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年深入研究及FPGA硬件驗(yàn)證［1］，一種數(shù)字視頻專(zhuān)用格式轉(zhuǎn)換芯片VTP(Video Transform Processor)最終成功流片，并通過(guò)了功能測(cè)試。

本文所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)正是為此芯片提供一種解決方案，目的是通過(guò)輸入普通標(biāo)清數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)本電路處理后，輸出目前市場(chǎng)數(shù)字高清電視機(jī)所能接收的高清信號(hào)，為其提供一種可靠的節(jié)目源。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成原理

目前廣泛流行的DVD播放機(jī)和衛(wèi)星機(jī)頂盒(STB)，所處理的視頻信號(hào)一般都是基于MPEG-2MP@ML編碼［2］，且其圖像掃描格式與ITU-RBT656標(biāo)準(zhǔn)［3］所要求的圖像掃描格式兼容，即720x576x25(PAL)或720x480x30(NTSC)。

而與此同時(shí)，由于數(shù)字電視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)遲遲未能出臺(tái)，使得市場(chǎng)中各種先已推出的“數(shù)字高清電視”，只能收看一般節(jié)目，而全無(wú)“高清”的意義。

對(duì)此，綜合以上兩個(gè)方面，結(jié)合VTP芯片的功能，設(shè)計(jì)了一種比較廉價(jià)的解決方案，其基本原理框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，電路系統(tǒng)的輸人為符合ITU-RBT656標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)(標(biāo)清信號(hào))，而輸出為高清電視機(jī)所能播放的模擬高清信號(hào)；在此電路系統(tǒng)中完成了標(biāo)清視頻信號(hào)到高清視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)視頻信號(hào)在電路系統(tǒng)中的處理過(guò)程，將此電路分為四個(gè)模塊：輸入接口模塊、時(shí)鐘鎖相模塊、格式轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)模塊。

以下將對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。

1．1 輸入接口模塊

在此模塊中，主要包括兩部分：輸入接口和電平轉(zhuǎn)換，以完成輸入信號(hào)的預(yù)處理。

1．1．1 輸入接口的物理定義

由于輸入的標(biāo)清視頻信號(hào)其頻率高達(dá)27MHz，考慮到必須要保證視頻信號(hào)的質(zhì)量，減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到的干擾；需要采用差分信號(hào)傳輸(實(shí)際中采用了LVDS信號(hào))，輸入電路板后再轉(zhuǎn)換為普通TTL數(shù)字信號(hào)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［3］，差分信號(hào)的物理接口需要采用DB25的形式。

實(shí)際使用中，考慮成本因素，視頻信號(hào)采用8bit量化方式，其數(shù)據(jù)位最低的兩位不用(如圖2所示)，因而圖2中PIN腳11、24、12、25直接懸空。

1．1．2 信號(hào)電平轉(zhuǎn)換模塊

經(jīng)DB25接口輸入的信號(hào)為L(zhǎng)VDS格式，必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換變成TTL信號(hào)后才能輸出給后續(xù)的模塊處理。對(duì)此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用了國(guó)家半導(dǎo)體(NS)專(zhuān)用芯片DS90LV032A實(shí)現(xiàn)LVDS到TTL信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過(guò)接口模塊后，實(shí)際輸出8bit的視頻數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)(27MHz)到后續(xù)處理模塊；其中，視頻數(shù)據(jù)直接進(jìn)入格式轉(zhuǎn)換模塊，而時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入鎖相模塊轉(zhuǎn)化成兩種相位鎖定的時(shí)鐘信號(hào)再輸出到格式轉(zhuǎn)換模塊。

1．2 時(shí)鐘鎖相模塊

對(duì)于格式轉(zhuǎn)換模塊而言，輸入的視頻數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘頻率為27MHz；而根據(jù)SMPTE-274標(biāo)準(zhǔn)［4］，高清數(shù)字電視信號(hào)(1080i)采樣時(shí)鐘，即VTP芯片輸出的高清數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)鐘必須為74．25MHz。由于VTP芯片內(nèi)部并未含有時(shí)鐘鎖相功能，故需在外部為其提供相位準(zhǔn)確鎖定的兩種時(shí)鐘分別輸入。

在本模塊中選用了一顆專(zhuān)用的視頻時(shí)鐘鎖相芯片，以實(shí)現(xiàn)此功能。輸入時(shí)鐘經(jīng)過(guò)鎖相電路，分別輸出27MHz和74．25MHz兩種時(shí)鐘到VTP芯片，以滿足其內(nèi)部SDTV部分和HDTV部分各自工作的需要。

1.3 視頻格式轉(zhuǎn)換模塊

視頻格式轉(zhuǎn)換模塊是本電路系統(tǒng)的核心部分，包括VTP芯片和SDRAM兩部分。其中VTP芯片是一顆專(zhuān)用視頻處理芯片(ASIC)，有如下主要功能：

·上變換(Up-conversion)和去隔行(Interlace to Progressive)；

·幅型轉(zhuǎn)換(4：3 to 16：9)；

·任意尺寸放大(ZOOM)和平移(PAN)；

·各種格式轉(zhuǎn)換(SD到HD、HD到HD、HD到SD)。

其主要輸入輸出接口，如圖3所示：

·輸入時(shí)鐘SD_CLK_IN (27MHz) 和HD_CUK_IN(74．25MHz)，兩者在相位上準(zhǔn)確鎖定；輸人數(shù)據(jù)8bit(單通道)或16bit(雙通道)；

·輸出時(shí)鐘HD_CLK_OUT(74.25MHz)；輸出數(shù)據(jù)16bit(8bit亮度信號(hào)、8bit復(fù)用色差信號(hào))；輸出同步控制信號(hào)SYN_OUT；

·SDRAM讀寫(xiě)接口；

·參數(shù)下載接口PARA_SELECT，用于工作方式的選擇。

本文只利用了此VTP芯片的部分功能，完成SDTV到HDTV的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換模塊處理后，輸出16bit(4：2：2)1920x1080i格式的數(shù)字高清信號(hào)。

1．4 數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)模塊

經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換模塊處理后，輸出的數(shù)據(jù)是16bit數(shù)字高清信號(hào)：亮度Y、復(fù)用色度信號(hào)Cb、Cr；而現(xiàn)有的高清顯示器所能提供的接口是模擬高清信號(hào)輸入Y、Pb、Pr，所以信號(hào)必須經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)后才能輸出給電視機(jī)播放。

在本模塊中，數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)芯片采用德州儀器公司(TI)的專(zhuān)用高清數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片THS8133，其接口兼容SMPTE-274和ITU-R BT656標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部并行三路數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時(shí)輸出Y、Pb、Pr三路模擬信號(hào)；在本模塊中，三路視頻信號(hào)(一個(gè)亮度、兩個(gè)色度)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，只需一顆芯片即可完成。

2 一些關(guān)鍵問(wèn)題

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，本文研究的電路系統(tǒng)解決了多種技術(shù)難題，如：電路中存在多種不同頻率的信號(hào)，分別高達(dá)27MHz(標(biāo)清信號(hào))和74．25MHz(高清信號(hào))；數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)在電路中共存；甚至在信號(hào)形式上也有TTL信號(hào)和LVDS信號(hào)之分。最終，筆者采用合理的電路布局、信號(hào)走線方式和地層分割來(lái)保證此電路系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地工作。

    對(duì)于此解決方案，由于主要針對(duì)普通民用市場(chǎng)，降低成本是本方案設(shè)計(jì)考慮的主要因素，對(duì)此也采用了多種解決方式：

(1)盡量減少電路中所使用的其他非核心芯片的數(shù)量(例如數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊只使用了一顆芯片)，努力縮小電路板的尺寸，從而減少電路制造成本；

(2)盡管VTP芯片有多種功能，但本電路系統(tǒng)并非驗(yàn)證其功能特征，所以只使用了其中的一部分功能，即實(shí)現(xiàn)SDTV到HDTV(1080i)格式轉(zhuǎn)換；由于其在VTP芯片中是默認(rèn)的工作方式，從而省略了參數(shù)下載所必需的MCU模塊。

由于數(shù)字電視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)遲遲未能出臺(tái)，而高清終端顯示市場(chǎng)卻迫于競(jìng)爭(zhēng)的壓力，已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)，從而造成這樣一種奇怪的現(xiàn)象：各種高清電視機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中只能收看普通電視節(jié)目。而本文所研究的電路方案提供了一種廉價(jià)的SDTV到HDTV解決方案，直接從末端輸出高清節(jié)目源，從而解決了現(xiàn)有高清電視機(jī)推出而無(wú)高清節(jié)目可看的尷尬。

很顯然，在數(shù)字電視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推出和演播室完全實(shí)現(xiàn)高清數(shù)字化之前，本文的解決方案將會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用前景。