2002.12.05 既存IPへのリンク追加
2002.11.05 beta2,インターレース、Ｖ同期信号、他もろもろ修正
2002.10.31 beta1,公開

ＮＴＳＣコンポジットエンコーダー

まえがき

　ＮＴＳＣコンポジット信号のエンコードは、ＦＰＧＡの能力的には十分可能である。
　フリーＩＰか、アルゴリズムがすでに公開されているだろうとWeb上やエンコーダーＩＣのデータシートを探し回ったが、必要な情報はついに見つけることが出来なかった。
人に教えてもらったのだが、すでにここにLFPも入った本格的なのがあった。俺の目は節穴ってことみたい
　なるほど、タイミング、同期信号、輝度信号、カラー信号の変換式などは何処にでも書いてあるが、実際デジタルエンコードする際に、サンプリングレートがいくつで、どのようにカラー信号を出力したらよいか等の情報はどこにもなかった。
　正弦波、位相、変調．．．アナログ回路は超苦手だけど、しょうがないから自分で試してみることにした。

概要

　SpartanIIを使って、ＲＧＢ信号からＮＴＳＣコンポジット信号へデジタル変換する。
　ＤＡＣ回路には、７５／１５０ΩのＲ２Ｒ直結型ビデオＤＡＣをそのまま使う。


基板、表示画面

ボード全景	beta1	beta2,インタレース、Ｖ同期修正
クリックでDAC部拡大

実験回路、条件

SpartanII	HDL製XSP005 (XC2S100PQ144+4x7SEG+8xLED+4xPSW+1xbuzzer)
VCCIO	3.312V(実測）
DAC回路	R2R-DAC部,XSP005部はこちらから
HDL回路	Beta1 Velilogソースリスト、操作説明 Beta2 Velilogソースリスト、操作説明
DAC用IOポート	OBUF_S_24 (24mA出力,Slowポート)
DAC分解能	８ビット
抵抗	カーボン抵抗 75ohm 1/4W、2Rは75ohmを２本使用,全て同ロット品
測定器	オシロスコープ、パチンコ用ＬＣＤモニタ、ＬＣＤ−ＴＶ

Velilogソース説明(beta2)

top.v	トップ	ユーザーI/F、カラーバーなど 文法があまりにも汚いので絶対参考にはしないこと
hex4_led.v	７セグＬＥＤドライバ	ビデオとは無関係
ntsc_enc.v	YUVtoNTSCエンコーダ	YUVからNTSCコンポジットへ変換する。 各レベルは8bit/1.632VppDACへ調整済みで、 YUV値も調整済みの値が必要
rgb_yuv.v	RGBtoYUVコンバータ	こちらも8bit/1.632Vppに調整済み。 RGB入力は8bitフルスケール beta2よりYUV内部／出力ビット数、出力レベルを設定可能

ステップ０．ＤＡＣ再生レート

　カラー信号は3.58MHzで変調されるが、3.58MHzの正弦波をデジタルＤＡＣでまともに再生するとなると、１６倍〜３２倍の周波数が必要になり、速度的にも発振源的にも辛い。
　しかし、とあるビデオチップの出力波形を見たところ、3.58MHzの4倍=14.318MHzでギザギザの波形を出力していたが、画面はまともに映っていた。
　なんだぁ、14.318MHzでいけるんじゃん。

ステップ１．ＮＴＳＣタイミング

　まずは、同期信号関係のタイミングを実装／確認する。
　こいつは参考文献がたくさんあるし、ＨＤＬの例もあるのでその通りにすればよい。
　再生レートが14.318MHzなので、水平ライン＝910clockである。
　モニタに繋いで同期があえば、Ｙ信号だけをつかって即、モノクロモニタとして動作する。
　オシロがあれば、波形で確認できるため、難なく動かすことが出来た。
　ただしカラー信号をのせるため、バースト、表示エリアなどの管理はしっかりしておく。
　修正が楽になるようコンパレータを多様したため、現状は回路の無駄が多いので、コンパレーターの代わりに、カウンタ＋ステートマシンなどにすべきだろう。
　なお、インターレース処理は省いてあるが、これは実用段階で実装する予定。<←beta2で対応

ステップ２．カラーバースト信号

　ブランク部分にカラーバーストをのせてみる。
　カラー信号も同様だが、出力信号へ単純に加減算すればよい
　再生レートは14.318MHzなので、4cycleでカラーサブキャリアの3.58MHzとなるため、０／９０／１８０／２７０°の繰り返しとなる。
　カラーバーストの最初、最後の部分は少し減衰させるようだ。
　↑カラー信号のＬＦＰが作用していると推測される。
　こいつは単体で画面チェックが出来ないので、オシロで他のビデオ信号と波形を比べる。

ステップ３．カラー信号

　Ｙ信号を適当な値にして、適当なカラー信号を変調してみる。
　が、実際に色が出なくて輝度が変化してしまい、ここでさんざん時間を費やしてしまった。
　サブキャリアの角度を水平同期でリセットしていたため、位相が狂っていたのだ。
　ソースをいじりまくり、カット＆トライでようやく原因を突き止めたが、同期／Ｙ信号と違いオシロの波形や画面からを捕まえることは困難だった。

ステップ４．ＹＵＶ出力

　電卓で、あらかじめＲＧＢ値をＹＵＶ値に変換し、ＹＵＶ値を出力したときに期待通りのＲＧＢ色が出ることを確認する。
　ここでも、正しい色が出なく、ＵＶをひっくり返したり、ＩＱに換えてみたりとさんざん試した結果、色信号の変調角度が間違っていただけだとわかったので、とりあえず色が合うようにパッチをあてた。
　で、色信号の基本は14.314MHzでＶ、Ｕ、−Ｖ、−Ｕを順番に出力することで良いことが判明した。これが一番知りたかった情報である。
　と、思ったが、もしかしたらカラー信号にはＬＰＦを実装する必要があるかもしれない。

ステップ５．ＲＧＢｔｏＹＵＶ（コンポーネント）変換

　ＲＧＢからＹＵＶを得る変換式はどこにでも書いてあるので、その通りに変換すればよい。
　かけ算回路は、単純に足し算ロジックへ変換したため回路規模は膨らんだが、そのおかげか、ほぼストレートで動作した。
　色信号は、変換レート＝サブキャリアでよいはずなので、Ｙ／Ｖ／Ｙ／Ｕという具合に、１つの乗算回路を時分割で使用すれば、回路規模が小さくなるかもしれない
　最終的にはNTSCエンコーダーに含めた方が、実用的である。
　カラー信号には、Ｉ＝１．３ＭＨｚ、Ｑ＝０．４ＭＨｚのＬＰＦを通すという資料がある。Ｖ，Ｕ信号にはＬＰＦ回路が必要かもしれない。


ステップ６．beta2修正

　その後、beta2にていくつか修正を行った。
　１．Ｖ同期タイミングがメチャメチャだったので、直した。
　　エッジ部に見えていたギザギザが無くなった。
　２．インターレースタイミングを実装した。
　　オシロで同期部のみ確認ずみ。
　３．出力電圧レベルの調整
　　全体的に低かったので、ちゃんと計算して修正した。
　４．ついでに、適当な最適化してみた。

ステップＸ．その後

・画質については、色はそこそこ出ているような気がするが、カラーバーだけではなんとも判断できない。
・グラデーション部やＹ出力のすじに気が付いただろうか？
　これがＤＡＣの桁上がり不具合と思われる。
　１００／２００Ω辺りでＤＡＣを作り直した方がよいかもしれない。
・カラー信号には、ＬＰＦが必要かもしれない。

展望

　思ったよりも回路規模が大きく、傍らにちょっと置くというサイズにはなりそうにない。
　最適化して書き直しても、半分にはならないかも．．．

　とりあえず、FPGA-PACMANへ実装して実用上の能力を確かめてみたい。
　その際には、エンコーダーに外部同期でタイミング調整を行う機能や、１ラインのバッファリングなどが必要になるだろう。
　ＰＡＣＭＡＮを含め、ＲＧＢ出力の同期タイミングはＮＴＳＣのそれと多少異なっているケースがほとんどだ。

参考文献

CQ出版社 ドランジスタ技術スペシャルNo.65 パソコン周辺インターフェース,第２−３ NTSC
CQ出版社 インターフェース 2000.1 ディジタルテレビんも映像信号／動画像処理の基礎
　P57 図10 NTSCエンコーダーの構成
　P59 図17 サンプリングされたNTSC信号
　P71 表3.A 映像信号レベル（電圧）、表8 輝度・色差信号とRGB信号の関係
なひたふ新聞、電子回路の豆知識、第６章　画像信号の豆知識