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之前做项目过程中，需要通过PAL制接口实现图像显示。今天刚好有时间，将实现过程记录一下。
1.PAL制概述
场正程：是指场扫描周期中电子束由上到下的扫描。
场逆程：是指场扫描周期中电子束由下面返回到初始位置。且场正程时间远大于场逆程时间，两者相加为场周期，场周期的倒数是场频。
美国制定电视机标准如下：
1）每一划面525条水平扫描线；
2）每秒30张（Frame）；
3）采用交错式扫描（Interlace，"交错式"），每秒60个图场（Field）。
由于制定该标准的是"美国电子工业协会"，英文是"Electronics Industry Association"简写就是"EIA"，因此黑白电视的美规就叫"EIA"。后来发明了彩色电视，这时候是由"国家电视系统委员会"来制定标准的，英文是"National Television System Committee"简称为"NTSC"，因此NTSC是彩色系统中的美规。NTSC制式是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。525/行帧，30帧/秒（29.97fps，33.37ms/frame）；高宽比，电视画面的长宽比（电视为4:3；电影为3:2；高清晰度电视为16:9）；隔行扫描，一帧分成2场（field），262.5线/场在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此只有485条线的可视数据；每行63.5μs，水平回扫时间10μs（包含5μs的水平同步脉冲），所以显示时间是53.5μs；颜色模型：YIQ。一帧图像的总行数为525行，分两场扫描。行扫描频率为15750Hz，周期为63.5μs；场扫描频率是60Hz，周期为16.67ms；帧频是30Hz，周期33.33ms。每一场的扫描行数为525/2=262.5行。除了两场的场回扫外，实际传送图像的行数为480行。
欧洲电视标准规格如下：
1）每一划面625条水平扫描线；
2）每秒25张（Frame）；
3）采用交错式扫描（Interlace，"交错式"），每秒50个图场（Field）。
制定该标准的是"Committee Consultation International Radio Telecommunique"国际无线通讯咨询委员会，简称"CCIR"。因此CCIR就是欧规的黑白系统。进入彩色时代，由于彩电的原理是在原有黑白讯号上加上彩色系色波（Color Carrier），每条扫描线有一个系色波，用改变相位的方式得到每条线的颜色，在英文上的说法是"Phase Alternate(交替) Line"简写就是PAL，因此PAL就是欧规的彩色系统。由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国于1962年制定了PAL（Phase-Alternative Line）制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。625行（扫描线）/帧，25帧/秒（40ms/帧）；长宽比（aspectratio）：4:3；隔行扫描，2场/帧，312.5行/场；颜色模型：YUV。PAL制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为G、I、D等制式，其中PAL-D制是中国大陆采用的制式。
一般来讲，EIA代表美规黑白，NTSC代表美规彩色；CCIR代表欧规黑白，PAL代表欧规彩色。但现在大家都把NTSC当做"N制"或美规的意思，所以黑白说NTSC也没啥不对。同样的PAL是"P制"或欧规的意思，把黑白说成PAL也行。其实两种标准中的30、60、25、50都跟交流电有关，当时美国电源频率是60Hz，而欧洲是50Hz。
2.PAL和NTSC的区别
常见的电视信号制式是PAL和NTSC，另外还有SECAM等。NTSC即正交平衡调幅制，PAL为逐行倒像正交平衡调幅制。
（1）PAL电视标准
PAL电视标准，每秒25帧，电视扫描线为625线，奇场在前，偶场在后，标准的数字化PAL电视标准分辨率为720×576，24比特的色彩位深，画面的宽高比为4:3，PAL电视标准用于中国、欧洲等国家和地区。
（2）NTSC电视标准
NTSC电视标准，每秒29.97帧（简化为30帧），电视扫描线为525线，偶场在前，奇场在后，标准的数字化NTSC电视标准分辨率为720×486，24比特的色彩位深，画面的宽高比为4:3。NTSC电视标准用于美、日等国家和地区。
3.ITU-RBT.601和ITU-RBT.656的区别
关于这两种信号的区别：
ITU-RBT.601：16位数据传输，21芯；Y、U、V信号并行传输，并有场频和行频传输线。最后更新的文档代号为：ITU-RBT.601-5。
ITU-RBT.656：8位数据传输，9芯；串行视频传输，不需要同步信号；传输速率是601的2倍。最后更新的文档代号为：ITU-RBT.656-4。
656输出的是串行数据，行场同步信号嵌入在数据流中，601是并行数据，行场同步有单独输出。
656只是数据传输接口而已，可以说是作为601的一个传输方式。简单的说ITU-RBT.601是"演播室数字电视编码参数"标准，而ITU-RBT.656则是ITU-RBT.601附件A中的数字接口标准，用于主要数字视频设备（包括芯片）之间采用27MHz/s并口或243Mb/s串行接口的数字传输接口标准。
4.PAL制与NTSC制的判定
5.隔行扫描成像（场）
在了解中国电视的相关标准之前，先必需彻底的了解Field（场）概念。场是由电视接收图像信号成像的方式决定的。目前，世界各国的电视都是采用了隔行扫描成像的方式，这和我们使用的电脑显示器成像（逐行扫描）是不一样的。
逐行扫描：每一帧图像都是由一排排的像素构成的，电脑显示器就是从最左侧的第一个像素扫描并显示，扫描完成第一行之后，就会扫描第二行，直到扫描完整个屏幕。如果用电脑全屏播放视频的话，每秒钟显示器能扫描25帧。
隔行扫描：将一个完整的画面分割成两个场，分为上场和下场。先扫描完上场的内容，再扫描下场的内容。两个场都扫描完成后，合成一张完整的画面。这样做的好处是电视内容通过卫星、有线等进行传输的时候，每次发送的内容少了一半，这极大的提高了传输效率。由于每次发送的内容只有一半，因此25fps每秒的图像，需要不断的发送50次才能显示完整的1s内容。这就是我们熟知的电视刷新率为50Hz，说的就是每秒钟能扫描50场的意思。国外使用NTSC制的电视，刷新率为60Hz，代表每秒钟扫描60场。
6.场同步和行同步
场同步（Vertical Sync）：指定新图像从什么时候开始显示。
行同步（Horizontal Sync）：指定新扫描线什么时候开始显示。
7.PAL制国标参数
行场信号的具体长度时间参数：
完整的PAL制视频信号波形：
8.PAL制行信号采样点计数
9.信号行场同步头以及消隐信号的具体时间参数
10.隔行数字分量视频
11.基于FPGA实现PAL制接口代码
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-- Company:
-- Engineer:
--
-- Create Date: 2021/10/08 19:57:38
-- Design Name:
-- Module Name: pal_sync_blank - Behavioral
-- Project Name:
-- Target Devices:
-- Tool Versions:
-- Description:
--
-- Dependencies:
--
-- Revision:
-- Revision 0.01 - File Created
-- Additional Comments:
--
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library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
-- Uncomment the following library declaration if using
-- arithmetic functions with Signed or Unsigned values
--use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
-- Uncomment the following library declaration if instantiating
-- any Xilinx primitives in this code.
--library UNISIM;
--use UNISIM.VComponents.all;
entity pal_sync_blank is
generic(
LINE_NUM : integer := 944 --944
);
port(
clk : in std_logic; --14.75MHz
rst : in std_logic;
sync : out std_logic;
blank : out std_logic;
odd_even : out std_logic;
rd_rom_en : buffer std_logic
);
end pal_sync_blank;
architecture Behavioral of pal_sync_blank is
constant LINE_NUM_HALF : integer := 433; --432
constant Time_1p5us : integer := 20;
constant Time_2p35us : integer := 32;
constant Time_4p7us : integer := 63;
constant Time_5p8us : integer := 78;
signal cnt_h : std_logic_vector(9 downto 0) := (others => '0');
signal cnt_v : std_logic_vector(9 downto 0) := (others => '0');
signal blank_nx_1 : std_logic := '0';
signal blank_nx_2 : std_logic := '0';
signal vsync_nx : std_logic := '0';
signal drow_en : std_logic := '0';
begin
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
cnt_h <= (others => '0');
elsif rising_edge(clk) then
if cnt_h = LINE_NUM - 1 then --行周期64us
cnt_h <= (others => '0');
else
cnt_h <= cnt_h + 1;
end if;
end if;
end process;
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
cnt_v <= (others => '0');
elsif rising_edge(clk) then
if cnt_h = LINE_NUM - 1 then
if cnt_v = 624 then
cnt_v <= (others => '0');
else
cnt_v <= cnt_v + 1;
end if;
end if;
end if;
end process;
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
blank_nx_1 <= '0'; --同步
elsif rising_edge(clk) then
case conv_integer(cnt_v) is
when 0 | 1 | 313 | 314 => --垂直同步脉冲
if cnt_h < (LINE_NUM_HALF - Time_4p7us) or (cnt_h > LINE_NUM_HALF and cnt_h <= (LINE_NUM - Time_4p7us)) then
blank_nx_1 <= '0';
else
blank_nx_1 <= '1';
end if;
when 2 => --垂直同步脉冲到后均衡脉冲切换
if cnt_h < (LINE_NUM_HALF - Time_4p7us) or (cnt_h > LINE_NUM_HALF and cnt_h <= (LINE_NUM_HALF + Time_2p35us)) then
blank_nx_1 <= '0';
else
blank_nx_1 <= '1';
end if;
when 312 => --预均衡脉冲到垂直同步脉冲切换
if cnt_h < Time_2p35us or (cnt_h > LINE_NUM_HALF and cnt_h <= (LINE_NUM - Time_4p7us)) then
blank_nx_1 <= '0';
else
blank_nx_1 <= '1';
end if;
when 317 => --后均衡脉冲到行同步切换
if cnt_h < Time_2p35us then
blank_nx_1 <= '0';
else
blank_nx_1 <= '1';
end if;
when 622 => --行同步到预均衡脉冲切换
-- if cnt_h <= (LINE_NUM - 768 - Time_1p5us) or (cnt_h > LINE_NUM_HALF and cnt_h <= (LINE_NUM_HALF + Time_2p35us)) then
if cnt_h < Time_4p7us or (cnt_h > LINE_NUM_HALF and cnt_h <= (LINE_NUM_HALF + Time_2p35us)) then
blank_nx_1 <= '0';
else
blank_nx_1 <= '1';
end if;
when 3 | 4 | 310 | 311 | 315 | 316 | 623 | 624 => --预均衡和后均衡脉冲
if cnt_h < Time_2p35us or (cnt_h > LINE_NUM_HALF and cnt_h <= (LINE_NUM_HALF + Time_2p35us)) then
blank_nx_1 <= '0';
else
blank_nx_1 <= '1';
end if;
when others => --行同步
if cnt_h < Time_4p7us then --(LINE_NUM - 768 - Time_1p5us - Time_5p8us) then
blank_nx_1 <= '0';
else
blank_nx_1 <= '1';
end if;
end case;
end if;
end process;
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
blank_nx_2 <= '0'; --消隐
elsif rising_edge(clk) then
case conv_integer(cnt_v) is
when 22 =>
if cnt_h >= (LINE_NUM - 384 - Time_1p5us) and cnt_h < (LINE_NUM - Time_1p5us) then
blank_nx_2 <= '1';
else
blank_nx_2 <= '0';
end if;
when 622 =>
if cnt_h >= (LINE_NUM - 768 - Time_1p5us) and cnt_h < (LINE_NUM_HALF - Time_1p5us) then
blank_nx_2 <= '1';
else
blank_nx_2 <= '0';
end if;
when others =>
if cnt_h >= (LINE_NUM - 768 - Time_1p5us) and cnt_h < (LINE_NUM - Time_1p5us) then
-- if cnt_h >= (Time_4p7us + Time_1p5us) and cnt_h < (Time_4p7us + Time_1p5us + 768) then
blank_nx_2 <= '1';
else
blank_nx_2 <= '0';
end if;
end case;
end if;
end process;
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
vsync_nx <= '0';
elsif rising_edge(clk) then
if (cnt_v > 21 and cnt_v < 310) or (cnt_v > 334 and cnt_v < 623) then
vsync_nx <= '1';
else
vsync_nx <= '0';
end if;
end if;
end process;
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
sync <= '1';
blank <= '1';
elsif rising_edge(clk) then
sync <= blank_nx_1;
blank <= blank_nx_2 and vsync_nx;
end if;
end process;
-- process(rst,clk)
-- begin
-- if rst = '1' then
-- drow_en <= '0';
-- elsif rising_edge (clk) then
-- case conv_integer(cnt_v) is
-- when 40 =>
-- drow_en <= '1';
-- when 296 =>
-- drow_en <= '0';
-- when 353 =>
-- drow_en <= '1';
-- when 609 =>
-- drow_en <= '0';
-- when others =>
-- drow_en <= drow_en;
-- end case;
-- end if;
-- end process;
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
drow_en <= '0';
elsif rising_edge (clk) then
case conv_integer(cnt_v) is
when 41 =>
drow_en <= '1';
when 297 =>
drow_en <= '0';
when 353 =>
drow_en <= '1';
when 609 =>
drow_en <= '0';
when others =>
drow_en <= drow_en;
end case;
end if;
end process;
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
rd_rom_en <= '0';
elsif rising_edge (clk) then
if drow_en = '1' then
case conv_integer(cnt_h) is
when 168 =>
rd_rom_en <= '1';
when 808 =>
rd_rom_en <= '0';
when others =>
rd_rom_en <= rd_rom_en;
end case;
else
rd_rom_en <= '0';
end if;
end if;
end process;
process(rst,clk)
begin
if rst = '1' then
odd_even <= '0';
elsif rising_edge(clk) then
if cnt_v < 312 then
odd_even <= '1';
elsif cnt_v = 312 then
if cnt_h <= LINE_NUM_HALF then
odd_even <= '1';
else
odd_even <= '0';
end if;
else
odd_even <= '0';
end if;
end if;
end process;
end Behavioral;