利用FPGA和新技術(shù)，使LCD進(jìn)入HDTV市場(chǎng)

高清晰TV（HDTV）是液晶顯示（LCD）技術(shù)的最新應(yīng)用領(lǐng)域，它比標(biāo)準(zhǔn)LCD技術(shù)需要更高的分辨率，而數(shù)據(jù)速率和功耗也增加了。由于提高了數(shù)據(jù)速率，因此高速運(yùn)動(dòng)視頻需要專門(mén)的圖像處理算法。這些算法可以在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）中實(shí)現(xiàn)，將數(shù)字視頻信號(hào)正確的轉(zhuǎn)換、映射在顯示面板上。

LCD設(shè)計(jì)人員采用FPGA，可以靈活的重新配置圖像處理算法，在相同硬件平臺(tái)上，使所有產(chǎn)品中不同尺寸的LCD能夠適應(yīng)不斷增加的數(shù)據(jù)速率。特別是在數(shù)字消費(fèi)類市場(chǎng)上，FPGA能夠?yàn)閿?shù)字電視和顯示提供最有效的成本、性能和靈活性均衡方案。LCD TV制造商可以充分利用FPGA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品及時(shí)面市，使產(chǎn)品迅速進(jìn)入零售渠道，在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)最有利地位。

一個(gè)LCD系統(tǒng)可以圍繞FPGA展開(kāi)設(shè)計(jì)，其中運(yùn)行實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的FPGA協(xié)處理器控制整個(gè)顯示設(shè)備。設(shè)計(jì)人員不僅可以在顯示的中心控制部分采用FPGA，在專用處理數(shù)據(jù)通道上也可以采用FPGA。例如，F(xiàn)PGA非常適合實(shí)現(xiàn)一些可選顯示功能，對(duì)視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像縮放處理。

最新一代FPGA含有經(jīng)過(guò)優(yōu)化的硬件編碼數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊，組成視頻和圖像處理的基本單元。DSP模塊的高速并行處理能力適用于圖像處理等需要較大數(shù)據(jù)吞吐量的DSP應(yīng)用。

最常用的DSP函數(shù)包括有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波、復(fù)雜FIR濾波、快速傅立葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）以及相關(guān)算法等。這些函數(shù)是HDTV和其他復(fù)雜LCD應(yīng)用的基本構(gòu)建模塊。

在LCD系統(tǒng)中使用FPGA技術(shù)還具有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)——系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在產(chǎn)品整個(gè)生命周期中進(jìn)行多次編程設(shè)計(jì)，這一關(guān)鍵特性使設(shè)計(jì)人員不必重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，就可以在產(chǎn)品更新?lián)Q代中不斷增加產(chǎn)品新功能。

克服HDTV障礙的新技術(shù)

HDTV正在成為商用電視的主流，業(yè)內(nèi)主要廠商引入了專門(mén)的技術(shù)推動(dòng)LCD進(jìn)入HDTV應(yīng)用領(lǐng)域。

國(guó)家半導(dǎo)體（National Semiconductor）引入了低電壓差分信號(hào)（LVDS）來(lái)降低高速LCD接口功耗和電磁干擾（EMI）。平面顯示器（FPD）是國(guó)家半導(dǎo)體定義的LCD HDTV和監(jiān)視器平臺(tái)中，主機(jī)面板和顯示面板之間基于LVDS的鏈接。

國(guó)家半導(dǎo)體還定義了低擺幅差分信號(hào)（RSDS）標(biāo)準(zhǔn)，主要用于分辨率在VGA和UXGA（急速擴(kuò)展圖形陣列）之間的顯示應(yīng)用。
德州儀器（Texas Instruments）也引入了相似的接口標(biāo)準(zhǔn)——mini-LVDS，其目的同樣是降低功耗和EMI。平面鏈接（Flat Link）是TI定義的LCD HDTV和監(jiān)視器平臺(tái)中，主機(jī)面板和顯示面板之間基于LVDS的鏈接。mini-LVDS接口標(biāo)準(zhǔn)與RSDS基本一致，只是mini-LVDS為符合AC定時(shí)要求而采用了中心對(duì)準(zhǔn)的輸出時(shí)鐘。
該接口與FPD鏈接相似，主要由LG、Philips和Thomson采用，應(yīng)用于他們的LCD HDTV產(chǎn)品中。由于消費(fèi)者越來(lái)越青睞于更大的TV顯示器，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行電路板和布線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性時(shí)，目前的接口技術(shù)仍會(huì)有一定的局限性。國(guó)家半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了一種叫做PPDS的最新接口技術(shù)，目的在于實(shí)現(xiàn)更大的LCD顯示。表1總結(jié)了各種不同的顯示面板技術(shù)。
圖1是一個(gè)典型的數(shù)字LCD TV模塊框圖。調(diào)諧器模塊可以是衛(wèi)星、地面無(wú)線或者電纜解調(diào)器，其后是MPEG2解調(diào)器。除了來(lái)自數(shù)字TV調(diào)諧器的信號(hào)以外，一個(gè)典型的LCD TV還能夠提供DVI（數(shù)字視覺(jué)接口）、HDMI（高清晰多媒體接口）、模擬RGB、CVBS、S-video以及電視信號(hào)分量等外部視頻輸入接口。

LCD HDTV監(jiān)視器必須能夠處理各種視頻輸入信號(hào)格式。一些格式可以直接映射到顯示器上，而其他的則必須重新調(diào)節(jié)才能正確的顯示。

LCD HDTV的核心是其圖像處理和定時(shí)控制模塊。圖像處理模塊通常包括掃描速率轉(zhuǎn)換器、幀速率轉(zhuǎn)換器、色彩解碼器、運(yùn)動(dòng)探測(cè)、換算器和解隔行掃描等功能。圖2是一個(gè)典型的LCD TV接口模塊框圖。

LCD彩色響應(yīng)主要取決于色彩容量，其響應(yīng)時(shí)間較慢，是圖像處理算法（可去處視覺(jué)非自然信號(hào)）設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。FPGA的設(shè)計(jì)靈活性提供了產(chǎn)品及時(shí)面市的優(yōu)勢(shì)，使設(shè)計(jì)人員能夠在器件中重新設(shè)計(jì)算法，而不必重新進(jìn)行編程規(guī)劃。

顯示器制造商在產(chǎn)品中加入自己的專用算法實(shí)現(xiàn)真彩色、提高運(yùn)動(dòng)顯示性能，從而能夠領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。有兩種專用視頻增強(qiáng)方法來(lái)產(chǎn)生LCD真彩色視頻性能。

第一種方法是時(shí)間抖動(dòng)，在一定的時(shí)間周期內(nèi)，快速切換象素的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，生成不同顏色的真灰度等級(jí)。第二種方法是空間抖動(dòng)，生成一定數(shù)量的顏色強(qiáng)度等級(jí)?？臻g抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生空間噪聲或者誤差擴(kuò)散；需要進(jìn)一步的濾波和精確調(diào)諧來(lái)消除此類噪聲。

結(jié)論

LCD以前主要用于比較穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文本和圖形顯示，而現(xiàn)在則用于在更大的顯示面板上顯示快速運(yùn)動(dòng)視頻信號(hào)，這需要能夠在FPGA中實(shí)現(xiàn)的專用圖像處理算法。LCD設(shè)計(jì)人員采用FPGA技術(shù)可以在標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)上，根據(jù)面板尺寸重新配置這些算法，從而降低制造成本，加速產(chǎn)品面市。

主要制造商引入多種技術(shù)，如國(guó)家半導(dǎo)體的低電壓差分信號(hào)和低擺幅差分信號(hào)以及德州儀器的mini-LVDS，克服功耗和電磁障礙，使LCD能夠應(yīng)用于HDTV商用領(lǐng)域。

利用靈活的FPGA進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖像處理，采用新技術(shù)克服HDTV功耗和EMI障礙，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)CD進(jìn)一步帶入前沿的商用TV和顯示應(yīng)用領(lǐng)域。