一種從SDTV到HDTV的解決方案設計

摘要：基于專用格式轉換芯片(VTP)提出了一種從SDTV到HDTV的解決方案，分析了此方案的各個功能模塊，并討論了其電路系統的主要特點，最后對其應用前景進行了展望。 關鍵詞：格式轉換 高清 DVD 機頂盒 長期以來，視頻格式轉換主要用于普通模擬電視、不同電視制式的轉換。例如PAL與NTSC制之間的轉換，以適應國際市場不同國家、電視制式不同的需要。直到最近，采用提升場頻或行頻技術的“100Hz、逐行掃描”電視的出現，現有的視頻格式轉換技術大多仍局限于對模擬電視信號的處理。但隨著數字電視的推出和發展，為了追求更高的清晰度，針對數字視頻信號格式轉換技術的研究及硬件實現也逐漸成為熱點。經過多年深入研究及FPGA硬件驗證［1］，一種數字視頻專用格式轉換芯片VTP(Video Transform Processor)最終成功流片，并通過了功能測試。 本文所設計的電路系統正是為此芯片提供一種解決方案，目的是通過輸入普通標清數字信號，經過本電路處理后，輸出目前市場數字高清電視機所能接收的高清信號，為其提供一種可靠的節目源。1 系統結構及組成原理 目前廣泛流行的DVD播放機和衛星機頂盒(STB)，所處理的視頻信號一般都是基于MPEG-2MP@ML編碼［2］，且其圖像掃描格式與ITU-RBT656標準［3］所要求的圖像掃描格式兼容，即720x576x25(PAL)或720x480x30(NTSC)。 而與此同時，由于數字電視國家標準遲遲未能出臺，使得市場中各種先已推出的“數字高清電視”，只能收看一般節目，而全無“高清”的意義。 對此，綜合以上兩個方面，結合VTP芯片的功能，設計了一種比較廉價的解決方案，其基本原理框圖如圖1所示。 從圖1可以看出，電路系統的輸人為符合ITU-RBT656標準的視頻信號(標清信號)，而輸出為高清電視機所能播放的模擬高清信號；在此電路系統中完成了標清視頻信號到高清視頻信號的轉換。 根據視頻信號在電路系統中的處理過程，將此電路分為四個模塊：輸入接口模塊、時鐘鎖相模塊、格式轉換模塊和數模轉換(D／A)模塊。 以下將對各個模塊進行詳細分析。 1．1 輸入接口模塊 在此模塊中，主要包括兩部分：輸入接口和電平轉換，以完成輸入信號的預處理。 1．1．1 輸入接口的物理定義 由于輸入的標清視頻信號其頻率高達27MHz，考慮到必須要保證視頻信號的質量，減少信號在傳輸過程中受到的干擾；需要采用差分信號傳輸(實際中采用了LVDS信號)，輸入電路板后再轉換為普通TTL數字信號。根據標準［3］，差分信號的物理接口需要采用DB25的形式。 實際使用中，考慮成本因素，視頻信號采用8bit量化方式，其數據位最低的兩位不用(如圖2所示)，因而圖2中PIN腳11、24、12、25直接懸空。 1．1．2 信號電平轉換模塊經DB25接口輸入的信號為LVDS格式，必須經過電平轉換變成TTL信號后才能輸出給后續的模塊處理。對此，在實際設計中，采用了國家半導體(NS)專用芯片DS90LV032A實現LVDS到TTL信號的轉換。 經過接口模塊后，實際輸出8bit的視頻數據和時鐘信號(27MHz)到后續處理模塊；其中，視頻數據直接進入格式轉換模塊，而時鐘信號進入鎖相模塊轉化成兩種相位鎖定的時鐘信號再輸出到格式轉換模塊。 1．2 時鐘鎖相模塊 對于格式轉換模塊而言，輸入的視頻數據，其對應的時鐘頻率為27MHz；而根據SMPTE-274標準［4］，高清數字電視信號(1080i)采樣時鐘，即VTP芯片輸出的高清數據對應時鐘必須為74．25MHz。由于VTP芯片內部并未含有時鐘鎖相功能，故需在外部為其提供相位準確鎖定的兩種時鐘分別輸入。 在本模塊中選用了一顆專用的視頻時鐘鎖相芯片，以實現此功能。輸入時鐘經過鎖相電路，分別輸出27MHz和74．25MHz兩種時鐘到VTP芯片，以滿足其內部SDTV部分和HDTV部分各自工作的需要。 1.3 視頻格式轉換模塊 視頻格式轉換模塊是本電路系統的核心部分，包括VTP芯片和SDRAM兩部分。其中VTP芯片是一顆專用視頻處理芯片(ASIC)，有如下主要功能： %26;#183;上變換(Up-conversion)和去隔行(Interlace to Progressive)； %26;#183;幅型轉換(4：3 to 16：9)； %26;#183;任意尺寸放大(ZOOM)和平移(PAN)； %26;#183;各種格式轉換(SD到HD、HD到HD、HD到SD)。 其主要輸入輸出接口，如圖3所示： %26;#183;輸入時鐘SD_CLK_IN (27MHz) 和HD_CUK_IN(74．25MHz)，兩者在相位上準確鎖定；輸人數據8bit(單通道)或16bit(雙通道)； %26;#183;輸出時鐘HD_CLK_OUT(74.25MHz)；輸出數據16bit(8bit亮度信號、8bit復用色差信號)；輸出同步控制信號SYN_OUT； %26;#183;SDRAM讀寫接口； %26;#183;參數下載接口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的轉換。經過格式轉換模塊處理后，輸出16bit(4：2：2)1920x1080i格式的數字高清信號。 1．4 數模轉換(D／A)模塊 經過格式轉換模塊處理后，輸出的數據是16bit數字高清信號：亮度Y、復用色度信號Cb、Cr；而現有的高清顯示器所能提供的接口是模擬高清信號輸入Y、Pb、Pr，所以信號必須經過數模轉換(D／A)后才能輸出給電視機播放。 在本模塊中，數模轉換(D／A)芯片采用德州儀器公司(TI)的專用高清數模轉換芯片THS8133，其接口兼容SMPTE-274和ITU-R BT656標準，內部并行三路數模轉換器，同時輸出Y、Pb、Pr三路模擬信號；在本模塊中，三路視頻信號(一個亮度、兩個色度)的數模轉換，只需一顆芯片即可完成。 2 一些關鍵問題 在實際設計中，本文研究的電路系統解決了多種技術難題，如：電路中存在多種不同頻率的信號，分別高達27MHz(標清信號)和74．25MHz(高清信號)；數字信號和模擬信號在電路中共存；甚至在信號形式上也有TTL信號和LVDS信號之分。最終，筆者采用合理的電路布局、信號走線方式和地層分割來保證此電路系統可靠穩定地工作。對于此解決方案，由于主要針對普通民用市場，降低成本是本方案設計考慮的主要因素，對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量(例如數模轉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，但本電路系統并非驗證其功能特征，所以只使用了其中的一部分功能，即實現SDTV到HDTV(1080i)格式轉換；由于其在VTP芯片中是默認的工作方式，從而省略了參數下載所必需的MCU模塊。 由于數字電視國家標準遲遲未能出臺，而高清終端顯示市場卻迫于競爭的壓力，已經開始啟動，從而造成這樣一種奇怪的現象：各種高清電視機在實際應用中只能收看普通電視節目。而本文所研究的電路方案提供了一種廉價的SDTV到HDTV解決方案，直接從末端輸出高清節目源，從而解決了現有高清電視機推出而無高清節目可看的尷尬。 很顯然，在數字電視國家標準推出和演播室完全實現高清數字化之前，本文的解決方案將會有非常廣泛的應用前景。