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1、精品论文模拟电视信号的数字解码实现黄振强上海交通大学微电子学院 上海 200240E-mail：huangzhenqiang 摘要:传统的模拟电视如果采用模拟电路的方式来实现亮色分离和色度解调的话，成本和解 码质量都不能令人满意。本文在参考国内外大量资料的基础上，讨论如何用数字方式恢复复 合模拟电视信号(CVBS)行场同步、彩色副载波，以及数字方式的亮色分离和色度解调。该数 字解码器可以提供比较好的图像解码效果，并可与 ADC 一起配合，在 SOC 芯片中完成 CVBS 信号的前端处理，实现高度集成的 SOC 芯片，降低成本。关键词:模拟电视、数字解码、彩色副载波、亮色分离、数字梳状滤波器、色
2、度解调 中图分类号：TN4011. 引言NTSC 和 PAL 制的 CVBS 彩色模拟电视信号是目前世界上最通用的视频广播格式。虽 然信号是模拟的，但是完全可以采用数字的方式来实现解码。传统的模拟解码器只能提供有 限的视频解码质量，并且需要很多的调节器。使用数字技术去实现 CVBS 信号的解码工作， 可以只要很少的调节器并提供出色的视频解码质量。目前，这样的数字解码器，国外有比较成熟的 IP，但价格昂贵。海信本着自主开发的精神，在开发视频 SOC 芯片的大项目中，着力自主开发该数字解码器。 模拟视频的数字处理主要包括下面的步骤：模拟信号的采样；同步信号的检出；亮度和色度信号的分离；色度信号的解
3、调。对于把得到的隔行信号做去隔行处理以及之后的后处 理，本文不讨论。我们首先了解清楚 CVBS 信号的一些基本特性。图 1 是一行NTSC电视信号的样子1，PAL电视信号与此类似，色副载波的频率4.43MHz。该信号由亮度信号和色度信号简单的加在一起形成。而其中的色度信号是通过正 交平衡调幅的方式形成的，这样可以减少色副载波对电视信号尤其是亮度信号的干扰。电视 信号可由下式来描述：NTSC Y U Sin(t ) + Vcos(t) + Timing；(1-1) PALY U Sin(t )Vcos(t)+Timing； (1-2) 由于历史的原因，整个CVBS信号的带宽一般在 6MHz以内，
4、亮度信号的频谱一般集中在低频部分，高频的亮度信号其幅值一般很小。为了减少色度信号对亮度信号的干扰，在 选择彩 色副 载波的 时候 一般尽 量选 择在整 个带 宽的高 频段 (3MHz) 。在 NTSC 中， Fsc=227.5fH=3.58MHz。这使的两个色度信号的频谱正好处在行频一半的地方，就是半行频 间置。而对于PAL电视信号来说，Fsc283.75 fH=4.43MHz。这样UV信号在PAL制中变成了1/4 行频间置。频谱图1见图 2。这样的频谱结构对于亮色分离非常有好处。我们会在后面的部分讨论这个问题。10精品论文图 1：一行 NTSC 电视信号(a)(b)(c)图 2 ： 亮度信号
5、和色度信号频谱交错原理(a) 用 fsc 把色度信号调制到频带的高频 部分；(b) NTSC 的频谱交错，色度信号频谱正好在半行频处；(c) PAL 的两个色度信号 之间相距半行频，亮度信号位于它们之间，即 1/4 行频间置。我们给出数字 decoder 的系统架构及应用简图，如图 3。2. 模拟信号的采样图 3 解码器的架构图在数字解码之前，必须由模拟前端部件(AFE)提供采样后的数字视频数据，AFE 主要完成下面几个任务： 模拟视频的直流分量恢复 各个模拟采样通道增益的控制以及各通道增益之间的自动匹配 模数转换的完成直流分量的恢复，又称为直流分量的钳位。对于 CVBS 信号来说，一般在输入
6、时要 经过一个交流耦合电容，这样 CVBS 信号的直流分量就会丢失，如果不恢复这个直流分量， 那后面的同步恢复电路将无法正确识别同步头在什么地方，也就无法正确恢复 CVBS 中的 行场同步信号。所以必须有个钳位(clamping)电路，把 CVBS 钳位到一个固定的电位值上， 这个值就是图 1 中 color burst 后，有效视频信号前的 Blank 值。在实际电路的传播过程中，视频信号的幅值会有所变化，视频信号的来源也会有所不同，这时候，AFE 中增益控制就会起作用，把采样后的幅值和摆幅调整到最佳的动态范围 内，这样可以保证解码后图象的饱和度。增益控制可以由 CPU 来控制，但更好的方式
7、是通 过反馈方式实时动态的控制增益，以求最好的控制效果。对于一般的视频应用，10bit 数模转换是足够的。如图 1 中，最小的值是同步头，为0。真正的视频信号是从 blank level 到 white level，整个视频数据占用大概 9bit。AFE的采样频率定为 27MHz，后面的数字解码也在 27MHz下工作，但在数字域会对 视频数据以 4fsc的频率重新采样2。3. 行场同步信号的恢复同步锁相电路的目的就是从复合视频信号中恢复时序控制信号。视频信号中可能包 含噪声，让 Sync 边沿的确认变得并不是十分可靠。每行的 Hsync 之间的时间也可能有小的 变化，特别在模拟的 VCR(vi
8、deo tape recorders)模式时。这都会增加同步恢复的难度。另外，当视频信号突然缺失时，decoder 应该可以继续产生同步信号给系统，而不应 造成错过一个节拍的现象。这都需要健壮(Robust)的同步电路检测和产生电路。下图是场同步期间的一些相关同步信号，这是一个复合同步信号，包含行场同步。图 4 场同步期间的各种信号，包括行同步和消隐(Blanking)一个基本的同步检测电路1如图 5 所示。3.1行同步检测初步的行同步信号锁定图 5 同步检测和相位比较电路框图数字视频数据首先通过一个 0.5MHz 的低通滤波器，可以去掉高频的数据，比如噪声 和副载波信息，然后进行初步的同步检
9、测动作，这样可以减少锁定时间。一般设置一个 11bit 的行同步计数器，每个采样时钟会计数一次，计数到每行总点数的两倍时，计数器会复位到001H。001H 指出了行同步开始的地方。当计数器计到本行结束前 64 个时钟时，行同步检 测窗口打开，此时开始检测是否有同步信号的下降沿。一旦检测到同步信息，就关掉同步检 测窗口。直到下一次，重复类似的动作。这种方法可以帮助过滤掉噪声，锯齿状脉冲和均衡 脉冲等。如果在同步检测窗口中没有检测到同步信号，那就立即复位行同步计数器到 001H， 直到能找到行同步。一般要有个附加电路来监控行同步脉冲的宽度。如果行同步脉冲的宽度不够的话，一般会忽略这个脉冲。 如果在
10、同步检测窗口检测到了同步信号，那就要启动精细同步检测电路，如下述。 精细的行同步信号锁定 一般在行同步窗口期间，加权采样一系列采样点，并且相加求和，可以帮助精确确定行同步信号。具体电路如图 5 中相应部分所示。我们可以设置一个存储权重系数的 Rom， 由行同步计数器的当前计数器来寻址。行同步计数器的时钟由本地数字 PLL 来提供，由之 前初步行同步锁定电路得到行同步信号来启动，每来一个行同步信号，计数器被复位到 001H开始重新计数，当计数到行同步窗口期间时，根据行同步计数器来寻址权重系数 Rom。当寻址到中心权重系数时，此时如果正好是实际行同步信号下降沿的 50幅值时，表明本行 锁定的行同步
11、与实际行同步信号是一致的。反之，说明本地数字 PLL 驱动的行同步计数器 与实际行同步信号有误差。这个误差值可以反馈去控制本地数字 PLL 的频率，这样就可以 由此得到精确的行同步信号了。这里的数字 PLL 的性能对整个 decoder 的性能有重要影响。3.2 场同步检测设置一个 10bit 的场同步计数器，每来一个已经检测出的行同步，该计数器计数一次。计数到 525 或者 625 时，计数器复位到 001H，表示新一场开始。通过检测恢复出来的行场 同步之间的关系，可以确定奇偶场的关系。4. 彩色副载波的恢复如图 1 中所示，在后肩的位置上有 color burst 信息，包含了视频发送端使
12、用的副载波 的频率和相位信息。我们设置一个 DTO(Discrete Time Oscillator)电路来恢复发送端的副载 波，被恢复的副载波必须可以调整其相位和频率，以与源端的相匹配。图 6 是副载波相位比较电路1。CVBS信号或者色度信号减去blank电平，再通过burst gate，就只剩下 color burst 信息了，与本地产生的副载波做相位比较，产生的相位误差经过 一个 Burst Accumulator 累加后送给一个环路滤波器后，就可以得到两者之间的相位差：Fsc error，该值被送到副载波产生电路。其中，环路滤波器可以调整本地副载波的相位。图 6 彩色幅载波相位比较电路
13、图 7 是副载波产生电路1 3。相位差信号被送到DTO的输入端，用于控制频率。DTO的频率输出，也就是产生的本地副载波的频率，由下式确定：fsc = fsys * (p + Fsc error) / q(4-1)其中，fsys 为本地系统时钟，一般为 27MHz；p 为 DTO 的计数步长；q 是 22bit 计数器的 模，也就是其最大计数值：4194303。q 增大可以提高恢复出来的本地副载波的精度。DTO的第一步是得到 11bit 的本地副载波的一个参考相位，根据这个值去寻址存有 cos 或 sin 函数 值的 Rom 存储器，然后得到恢复出来的本地副载波。NTSC 的 color bur
14、st 相位始终是 180，而 PAL 的 color burst 中 NTSC 行是 135，PAL 行是 225。所以要增加一个 PAL_switch 开关来区分。图 7彩色副载波产生电路5. 亮色分离(Y/C separation)一般，亮度和色度信息在编码器中只是通过简单的相加来形成复合视频信号(CVBS) 的。结果就是，色度信号和高频的亮度信号会占用频带中相同的频率资源。所以，在 decoder 中将它们分开是比较难的。在显示器上显示 CVBS 信号的时候，一般会发现两个比较明显 的问题：一个是亮串色，一个是色串亮。从图 2 中，我们可以发现，色度信号被副载波调制到整个视频带宽比较高的
15、地方，而 在高频部分，亮度信号的幅值已经衰减的很明显。同时，色度信号由于副载波频率的巧妙选 择使得其频谱正好与亮度信号频谱形成 1/2 行频间置(NTSC)或者 1/4 行频间置。这些特点为 数字梳状(comb)滤波器的采用提供了很好的条件。5.1AFE 采样信号的重采样基于我们的算法，我们这里需要对从ADC 得到的数字视频数据重新采样4一次，采 样的频率是 4fsc，这里的fsc就是之前刚刚从复合视频信号中恢复出来的副载波的频率值。用 4fsc来重新采样，可以得到如下的数据结构，这对随后的Y/C 分离很有好处。图 8 的左半部是采样的时钟相位5，右半部是连续 3 行的采样点的结构2 6。图
16、8采样相位和采样点结构5.2带通滤波器和陷波滤波器传统的亮色分离电路比较简单。一般是使用一个陷波器(notch filter)来得到亮度信号， 使用一个带通(bandpass filter)滤波器来得到色度信号。这些滤波器的中心频率就是彩色副载 波的频率(NTSC:3.58M; PAL:4.43MHz)，跨度都是1.3MHz。这种方法虽然简单，成本低， 但是无法避免两个严重问题：亮串色 和 色串亮。这会严重降低解码后的图象质量。5.32D comb filter 亮色分离图 2 中说明了亮度信号和色度信号在频谱上的交错关系。Comb filter 正好可以利用这 个特点来得到比较好的亮色分离效
17、果。在上面 5.2 节提到的 Y/C 分离器中, 高频的亮度信号被当作色度信号来处理。用这样 的信号去做色度解调处理时，是无法区分混在其中的亮度信号的，这样就会在本没有颜色的 地方产生颜色。于是，在画面显示中就会有噪声颗粒产生。2D(场内) comb filter 虽然会降低垂直分解力，但却实实在在的改善了亮色分离的效 果。之所以叫 comb(梳状)filter，是因为亮度和色度的频率响应像一个梳子。根据图 8 提供的采样点结构，我们可以得到一个简单的 2D comb filter 的算法。Y = (Yn Cn) (Yn-1 Cn-1) /2(5-1) Y = (Yn Cn) (Yn-1 Cn
18、-1) /2(5-2)或者如下式也可以。Y = (Yn Cn) (Yn+1 Cn+1) /2 (5-3) Y = (Yn Cn) (Yn+1 Cn+1) /2(5-4)下图1就是一个基于以上算法的电路框图。YCVBSLineDelayLineDelay3.15.7MHzBandpass Filter0.5X C图 9 经典的 2D Two Line Y/C 分离电路5.42D Adaptive Comb filter 亮色分离与传统的带通滤波和陷波滤波解码方法相比，在垂直方向的 comb filter提供了相对比 较好的图像解码效果，但是这样的好效果是有条件的，就是视频图像在垂直方向的变化不大
19、， 换句话说，就是相邻行的图像之间相关性较强，相邻行的数据相差不大，这样通过简单的加 减运算就能比较好的分离亮度和色度信号。但是，实际的视频信号常常会有比较大的变化， 比如对于斜线的处理，效果就不太好。这时，这种简单的comb filter的处理结果就会出错。 这种情况下，就必须采用自适应comb filter1 7的方法来改善解码的图像质量。另外，在有颜色变化的行中，经过标准的 comb filter 后，亮度信号中仍会残留一些色度副载波信号。副载波的幅值在颜色变化的时候会随之变化的，这样，这些残留的副载波 信号会使亮度信号的幅值有所变化，产生所谓的亮点干扰。此时，在做完 comb filt
20、er 后， 增加一个色副载波的陷波滤波器来去掉残留的副载波信号，会有比较好的效果。自适应的 comb filter 一般通过处理 3x3、5x5 或者更大的 block 来应付诸如垂直方向的突变、副载波相位的突变等情况，根据不同情况采用相应的算法来应对，这样的算法有很多。下面是一个简单的带有权重系数的自适应算法。Chroma aC1 + bC2 ；a,b ：权重系数；C1，C2：相邻两行的色度信号。5.53D Adaptive Comb filter 亮色分离在目前的大尺寸平板电视中，对画质的要求越来越高，3D 自适应comb filter 1 2就 是为了应对这样的需求而发展的。3D自适应Y
21、/C分离可以进一步改善亮色分离的效果。这种 滤波器一般使用CVBS信号的当前场跟前两场信号(NTSC)或者前 4 场信号(PAL)来做处理。 对于静止画面，3D Y/C分离几乎是完美的。下图是不同场的采样点的结构，可以清楚的表 明亮色很好分离的原因。Field n-2Field n-1Field nField n+1Field n+2YCYCYCYCYCYCYCYCYCYCYCYCYC 图 10 不同场中的亮度和色度信号采样点结构但是，如果场间数据有变化的话，Y/C 分离的结果会是错误的。所以，对运动画面， 一般会采用 2D 自适应 comb filter 来进行亮色分离。那么问题的关键就是如
22、何来判定画面是 运动还是静止的。于是运动向量检测被引入。运动向量检测，基本方法就是比较低频亮度信号帧与帧之间的变化。运动检测的性能 很大程度上决定了 Y/C 分离的质量如何。运动向量检测器一般产生一个介于 01 的系数， 可以使用该值来混合前面的 2D 和 3D comb filter 产生的亮度信号和色度信号，从而得到新 的亮度和色度信号。在实际应用中，一般要对求得的系数做如下处理：在一定的水平和垂直 窗口中，求平均来平滑该值；乘上一个增益因子来调节该值的大小；防止溢出的动作。这样 会保证最后结果的正确。6. 色度信号解调其实，基于图 8 所示的采样相位和采样点结构，我们通过简单的加减就可以
23、得到色 度信号的两个分量信号。这里，我们采用另一种方法来实现色度信号的解调2。我们首先看 下面的两个等式：(Usint) + (Vcost)(2sint) = U(Ucos2t)+(Vsin2t) (6-1) (Usint) + (Vcost)(2cost) = V(Vcos2t)+(Usin2t)(6-2) 其中的 就是前面恢复出来的色度副载波的频率。从上面两式我们可以发现，只要把色度信号分别与色副载波的正弦函数和余弦函数 相乘，在结果中就有一个独立的色度分量，而另外两项是 2的高频分量，通过一个低通滤 波器就可以将其去掉，剩下的就是所需要的两个色度分量 U 和 V。电路框图如下：Chrom
24、inance fromY/C Separator2costLPFV2sintLPFU 图 11 色度解调电路框图7. 仿真及 FPGA 硬件验证我们用 Verilog 语言实现了该数字解码器，并进行了大量的仿真和 FPGA 验证工作。 仿真时主要考虑要尽可能多的 Run 全常用的电视制式，以及尽可能多的测试 pattern。下面 是一个 color bar 信号的解码效果。图 12NTSC 和 PAL 的 Color bar 解码的解码结果而在 FPGA 验证时，我们把 SOC 芯片中需要集成的 AFE 电路单独做成一块小电路板， 与 FPGA(Virtex V)板中数字 decoder 相配
25、合，一起调试对模拟电视信号的解码效果。模拟电 视信号由信号发生器产生，可以产生各种电视测试信号。下面是我们从 FPGA 中实际抓取 的 color bar 的解码信号图。图 13FPGA 硬件 color bar 解码波形 其中“ADCR_IN_PCB”是输入的 CVBS 信号，“cs_UV_out”和“cs_Y_out”是解码后的色度 和亮度信号。8. 结论在我们的应用于模拟电视后处理的 SOC 芯片中，该 decoder 已经被应用，实际测试 效果良好。通过使用纯数字方式对传统的模拟电视进行解码，使用大量在模拟电路中无法实 现的算法对电视信号进行处理，取得了模拟解码方式无法取得的良好图像效
26、果。该 decoder 还可以进一步优化，主要方法如下： 优化一个数字 PLL，提高行场同步信号恢复、产生的精度； 在恢复副载波的时候，相位精度可以继续提高；2D Adaptive comb filter 的算法还可以提高；3D Adaptive comb filter 的性能很大部分是运动向量检测的好坏来决定的，这里的算 法也有很多。参考文献1 KeithJack. Video Demystified Fifth Edition. Elsevier Inc. 20072 Lior Zimet. Digital Processing of Analog Television. Stanford
27、 University. 20023 Chua-Chin Wang, Ching-Lee, Ming-Kai Chang. Low-Cost Video Decoder with 2D2L CombFilter for NTSC Digital TVs. IEEE 2005.4 Yoshito Suzuki, Toshihiro Gai, Masaki Yamakawa, Hiroaki Sugiure. NTSC/PAL/SECAM Digital Video Decoder with High-Precision Resamplers. IEEE 2005.5 Y.Nishigori, C
28、.Yamamitsu, A.Ide, K.Yamamoto, Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd.A Two Dimensional Adaptive Digital Decoder For Color Television Signals. IEEE 19876 Masami Itoga, Hiroshi Itoh, Tadashi Kasezawa, Masaharu Yao Mitsubishi Electric Corp.NTSC Y/C Separation and Enhancement Technique with two Dimensi
29、onal Adaptive Features. IEEE 1988.7 Ching-Chih Kuo, Yen-Ting Chen, Department of Electronic Engineering, Hwa Hsia College of Technology and Commerce. New Method for the Implementation of an NTSC digital Video Decoder.IEEE 2002.Digital Decoder Implementation of Analog Television SignalHuang zhenqiang
30、NO.439,Bldg 14,Chunxiao Road,Zhangjiang Hi-Tech Park, ShanghaiAbstractFor tradional analog television(CVBS) signal, if we use analog decoder, it only offer limited video quality and require adjustments, moreover the cost of analog decoder is too high.So， the paper discuss that how to recover the hsy
31、nc、vsync and color subcarrier of CVBS signal, and how to Y/C separation and chrominance demodulation in digital technique. The digital decoder may provide excellent video quality, and it can implement the process CVBS signal in the SOC chip, working together with AFE(Analog Front End).So,we can implement the high integration of SOC chip, then the cost is down.Keywords:Analog TV、Digital Decoder、Color Subcarrier、Y/C Separation、Digital CombFilter、Chrominance Demodulate
