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利用FPGA和新技术,使LCD进入HDTV市场

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作者:时间:2007-05-28来源:Altera收藏
高清晰TV(HDTV)是)技术的最新应用领域,它比标准技术需要更高的分辨率,而数据速率和功耗也增加了。由于提高了数据速率,因此高速运动视频需要专门的图像处理算法。这些算法可以在现场可编程门阵列(FPGA)中实现,将数字视频信号正确的转换、映射在显示面板上。 
设计人员采用FPGA,可以灵活的重新配置图像处理算法,在相同硬件平台上,使所有产品中不同尺寸的LCD能够适应不断增加的数据速率。特别是在数字类市场上,FPGA能够为数字电视和显示提供最有效的成本、性能和灵活性均衡方案。LCD TV制造商可以充分利用FPGA技术,实现产品及时面市,使产品迅速进入零售渠道,在竞争中占据最有利地位。 



一个LCD系统可以围绕FPGA展开设计,其中运行实时嵌入式操作系统的FPGA协处理器控制整个显示设备。设计人员不仅可以在显示的中心控制部分采用FPGA,在专用处理数据通道上也可以采用FPGA。例如,FPGA非常适合实现一些可选显示功能,对视频流进行实时图像缩放处理。 中国光学在线 

最新一代FPGA含有经过优化的硬件编码数字信号处理(DSP)模块,组成视频和图像处理的基本单元。DSP模块的高速并行处理能力适用于图像处理等需要较大数据吞吐量的DSP应用。 


最常用的DSP函数包括有限冲击响应(FIR)滤波、复杂FIR滤波、快速傅立叶变换(FFT)、离散余弦变换(DCT)以及相关算法等。这些函数是HDTV和其他复杂LCD应用的基本构建模块。在LCD系统中使用FPGA技术还具有另一个优势——系统设计人员可以在产品整个生命周期中进行多次编程设计,这一关键特性使设计人员不必重新设计整个系统,就可以在产品更新换代中不断增加产品新功能。

克服HDTV障碍的新技术

HDTV正在成为商用电视的主流,业内主要厂商引入了专门的技术推动LCD进入HDTV应用领域。国家半导体(National Semiconductor)引入了低电压差分信号(LVDS)来降低高速LCD接口功耗和电磁干扰(EMI)。平面显示器(FPD)是国家半导体定义的LCD HDTV和监视器平台中,主机面板和显示面板之间基于LVDS的链接。 


国家半导体还定义了低摆幅差分信号(RSDS)标准,主要用于分辨率在VGA和UXGA(急速扩展图形阵列)之间的显示应用。德州仪器(Texas Instruments)也引入了相似的接口标准——mini-LVDS,其目的同样是降低功耗和EMI。平面链接(Flat Link)是TI定义的LCD HDTV和监视器平台中,主机面板和显示面板之间基于LVDS的链接。mini-LVDS接口标准与RSDS基本一致,只是mini-LVDS为符合AC定时要求而采用了中心对准的输出时钟。 

该接口与FPD链接相似,主要由LG、Philips和Thomson采用,应用于他们的LCD HDTV产品中。由于者越来越青睐于更大的TV显示器,设计人员进行电路板和布线设计,实现信号完整性时,目前的接口技术仍会有一定的局限性。国家半导体开发了一种叫做PPDS的最新接口技术,目的在于实现更大的LCD显示。表1总结了各种不同的显示面板技术。 


图1是一个典型的数字LCD TV模块框图。调谐器模块可以是卫星、地面无线或者电缆解调器,其后是MPEG2解调器。除了来自数字TV调谐器的信号以外,一个典型的LCD TV还能够提供DVI(数字视觉接口)、HDMI(高清晰多媒体接口)、模拟RGB、CVBS、S-video以及电视信号分量等外部视频输入接口。 
LCD HDTV监视器必须能够处理各种视频输入信号格式。一些格式可以直接映射到显示器上,而其他的则必须重新调节才能正确的显示。LCD HDTV的核心是其图像处理和定时控制模块。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、运动探测、换算器和解隔行扫描等功能。图2是一个典型的LCD TV接口模块框图。 

LCD彩色响应主要取决于色彩容量,其响应时间较慢,是图像处理算法(可去处视觉非自然信号)设计中的难点。FPGA的设计灵活性提供了产品及时面市的优势,使设计人员能够在器件中重新设计算法,而不必重新进行编程规划。显示器制造商在产品中加入自己的专用算法实现真彩色、提高运动显示性能,从而能够领先于竞争对手。有两种专用视频增强方法来产生LCD真彩色视频性能。 

第一种方法是时间抖动,在一定的时间周期内,快速切换象素的开关状态,生成不同颜色的真灰度等级。第二种方法是空间抖动,生成一定数量的颜色强度等级。空间抖动会产生空间噪声或者误差扩散;需要进一步的滤波和精确调谐来消除此类噪声。 


结论 



LCD以前主要用于比较稳定的计算机数据文本和图形显示,而现在则用于在更大的显示面板上显示快速运动视频信号,这需要能够在FPGA中实现的专用图像处理算法。LCD设计人员采用FPGA技术可以在标准硬件平台上,根据面板尺寸重新配置这些算法,从而降低制造成本,加速产品面市。主要制造商引入多种技术,如国家半导体的低电压差分信号和低摆幅差分信号以及德州仪器的mini-LVDS,克服功耗和电磁障碍,使LCD能够应用于HDTV商用领域。利用灵活的FPGA进行动态图像处理,采用新技术克服HDTV功耗和EMI障碍,设计人员能够将LCD进一步带入前沿的商用TV和显示应用领域。



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