數(shù)字高清視頻傳輸與視頻接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)研究

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所 周弟偉 段明瑋 王 振

隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字高清視頻也越來(lái)越為人們所熟知，并成為社會(huì)生活不可或缺的一部分。而兼容高清視頻信號(hào)與現(xiàn)有的顯示設(shè)備，使收看高清視頻的硬件成本降低，是高清視頻擺脫限制而得到普及的一大難題，再者，高清視頻的編輯和傳輸成本也非常高昂，都成了廣電系統(tǒng)急需要解決的問(wèn)題。而且，交互式網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）的興起也為數(shù)字高清視頻的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。因此，要解決眼前難題，必須更加致力于高清視頻傳輸系統(tǒng)的研究以使系統(tǒng)成本能夠盡量降低，并保證低成本的高清視頻質(zhì)量是刻不容緩的。

本文以高清視頻接口和高清視頻傳輸技術(shù)為切入點(diǎn)研究出一種仿真高清視頻光纖傳輸系統(tǒng)，這是一種單路輸出，用低端現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）就可以完成高清數(shù)字串行接口（HD-SDI）到高清晰度多媒體接口（HDMI）的音視頻格式轉(zhuǎn)換，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，整體方案簡(jiǎn)單有效，適用于很多商業(yè)活動(dòng)，如視頻會(huì)議或安防監(jiān)控等。

1.傳輸系統(tǒng)的理論介紹

1.1 線(xiàn)纜均衡

在同軸電纜長(zhǎng)線(xiàn)傳輸時(shí)，高速串行信號(hào)會(huì)有很大回波損耗或漏電等情況而導(dǎo)致一定量的衰減。同軸電纜的衰減由很多因素造成的，如電纜材料、相對(duì)介質(zhì)常數(shù)和傳輸?shù)男盘?hào)頻率。所以，同軸電纜長(zhǎng)線(xiàn)傳輸需要對(duì)電纜進(jìn)行均衡設(shè)計(jì)，以減少長(zhǎng)線(xiàn)傳輸造成的損失。而光纖的傳輸損耗要比同軸電纜小得多，光纖傳輸時(shí)不用引入均衡器。

1.2 時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)

要對(duì)高清數(shù)字串行接口格式的高速串行信號(hào)解串才能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，而對(duì)HD-SDI信號(hào)而言，由于高速串行差而不免在傳輸過(guò)程中受到干擾，致使信號(hào)分辨率過(guò)低。以鎖相環(huán)路(PLL)再生時(shí)鐘來(lái)重整串行信號(hào)，可以去除信號(hào)中的受干擾因子，再通過(guò)系統(tǒng)增益將信號(hào)波形放大以便后端處理。

圖1 ASlC方案發(fā)送端的設(shè)計(jì)流程

圖2 HD-SDl接收解串行硬件結(jié)構(gòu)框架圖

2.選擇低成本設(shè)計(jì)方案

2.1 發(fā)送端的方案選擇

設(shè)計(jì)HD-SDI光纖發(fā)送端的重點(diǎn)是要在保證傳輸系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量和接收端接收高速視頻數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和低誤碼率的前提下盡可能地降低成本。相較與高昂的FPGA芯片方案，專(zhuān)用集成電路（ASIC）解決方案比較符合低成本要求。圖1是ASIC方案發(fā)送端的設(shè)計(jì)流程。

由圖1可見(jiàn)，線(xiàn)纜均衡修復(fù)高速傳輸?shù)腍D-SDI信號(hào)，再輸入到HD解串器恢復(fù)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，而HD解串器功能可以驅(qū)動(dòng)能輸出供長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)腍D-SDI接口，因此信號(hào)可以直接從解串器的差分串口輸出，經(jīng)由GO2910光發(fā)送模塊傳送到光纖上完成傳輸過(guò)程。

2.2 接收端的方案選擇

接收端的方案選擇也采用了對(duì)應(yīng)發(fā)送端的保質(zhì)量低投入方案。系統(tǒng)主要接收一下幾個(gè)部分：光接收部分、HD-SDI串并轉(zhuǎn)換、線(xiàn)纜均衡部分、HDMI發(fā)射部分和FPGA協(xié)議轉(zhuǎn)換部分。圖2為HD-SDI接收解串行硬件結(jié)構(gòu)框架圖。

如圖2，光接收器將得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電信號(hào)傳送給線(xiàn)纜均衡去修復(fù)，然后又將高速串行差分信號(hào)傳輸?shù)浇獯?，?jīng)由解串器旁路的串/并轉(zhuǎn)換模式將時(shí)鐘信息恢復(fù)的HD-SDI信號(hào)傳輸出去，由解串器的驅(qū)動(dòng)力直接輸送到刺刀螺母連接器(BNC)接口來(lái)完成系統(tǒng)的信號(hào)流程。

3.電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 HD-SDI信號(hào)處理電路部分

相較于數(shù)據(jù)，視頻信號(hào)需要消耗更大的功率來(lái)傳輸，HD解串器內(nèi)部設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)處理模塊，可以進(jìn)行傳輸誤檢和處理，自動(dòng)配置自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的格式為適合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的PLL處理模式，恢復(fù)串行信號(hào)的時(shí)鐘信息。

3.2 FPGA電路

內(nèi)部寄存器資源、全局時(shí)鐘管理資源和引腳資源豐富，特有面積速度可互換，對(duì)電磁干擾也不甚敏感，大大降低了電路設(shè)計(jì)成本，是FPGA的可行優(yōu)勢(shì)。FPGA電路配置中的時(shí)鐘輸入引腳使用FPGA的全局時(shí)鐘資源，而其他一腳資源根據(jù)印制電路板（PCB）布局進(jìn)行合理連接，可通過(guò)引腳約束來(lái)配置引腳的電平、輸出模式以及輸出電流電壓。

3.3 HDMI接口設(shè)計(jì)

HDMI發(fā)射端采用的ANX9030芯片（由ANALOGIX公司產(chǎn)出）的內(nèi)建PLL對(duì)接收并行信號(hào)且無(wú)誤差處理時(shí)鐘信息的能力很高，而且成本又低，HDMI（高清晰度多媒體）接口完全可以取代HD-SDI（高清數(shù)字串行）接口進(jìn)行高清視頻的傳輸。HDMI接口設(shè)計(jì)從ANX9030的框架和特性出發(fā)，使ANX9030對(duì)接收到的含有行/場(chǎng)同步信息的并行圖像進(jìn)行處理，再將ANX9030數(shù)據(jù)輸入引腳與FPGA連接進(jìn)行引腳設(shè)置，最后用SST89V51芯片作ANX9030的外界驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)HDMI接口的設(shè)計(jì)。

4.FPGA實(shí)現(xiàn)傳輸設(shè)計(jì)

以FPGA對(duì)前級(jí)芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行精確提取，并分離提取視頻和音頻信號(hào)，根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)視頻格式信息來(lái)調(diào)整音視頻的輸出時(shí)序，然后實(shí)現(xiàn)輸出格式的轉(zhuǎn)換，完成高清視頻傳輸與視頻接口轉(zhuǎn)化的仿真設(shè)計(jì)。

5.結(jié)語(yǔ)

數(shù)字高清視頻的發(fā)展豐富了人們的生活，然而越來(lái)越多的同類(lèi)科技成果在不斷衍生，數(shù)字高清視頻以后的發(fā)展受到了限制，所以，高清視頻傳輸系統(tǒng)必須不斷更進(jìn)改善，才能在日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境里生存并發(fā)展下去。研究數(shù)字高清視頻傳輸和視頻接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)是優(yōu)化傳輸系統(tǒng)的唯一途徑，是數(shù)字高清視頻得以發(fā)展的保障，因此，更新設(shè)計(jì)理念以搶占競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)需要長(zhǎng)久進(jìn)行。

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