0	现代HDTV电视硬件系统的设计与研究 所投刊社及刊社评论 | 作者个人资料
	投票	1条评论 收藏  推荐本文 博客引用 作者:吴倩 吴冰    所属分类: 电力/电工技术

摘要 本文基于现代HDTV(high definition TV)的基本原理和典型硬件架构，介绍了目前流行的设计方案， AD、Video Decoder 、Scaler等芯片的主要作用。比较了硬件设计中典型的抗干扰措施，并介绍了一些先进的视频处理方式。 正文 字体大小：大 中 小

一、HDTV简述 1.1 HDTV的标准 1999年6月，国际电信联盟（ITU）发布了ITU-R BT709标准的第3版，对于数字高清晰度电视的信号格式做了相应的规范。 推荐使用的HDTV信号格式主要参数如下： 行有效点 1920 扫描类型 隔行 /逐行 帧有效行 1080 垂直频率 50P/I,60P/I,24P,30P等 取样结构 正交取样 取样频率 亮/色度: 74.25/ 37.125MHz 像素形状 方形像素 量化电平 8/10比特 画面宽高比 16 : 9 取样比率 4：2：2（Y:CB:CR） 这个参数目前被大多数国家所采用。 由于高清电视的数据率非常庞大，例如以8bit进行量化时，数据率为： Y : 74.25 10=742.5(Mb/s) C : 37.125 10 2=742.5(Mb/s) 由此得总的数据率接近1.5Gb/s，这是无法按照现有电视发射模式来传输的，必须要有新的信号编码模式和调制模式来进行传输。目前国际上对于HDTV的标准之争已经逐渐产生了3大标准：美国的ATSC,欧洲的DVB,日本的ISDB标准。但各国基本都统一采用了Mpeg-2的标准来进行信号编码，对调制方式则有所不同。 1.2 显示屏 目前消费者在市场上可以购买到许多不同品牌的号称“HDTV”,“高清电视”的电视机。按照显示器划分，通常有CRT、LCD、PDP、Rear Projector等。传统的CRT电视机由于体型庞大难以实现大尺寸显示的问题而逐渐被淘汰。以数字屏方式显示的液晶、等离子、背投（LCD,DLP）等日益占据市场主流。根据新颁布《数字电视接收设备-显示器标准》中的规定，高清电视必须满足电视线（TVL）为720线以上。对于数字屏的分辨率，必须要达到XGA(1024*768)以上，WXGA(1280/1366*768)，SXGA(1280*1024)，UXGA(1600*1200)等分辨率可以满足要求。目前市场上，LCD、背投电视等基本都可以满足此要求，而PDP限于目前的工艺则难以做到这一点。 1.3 TUNER（调谐器） TUNER（调谐器）的选取是HDTV的关键指标之一，目前许多市场的HDTV采用的是模拟制式的TUNER，这样的电视机只能通过STB（Set Top Box机顶盒）来收看数字电视节目，无法接受将要在全国范围内推广真正的数字电视广播。所以这类没有数字调谐器的电视机称为“HDTV READY”电视机，即数字处理电视机。其输入仍是模拟信号，只是经过数字处理而已。而真正意义上的数字电视需使用的数字一体化调谐器，它一般要求可以接收信道编码为地面开路广播模式及有线传播模式的8/16-VSB，QAM的Mpeg-2的数据流，解码后输出相应的Mpeg-2的数据，而且兼容模拟制式的电视信号输入。目前此种调谐器使用也越来越广泛，常用的HDTV的信号编码及调制方式如表1所示： 表1 美国标准ATSC 欧洲标准DVB 日本标准ISDB 地面 卫星 有线 地面 卫星 有线 地面 卫星 有线 调制方式 8VSB/ 16VSB QPSK QAM 2k/8kCOFDM QPSK QAM 分段COFDM QPSK QAM 视频编码方式 MPEG-2 MPEG-2 MPEG-2 音频编码方式 AC-3 MPEG-2 MPEG-2 复用方式 MPEG-2 MPEG-2 MPEG-2 1.4 硬件的带宽要求 通常电视的显示效果取决于信号源，硬件线路，终端器件3个方面。随着高档DVD及数字电视广播的普及，信号源的质量正在从传统的PAL制576i转向高端的576P和1080i，对硬件线路的芯片选择也提出了更高要求。比如1080i/30，其要求的带宽至少为： bandwidth=2200 1125 30=74.25MHz 即带宽=行总取样点数 垂直总取样点数。在设计硬件时，应当充分考虑选取的芯片是否可以达到相应的带宽要求。 二、硬件架构设计 一般HDTV的硬件设计（视频部分）架构如下图1所示： 图1 主要由Tuner、AD、Vídeo Decoder、 DVI/HDMI Receiver、Mpeg-2 Decoder 、Scale等部分构成。随着目前芯片集成度的提高，新款的芯片通常都具有多种功能，大大降低了成本和设计的复杂程度。当前在国内比较大的芯片厂商为：Genesis、Pixelworks、Trident等几家公司。以Pixelworks为例，其设计的IC几乎包含了TV,Projector所使用的全部芯片，而且集成功能也日渐丰富。对于视频信号的优化、增强处理（Video Enhancement）的技术能力也十分强大。图2所示为视频硬件设计的一个比较成熟的设计方案，其芯片功能基本如下： 图2 PW3300芯片: 包含了3D-Video Decoder，DVI Receiver, A/D(150MHz)。支持PAL,NTSC,SECAM的全电视制式。 3D-Video Decoder功能需要外挂一个SDRAM，但是这个功能可以非常好的解决Y/C分离的问题，它能够从空间（2D）、时间（第三维方向）将每组画面的亮度及色度信号精确地分离，在画面颜色相交或者出现细密彩色条纹时，可以非常“干净地”消除影响信号中的杂波、斑点、色彩重叠现象，使画面更加清晰。 DVI Receiver：支持DVI的TMDS信号。该公司新推出的PW3400已经可以支持HDMI信号的输入。 A/D：150 MHz的带宽足以支持1080P（需要采样频率为148.5MHz）。 目前在许多设计中，考虑到各个公司不同的情况，采用相应分立的方案也有不少，比如3D-Video Decoder可以采用TI的TVP5160, DVI/HDMI Receiver可以采用Silicon Image公司的SiI169/9011等设计方案。 PWM2000芯片: 作为新一代的HDTV的解码芯片，它支持目前所有的DTV音视频标准，内含200 MIPS的 RISC CPU.。及MP@HL MPEG 的video decoder（可以支持HDTV）。 PW318芯片： 具有对1080P作Deinterlacing的功能，支持DLTI, DCTI（动态亮度/色度调节），肤色校正，背景噪声去除等Video Enhancement功能。支持PIP/POP功能。在画质的处理上运用了该公司的DNX(DigitalNatural Expression)技术。对应于输出部分，PW318-30可以支持到分辨率为1920 1080的数字屏（LCD/PDP/DLP）。 三、显示电路设计 显示电路硬件的抗干扰措施是一个非常复杂的系统工程，包含原理图设计，PCB的Layout在内，仅小小设计失误也将会造成显示效果的下降，系统不稳定等问题，而且难以查出。以下为一些常用电路的设计，均充分考虑了信号传输中的抗干扰问题，以保证显示效果。 3.1 模拟视频信号输入部分的设计 图3 图3为PW系列前端IC的CVBS信号常见的Input设计图，CVBS信号一般电平幅度为1V (-0.3～+0.7V)。D4的作用是ESD的消除，把输入信号的电平嵌位在-0.7～4.0V左右，由于一般视频的特性负载阻抗是75Ω，而根据后续Video Decoder的的输入电平要求，（1V ）这里用了34.8+40.2Ω的模式，以避免可能出现的电平超过允许值的情况。当然不同的Decoder要求不一样，比如Philips的SAA7118要求是18＋56Ω。由于PW3300对CVBS信号采用了108MHz的过程采样，所以依据奈奎斯特采样定理，需要对54MHz以上的信号分量进行抗混叠滤波。C16，L11，L10，C18所组成了一个低通抗混叠滤波器。C15是去除直流分量进行交流耦合，在IC input段作嵌位后恢复电平。 3.2 数字信号（DVI / HDMI）传输 DVI信号是一种差分传输信号，幅值为0.15V ，传输速率通常是像素速率的10倍，即通常传输速率在GHz级。最高可以传输QXGA(2048x1536，8GBPS，165MHZ x 24bit x 2)的无压缩的数字视频信号。需要注意的是DVI有DVI-I/D两种接口，其中DVI-I有29脚，兼容了模拟信号的R/G/B/H/V。由于其传输速率很高，所以特别需要注意其阻抗匹配及抗干扰措施。设计电路如图4所示。 图4 HDMI是包含Philips，Silicon Image，RCA等6家厂商推出的带有HDCP(高分辨率复制保护)的音视频接口,相比体形较大的DVI接口，HDMI接口显得更加小巧，19PIN的接口不但可以传输25～165MHz的视频信号，也可以兼顾13.5MHz的NTSC/PAL制电视信号，而且相比起DVI，它也可以传输33KHz,44.1KHz,48KHz的音频流信号。而且包含了一个防止数字视频被复制的协议（HDCP）。正逐渐成为现代数字电视必不可少的显示接口。目前使用的HDMI Receiver芯片厂商也主要有Philips，Silicon Image等，其要求的ESD保护，输出的数据缓冲，PCB Layout的方式也与DVI类似。 3.3 数字信号传输缓冲 一般在输出的Databus（比如8Bit的R,G,B）上，通常需要加上一个几十欧姆左右的排阻以减少EMI的干扰，这个值通常可以参考厂商给予的参考设计，设计不正确时通常会出现画面颜色的异色等现象。对于输出的CLK尤其需要关注，加上缓冲电阻后会引起CLK信号上升沿时间的延长。导致后续线路读取时产生偏差，此种情况会导致画面出现闪烁点，严重的发生扭曲。PW318对Input的CLK要求如表2： 表2 在设计时，可以用比较精确的示波器来检查时钟信号的偏移情况。 3.4 POWER线路的设计 在显示线路设计中，POWER线路设计是十分重要的，因为POWER线路设计的失误，导致系统不能正常工作，画面无显示，画面不完整，因上电顺序不正确导致IC不工作的情况也时有发生。 一般数字电视硬件线路通常会用到以下几组电压：1.8V,2.5V,3.3V,8V(audio)。一般可以用一个DC-DC产生后输入到系统上，但是一些其他的电压，比如PW2000需要的1.6V电平，或负载不平衡的电平。就需要用DC-DC或Linear Regulator来进行转换，以产生新的电平或减轻某一电平的负载。具体的负载需要参考相应DC-DC的SPEC。 以PW318为例，表3所示为几组电压所需要的电流： 表3 其中，1.8V电压的使用又分成以下几种用途 表4 一般来说，PLL(锁相环)所需的电平必须非常干净，因此不可以和数字线路的电平简单混合，可采取将电平单独取出再加上一个Bead（1K/200MHz）的做法。因为DC-DC一般适用于电流较大的场合，所产生的杂讯却一般难以消除。对于一般的抗干扰措施，可以在每一个POWER的PIN脚边放上一个0.1uF的去耦电容，一组电压的输出端放47uF左右的旁路电容，或LC型滤波器。具体的设计方法可以参考DC-DC或Linear Regulator的参考设计方法进行设计。另一个需要关注的是上电时序，对于IC外围线路电平和CORE电平之间的延迟也需要考虑，可以参考Datasheet的推荐值进行设计。 四、VIDEO ENHANCEMENT(视频增强技术)。 基于目前平板电视的大量上市，消费者对电视显示效果也有了更多的要求，于是，原本480I/576I逐渐暴露出由于隔行扫描，扫描线数小等先天缺陷造成的画面闪烁，颜色失真等情况。现代电视一方面在信号源上推广数字高清晰度广播，一方面也开发出了多种对数字电视信号的改良算法。 1．DE-Interlace（去隔行技术） 由于采用隔行信号传输方式，一方面传输带宽可以减少（1/2），但另一方面也带来了严重的行间闪烁，使观看时产生视觉疲劳。所以在电视硬件电路中，通常都需要将同一帧信号的奇偶两场合并后再予以播出，但是这样容易在运动物体的边缘产生锯齿，造成画面的模糊，可使用场内插值和场间插值的办法来解决。对于场内插值，采用的方法是：场内插值＋FIR滤波，其算法如下： 除此之外，目前最先进的算法是场间运动自适应算法和运动补偿，对图像运动方向，关联性进行分析，所得到的图像更加细腻逼真。在此种方法上，Faroudja公司（已被Genesis收购）的DCDI(Directional Correlation Delnterlacing定向关连去隔行)堪称业界经典，其FLI系列和Pixelworks的PW12XX都是作此方面的工作。 2．LTI/CTI(瞬时亮度/色度增强) 此方法用于增加亮度/色度传输时的信号上升速率，减少色彩边缘的模糊，扩散现象，使图像边缘变得锐利清晰。如用COLOR BAR测试时，其色条之间分界清晰。可以采用对信号高频部分进行加强的办法。 3．Flesh tone correction （肤色补偿） 对判断为人体皮肤的画面时，肤色补偿可将颜色改善为设定的肤色区域。并可单独对花，绿地等特定场景进行颜色校正的ACE（Active Color Management）技术方法以都可以有效改善画质。 新的数字电视技术正在日新月异，中国在数字电视的发展上，无论是制定标准还是电视硬件的生产都落后于领跑的欧美国家。目前我国已经确定的数字电视广播的标准，并且在青岛等地已经以免费发放机顶盒的方式开始推广数字电视广播。但是需要指出的是，国有彩电企业目前拿手的CRT彩电正在失去以往的市场，而LCD/PDP电视的PANEL（32吋以上）目前还都掌握在日本、韩国及台湾厂商中。方案芯片也基本上如此，所以目前国产的平板电视70％以上的利润不能自主掌握，无疑是一个极大的隐患。好在这个问题已经得到政府和企业的共同重视，长虹，创维，厦华等龙头企业也开始联合起来，相信不久之后，中国的数字电视行业也能重现当年CRT的辉煌，在未来竞争中立于不败之地。 参考文献 [1] 《pw3300 Datasheet Pixelworks》 [2] 《pw318 Datasheet Pixelworks》 [3] Keith Jac.《Video Demystified》第四版.2000

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