FPGA和新技術使LCD進入HDTV市場

　　高清晰TV（HDTV）是液晶顯示（LCD）技術的最新應用領域，它比標準LCD技術需要更高的分辨率，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，因此高速運動視頻需要專門的圖像處理算法。這些算法可以在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）中實現(xiàn)，將數(shù)字視頻信號正確的轉換、映射在顯示面板上。
 
　　LCD設計人員采用FPGA，可以靈活的重新配置圖像處理算法，在相同硬件平臺上，使所有產(chǎn)品中不同尺寸的LCD能夠適應不斷增加的數(shù)據(jù)速率。特別是在數(shù)字消費類市場上，F(xiàn)PGA能夠為數(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，實現(xiàn)產(chǎn)品及時面市，使產(chǎn)品迅速進入零售渠道，在競爭中占據(jù)最有利地位。
 
　　一個LCD系統(tǒng)可以圍繞FPGA展開設計，其中運行實時嵌入式操作系統(tǒng)的FPGA協(xié)處理器控制整個顯示設備。設計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非常適合實現(xiàn)一些可選顯示功能，對視頻流進行實時圖像縮放處理。
 
　　最新一代FPGA含有經(jīng)過優(yōu)化的硬件編碼數(shù)字信號處理（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應用。最常用的DSP函數(shù)包括有限沖擊響應（FIR）濾波、復雜FIR濾波、快速傅立葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）以及相關算法等。這些函數(shù)是HDTV和其他復雜LCD應用的基本構建模塊。
 
　　在LCD系統(tǒng)中使用FPGA技術還具有另一個優(yōu)勢——系統(tǒng)設計人員可以在產(chǎn)品整個生命周期中進行多次編程設計，這一關鍵特性使設計人員不必重新設計整個系統(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
 

　　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的技術推動LCD進入HDTV應用領域。
 
　　國家半導體（National Semiconductor）引入了低電壓差分信號（LVDS）來降低高速LCD接口功耗和電磁干擾（EMI）。平面顯示器（FPD）是國家半導體定義的LCD HDTV和監(jiān)視器平臺中，主機面板和顯示面板之間基于LVDS的鏈接。國家半導體還定義了低擺幅差分信號（RSDS）標準，主要用于分辨率在VGA和UXGA（急速擴展圖形陣列）之間的顯示應用。
 
　　德州儀器（Texas Instruments）也引入了相似的接口標準——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)視器平臺中，主機面板和顯示面板之間基于LVDS的鏈接。mini-LVDS接口標準與RSDS基本一致，只是mini-LVDS為符合AC定時要求而采用了中心對準的輸出時鐘。該接口與FPD鏈接相似，主要由LG、Philips和Thomson采用，應用于他們的LCD HDTV產(chǎn)品中。由于消費者越來越青睞于更大的TV顯示器，設計人員進行電路板和布線設計，實現(xiàn)信號完整性時，目前的接口技術仍會有一定的局限性。國家半導體開發(fā)了一種叫做PPDS的最新接口技術，目的在于實現(xiàn)更大的LCD顯示。表1總結了各種不同的顯示面板技術。
 
　　圖1是一個典型的數(shù)字LCD TV模塊框圖。調(diào)諧器模塊可以是衛(wèi)星、地面無線或者電纜解調(diào)器，其后是MPEG2解調(diào)器。除了來自數(shù)字TV調(diào)諧器的信號以外，一個典型的LCD TV還能夠提供DVI（數(shù)字視覺接口）、HDMI（高清晰多媒體接口）、模擬RGB、CVBS、S-video以及電視信號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控制模塊。圖像處理模塊通常包括掃描速率轉換器、幀速率轉換器、色彩解碼器、運動探測、換算器和解隔行掃描等功能。圖2是一個典型的LCD TV接口模塊框圖。
 
　　LCD彩色響應主要取決于色彩容量，其響應時間較慢，是圖像處理算法（可去處視覺非自然信號）設計中的難點。FPGA的設計靈活性提供了產(chǎn)品及時面市的優(yōu)勢，使設計人員能夠在器件中重新設計算法，而不必重新進行編程規(guī)劃。
 
　　顯示器制造商在產(chǎn)品中加入自己的專用算法實現(xiàn)真彩色、提高運動顯示性能，從而能夠領先于競爭對手。有兩種專用視頻增強方法來產(chǎn)生LCD真彩色視頻性能。第一種方法是時間抖動，在一定的時間周期內(nèi)，快速切換象素的開關狀態(tài)，生成不同顏色的真灰度等級。第二種方法是空間抖動，生成一定數(shù)量的顏色強度等級?？臻g抖動會產(chǎn)生空間噪聲或者誤差擴散；需要進一步的濾波和精確調(diào)諧來消除此類噪聲。
 
結語
 
　　LCD以前主要用于比較穩(wěn)定的計算機數(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動視頻信號，這需要能夠在FPGA中實現(xiàn)的專用圖像處理算法。LCD設計人員采用FPGA技術可以在標準硬件平臺上，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，如國家半導體的低電壓差分信號和低擺幅差分信號以及德州儀器的mini-LVDS，克服功耗和電磁障礙，使LCD能夠應用于HDTV商用領域。
 
　　利用靈活的FPGA進行動態(tài)圖像處理，采用新技術克服HDTV功耗和EMI障礙，設計人員能夠將LCD進一步帶入前沿的商用TV和顯示應用領域。