一种从SDTV到HDTV的解决方案设计

摘要：基于专用格式转换芯片(VTP)提出了一种从SDTV到HDTV的解决方案，分析了此方案的各个功能模块，并讨论了其电路系统的主要特点，最后对其应用前景进行了展望。 关键词：格式转换 高清 DVD 机顶盒 长期以来，视频格式转换主要用于普通模拟电视、不同电视制式的转换。例如PAL与NTSC制之间的转换，以适应国际市场不同国家、电视制式不同的需要。直到最近，采用提升场频或行频技术的“100Hz、逐行扫描”电视的出现，现有的视频格式转换技术大多仍局限于对模拟电视信号的处理。但随着数字电视的推出和发展，为了追求更高的清晰度，针对数字视频信号格式转换技术的研究及硬件实现也逐渐成为热点。经过多年深入研究及FPGA硬件验证［1］，一种数字视频专用格式转换芯片VTP(Video Transform Processor)最终成功流片，并通过了功能测试。 本文所设计的电路系统正是为此芯片提供一种解决方案，目的是通过输入普通标清数字信号，经过本电路处理后，输出目前市场数字高清电视机所能接收的高清信号，为其提供一种可靠的节目源。 1 系统结构及组成原理 目前广泛流行的DVD播放机和卫星机顶盒(STB)，所处理的视频信号一般都是基于MPEG-2MP@ML编码［2］，且其图像扫描格式与ITU-RBT656标准［3］所要求的图像扫描格式兼容，即720x576x25(PAL)或720x480x30(NTSC)。 而与此同时，由于数字电视国家标准迟迟未能出台，使得市场中各种先已推出的“数字高清电视”，只能收看一般节目，而全无“高清”的意义。 对此，综合以上两个方面，结合VTP芯片的功能，设计了一种比较廉价的解决方案，其基本原理框图如图1所示。 从图1可以看出，电路系统的输人为符合ITU-RBT656标准的视频信号(标清信号)，而输出为高清电视机所能播放的模拟高清信号；在此电路系统中完成了标清视频信号到高清视频信号的转换。 根据视频信号在电路系统中的处理过程，将此电路分为四个模块：输入接口模块、时钟锁相模块、格式转换模块和数模转换(D／A)模块。 以下将对各个模块进行详细分析。 1．1 输入接口模块 在此模块中，主要包括两部分：输入接口和电平转换，以完成输入信号的预处理。 1．1．1 输入接口的物理定义 由于输入的标清视频信号其频率高达27MHz，考虑到必须要保证视频信号的质量，减少信号在传输过程中受到的干扰；需要采用差分信号传输(实际中采用了LVDS信号)，输入电路板后再转换为普通TTL数字信号。根据标准［3］，差分信号的物理接口需要采用DB25的形式。 实际使用中，考虑成本因素，视频信号采用8bit量化方式，其数据位最低的两位不用(如图2所示)，因而图2中PIN脚11、24、12、25直接悬空。 1．1．2 信号电平转换模块 经DB25接口输入的信号为LVDS格式，必须经过电平转换变成TTL信号后才能输出给后续的模块处理。对此，在实际设计中，采用了国家半导体(NS)专用芯片DS90LV032A实现LVDS到TTL信号的转换。 经过接口模块后，实际输出8bit的视频数据和时钟信号(27MHz)到后续处理模块；其中，视频数据直接进入格式转换模块，而时钟信号进入锁相模块转化成两种相位锁定的时钟信号再输出到格式转换模块。 1．2 时钟锁相模块 对于格式转换模块而言，输入的视频数据，其对应的时钟频率为27MHz；而根据SMPTE-274标准［4］，高清数字电视信号(1080i)采样时钟，即VTP芯片输出的高清数据对应时钟必须为74．25MHz。由于VTP芯片内部并未含有时钟锁相功能，故需在外部为其提供相位准确锁定的两种时钟分别输入。 在本模块中选用了一颗专用的视频时钟锁相芯片，以实现此功能。输入时钟经过锁相电路，分别输出27MHz和74．25MHz两种时钟到VTP芯片，以满足其内部SDTV部分和HDTV部分各自工作的需要。 1.3 视频格式转换模块 视频格式转换模块是本电路系统的核心部分，包括VTP芯片和SDRAM两部分。其中VTP芯片是一颗专用视频处理芯片(ASIC)，有如下主要功能： %26;#183;上变换(Up-conversion)和去隔行(Interlace to Progressive)； %26;#183;幅型转换(4：3 to 16：9)； %26;#183;任意尺寸放大(ZOOM)和平移(PAN)； %26;#183;各种格式转换(SD到HD、HD到HD、HD到SD)。 其主要输入输出接口，如图3所示： %26;#183;输入时钟SD_CLK_IN (27MHz) 和HD_CUK_IN(74．25MHz)，两者在相位上准确锁定；输人数据8bit(单通道)或16bit(双通道)； %26;#183;输出时钟HD_CLK_OUT(74.25MHz)；输出数据16bit(8bit亮度信号、8bit复用色差信号)；输出同步控制信号SYN_OUT； %26;#183;SDRAM读写接口； %26;#183;参数下载接口PARA_SELECT，用于工作方式的选择。 本文只利用了此VTP芯片的部分功能，完成SDTV到HDTV的转换。经过格式转换模块处理后，输出16bit(4：2：2)1920x1080i格式的数字高清信号。 1．4 数模转换(D／A)模块 经过格式转换模块处理后，输出的数据是16bit数字高清信号：亮度Y、复用色度信号Cb、Cr；而现有的高清显示器所能提供的接口是模拟高清信号输入Y、Pb、Pr，所以信号必须经过数模转换(D／A)后才能输出给电视机播放。 在本模块中，数模转换(D／A)芯片采用德州仪器公司(TI)的专用高清数模转换芯片THS8133，其接口兼容SMPTE-274和ITU-R BT656标准，内部并行三路数模转换器，同时输出Y、Pb、Pr三路模拟信号；在本模块中，三路视频信号(一个亮度、两个色度)的数模转换，只需一颗芯片即可完成。 2 一些关键问题 在实际设计中，本文研究的电路系统解决了多种技术难题，如：电路中存在多种不同频率的信号，分别高达27MHz(标清信号)和74．25MHz(高清信号)；数字信号和模拟信号在电路中共存；甚至在信号形式上也有TTL信号和LVDS信号之分。最终，笔者采用合理的电路布局、信号走线方式和地层分割来保证此电路系统可靠稳定地工作。 对于此解决方案，由于主要针对普通民用市场，降低成本是本方案设计考虑的主要因素，对此也采用了多种解决方式： (1)尽量减少电路中所使用的其他非核心芯片的数量(例如数模转换模块只使用了一颗芯片)，努力缩小电路板的尺寸，从而减少电路制造成本； (2)尽管VTP芯片有多种功能，但本电路系统并非验证其功能特征，所以只使用了其中的一部分功能，即实现SDTV到HDTV(1080i)格式转换；由于其在VTP芯片中是默认的工作方式，从而省略了参数下载所必需的MCU模块。 由于数字电视国家标准迟迟未能出台，而高清终端显示市场却迫于竞争的压力，已经开始启动，从而造成这样一种奇怪的现象：各种高清电视机在实际应用中只能收看普通电视节目。而本文所研究的电路方案提供了一种廉价的SDTV到HDTV解决方案，直接从末端输出高清节目源，从而解决了现有高清电视机推出而无高清节目可看的尴尬。 很显然，在数字电视国家标准推出和演播室完全实现高清数字化之前，本文的解决方案将会有非常广泛的应用前景。