FPGA PACMANをＴＶに出力

　FPGA PACMANはNTSCをコンポジットビデオやＳ信号に出力するには、サブキャリアの大きな壁があります。
　beta2ではNTSC出力もやっていますが、かなり無理矢理です。
　ＴＶに繋ぐなら、はやりＤ端子などのＹＣｒＣｂコンポーネント信号でしょう。

１．DAC回路の拡張

　FPGA PACMANのRGB出力は、オリジナルと同様で、R,Gが３ビット、Bが２ビットの合計８ビットで、抵抗をビット毎に並列に繋いだラダー抵抗DACです。
　出力段のドライバは無く７５Ωインピーダンスマッチングは取っていません。ＶＧＡに繋ぐと、反射によるゴーストが多少出ます。
R=470Ω,1KΩ,2KΩ
R=470Ω,1KΩ,2KΩ
B=470Ω,1KΩ

　YCrCbで出力する場合、R,G,Bから下記式で変換できます。
Y = 0.299*R +0.587*G +0.114*B (+CSYNC)
CR= -0.172*R -0.339*G +0.511*B
CB= +0.511*R -0.428*G -0.083*B

　除算してから加算されるため、元RGBよりも多くのビット数が無いと、画質が劣化することになります。そこでY=6bit,Cr=5bit,Cb=5bitの計１６ビットにしました。

Y =250Ω,500Ω,1KΩ,2KΩ,3.9KΩ,8.2KΩ
Cr=250Ω,500Ω,1KΩ,2KΩ,3.9KΩ
Cb=250Ω,500Ω,1KΩ,2KΩ,3.9KΩ
　MSB側は精度に影響大なので、上位２ビットは1Kx8のチップ抵抗アレイを、４パラ、２パラしてます。（でも±５％品なので無意味）
　出力レベルは1Vppに合いませんが、Y信号にはSYNCを含んでいて、受信側にAGC回路があればSYNCの電圧から、振幅幅を自動的に調整してくれるはずです。
　Cr,CbにもAGCが働くかどうかはわかりません。



２．RGB -> YCrCb変換回路

　RGBからYCrCbへの変換は、あらかじめパソコンで計算してしまいます。
　RGBの計8bit入力に対して、YCrCbの計16bitがどの値になるかをROMテーブルとして組み込めば、除算、加算回路などは一切不要になります。
　入力8bitに対して出力16bitを得るので、合計4096ビット．．．SpartanIIのブロックセレクトRAM１個にちょうどおさまります。

　走査タイミングは、基本的にそのまま出力します。Ｄ端子の正規信号からは少しはずれるのでＴＶ依存になりますが、480iに近い値ですが、ノンインターレスなので規格を作るとすると"240p"相当といったとろでしょうか。
　カラーサブキャリア等の制約はないので、ＴＶ側でタイミングエラーとして拒否されない限り映ると思います。

使用したＴＶは、ＴＯＳＨＩＢＡ製（へぼ）プログレッシブワイドＴＶ　２８ＺＰ３０です。Ｄ３端子を２系統持っています。
画面はこんな感じで、色、解像度共に遜色なく再現されています。

　全体的に暗いのはデジカメのせいです。
　白の輝度が少し暗く感じます。YとCr,Cbとのバランスが合っていないのかもしれません
　多少ゴーストが出ます。画質を求めるなら１ＫΩ／２ＫΩ程度のＲ２Ｒと７５Ωドライブ回路を持ったＤＡＣにすべきですね。


３．実装

　今回は、自宅でＴＶに繋ぐ必要があるため、携帯性とデバッグのしやすさから、EZ-FPGAとEZ-ARCADEを使用しました。
　準備段階のPBSRAMへのピン割り当て等にけっこう時間がかかり、ＲＯＭインターフェース構造の不備を痛感しましたが、YCrCb変換部分はvencモジュールファイルの差し替えだけで対応できました。
　デバッグは非常にスムーズに行きました。
　ドラッグ＆ドロップでコンフィグ＋ダウンロードな環境は楽ちんです。

４．余談

　フリーのZ80コアT80を使うと、XC2S100にPACMANはサウンド無しでも入りません。
　なんでもXSTのエリア最適化は頭が悪く、Mentor GraphicsのFPGA Advantageにあるleonardo Spectrumを使うと50%位小さくなることがあるとかないとか
　評価版もあるので使ってみたいけど、趣味で買えるほど安くはないのだろう
　XSTであと100slice小さくなればなぁ．．．

おことわり

ソースを整備していないので、実験回路の一般公開はしてません。
試して見たい方には、不完全な形ですが直接配布可能です。

おまけ情報

Ｙ信号をコンポジットビデオ入力に接続すると、モノクロ映像が映ります。
これはDVDでも同様ですが．．．