信号存储（共3篇）
信号存储 篇1
0引言
数字技术的蓬勃发展和广泛应用使人类社会迈入了“数字时代”。今天, 数字技术产品已走进普通百姓的日常生活之中。
数字技术就是用数字编码来描述和表达图像、声音等各种媒体信息。其信息处理的流程是:模拟信息→数字化→压缩编码→存储或传输→解码再现。其中, 压缩编码是一个关键环节。数字化的图像和声音信号数据是非常庞大的, 例如一幅640×480像素中等分辨率的彩色图像 (24 bit/像素) 的数据量约为7.37 Mbit/帧, 如果是运动图像, 以每秒30帧或者25帧的速度播放时, 则视频信号传输速率为220 Mbit/s;如果把这种信号存放在650MB的光盘中, 一张光盘只能播放20多秒钟。所以, 必须对数字化信息进行压缩, 用尽可能少的数据来表达信息, 节省传输和存储的开销。
1视频模型
数字视频就是先用摄像机之类的视频捕捉设备, 将外界影像的颜色和亮度信息转变为电信号, 再记录到储存介质 (如录像带) 。播放时, 视频信号被转变为帧信息, 并以每秒约30帧的速度投影到显示器上, 使人类的眼睛认为它是连续不间断地运动着的。电影播放的帧率大约是每秒24帧。如果用示波器 (一种测试工具) 来观看, 未投影的模拟电信号看起来就像脑电波的扫描图像, 由一些连续锯齿状的山峰和山谷组成。
中国和欧洲采用的是PAL制 (逐行倒相制) , 美国和日本采用的NTSC制, PAL信号有25 fb/s的帧率, NTSC制信号有30 fb/s的帧率。视频信号在质量上可区分为复合视频 (Composite) , S-Vide, YUV和数字 (Digital) 4个级别。复合视频, VHS, VHS-C和VideO8都是把亮度、色差和同步信号复合到一个信号中, 当把复合信号分离时, 滤波器会降低图像的清晰度, 亮度滤波时的带宽是有限的, 否则就会无法分离亮度和色差, 这样亮度的分离受到限制, 对色差来讲也是如此。因此复合信号的质量比较一般, 但他的硬件成本较低, 目前普遍用于家用录像机。S-Vide, S-VHS, S-VHS-C和Hi8都是利用2个信号表现视频信号, 即利用Y表现亮度同步, C信号是编码后的色差信号, 现在很多家用电器 (电视机, VCD, SHVCD, DVD) 上的S端子, 是在信号的传输中, 采用了Y/C独立传输的技术, 避免滤波带来的信号损失, 因此图像质量较好。YUV视频信号是3个信号Y, U, V组成的, Y是亮度和同步信号, U, V是色差信号, 由于无需滤波、编码和解码, 因而图像质量极好, 主要应用于专业视频领域。数字及同步信号利用4个信号:红、绿、蓝及同步信号加于电视机的显像管, 因此图像质量很高。还有一种信号叫射频信号, 他取自复合视频信号, 经过调制到VHF或UHF, 这种信号可长距离发送。现在电视台就采用这种方式, 通过使用不同的发射频率同时发送多套电视节目。
2数字化视频采集
NTSC和PAL视频信号是模拟信号, 但计算机是以数字方式显示信息的, 因此NTSC和PAL信号在能被计算机使用之前, 必须被数字化 (或采样) 。
模拟视频信号携带了由电磁信号变化而建立的图像信息, 可用电压值的不同来表示, 比如黑白信号, 0 V表示黑, 0.7 V表示白, 其他灰度介于两者之间。
数字视频信号是通过把视频帧的每个象素表现为不连续的颜色值来传送图像资料, 并且由计算机使用二进制数据格式来传送和储存象素值, 也就是对模拟信号进行A/D转换后得到的数字化视频信号。
数字视频信号的优点很多:
(1) 数字视频信号没有噪声, 用0和1表示, 不会产生混淆, 而模拟信号要求屏蔽以减少噪声。
(2) 数字视频信号可利用大规模集成电路或微处理器进行各类运算处理, 而模拟信号只能简单地对亮度、对比度和颜色等进行调整。
(3) 数字视频信号可以长距离传输而不产生损失, 可以通过网络线、光纤等介质传输, 很方便地实现资源共享, 而模拟信号在传输过程中会产生信号损失。
一个视频图形适配器 (通常叫做抓帧器或视频采集卡) 经常被用来数字化视频模拟信号, 并将之转换为计算机图形信号。视频信号的数字记录需要大量的磁盘空间, 例如, 一幅640×480中分辨率的彩色图像 (24 b/pixel) , 其数据量约为0.92 Mb/s, 如果存放在650 MB的光盘中, 在不考虑音频信号的情况下, 每张光盘也只能播放24 s, 使用如此巨大的磁盘空间存储数字视频, 是大多数计算机用户所无法接受的。在这种情况下, 将视频带到计算机上, 以有效的帧率播放存储信息, 是使用计算机处理视频能力的最大障碍, 鉴于此种情况, 我们采用数据压缩系统和帧尺寸、色彩深度和图像精度折衷的办法, 对视频数据进行压缩, 以节省磁盘存储空间, 数字化视频采集技术也就变成了现实。
数字化视频的过程, 通常被叫做数字化视频采集。模拟信号到数字信号的转换中通常用8 bit来表示, 对于专业或广播级的信号转换等级会更高。对于彩色信号, 无论是RGB还是YUV方式, 只需用24 bit来表示。因此采样频率的高低是决定数字化视频图像质量的重要指标。
视频采集中计算机的处理设备通常有3种类型, 即帧采集卡、动态图像连续采集卡、电视节目接受卡。帧采集卡的工作原理是把偶合视频信号解码成RGB或YUV, RGB或YUV信号经过A/D转换后进入帧存体, 帧存体内的数据根据同步信号不断被刷新。帧存体内的数据需要保存时, 计算机给出控制信号, 帧存体数据不再被刷新, 这时计算机可以读出帧存体数据传送到计算机内存或存放到硬盘中。由于视频信号是隔行扫描, 在数字化过程中每帧图像分成两场, 每场的分辨率是228行, 因此高速运动的图像采集后有抖动的感觉, 要解决这一问题可以只采集一场或缩短快门时间。采集连续图像到计算机中是比较困难的, 因为单一帧静止图像的数据量已经很大, 而动态图像是25帧/s～30帧/s, 模拟的视频图像数字化后所得到的数据量巨大, 使传输、存储和处理很困难。解决这一问题的办法一般有3种:
(1) 利用局部数据总线, 提高数据传输速度;
(2) 大大降低分辨率;
(3) 采用压缩编码。
3视频压缩
对视频图像进行压缩编码, 是目前最流行的方法。1980年以来, 国际标准化组织 (ISO) 、国际电工委员会 (IEC) 和国际电信联盟 (ITU) 等陆续完成了各种数据压缩标准和建议, 如面向静止图像压缩的JPEG标准, 在运动图像方面用于视频会议的H.261标准、用于可视电话的H.263标准、用于VCD的MPEG1标准、用于广播电视和DVD的MPEG2标准以及最新的采用基于对象的编码理念的MPEG4标准等。MPEG是运动图像专家组的英文首字母缩写。该专家组成立于1988年, 致力于运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作。
MPEG1于1993年成为国际标准, 它是对1.5 Mbit/s以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的压缩编码标准, 适用于CD-ROM、VCD、CD-I (交互式CD) 等。它可对SIF (标准交换格式) 分辨率 (NTSC制式为352×240;PAL制式为352×288) 的图像进行压缩, 传输速率为1.5 Mbit/s, 每秒播放30帧, 具有CD音质, 图像质量基本与VHS家用录像机相当。MPEG1也被用于数字通信网络上的视频传输, 如基于ADSL (非对称数字用户线路) 的视频点播 (VOD) 、远程教育等。
MPEG2于1995年成为国际标准, 其目标是达到高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。MPEG2所能提供的传输率在3 Mbit/s～10 Mbit/s之间, 在NTSC制式下的分辨率可达720×486, 可提供广播级的图像质量和CD级的音质, 适用于数字电视广播 (DVB) 、HDTV和DVD的运动图像及其伴音的压缩编码。目前, MPEG2已得到广泛应用, 如美国、欧洲在DVD和数字电视广播方面都采用MPEG2压缩技术。
MPEG3最初是为HDTV开发的编码和压缩标准, 但由于MPEG2的出色性能表现, 已能适用于HDTV, 使得MPEG3还没出世就被抛弃了。
MPEG4于1999年初正式成为国际标准。MPEG4是一个适用于低传输速率应用的方案。与MPEG1和MPEG2相比, MPEG4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。
在视频编码方面, MPEG4支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。在音频编码, MPEG4是在一组编码工具支持下, 对语音、音乐等自然声音对象和具有回响、空间方位感的合成声音对象进行音频编码的。MPEG4音频编码不仅支持自然声音, 而且支持合成声音。
MPEG4的重要特点包括: (1) 基于内容的普遍性。MPEG4能够直接选取音频、视频内容进行编码, 并对其灵活地进行控制和显示, 用户可以自行选择场景中的物体的解码质量, 进行家庭影视节目制作和编辑。 (2) 以AV为对象, 增强了交互性和扩展性, 从而提高了交互应用的灵活性。 (3) 将各种功能应用在自然的和合成的AV对象上, 增强了节目编辑制作能力。 (4) MPEG4在误码环境中, 尤其是在恶劣误码条件下的低比特率应用中的抗误码性, 有利于节目制作、分配和显示。
4结束语
视频信号被采集到计算机后, 就可进入编辑制作阶段, 由于硬盘录像机、数字摄像机、非线性编辑系统等数字产品的快速发展, 将视频制作带入全面数字化时代, 视频的网络化传输和直接播出技术已成为现实。
摘要：介绍了视频信号采集存储的背景和意义, 从几个方面说明了视频处理的过程和技巧。第三部分主要研究了MPEG系列视频编码标准, 对MPEG的数据结构、编解码算法等作了详细介绍。
关键词：视频编码,图像处理,MPEG
参考文献
[1]黎洪松.数字视频技术[M].北京:清华大学出版社, 1997.
[2]赵荣椿.数字图象处理导论[M].西安:西北工业大学出版社, 1995.
[3]张远鹏.计算机图象处理技术基础[M].北京:北京大学出版社, 1998.
信号存储 篇2
基于以上原因,东莞市环宇文化科技有限公司开发了一款性能稳定,价格低廉,操作简便的DMX512信号存储脱机控制器,解决了以上问题。
DMX512信号存储脱机控制器组成及其工作原理
DMX512信号存储脱机控制器体积很小,由一块主控电路板和一张SD存储卡组成。电路板主控芯片采用单片机C8051F020,其芯片支持在线调试,对调试新程序非常方便快捷。其内部有4KRAM,可以用于文件缓存,大大提高DMX512信号的稳定性,电路板采用DC12V~DC24V供电,输出信号采用三针卡侬插头和灯光设备相连接。
工作原理:用单片机串口模拟DMX信号,C8051F020支持单片机波特率为250K,每秒发送40帧,每个帧头有一个DMX帧头,不管数据变化快慢,必须保证每一个数据帧发两遍,便于接收端来判断信号是否被干扰,也就是每秒相当于发送20帧有用数据,芯片先从SD读取解码后文件,放在缓冲区,然后用定时器或通过串口中断来依次发送缓冲区的数据。
DMX512信号数据来源
因为是信号存储脱机,所以需要有数据来源。一种来源是其它能共享和下载的软件中的DMX512数据,另外一种来源就是根据需要运用各种编程语言编写的小软件,生成DMX512信号数据。下面就具体介绍几种DMX数据的来源方法。
1用其它软件生成的DMX512数据,应用比较广泛的是国内破解版的马田软件,它里面有二次发开的插件,用户可以截取DMX512信号数据保存成一个文件,此文件是加密文件。用VC编写一个破解工具软件,此软件是个应用程序,无需安装。用软件工具处理成正常数据后,这样就可以使用软件的数据流,实现脱机功能。
2用VC编程工具可以自己编写如下图1所示的应用窗口,产生DMX512信号数据。程序里有个预览窗口,可以简单的预览运行效果。串口采用MFC图片模块,通过描点来画轨迹,轨迹是用来改变X轴和Y轴数据,并且可以使灯具采用相位偏移,这样可以做波浪效果。单个灯具也可以使用重力加速度效果,即只改变X轴数据,这在大多数DMX512软件中是没有的,所以这个小软件可以非常灵活的编辑自己想要的效果和数据。
3还可以通过其它常用软件来生产DMX512数据,来完成跳变、渐变、追逐、跑马功能。比如要编写一个跑马灯,用DMX512信号来做总控,如果再用DMX软件来编写节目,就有点麻烦,工作量会很大,非常繁琐,并且不好修改。如果要编写一个跑马灯效果可以用大家熟悉EXCEL软件来编写。利用EXCEL里的VB插件,可以编写VB程序。用表格做界面,加上EXCEL丰富的函数,这样即灵活又方便,可以随时更改后台程序和应用界面。如果遇到不太懂的编写规则,则可以借助宏来生成代码,然后再变成自己想要的函数,并且互联网上也有非常丰富的资源。所以用EXCEL处理数据,会变得非常实用、方便、灵活,并且不需要掌握太多语言规则。比如下图2这个小软件,最大的困难就是怎么生成文件,在互联网上就有很多资料,然后再根据需要,生成有规则的文件就可以了,非常高效。这个软件可以更改绑定通道及节目的运行时间,跑马灯大都是亮或灭,这样只需往电子表格里填充“1“或”0“就可以了。能非常灵活的编写跑马的DMX512数据,编写速度也非常的快。就不再用像传统的编写DMX512数据,一个推杆一个推杆的推,不仅麻烦,还容易出错,更不好排查错误和修改。
不管用哪种办法生产的DMX数据,最终都要保存成一个数据文件,把这个文件复制到SD存储里。然后放在DMX512信号存储脱机控制器里面读取数据。
数据优化
DMX512是国际标准的灯光控制信号,但在实际运用中,很多情况下运用到的通道数目不是很大。比如某一个项目用DMX512信号来控制,用的通道为64个,这样后面的400多个通道就浪费了。如果每帧DMX信号只发送有用的通道,这样刷新频率就可以提高8倍,误码率和处理信号干扰能力也会大大提高。如果通过无线发送,更会大大提高数据质量。要实现此功能,只需把标准的DMX512文件头增加一个标志,用来说明此DMX信号每帧需要发多少数据,就可以通过DMX512信号存储脱机控制器自动识别每帧发送通道数。如下图3所示
总结
经过大量的试验验证,采用用DMX512信号存储脱机控制器,满足很多特殊环境和要求的控制,设备运行稳定,大大降低了成本,操作方便,也实现一键操作,不必再担心电脑和控台的各种问题,以及安装位置比较有限问题。当然我们也可以把音乐也放在控制盒里,这样就可以实现声光同步。此设计市场前景广阔,我司在舞台灯光和户外亮化照明中已经广泛使用。
注释
1(美)麦肯锡(mackenizie,i.s.)著,方承志,等.8051微控制器教程[M].3.清华大学出版社,2005.
2(美)汤普生著.《MFC开发人员参考手册》.机械工业出版社,1998-08-01
3孙鑫著.VC++深入详解.电子工业出版社,2010-07-01.
信号存储 篇3
由于信息时代的飞速发展,高速电路的设计也受到了人们的重视。第三代双倍速率同步动态随机存储器 (Double Data Rate-Ⅲ,DDR3)能够支持800~1 600 Mb/ 的数据传输,具有高速、高宽带的特性,被广泛地应用于当前的高速电路板中。
为了保证信号完整性,对主芯片与内存芯片的互联设计尤为严格。互联设计中,因为拓扑结构影响信号完整性[1,2,3,4]的因素有反射、串扰和时序等[5,6,7]。JESD79-3C规范建议主芯片与内存芯片DDR3之间应采用菊花链式的拓扑结构[8],使拓扑得到简化,但是引入了时延和端接等问题。之后,采用改进的菊花链结构,即理想的Fly-by结构,仿真得到理想的信号波形,但是在实际布线中,此结构不仅有一定的时延,而且布线不易实现。而T型拓扑虽解决了时延问题,其结构过于单一,端接方式有局限性,不能有效地抑制信号的反射,影响信号完整性。
本文针对高速印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)设计中存在的拓扑结构的设计问题,通过研究PCB布线中的约束规则和拓扑结构,量化分析TI8168和多片DDR3的拓扑仿真参数,设计了一种T型与Fly-by相结合的拓扑结构和端接设计方法,对此结构进行了仿真研究,得到了较为理想的信号波形,进而保证信号完整性,为高速PCB电路板的布线提供了可行的设计方案。
1高速电路板设计的理论依据
高速电路的设计理论主要表现在拓扑结构、约束条件和信号的端接等方面。
1.1布线的约束条件与拓扑结构
高速电路PCB的布线约束条件很大程度地影响着信号的完整性。约束规则一般包括:PCB板材料和层叠结构的选择、线宽、线距、拓扑结构的约束等,并将这些约束规则分配到各类net group上,在高速布线时,必须对这些约束规则进行参数设计,目的是消除信号的反射、串扰等影响信号完整性的因素。
影响信号完整性的另一个很重要的因素就是拓扑结构的选择与设计。目前,工程中常用的拓扑结构如图1所示。图1(a)为T形分支拓扑结构,要求T形分支的每个臂长相等,一般用于两片DDR3电路,端接方式为源端串联,此端接方式对于抑制接收端信号不如并联端接, 且在多片电路设计时复杂,所以一般布线时不采用T型拓扑。图1(b)为Fly-by拓扑结构,一般用于一个芯片驱动多个负载时,易于实现,布线简单,可改善DDR3的地址、时钟、控制等信号的传输质量。但在实际工程中,拓扑结构的选择需要根据实际需求和芯片的数据手册进行设计。
1.2信号的端接
由于互联线中的阻抗发生突变,存在阻抗不连续的点,在该点处信号就会发生反射,反射问题是影响信号完整性的又一个主要因素。在工程应用中,消除反射最有效的方法就是对传输线进行匹配端接,其端接的方法有:串联端接和并联端接[9]。所谓串联端接,是指使源阻抗与传输线阻抗匹配;并联端接则是指使负载阻抗与传输线阻抗匹配。为了简化电路设计并保证信号波形,一般采用接收端并联端接。并联端接的主要方式如图2所示。不同的高速电路设计根据所需要的信号波形选择不同的端接方式。
由于传输线的特性阻抗与负载相匹配,所以对于图2(a)和图2(b),其端接电阻值满足公式[9](1):
而图2(c)中,其端接电阻满足公式[9](2)。
式中Z0为传输线的特性阻抗。
2高速DDR3布线拓扑结构的设计原理
根据1.1小节中提到的拓扑结构,本文基于自主设计的高速多路的图像采集处理系统,选用TI公司主频为1 GHz的8168芯片和4片16位的DDR3芯片。在高速互联中,理论上DDR3的互联应采用Fly-by拓扑结构, 但是由于空间大小的限制,要达到Fly-by的拓扑结构要求不易实现,因此本文提出了将T型拓扑和Fly-by拓扑相结合的形式,拓扑的理论结构如图3所示,从图中可以看出,TI8168所控制的DDR3芯片分为两组,DDR3-1和DDR3-2组成两片的T型结构,DDR3-1、DDR3-3和DDR3-2、DDR3-4分别组成Fly-by的拓扑结构,DDR3-1和DDR3-2的地址线与控制线相同,DDR3-1的数据线与DDR3-3的数据线相同,为高16位,而DDR3-3与DDR3-4的地址线与控制线相同,DDR3-2的数据线与DDR3-4的数据线相同,为低16位。
3高速DDR3拓扑结构的参数设计与仿真
由于地址线、控制线和数据线规则比较类似,在此, 选择地址线的网络进行仿真。使用芯片的IBIS模型对Fly-by拓扑和T型与Fly-by结合的拓扑进行仿真,仿真参数见表1。传输线类型为微带线,板子材料为FR-4, 信号的传输速率由公式(3)计算得出[9]。仿真软件采用Cadence软件中的Sig Xplorer软件[10]。
式中:c = 3 × 108m/s;μr= 1;εr= 4.5,求得VP= 5 560 mil /ns。
3.1理想的Fly-by拓扑结构仿真
Fly-by拓扑结构 如图4所示 ,仿真的波 形如图5所示。
从图4与图5中,对比IN8和IN11可以看出,Fly-by拓扑结构的接收端的信号离主芯片越远则信号越趋于理想方波,这是由于越远则反射不明显。信号的仿真结果如表2所示,此拓扑结构的噪声容限足够大,但是信号存在时延且有信号反射问题。另外由于用户需求一种具有传输速率高、板子尺寸小、信号质量好等优点的PCB开发板,而且TI8168芯片管脚有1 031个,在实际的工程应用中,此种拓扑结构难以实现。
3.2T型与Fly-by结合的拓扑结构仿真
T型与Fly-by结合的拓扑结构的仿真如图6所示, 从总体可以看出,该结构为T型,从T型的分支来看,是Fly-by拓扑结构。其仿真的波形如图7所示。
比较图5和图7,图7接收端信号的时延问题得到了改善,其中IN8与IN9的接收端的信号在理论上时延相差为0,其仿真的信号曲线重合,同理IN10与IN11接收端的信号曲线也重合。信号的仿真结果如表3所示, 由于信号存在反射,所以其噪声容限为负数,难以进行高低电平的判决,所以会出现判决的模糊区域,因此需要考虑信号的反射以及端接问题。
3.3具有端接的Fly-by拓扑结构的仿真
为了改善信号的反射,根据板材和仿真参数,设置端接电阻R1为50 Ω,根据TI8168的数据手册要求,上拉电压为0.75 V,其仿真模型如图8所示,仿真结果的波形如图9所示。
比较图5、图7和图9,图9信号台阶消失,并且振铃也得到了改善,由于图9的端接电阻与传输线的特性阻抗相匹配,信号的反射得到有效抑制。仿真数据如表4所示,由于端接电阻的关系,其负载功耗增大,拉低电平,信号的幅度也相对减少,从而导致信号的噪声容限减小,虽然通过牺牲噪声容限提高了信号的传输质量, 但是在不影响信号判决门限的条件下,该结构很好地满足了信号完整性的要求,但是末端的信号延时较大。
3.4具有端接的T型与Fly-by结合的拓扑结构仿真
设置端接电阻R1和R2为50 Ω,根据TI8168的数据手册要求,上拉电压为0.75 V,其仿真模型如图10所示,仿真结果的波形如图11所示。
比较图9和图11,图11信号波形的时延得到了改善,仿真数据如表5所示,接收端IN9、IN10和IN11相对于表4的时延数据明显减小。比较图7和图11,图7由于端接电阻的关系,信号的高低电平差减少,噪声容限减小,但不影响信号的传输,而图11中,端接电阻与传输线的特性阻抗相匹配,信号的反射得到有效抑制,保证了信号完整性。
4结语
针对目前高速电路板设计中存在的信号完整性的问题,本文以自主的高速电路板TI 8168芯片与DDR3芯片的互联为例,进行了高速电路板的地址总线拓扑结构的设计与分析。通过研究该高速电路板中总线拓扑结构的理论,设计出一种适用于工程应用的总线拓扑结构。基于芯片的IBIS模型,使用Sig Xplorer软件进行仿真,仿真结果表明这种拓扑结构既解决了Fly-by结构中接收端信号的时延和实际布线困难的问题,又优化了T型拓扑中多片DDR3接收端端接的复杂问题,有效地消除了信号的延时和反射,从而保证了信号的完整性,可以用于实际工程布线,为高速多片DDR3电路板布线提供实际的应用参考。
摘要：针对高速电路的PCB设计中拓扑结构产生的信号完整性问题,以TI8168芯片与高速多片DDR3的互联为背景,通过分析高速电路板中的总线拓扑结构,研究高速电路板的布线原理和信号完整性理论,提出一种T型与Fly-by相结合的拓扑结构和信号反射控制方法,采用Cadence软件中的Sig Xplorer软件进行仿真。结果表明,这种拓扑结构既解决了Fly-by结构中接收端信号的时延和实际布线困难的问题,又优化了T型拓扑中多片DDR3接收端端接的复杂问题,有效地消除了信号的延时和反射,从而保证了信号的完整性。