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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林浡然
研究生(外文):Pou-zan Lin
論文名稱:以FPGA來實現液晶顯示控制器之抽條、補點與補間技術
論文名稱(外文):Realization of De-interlacing for a LCD Scalar Using FPGA
指導教授:蘇武昌
指導教授(外文):Wu-Chung Su
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:114
中文關鍵詞:液晶顯示器補間抽條補點交錯式掃描
外文關鍵詞:ScalarDe-interlaceFPGALCDinterlace
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摘要
人們生活水平的提高,帶動了多媒體影像產品的蓬勃發展,各種不同尺寸的超薄電視也因而產生。本文利用FPGA來模擬一般工業界製造超薄電視的技術核心-scalar 單晶片,雖不能與業界高度模組化的scalar 晶片相提並論,但也已掌握其根本的精神,利用取樣頻率的不同,來達到輸入影像與輸出同步的目的,並利用記憶體儲存方式來處理奇、偶圖場(field)補間的問題以及達到補點的效果。
尤其利用FPGA的可重複燒錄的特性,可使設計者不用考慮晶圓打樣的費用問題,當然FPGA有其先天的侷限,尤其在發展現今多種不同格式的影像訊號,如VGA,有其一定程度上的困難性,但若只是支援少量的影像格式或驗證某一功能的演算控制,其實FPGA為一個非常好的選擇。
Abstract
Multimedia, especially the LCD TV, is one manifestation of improvement of quality of life. Our research is to use a FPGA chip to simulate the core technology of a LCD TV --- Scalar IC, not to outperform the commercial Scalar IC products, but to grasp the basic knowledge of it. We used different sampling frequencies to attain synchronization for the input and output image signals. Memory chips are used for odd fields, even fields and de-interlace processing.
FPGAs are popular for the attribute of repeatable programming that enables designers not to worry about the chip manufacturing expense. FPGAs have their limitations and hence are difficult to accommodate certain kinds of image signals, such as VGA. Nonetheless, in supporting certain features with few computing loads in signal formats like NTSC and PAL, FPGAs do perform well and are highly recommended.
目錄
中文摘要…………………………………………………………… i
英文摘要…………………………………………………………… ii
致謝………………………………………………………………… iii
目錄………………………………………………………………… iv
圖目錄……………………………………………………………… xiiⅷ
表目錄……………………………………………………………… xiii
第一章 緒論…………………………………………………………1
1.1 緣起…………………………………………………………… 1
1.2 數位液晶電視的發展趨式…………………………………… 3
1.3 液晶電視市場潛力分析……………………………………… 4
1.4 液晶電視控制晶片的技術概述……………………………… 4
1.5 本論文架構組織……………………………………………… 6
第二章 基本影像訊號知識的介紹…………………………………8
2.1 電視廣播系統的分類………………………………………… 8
2.2 色彩三要素…………………………………………………… 10
2.3 影像電子訊號的簡介………………………………………… 12
2.4 掃描…………………………………………………………… 16
2.5 合併(補間)…………….……………………………………17
2.6 液晶螢幕掃描工作原理與影像輸出的關係………………… 20
2.7 影像放大(Up scaling)與縮小(Down scaling)的工作原
理……………………………………………………………… 23
2.8 同步…………………………………………………………… 24
2.9 影像時序(Timing)的計算方式…………………………… 26
2.10 Y/C分離的基本觀念.……………………………………… 27
第三章 各種單晶片及週邊元件的介紹……………………………31
3.1 TW9901(影像解碼器)………………………………………31
3.1.1 基本功能…………………………………………………… 31
3.1.2 重要晶片PIN腳及其相關訊號的介紹………………………32
3.1.3 數位輸出時序的方式……………………………………… 33
3.1.4 輸出資料排序的方式……………………………………… 35
3.2 ADV7170(影像編碼器)…………………………………… 35
3.2.1 基本功能…………………………………………………… 36
3.2.2 重要晶片PIN腳的介紹………………………………………36
3.2.3 數位輸出時序的方式……………………………………… 37
3.3 M21L216128A(SRAM)……………………………………… 37
3.3.1 基本特性…………………………………………………… 38
3.3.2 重要晶片PIN腳的介紹………………………………………38
3.3.3 ACCESS時序介紹……………………………………………39
3.4 EP1K50(FPGA)………………………………………………45
3.4.1 基本特性…………………………………………………… 46
3.4.2 FPGA實用上的優缺點………………………………………46
3.4.3重要晶片PIN腳的介紹……………………………………… 48
3.5 PANASONIC 液晶螢幕……………………………………… 50
3.5.1 基本特性…………………………………………………… 50
3.5.2 重要PIN腳的介紹……………………………………………51
第四章 硬體線路及架構的介紹……………………………………53
4.1 系統硬體架構介紹…………………………………………… 53
4.2 系統硬體電路驗證流程與方式……………………………… 54
4.2.1 TW9901驗證方式……………………………………………54
4.2.2 ADV7170驗證方式………………………………………… 55
4.2.3 FPGA驗證方式………………………………………………55
4.2.4 液晶螢幕時序控制驗證方式……………………………… 56
4.2.5 記憶體(SRAM)存取控制驗證方式……………………… 57
4.3 系統硬體電路介紹…………………………………………… 58
第五章 數學模型及VHDL CODE解說……………………………… 66
5.1 數學模型的推導與建立……………………………………… 66
5.1.1 NTSC…………………………………………………………66
5.1.1.1 顏色資料矩陣轉換……………………………………… 66
5.1.1.2 NTSC解析度轉換運算……………………………………67
5.1.2 PAL………………………………………………………… 69
5.1.2.1 顏色資料矩陣轉換……………………………………… 69
5.1.2.2 PAL解析度轉換運算…………………………………… 70
5.2 系統數學流程架構…………………………………………… 71
5.3 VHDL CODE解說……………………………………………… 72
5.3.1各種輸入、輸出腳的功用……………………………………72
5.3.2 NTSC和PAL系統的判斷…………………………………… 85
5.3.3 Y、Cb、Cr轉換成R、G、B系統……………………………87
5.3.4 影像補償系統……………………………………………… 92
5.3.5 影像輸出系統……………………………………………… 106
第六章 結論…………………………………………………………112
參考文獻…………………………………………………………… 113
圖目錄
圖1.1 駿林科技所研制的7吋車用液晶電視………………………2
圖1.2 駿林科技所研制的20吋家庭用液晶電視………………… 2
圖1.3 聲寶所研制的30吋家庭用液晶電視……………………… 2
圖1.4 SONY所研制的壁掛大型液晶電視…………………………3
圖1.5 液晶電視市場分佈圖……………………………………… 4
圖1.6 FPGA內部規劃方塊圖………………………………………6
圖2.1 色彩三特性之表示法……………………………………… 12
圖2.2 電視類比影像訊號的格式………………………………… 12
圖2.3 Y與C的影像訊號的格式.………………………………… 13
圖2.4 I軸與Q軸……………………………………………………14
圖2.5 I、Q與R-Y、B-Y的關係…………………………………15
圖2.6(a) 間差掃描…………………………………………………16
圖2.6(b) 奇數圖場…………………………………………………16
圖2.6(c) 偶數圖場…………………………………………………16
圖2.6 影像掃描方式……………………………………………… 16
圖2.7單一圖場複製補間的方式……………………………………18
圖2.8 圖場內補間的方式………………………………………… 19
圖2.9圖場間補間的方式……………………………………………20
圖2.10 螢幕電子槍掃描方式………………………………………21
圖2.11液晶螢幕的顯像電氣規格………………………………… 22
圖2.12 完整影像的電子訊號(a)……………………………… 22
圖2.12(b)輸出到液晶螢幕完整的電子影像訊號………………23
圖2.13 影像縮放動作原理…………………………………………24
圖2.14(a)基本波形………………………………………………25
圖2.14(b)連續兩圖場的垂直遮沒期間之波形…………………25
圖2.14 垂直遮沒期間之波形………………………………………25
圖2.15 NTSC訊號下的Y、C頻寬分佈頻譜……………………… 27
圖2.16 利用水平濾波器做YC分離…………………………………28
圖2.17 NTSC二維頻譜…………………………………………… 28
圖2.18 NTSC再加上一個垂直濾波器的二維頻譜……………… 29
圖2.19 NTSC三維頻譜濾波器…………………………………… 30
圖3.1 TW9901系統方塊圖…………………………………………32
圖3.2 輸出資料頻率與水平同步訊號關係時序圖……………… 33
圖3.3 輸出資料頻率與數位資料關係時序圖…………………… 34
圖3.4 奇數圖場下水平同步訊號與垂直同步訊轉換時序圖…… 34
圖3.5 偶數圖場下水平同步訊號與垂直同步訊轉換時序圖…… 34
圖3.6 在NTSC模式下,水平同步訊號、垂直同步訊號與圖場
奇偶訊號轉換時序圖……………………………………………… 34
圖3.7 在PAL模式下,水平同步訊號、垂直同步訊號與圖場奇
偶訊號轉換時序圖………………………………………………… 35
圖3.8 在影像解碼器輸出的資料與點(PIXEL)的關係…………35
圖3.9 ADV7170系統方塊圖……………………………………… 36
圖3.10 ADV7170資料輸入排列方式………………………………37
圖3.11 M21L216128A系統方快圖…………………………………38
圖3.12 M21L216128A資料讀取時序圖(1)…………………… 41
圖3.13 M21L216128A資料讀取時序圖(2)…………………… 41
圖3.14 M21L216128A資料寫入時序圖(1)…………………… 42
圖3.15 M21L216128A資料寫入時序圖(2)…………………… 43
圖3.16 M21L216128A資料寫入時序圖(3)…………………… 44
圖3.17 M21L216128A資料寫入時序圖(4)…………………… 45
圖3.18 FPGA系統方快圖………………………………………… 48
圖4.1 系統方塊圖………………………………………………… 53
圖4.2 TW9901驗證方式……………………………………………54
圖4.3 ADV7170驗證方式………………………………………… 55
圖4.4 FPGA驗證方式………………………………………………56
圖4.5 液晶螢幕時序控制驗證方式……………………………… 57
圖4.6 記憶體存取控制驗證方式………………………………… 58
圖4.7 video decoder(TW9901)電路………………………… 59
圖4.8 download interface電路…………………………………60
圖4.9 電源電路…………………………………………………… 61
圖4.10 MCU電路……………………………………………………62
圖4.11 FPGA(EP1K50)電路………………………………………63
圖4.12 SRAM(M21L216128A)和ROM(EPC2_PLCC20)
電路………………………………………………………………… 64
圖4.13 video encoder(ADV7170)電路……………………… 65
圖5.1 FPGA內部流程圖……………………………………………71
圖5.2 NTSC的偵測時序圖…………………………………………87
圖5.3 PAL的偵測時序圖………………………………………… 87
圖5.4 Y、Cb、Cr擷取時序圖…………………………………… 91
圖5.5 影像補償系統時序圖……………………………………… 105
圖5.6 影像儲存系統時序圖……………………………………… 105
圖5.7 水平同步訊號與垂直同步訊號時序關係圖……………… 110
圖5.8 水平同步訊號與點資料頻率時序關係圖………………… 110
圖5.9 水平輸出同步訊號與OUT_CLOCK_COUNTER時序關係圖……111
圖5.10 垂直同步訊號與OUT_HSYNC_COUNTER時序關係圖……… 111
表目錄
表2.1 三種主要的廣播系統分佈表……………………………… 10
表2.2 各種電視系統的亮度及色度訊號規格…………………… 15
表2.3 廣播方式差異表…………………………………………… 27
表3.1 M21L216128A增值表……………………………………… 39
表3.2 M21L216128A資料讀取寫入時序表……………………… 40
表3.3 M21L216128A資料寫入電氣特性………………………… 40
表3.4 FPGA EP1K50 系列各PIN腳的定義……………………… 49
表3.4 續…………………………………………………………… 50
表3.5 PANASONIC液晶螢幕電氣特性…………………………… 51
表3.6 PANASONIC液晶螢幕輸入腳位定義…………………………51
表5.1 影像補償系統訊號變化增值表…………………………… 104
表5.2 影像輸出時各訊號動作增值表…………………………… 110
參考文獻
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[2] 楊武智,"TV影像多維元信號處理技術",全華出版社,1992.
[3] 劉國棋,"電視原理",全華出版社,2003.
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[5] 陳福村,"電視原理",全華出版社,2000.
[6] 盧毅,"VHDL與數位電路設計",文魁資訊股份有限公司,2000.
[7] 鄭信源,"VHDL與數位電路設計基礎篇",儒林圖書有限公司,2003.
[8] 鄭信源,"VHDL與數位電路設計進階篇",儒林圖書有限公司,2003.
[9] " TW9901 Preliminary Data Sheet",Techwell,Inc,2001.
[10] "ADV7170/ADV7171-SPECIFICATIONS",Analog Devices,Inc,2001.
[11] "ACEX 1K Programmable Logic Device Family Data Sheet ver.3.3",Altera Corporation,2001.
[12] "AN116:Configuring SRAM-Based LUT Devices",Altera Corporation,2002.
[13] "Configuration Devices for SRAM-based LUT Devices Data Sheet ver.12.1",Altera Corporation,2001.
[14] "ByteBlasterMV Parallel Port Download Cable Data Sheet Version.3.3",Altera Corporation,2002.
[15] "M21L216128A Data Sheet ver.1.0",Elite Semiconduture Memory Technology Inc.2000.
[16] "PW166B_ProductSpec RevJ",Pixelworks,Inc.
[17] "MRT MoscotV Specification Rev.D",Media Reality Technologies,Inc.
[18] 財團法人光電科技工業協進會.
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