高清晰LCD HDTV中使用Cyclone III FPGA技術

當今的液晶顯示(LCD) 技術在高清晰電視(HDTV) 領域得到了廣泛應用，其挑戰在于如何獲得更高的分辨率，實現更快的數據速率。提高數據速率需要專業圖像處理算法來支持快速移動的視頻。業界遇到的主要問題是：怎樣實現這些算法，率先將產品推向市場，并且能夠控制好產品功耗?

為解決這一問題，當硬件平臺和不同尺寸的LCD 顯示屏連接時，設計人員需要確定怎樣重新配置圖像處理算法。面積較大的LCD 顯示屏需要更快的數據速率，因此，難點在于怎樣根據顯示屏大小來調整數據速率。

采用新的低成本Cyclone? III FPGA 系列很容易處理這些問題。設計人員可以在Cyclone III FPGA 中應用圖像處理算法，轉換數字視頻信號并映射至顯示屏。而且，設計人員還可以充分發揮Cyclone III FPGA 的靈活性，重新配置圖像處理算法，針對面積較大的顯示屏來提高數據速率。所以，設計人員能夠為所有類型的LCD 顯示屏開發通用硬件平臺。

Cyclone III FPGA 的優點

Cyclone III FPGA 在數字電視和顯示屏應用上非常靈活，能夠實現最佳成本和性能。LCD 電視生產商可以把Cyclone III FPGA 當做協處理器，運行實時嵌入式操作系統，控制所有的顯示設備。除了顯示中心控制以外，設計人員還可以在數據通道上結合使用Cyclone III FPGA 和ASSP，進行特殊視頻和圖像處理。例如，FPGA 適合實現選擇顯示功能，在視頻流中進行實時圖像縮放。

Cyclone III FPGA 含有288 個經過優化的硬核數字信號處理(DSP) 模塊，構成了視頻和圖像處理的基本單元。DSP 模塊具有高速并行處理能力，適合執行DSP 應用程序，例如需要較高數據吞吐量的圖像處理任務等。最常用的DSP 功能包括有限沖擊響應(FIR) 濾波器、復數FIR 濾波器、快速傅立葉變換(FFT)、離散余弦變換(DCT) 和相關器等。這些功能是HDTV 以及其他綜合LCD 應用的基本模塊。

新技術克服了HDTV 中的障礙

目前的大屏幕顯示會把很小的瑕疵放大為很大的圖像失真，導致消費者不愿意購買大屏幕顯示設備。顯示設計人員必須采取措施濾除這些瑕疵，平滑鋸齒邊沿以及快速抖動等。

實現這類圖像處理邏輯可以采用ASSP、ASIC 或者FPGA。然而，對于設計人員而言，ASSP 無法突出企業的產品優勢，而ASIC 的開發時間很長，價格昂貴。只有FPGA 能夠快速靈活地實現設計，搶在競爭對手之前把產品推向市場。在目前的市場上，Cyclone III FPGA 的成本和功耗要比任何其他FPGA 都低，使FPGA 成為圖像處理領域更愿意選擇的解決方案。

此外，當今新的HDTV 為人們提供了更好的視覺體驗，但常常要處理已有的標準清晰度(SD) 輸入信號。顯示設備公司希望能夠增強SD 輸入圖像，采用縮放功能，而這都可以在Cyclone III FPGA 中利用Altera?視頻和圖像處理包提供的內核來輕松實現。表1 列出了各種MegaCore? 功能。

表1. IP MegaCore 功能



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視頻輸入格式

在典型的數字LCD 電視結構( 圖1 所示) 中，調諧器模塊可以是衛星、地面或者電纜解調器，含有MPEG2或者MPEG4 解碼器。除了數字顯示調諧器信號以外，典型的LCD 電視還提供外部視頻輸入，例如DVI( 數字視覺接口) 或者HDMI( 高清晰多媒體接口)、模擬RGB、CVBS、S 視頻和復合視頻信號等。

LCD HDTV 監視器必須能夠處理各種視頻輸入格式。有的格式可以直接映射到顯示屏上，而有的格式必須重新縮放才能正常顯示。



圖1. 典型的數字LCD 電視結構圖

Nios 嵌入式處理器

出于多種考慮，設計人員在實現控制功能上沒有采用硬件邏輯( 通常以狀態機的形式)，而是轉向Nios?II 嵌入式處理器。首先，其設計調試要比HDL 簡單。除了簡化開發之外，設計人員還希望CPU 和工具包能夠通用，適合多種應用。而且，Nios II 軟核處理器是性價比非常高的解決方案，不需要外部處理器，設計人員可以把它嵌入到現有FPGA 設計中，沒有額外成本。

對于DTV 應用，Nios II 處理器控制所有的數據流，包括：

將視頻流送至顯示屏

遠程控制處理

常規的管理任務

處理條件訪問接口，例如智能卡等

從視頻流中解密控制字

FPGA 的優點

LCD HDTV 的核心是其圖像處理和時序控制模塊( 如圖2 所示)。圖像處理模塊通常包括掃描速率轉換器、幀速率轉換器、色彩解碼器、移動探測、scalar 和去隔行等功能。



圖2. 典型的LCD 電視接口結構圖

HDTV LCD 顯示屏的色彩響應時間取決于色彩內容，要比傳統的顯示器慢。這對圖像處理算法而言是一種挑戰，需要進行更多的處理來消除相關的顯示瑕疵。Cyclone III FPGA 在設計上的靈活性有很大優勢，設計人員可以在器件中重新設計算法，而不用重新編程。

更重要的是Cyclone III 系列在密度、板上存儲器和 I/O 等很方面的處理能力非常強，設計人員可以利用這些資源針對最終產品設計合適的應用程序。

例如，上面的設計使用一個時序控制器通道，實現小屏或者低分辨率顯示。而利用Cyclone III FPGA，設計人員可以使用兩通道時序控制器，支持分辨率更高的顯示屏或者尺寸更大的( 大于36 英寸) 顯示屏。在這些應用上，Cyclone III 系列的特性要優于任何其他低成本FPGA，這些特性包括：

快速I/O 支持外部存儲器訪問

X36 DDR2 高達200 MHz

存儲器模塊容量增大到9Kbits，實現效率更高的視頻線緩沖。

使用片內匹配( 包括LVDS、mini-LVDS 和RSDS) 的集成差分緩沖輕松實現I/O 設計，不需要外部電阻，簡化了PCB 布板設計。

靈活的PLL 支持：

更多的輸出，每個器件全局時鐘數量高達20 個。

高效動態PLL 相位和頻率調整，支持可變刷新率。

PLL 級聯，不需要片外走線，簡化了PCB 布板設計。

輸入時鐘頻率最低5MHz，支持低成本時鐘。

低功耗，在溫度要求比較高的消費類應用環境中，這是很明顯的優勢。

I/O 靈活性

Cyclone III FPGA 的I/O 非常靈活，在新標準層出不窮的環境下，工程師可以充分利用這一點來開發設計。例如，在上面的設計中( 圖2)，視頻板通過LVDS 總線和LCD 模塊進行接口。市場上目前對DisplayPort 等標準非常關注，這類標準能夠同時支持個人計算機和家庭娛樂系統，今后很有可能成為新的接口選擇。然而，很多ASSP 并不支持新標準，工程師轉而采用FPGA，利用合適的接口實現需要的功能。Cyclone III FPGA 可以和多種標準連通，能夠支持這類標準，其PLL 輸出實現需要的時序和控制功能。

Cyclone III FPGA 的I/O 價值還體現在RSDS 上，以前的Cyclone 器件便具有該功能，現在還包含了片內匹配。現在，設計人員不必再為接口設計大量的電阻，提高了信號完整性，減少了元件數量。

視頻增強

顯示設備生產商利用Cyclone III FPGA 以及上面討論的視頻和圖像處理包，增加真色彩和移動專用算法，提高性能，快速完成開發，充分挖掘市場機遇，突出其產品優勢。有兩種專用視頻增強方法來實現LCD 顯示屏的真視頻顯示性能。

第一種方法是時域抖動，在一定時間周期內，使象素迅速接通和關斷，為不同的顏色生成真灰度級。第二種是空間抖動，產生數量合適的顏色強度級。空間抖動會產生空間噪聲，出現誤碼擴散；需要進一步濾波，進行精細調整來消除這類噪聲。

性能

Cyclone III FPGA 具備DSP 處理能力，含有4Mbits 的RAM，288 個硬核DSP 模塊以及120K 邏輯單元，性能得以大幅度提高。Cyclone III FPGA 還可以提供多個DSP 處理器支持，幫助設計人員降低了成本，提高了集成度，大大降低了功耗。

結論

LCD 以前只是用于穩定地顯示計算機數據文本和圖像，現在可以在大屏幕上顯示快速移動的視頻內容。這需要采用專門的圖像處理算法，而FPGA 能夠實現這些算法。LCD 設計人員利用Cyclone III 系列FPGA 的容量和特性，根據顯示屏大小，在標準硬件平臺上對這些算法重新配置，大大降低了生產成本，縮短了產品面市時間。而且，靈活的Cyclone III FPGA 還可以幫助設計人員進行動態圖像處理，使LCD 能夠進一步深入到前沿的商用電視和顯示應用領域。