高清晰LCD HDTV中使用Cyclone III FPGA

高清晰lcd hdtv中使用cyclone iii fpga技术
当今的液晶显示(lcd) 技术在高清晰电视(hdtv) 领域得到了广泛应用,其挑战在于如何获得更高的分辨率,实现更快的数据速率。提高数据速率需要专业图像处理算法来支持快速移动的视频。业界遇到的主要问题是:怎样实现这些算法,率先将产品推向市场,并且能够控制好产品功耗?
为解决这一问题,当硬件平台和不同尺寸的lcd 显示屏连接时,设计人员需要确定怎样重新配置图像处理算法。面积较大的lcd 显示屏需要更快的数据速率,因此,难点在于怎样根据显示屏大小来调整数据速率。
采用新的低成本cyclone® iii fpga 系列很容易处理这些问题。设计人员可以在cyclone iii fpga 中应用图像处理算法,转换数字视频信号并映射至显示屏。而且,设计人员还可以充分发挥cyclone iii fpga 的灵活性,重新配置图像处理算法,针对面积较大的显示屏来提高数据速率。所以,设计人员能够为所有类型的lcd 显示屏开发通用硬件平台。
cyclone iii fpga 的优点
cyclone iii fpga 在数字电视和显示屏应用上非常灵活,能够实现最佳成本和性能。lcd 电视生产商可以把cyclone iii fpga 当做协处理器,运行实时嵌入式操作系统,控制所有的显示设备。除了显示中心控制以外,设计人员还可以在数据通道上结合使用cyclone iii fpga 和assp,进行特殊视频和图像处理。例如,fpga 适合实现选择显示功能,在视频流中进行实时图像缩放。
cyclone iii fpga 含有288 个经过优化的硬核数字信号处理(dsp) 模块,构成了视频和图像处理的基本单元。dsp 模块具有高速并行处理能力,适合执行dsp 应用程序,例如需要较高数据吞吐量的图像处理任务等。最常用的dsp 功能包括有限冲击响应(fir) 滤波器、复数fir 滤波器、快速傅立叶变换(fft)、离散余弦变换(dct) 和相关器等。这些功能是hdtv 以及其他综合lcd 应用的基本模块。
新技术克服了hdtv 中的障碍
目前的大屏幕显示会把很小的瑕疵放大为很大的图像失真,导致消费者不愿意购买大屏幕显示设备。显示设计人员必须采取措施滤除这些瑕疵,平滑锯齿边沿以及快速抖动等。
实现这类图像处理逻辑可以采用assp、asic 或者fpga。然而,对于设计人员而言,assp 无法突出企业的产品优势,而asic 的开发时间很长,价格昂贵。只有fpga 能够快速灵活地实现设计,抢在竞争对手之前把产品推向市场。在目前的市场上,cyclone iii fpga 的成本和功耗要比任何其他fpga 都低,使fpga 成为图像处理领域更愿意选择的解决方案。
此外,当今新的hdtv 为人们提供了更好的视觉体验,但常常要处理已有的标准清晰度(sd) 输入信号。显示设备公司希望能够增强sd 输入图像,采用缩放功能,而这都可以在cyclone iii fpga 中利用altera®视频和图像处理包提供的内核来轻松实现。表1 列出了各种megacore® 功能。
表1. ip megacore 功能
点击看原图
视频输入格式
在典型的数字lcd 电视结构( 图1 所示) 中,调谐器模块可以是卫星、地面或者电缆解调器,含有mpeg2或者mpeg4 解码器。除了数字显示调谐器信号以外,典型的lcd 电视还提供外部视频输入,例如dvi( 数字视觉接口) 或者hdmi( 高清晰多媒体接口)、模拟rgb、cvbs、s 视频和复合视频信号等。
lcd hdtv 监视器必须能够处理各种视频输入格式。有的格式可以直接映射到显示屏上,而有的格式必须重新缩放才能正常显示。
图1. 典型的数字lcd 电视结构图
nios 嵌入式处理器
出于多种考虑,设计人员在实现控制功能上没有采用硬件逻辑( 通常以状态机的形式),而是转向nios®ii 嵌入式处理器。首先,其设计调试要比hdl 简单。除了简化开发之外,设计人员还希望cpu 和工具包能够通用,适合多种应用。而且,nios ii 软核处理器是性价比非常高的解决方案,不需要外部处理器,设计人员可以把它嵌入到现有fpga 设计中,没有额外成本。
对于dtv 应用,nios ii 处理器控制所有的数据流,包括:
将视频流送至显示屏
远程控制处理
常规的管理任务
处理条件访问接口,例如智能卡等
从视频流中解密控制字
fpga 的优点
lcd hdtv 的核心是其图像处理和时序控制模块( 如图2 所示)。图像处理模块通常包括扫描速率转换器、帧速率转换器、色彩解码器、移动探测、scalar 和去隔行等功能。
图2. 典型的lcd 电视接口结构图
hdtv lcd 显示屏的色彩响应时间取决于色彩内容,要比传统的显示器慢。这对图像处理算法而言是一种挑战,需要进行更多的处理来消除相关的显示瑕疵。cyclone iii fpga 在设计上的灵活性有很大优势,设计人员可以在器件中重新设计算法,而不用重新编程。
更重要的是cyclone iii 系列在密度、板上存储器和 i/o 等很方面的处理能力非常强,设计人员可以利用这些资源针对最终产品设计合适的应用程序。
例如,上面的设计使用一个时序控制器通道,实现小屏或者低分辨率显示。而利用cyclone iii fpga,设计人员可以使用两通道时序控制器,支持分辨率更高的显示屏或者尺寸更大的( 大于36 英寸) 显示屏。在这些应用上,cyclone iii 系列的特性要优于任何其他低成本fpga,这些特性包括:
快速i/o 支持外部存储器访问
x36 ddr2 高达200 mhz
存储器模块容量增大到9kbits,实现效率更高的视频线缓冲。
使用片内匹配( 包括lvds、mini-lvds 和rsds) 的集成差分缓冲轻松实现i/o 设计,不需要外部电阻,简化了pcb 布板设计。
灵活的pll 支持:
更多的输出,每个器件全局时钟数量高达20 个。
高效动态pll 相位和频率调整,支持可变刷新率。
pll 级联,不需要片外走线,简化了pcb 布板设计。
输入时钟频率最低5mhz,支持低成本时钟。
低功耗,在温度要求比较高的消费类应用环境中,这是很明显的优势。
i/o 灵活性
cyclone iii fpga 的i/o 非常灵活,在新标准层出不穷的环境下,工程师可以充分利用这一点来开发设计。例如,在上面的设计中( 图2),视频板通过lvds 总线和lcd 模块进行接口。市场上目前对displayport 等标准非常关注,这类标准能够同时支持个人计算机和家庭娱乐系统,今后很有可能成为新的接口选择。然而,很多assp 并不支持新标准,工程师转而采用fpga,利用合适的接口实现需要的功能。cyclone iii fpga 可以和多种标准连通,能够支持这类标准,其pll 输出实现需要的时序和控制功能。
cyclone iii fpga 的i/o 价值还体现在rsds 上,以前的cyclone 器件便具有该功能,现在还包含了片内匹配。现在,设计人员不必再为接口设计大量的电阻,提高了信号完整性,减少了元件数量。
视频增强
显示设备生产商利用cyclone iii fpga 以及上面讨论的视频和图像处理包,增加真色彩和移动专用算法,提高性能,快速完成开发,充分挖掘市场机遇,突出其产品优势。有两种专用视频增强方法来实现lcd 显示屏的真视频显示性能。
第一种方法是时域抖动,在一定时间周期内,使象素迅速接通和关断,为不同的颜色生成真灰度级。第二种是空间抖动,产生数量合适的颜色强度级。空间抖动会产生空间噪声,出现误码扩散;需要进一步滤波,进行精细调整来消除这类噪声。
性能
cyclone iii fpga 具备dsp 处理能力,含有4mbits 的ram,288 个硬核dsp 模块以及120k 逻辑单元,性能得以大幅度提高。cyclone iii fpga 还可以提供多个dsp 处理器支持,帮助设计人员降低了成本,提高了集成度,大大降低了功耗。
结论
lcd 以前只是用于稳定地显示计算机数据文本和图像,现在可以在大屏幕上显示快速移动的视频内容。这需要采用专门的图像处理算法,而fpga 能够实现这些算法。lcd 设计人员利用cyclone iii 系列fpga 的容量和特性,根据显示屏大小,在标准硬件平台上对这些算法重新配置,大大降低了生产成本,缩短了产品面市时间。而且,灵活的cyclone iii fpga 还可以帮助设计人员进行动态图像处理,使lcd 能够进一步深入到前沿的商用电视和显示应用领域。
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