Cyclone III FPGA技术在高清晰LCD HDTV中的应用

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



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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
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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
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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。