PDP中的模拟视频数字化电路设计①

    摘  要：视频接口电路是等离子体显示器（PDP）的关键技术之一，它对输入视频数据信号的处理能力直接影响整套PDP显示系统的特性，包括对不同视频制式的支持能力以及显示图像质量的优劣。由于目前视频信号源大多是模拟视频信号，等离子体显示过程中要求数字图像信号，因此模拟视频信号数字化电路必然是PDP视频接口电路的重要组成部分。介绍了一套PDP用多功能模拟视频数字化电路的设计实例。
　　关键词：等离子体显示；模数转换；I² C

　　随着科学技术的进步和社会的发展，人们对图像显示质量的要求越来越高。当今显示技术的发展方向是大屏幕、高清晰、重量轻、平面或短管显示，平板显示器件正体现了这一特点。在平板显示器件中，等离子体显示器（PDP）以其诸多的独特的优点，正逐步成为大屏幕、高清晰度电视的，越来越多的人将目光投向了PDP这以超大规模集成电路与工艺技术结合的新型显示器件。其主要优点有：易于实现大面积显示，对角线可达60 in（1 in＝25．4mm）以上；可以实现全彩色显示，利用红、绿、蓝三基色，灰度等级可以超过256级；数字化驱动；亮度高，对比度高，视角大（平板显示器中），色纯度好（可等同于CRT）；器件结构及制作工艺简单，环境性能优异，可满足MIL标准等。
　　然而由于PDP驱动方式的限制，它只接受特定格式的数字视频信号，而现有的视频信号种类丰富，有多种模拟视频信号（如复合广播电视信号、计算机视频信号）和多种数字视频信号。为了扩大PDP的应用范围，就有必要在PDP整机电路系统中设计视频信号接口电路，其主要功能是对各类视频信号进行数字化和解码，然后对解码后的数字信号进行格　　式变换和图像处理，得到适合PDP显示的高质量的数字视频信号。
　　由于现阶段数字电视尚未普及，模拟视频信号占据了视频信号源的主体地位，因此模拟视频数字化电路也就成为PDP视频接口电路的重要组成部分，对这部分电路的研究和开发对于整套PDP显示系统的研发具有重要的现实意义。

1　设计方案
1．1　模拟视频信号分类
　　模拟视频信号从用途来看，主要可以分为两类：模拟电视信号和计算机视频信号。细分一下可以有以下几种格式：
    ①　复合视频（Composite video）
　　复合视频信号定义为包括亮度和色度的单路模拟信号，也即从全电视信号中分离出伴音后的视频信号，这时的色度信号还是间插在亮度信号的高端。由于复合视频的亮度和色度是间插在一起的，在信号重放时很难恢复完全一致的色彩。这种信号信号带宽较窄，一般只有水平240线左右的分解率。目前世界各国使用多种不同的复合视频信号格式，主要有：NTSC（National Television Systems Committee），PAL（Phase Alternation Line），SECAM（SystemElectron－ique Color Avec Memories）等制式^［1］。
    ②　S－video（Y／Cvideo）
　　S－Video是一种两分量的视频信号，它把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号，用两路导线分别传输并可以分别记录在模拟磁带的两路磁迹上。这种信号不仅其亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮度和色度分开传输，可以减少其互相干扰，水平分解率可达420线。与复合视频信号相比，S－Video可以更好地重现色彩。
　　③　计算机模拟视频信号（VGA，SVGA，XVGA，SXGA信号）
　　计算机模拟视频信号是由计算机显示卡输出的，它由5路信号组成（包括分离的RGB彩色信号和VS、HS同步信号），从早的CGA发展到现在VGA、SVGA等制式，具有多种分辨率格式。
1．2　模拟视频信号数字化原理
　　模拟视频信号数字化的基本步骤是取样（Sam－pling）、量化（Quantization）和编码（Coding）。根据Nyquist定理，取样频率必须大于信号带宽的两倍，才能从取样信号中完全恢复原信号。以对PAL制电视信号进行数字化为例，它的取样频率常采用彩色副载波的二倍或四倍，即13．29 MHz或17．72 MHz。取样频率必须与副载波连锁，这是为了避免因差拍而产生干扰，从而增加复原图像的噪声。
　　通过取样，把模拟信号变为时间上离散的脉冲信号。这些脉冲信号的幅度仍然是模拟的，因此还必须对模拟幅度进行离散化处理，才能用数码来表示其幅值。这种对幅值进行分级，并按每级进行舍零取整的过程叫作量化。
　　把量化后的信号，转换成数字编码脉冲，这一过程被称为编码。然后用n个比特的二进制码来表示已经量化了的取样值。每一个二进制数字字节对应一个量化值，再经过排列后得到由二值脉冲组成的数字信息流。
　　在对模拟信号进行取样时，取样频率必须与输入信号之间保持一定的相位关系，这就需要把取样时钟与输入信号锁相。
　　此外，在模拟信号数字化电路中还必须很好的从输入信号中分离出行场同步信号等控制时钟，将它们和数字化后的视频信号一起送入下处理单元。
1．3　方案的选择
　　对于模拟视频信号的数字化处理，方法之一是根据不同的输入信号格式和输出要求，挑选合适的视频A／D芯片，然后配以时钟分离同步器，锁相环，滤波器等电路，组成完整的模拟视频信号数字化电路，这样做的优点是成本低廉^［2］。然而它的缺点也很明显，这样设计的电路配置复杂，设计过程烦琐，难以保证，同时输出的数字信号格式也比较单一，很难满足PDP对图像高质量和系统电路高度集成化的要求。
　　随着由于VLSI及视频处理技术的进步，现在业界已有较多的单片数字解码芯片解决方案^［3］，通常这些芯片只需要配合很少的外围电路，便能实现视频信号从模拟到数字的转换，而且它们可以通过控制接口，由用户方便地实时调整其内部参数，以适应不同的转换要求。因此在设计视频信号数字化电路时，采用现成的视频处理芯片，可以大大缩短开发时间，提高电路的集成度，保证输出的稳定性。各大半导体公司都提供了多种视频数字化处理芯片，有Philips公司的SAA7110系列，三星公司的KSO127系列，Genesis公司的GmD2000系列等。各类视频数字化芯片的主要区别在于：信号输入端口的多少、A／D转换器的、A／D转换速率和支持的输出格式等。根据PDP对视频信号的处理要求，通过对各款视频处理芯片的性价比进行的比较，我们决定采用TI公司的THS8083和PHILIP公司的SAA7111A分别作为计算机模拟视频和CV／S－Video的数字化处理芯片。
1．4　数字化处理芯片性能简介THS8083有以下主要特点^［4］：
　　①　三路数字转换通道，在其内部可以独立的进行嵌位控制，自动增益控制和8 bit模数转换；
　　②　既可独立获得行、场同步信号，也能实现从Y／G信号中的行、场同步信号的自动检测和分离，并且行同步信号的起始和结束位置均可根据需要进行编程控制。片内可以产生13～95 MHz的时钟，通过数字PLL锁定行同步；
　　③　提供数种数字图像数据输出格式，可以根据不同的需要选择合适的格式；
　　④　可以通过编程控制，实现多种分辨率和刷新率的模拟视频信号向数字图像信号的转换；
　　⑤　提供专门的数据时钟输出，可以方便的锁定输出的数据。
    SAA7111a视频输入处理器有以下主要特点^［5］：
　　①可编程选择4路视频输入中的一路或两路组成不同的工作模式，在其内部有两路模拟视频信号处理通道，可进行静态增益控制或自动增益控制，两路8 bit的A／D；
　　②可对芯片编程进行白电平控制、抗混叠滤波、梳状滤波；
　　③能实现行同步、场同步信号的自动检测、分离，并且行同步信号的起始位置与结束位置均可根据需要进行编程控制，片内产生的时钟通过数字PLL锁定行同步；
　　④场频50 Hz或60 Hz自动检测，并自动在PAL和NTSC之间自动切换，并能对不同输入制式的亮度信号、色度信号进行处理，并实现亮度，色度和饱和度的片内控制；
　　⑤可方便使用不同的数字图像数据输出格式。
2　硬件电路设计　　
　　在确定了模拟视频信号数字化的电路的设计方案后，我们就设计了如图1所示的系统电路。下面将介绍电路的各个主要组成部分的设计。

2．1　模拟视频输入接口设计：
　　复合电视信号是通过标准的BNC接口接入电路板，然后经过匹配电阻和耦合电容输入到SAA7111a的相应端口。
　　S－Video信号是通过标准的S端子接口接入电路板，分离的一路Y和一路C信号同样经过匹配电阻和耦合电容输入到SAA7111a的相应端口。
　　计算机模拟视频信号是通过标准的15针显示接口接入电路板，在输入的5路信号中，R／G／B三路信号可以经匹配电阻和耦合电容接入THS8083的相应端口，而根据THS8083时钟端口的需要，HS和VS信号必须通过5～3．3 V的电平转换和缓冲后接入相应端口（如图2所示）。

2．2　电源电路设计
　　THS8083和SAA7111a都是3．3 V器件，而系统的主控芯片AT89C51是5 V器件，因此电路必须同时有5 V和3．3 V的电源来供电。我们在电路中仅从外界获得5 V的电源，然后利用LM317设计了5～3．3 V的电源转换电路，用来作为两款视频处理芯片的3．3 V电源。需要注意的是虽然SAA7111a是3．3V器件，但是它的存储器控制单元确必须是5 V供电，因此要使其正常工作，必须提供一路5 V电源线路输入到相应端口中（管脚1）。
2．3　主控电路设计
　　两款视频处理芯片都是按I²C总线标准控制的。在主控电路中可以选择使用专用的I²C控制芯片，然而用单片机模拟I²C总线控制十分方便，电路简单，同时成本低廉，因此系统采用单片机AT89C51模拟I²C总线控制。由于AT89C51的P1口还内置了上拉电阻，因此我们用P1．6和P1．7口分别输出的SCL（时钟信号）和SDA（数据信号）可以直接接入到芯片的相应端口中。为了提高单片机的稳定性，我们还设计了单片机的抗干扰复位电路^［6］，如图3所示。

2．4　电路的抗干扰处理
　　在模拟视频信号数字化电路中，既有模拟信号，又有数字信号，既有高频信号，又有低频信号，这是个容易出现干扰问题的系统^［7］。而一旦出现干扰，将大大降低信号处理的度，为下的处理带来困难，从而影响整个PDP视频接口电路的性能，因此必须加强电路的抗干扰能力。
　　在具体的电路实现中我们主要采取了以下几种方式来提高电路的抗干扰能力：
　　①合理地分开电路的数字区和模拟区，以减少数字电路通过电场耦合的干扰；
　　②电路设计中采用线性电源供电，并加接了必要的滤波电路，以有效的减少电源纹波，抑制电源干扰，从而提高电路的信噪比；
　　③采用双面印刷电路板布线技术和低阻抗的大面积布地，以保证电路的接地、屏蔽和隔离良好，同时减少电路体积；印刷板布线时，信号线尽可能
短、直，尽可能使拐角圆滑，以减小寄生电容；
　　④电路中多处使用抗干扰器件，比如在IC的电源处都增加了接地的旁路电容等。
3　软件控制设计　　
　　THS8083和SAA7111a都是以PC机作为开发平台的视频图像处理芯片，其所有的编程功能都是通过I²C总线向内部的寄存器相应的控制位置写入相应的代码来完成的。典型的开发系统如图4所示（实际开发中可以用单片机或者CPLD代替PC机模拟实现I²C总线控制）^［8］。图4中，SDA为双向数据线，SCL为时钟线，由PC机产生，频率可以达到400 kHz（即工作在I²C总线快速模式下），需要注意的是如果THS8083输出的DTOCLOCK小于25 MHz，则SCL只能工作于I²C总线的正常模式下（SCL频率此时可以达到100 kHz）。SCL和SDA通过上拉电阻与VCC相连以增加负载驱动能力。SDA在SCL的配合下，可以完成PC向寄存器写入数据的操作，也可以从寄存器里读出数据。

　　在实际开发中，我们采用AT89C51单片机模拟I²C总线，控制和改变芯片的工作方式。其单片机程序流程图如图5所示，需要注意的是芯片的寄存器有些是只读的，有些是保留未使用的，在改写所需寄存器单元时，必须严格按照I²C总线的操作要求才能正确的控制芯片正常工作。
　　芯片经过单片机配置后，就可以从模拟视频信号接口接受相应的模拟信号，经过内部数字化处理，输出所需格式的数字视频信号和控制时钟到下处理单元。
4　结束语　　
　　本文主要介绍了一套为PDP设计地模拟视频数字化电路，它分别利用THS8083和SAA7111a实现计算机视频信号和CV／S－Video信号的解码和数字化，并支持包括PAL、NTSC、VGA、SVGA等在内的多种视频制式和分辨率。作为一个完整的视频图像采集系统的重要部分，它已经被应用到等离子体显示器（PDP）视频接口电路中。