THS8200：全格式過采樣組件視頻/PC圖形D/A系統(tǒng)的技術剖析

在當今的數字視頻和PC圖形處理領域，高效且靈活的數模轉換系統(tǒng)至關重要。TI推出的THS8200就是這樣一款極具特色的產品，它為DVD播放器、個人視頻記錄器和機頂盒等設備提供了完整的視頻后端D/A解決方案。下面，我們就來深入了解一下這款產品。

文件下載：ths8200.pdf

1. 設備概述

1.1 特性亮點

• 整體功能強大：具備完全可編程的顯示時序發(fā)生器，能提供所有SDTV和HDTV復合同步時序格式，支持逐行和隔行掃描。擁有三個11位205-MSPS數模轉換器（DAC），集成了雙電平或三電平同步插入功能，可支持所有ATSC視頻格式（包括1080P）和PC圖形格式（高達75 Hz的UXGA）。此外，還具備可編程的HSync和VSync輸出，以及垂直消隱間隔（VBI）覆蓋或數據直通功能，可實現(xiàn)VBI數據的透明傳輸，同時支持可編程的CGMS數據生成和插入。
• 輸入靈活多樣：提供靈活的10 - 、15 - 、16 - 、20 - 、24 - 或30位數字視頻輸入接口，支持YCbCr或RGB數據，采樣方式可為4:4:4或4:2:2。視頻同步可通過HSync或VSync專用輸入，也可根據ITU - R.BT601（SDTV）或SMPTE 274M和SMPTE 296M（HDTV）提取嵌入式SAV和EAV代碼。
• 輸出豐富可選：數字輸出方面，具備ITU - R BT.656數字視頻輸出端口；模擬輸出方面，可通過軟件切換700 - mV或1.3 - V合規(guī)輸出DAC，在37.5 - Ω負載下工作，還能實現(xiàn)可編程的視頻/同步比（7:3或10:4）和視頻基座設置。此外，它還能與TI DVI 1.0（帶HDCP）接收器實現(xiàn)無縫接口，可接收符合EIA - 861規(guī)范的DVI視頻格式，并將其轉換為YPbPr或RGB組件格式，支持單獨同步或嵌入式復合同步。
• 其他實用特性：內置視頻彩條測試圖案發(fā)生器，采用快速模式I2C控制接口，支持可配置的主或從時序模式。在視頻處理方面，具備可編程的剪輯/移位/乘法功能，可處理全范圍或ITU - R.BT601視頻范圍的輸入數據，還能對每個模擬輸出通道進行可編程的數字精細增益控制，以實現(xiàn)準確的通道匹配和可編程的白平衡控制。

1.2 應用廣泛

THS8200的應用場景十分廣泛，涵蓋了DVD播放器、數字電視、交互式電視、互聯(lián)網機頂盒、個人視頻記錄器、HDTV顯示或投影系統(tǒng)以及數字視頻系統(tǒng)等多個領域。

1.3 詳細描述

THS8200能夠接受多種數字輸入格式，包括4:4:4和4:2:2格式，可通過三個、兩個或一個10位端口的接口進行數據傳輸。它可以通過專用的HSync和VSync輸入，或者從視頻流中的嵌入式同步（SAV和EAV）代碼中提取同步信息，來與輸入的視頻數據同步。當配置為生成PC圖形輸出時，它還提供主時序模式，可從外部（內存）源請求視頻數據。

該設備包含一個完全可編程的顯示時序發(fā)生器，支持所有標準和非標準視頻格式，最高像素時鐘可達205 MSPS，因此能支持所有組件視頻和PC圖形（VESA）格式。它還包含一個完全可編程的3x3矩陣運算，用于顏色空間轉換。所有視頻格式，包括HDTV 1080I和720P格式，都可以進行內部2倍過采樣，這有助于放寬DAC后面的外部模擬重建濾波器的要求，提高視頻頻率特性。

輸出合規(guī)范圍可通過外部調整電阻進行設置，有兩種設置可供選擇，無需硬件更改即可適應組件視頻或PC圖形（700 - mV）和復合視頻（1.3 - V）輸出。視頻數據上的內部可編程剪輯/移位/乘法功能可確保無論是全10位還是縮減的ITU - R.BT601風格的視頻輸入，都能輸出符合標準的視頻范圍。為避免視頻范圍縮放后的非線性問題，DAC內部具有11位分辨率。此外，還可以在綠色/亮度通道或所有三個輸出通道上插入具有可編程幅度的雙電平或三電平同步信號，以支持700mV:300 - mV和714 - mV:286 - mV的視頻:同步比。

2. 規(guī)格參數

2.1 絕對最大額定值

在工作溫度范圍內（除非另有說明），電源電壓范圍有所限制。AVoo到AVss、VD IO到GND IO的電壓范圍為 - 0.5至4.5 V，DVoo到DVss、VD_DLL到DVSS的電壓范圍為 - 0.5至2.5 V，數字輸入電壓范圍相對于DVss為 - 0.5至VDD IO + 0.5 V，工作自由空氣溫度范圍為0至70℃。需要注意的是，超過這些絕對最大額定值的應力可能會對設備造成永久性損壞。

2.2 處理額定值

存儲溫度范圍為 - 55至150℃。

2.3 推薦工作條件

在工作自由空氣溫度范圍內，電源電壓方面，AVpp的推薦范圍為3至3.6 V，DVDD、VDD_DLL的推薦范圍為1.65至2 V，VDD IO的推薦范圍為1.65至3.6 V。數字和參考輸入方面，高電平輸入電壓和低電平輸入電壓根據VDD IO的不同取值有相應要求，時鐘頻率范圍為10至205 MHz，時鐘高脈沖持續(xù)時間和時鐘低脈沖持續(xù)時間均為40%至60%。FSADJ電阻根據不同的Voc值有不同的推薦值。

2.4 功耗總結

文檔中給出了不同條件下的功耗數據，包括不同輸出合規(guī)電壓、不同時鐘頻率以及DLL是否旁路等情況。例如，在700 - mV DAC輸出合規(guī) + 350 - mV偏置，AVDD = 3.3 V，DVDD = 1.8 V，VDD_IO = 3.3 V，VDD_DLL = 3.3 V，所有通道施加1 - MHz音調的情況下，不同時鐘頻率對應的功耗、電流等數據都有詳細記錄。這些數據對于我們在實際設計中評估設備的功耗和電源需求非常重要。

2.5 電源相關參數

在推薦工作條件下，對不同電源的電流、功耗等參數進行了詳細說明。例如，在特定條件下，不同視頻模式（如視頻 + 無偏置、視頻 + 偏置、通用 + 無偏置）下的AVDD、DVDD、IVDD_IO、IVDD_DLL的電流以及功耗情況都有明確的數據。

2.6 數字輸入和模擬輸出特性

數字輸入方面，包括高電平輸入電流、低電平輸入電流（CLK相關和非CLK相關）、輸入電容、數據輸入設置時間和保持時間等參數都有詳細規(guī)定。模擬（DAC）輸出方面，涉及DAC分辨率、積分非線性、差分非線性、電源抑制比、通道間串擾、DAC不平衡、輸出合規(guī)電壓、輸出電容、輸出電流上升和下降時間、模擬輸出延遲和建立時間、無雜散動態(tài)范圍以及帶寬等參數。這些參數對于評估設備的性能和在實際應用中的表現(xiàn)至關重要。

3. 功能概述

3.1 數據管理器（DMAN）

數據管理器的主要功能是將芯片輸入總線上的選定輸入視頻數據格式轉換為內部10位三通道表示。它支持多種輸入格式，如10 - /8位ITU - R.BT656（帶嵌入式同步代碼）、15 - /16 - 或24 - /30位RGB（帶外部同步）、20 - /16位SMPTE274M/296M（帶嵌入式同步代碼）以及20 - /16位YCbCr 4:2:2（帶外部同步）。用戶還可以選擇在顏色數據路徑上進行4:2:2到4:4:4的插值。當選擇帶嵌入式同步的格式時，DMAN還會從ITU - R.BT656（SDTV）或SMPTE274M/296M（HDTV）數據流中提取H（HSync）、V（VSync）、F（FieldID）標識符，用于DTG的內部同步。

3.2 插值有限脈沖響應濾波器（IFIR）

為了放寬DAC后面的重建濾波器要求，并充分利用THS8200中DAC的高速能力，集成了一個2倍數字上采樣和插值濾波器模塊。在THS8200中有五個IFIR，前兩個僅在輸入數據為4:2:2格式時用于將兩個色差通道轉換為4:4:4內部表示，后三個用于在2倍視頻插值啟用時對所有三個通道的內部數據進行上采樣。通過對視頻數據進行2倍過采樣，可以減少DAC輸出處模擬重建濾波器的組件數量，提高整體視頻頻率特性。所有的IFIR都可以通過編程相應的I2C寄存器進行旁路或啟用。

3.3 顏色空間轉換（CSC）

顏色空間轉換器模塊用于將一種顏色空間的輸入視頻數據轉換為另一種顏色空間的輸出視頻數據，例如RGB到YCbCr或YCbCr到RGB。它包含一個3×3矩陣乘法器/加法器和一個3×1加法器，所有乘法器和加法器的系數都可以通過I2C接口進行編程，以支持對視頻數據進行任何線性矩陣 + 偏移操作。文檔中還給出了具體的編程示例，如HDTV RGB到HDTV YCbCr以及HDTV YCbCr到HDTV RGB的轉換，詳細說明了如何對相關寄存器進行編程。

3.4 剪輯/移位/乘法器（CSM）

由于根據ITU或SMPTE標準采樣的視頻數據的代碼范圍存在限制，THS8200的CSM模塊可以處理這種情況。它允許用戶對輸入視頻數據進行可選的高/低代碼剪輯，向下移位輸入視頻數據，并將輸入乘以0 - 1.999范圍內的可編程系數。每個通道可以獨立編程，以適應三個輸入通道不同的數字范圍。通過這種方式，可以將不同通道的輸入代碼范圍縮放到相同的滿量程DAC輸出合規(guī)范圍，滿足ITU - R.BT601采樣信號的要求。

3.5 顯示時序發(fā)生器（DTG）

DTG負責生成正確的幀格式，包括所有同步、均衡和鋸齒脈沖。在主時序模式下，DTG與外部同步輸入同步，可根據DMAN模式選擇，從專用設備端子HS_IN、VS_IN和FID或輸入數據流中提取的標識符進行同步。在主時序模式下，DTG根據外部施加的像素時鐘輸入生成所需的場/幀格式。

在水平/垂直消隱間隔期間，當沒有活動數據傳遞到DAC時，DTG會生成正確的數字字，用于空白、同步電平和其他電平偏移，如預鋸齒和后鋸齒脈沖以及均衡脈沖。水平時序、負同步和正同步的幅度、HDTV寬脈沖以及SDTV預均衡和后均衡以及鋸齒脈沖的幅度都是I2C可編程的，以適應不同的視頻標準和非標準視頻時序格式。此外，除了在綠色/亮度通道或所有模擬輸出上插入復合同步外，輸出視頻時序還可以由專用的HSync/VSync輸出信號攜帶，HSync和VSync輸出的位置、持續(xù)時間和極性都是完全可編程的，可用于將活動視頻窗口在畫面幀內居中。

4. 應用信息

4.1 視頻與計算機圖形應用

THS8200是一款高度集成且靈活的通用模擬組件視頻/圖形發(fā)生器，可用于任何需要對視頻/圖形信號進行D/A轉換的應用。在典型的視頻應用中，如DVD播放器、機頂盒，它接收來自MPEG解碼器或媒體處理器引擎的輸入，并將信號轉換為模擬域，為所選格式生成正確的時序/幀格式。其ITU - R.BT656輸出端口可用于連接NTSC/PAL視頻編碼器，實現(xiàn)常規(guī)復合/S視頻輸出。由于DAC速度高達205 MSPS，它支持所有流行的SDTV和HDTV格式，包括1080I和720P，在1x和2x插值模式下均可正常工作，1080P則支持1x速率。

在計算機圖形應用方面，由于其可編程的HSync/VSync輸出、對RGB和YCbCr顏色空間的支持以及內部顏色空間轉換電路，以及205 MSPS的DAC操作速度，它支持所有PC圖形格式，高達75 Hz的UXGA。此時視頻插值被旁路，以便將全部205 MSPS用于1x像素時鐘。

4.2 DVI到模擬YPbPr/RGB應用

與DVI接收器配合使用時，THS8200形成了一個雙芯片解決方案，可將通過DVI接口傳輸的視頻或圖形格式轉換為模擬RGB或YPbPr格式，支持嵌入式復合同步或單獨的HSync、VSync。它通過數據輸入總線和HS_IN、VS_IN端子與DVI接收器無縫連接。TI DVI 1.0（帶HDCP）接收器提供的數據使能（DE）信號可在其FID端子上進行解釋，以便在活動視頻窗口外自動插入用戶可編程的消隱電平幅度。用戶還可以選擇在THS8200中進行顏色空間轉換，并通過CSM模塊調整偏移和增益范圍。

當通過DVI傳輸（隔行）視頻時，根據EIA - 861規(guī)范，THS8200可以從HSync和VSync信號的相對對齊中內部推導正確的奇偶場標識，避免了在DVI應用中需要額外的膠合邏輯。

4.3 主與從時序模式

在從時序模式下，THS8200的輸出顯示時序與視頻數據源同步，顯示時序輸出信號基于輸入同步信號，這些信號可以通過專用的HSync、VSync和FieldID（HS_IN、VS_IN和FID）輸入端子輸入，也可以基于輸入視頻數據中嵌入的SAV/EAV代碼。

在主時序模式下，THS8200生成兩組輸出同步信號。HS_IN和VS_IN現(xiàn)在成為向視頻源輸出的信號（FID未使用），HS_OUT和VS_OUT仍然是向顯示設備輸出的信號。其目的是讓THS8200從需要外部時序的源（如視頻內存）請求視頻數據。

5. 總結

THS8200憑借其豐富的功能特性、廣泛的應用場景以及靈活的配置選項，在數字視頻和PC圖形處理領域具有很大的優(yōu)勢。無論是在視頻應用還是計算機圖形應用中，它都能提供高質量的數模轉換解決方案。然而，在實際應用中，我們還需要根據具體的需求和場景，合理配置其各項參數，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時，對于其復雜的功能和眾多的寄存器配置，我們需要仔細研讀文檔，確保正確使用。你在使用THS8200的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。