基于DisplayPort接口的高清視頻傳輸方案

張 虎，梁龍飛，宋 利

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030;2.博康智能網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海 200233）

基于DisplayPort接口的高清視頻傳輸方案

張 虎1，2，梁龍飛2，宋 利1

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030;2.博康智能網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海 200233）

介紹了安防市場(chǎng)現(xiàn)有高清視頻傳輸方案的缺陷，提出了一種基于DisplayPort接口改進(jìn)的新的高清視頻傳輸方案。詳述了該技術(shù)的要點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)過(guò)演示板卡的測(cè)試，證明該設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的，可以為安防監(jiān)控領(lǐng)域提供一種實(shí)時(shí)、無(wú)損、不限格式的視頻傳輸方案。

DisplayPort接口;安防市場(chǎng);高清視頻;傳輸

目前的安防視頻正在經(jīng)歷由標(biāo)清監(jiān)控到高清監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)性、可靠性、無(wú)損傳輸，這些視頻傳輸要求在標(biāo)清時(shí)代很容易實(shí)現(xiàn)，而在高清時(shí)代卻變成了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)?？v觀現(xiàn)有的高清傳輸方案，無(wú)外乎HD－SDI和IP兩種。

HD－SDI接口帶寬可達(dá) 2.97 Gbit/s，可實(shí)時(shí)、無(wú)損傳輸1 920×1 080@60p的高清視頻，但是HD－SDI接口對(duì)格式要求很?chē)?yán)格，支持的格式種類(lèi)只有1 280×720和1 920×1 080兩種。IP方案采用H.264編碼，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸視頻碼流，編碼和傳輸本身有固有的延時(shí)，且為有損傳輸，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)視頻要求比較高的應(yīng)用。

2008年，VESA（視頻電子標(biāo)準(zhǔn)組織）發(fā)布了Display-Port［1］1.1a 標(biāo)準(zhǔn)，其單通道帶寬最大可達(dá)2.7 Gbit/s、對(duì)傳輸?shù)囊曨l格式要求不限以及其是免費(fèi)的，因此越來(lái)越多地應(yīng)用在消費(fèi)電子產(chǎn)品上。

對(duì)此，本課題研究了一種基于DisplayPort接口修改而來(lái)的新型接口（High Definition Interface，HDI），用以解決HD－SDI和IP傳輸方案的缺陷。本文提出相關(guān)的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高帶寬、實(shí)時(shí)、無(wú)損、不限格式傳輸視頻的要求。

1 DisplayPort接口簡(jiǎn)介

1.1 DisplayPort接口組成

DisplayPort接口主要由主通道（Main Lane）、附屬通道（Aux CH）、熱插拔檢測(cè)（HPD）管腳以及附屬電源（DP_PWR）管腳組成。主通道用來(lái)傳輸音視頻數(shù)據(jù)，附屬通道用來(lái)進(jìn)行連接管理和設(shè)備管理。熱插拔檢測(cè)是源設(shè)備檢測(cè)接收設(shè)備是否連接上以及接收設(shè)備發(fā)起中斷請(qǐng)求的管腳。附屬電源管腳是源設(shè)備用來(lái)給中繼器及接口轉(zhuǎn)換器等設(shè)備供電的專(zhuān)用管腳。

主通道由1，2，4對(duì)高速、單向、高帶寬、低延時(shí)通道組成，每一個(gè)單獨(dú)的通道可選1.6 Gbit/s和2.7 Gbit/s兩種傳輸速率。通道數(shù)量和傳輸速率由發(fā)送端需求和接收端的接收能力以及信道質(zhì)量綜合決定。所有的通道均用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，并不存在單獨(dú)的通道用來(lái)傳輸時(shí)鐘信號(hào)。信道編碼采用ANSI 8B/10B編碼規(guī)則（參見(jiàn)ANSI X3.230—1994，第11節(jié)），時(shí)鐘可從碼流中恢復(fù)。

主通道碼流在傳輸時(shí)被打包成“微封包”（稱(chēng)之為傳輸單元），每個(gè)傳輸單元包含32～64個(gè)連接符號(hào)（由發(fā)送端確定）。碼流在被打包后映射到主通道上，打包后的數(shù)據(jù)流速率將小于或等于連接符號(hào)速率，小于時(shí)將插入填充符號(hào)。正是這種特殊的“微封包”結(jié)構(gòu)，使得DisplayPort的通道速率和具體要傳輸?shù)囊曨l格式是分開(kāi)的。換句話(huà)說(shuō)，在帶寬足夠的情況下，DisplayPort可以自由支持各種顏色格式、分辨率和幀率的視頻。

附屬通道是一對(duì)半雙工、交流耦合的差分線(xiàn)，通道編碼采用Manchester II編碼，時(shí)鐘也是從碼流中恢復(fù)。附屬通道的作用主要是進(jìn)行連接管理和設(shè)備管理。在源設(shè)備檢測(cè)到HPD信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)起回話(huà)，和接收設(shè)備進(jìn)行“握手”。主通道通過(guò)發(fā)起“鏈路訓(xùn)練”來(lái)確定信道質(zhì)量信號(hào)預(yù)加重等級(jí)等信息;通過(guò)附屬通道來(lái)讀取接收設(shè)備的DisplayPort配置數(shù)據(jù)（DisplayPort Configuration Data，DPCD）和擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù)（Extended Display Identification Data，EDID），以此來(lái)獲得接收設(shè)備的接收能力和顯示能力。在通道建立后，接收設(shè)備也可通過(guò)HPD管腳發(fā)起中斷請(qǐng)求，來(lái)請(qǐng)求源設(shè)備發(fā)起會(huì)話(huà)，和主設(shè)備之間重新進(jìn)行“握手”。主從設(shè)備通過(guò)這種“握手”過(guò)程來(lái)進(jìn)行連接管理和設(shè)備管理。

1.2 DisplayPort的體系結(jié)構(gòu)

DisplayPort采用層次化、模塊化設(shè)計(jì)思路，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為物理層、鏈路層和應(yīng)用層。這種體系結(jié)構(gòu)的好處是將來(lái)可分層進(jìn)行升級(jí)，使升級(jí)的可操作性和容易度大大提高。同時(shí)，物理層和鏈路層分開(kāi)，使得調(diào)整物理層的通道速率而不改變鏈路的結(jié)構(gòu)成為可能。

圖1 DisplayPort體系結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合安防監(jiān)控市場(chǎng)的現(xiàn)狀，本次設(shè)計(jì)的接口需滿(mǎn)足以下技術(shù)指標(biāo):

1）接口帶寬采用BNC和光纖接口，單通道;

2）為了兼容現(xiàn)有的HD－SDI接口方案，通道速率需達(dá)到2.97 Gbit/s;

3）不限視頻格式，能滿(mǎn)足最大1 920×1 080@30p及1 600×1 200@30p的傳輸要求;

4）無(wú)損、實(shí)時(shí)傳輸。

為滿(mǎn)足以上技術(shù)指標(biāo)，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的DisplayPort接口做以下修改:

1）去掉附屬通道

因?yàn)樾薷囊院蟮奈锢斫涌谑荁NC和光纖接口，附屬通道需去掉;同時(shí)原來(lái)附屬通道承載的功能，如Display-Port接口的初始化、連接管理、設(shè)備管理等功能也需要去掉。

2）去掉熱插拔檢測(cè)功能

源設(shè)備默認(rèn)連接一直存在，且不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題;接收設(shè)備禁用通過(guò)HPD管腳發(fā)起中斷請(qǐng)求的功能。

3）物理層單通道速率修改為2.97 Gbit/s

為了兼容現(xiàn)在的HD－SDI的傳輸系統(tǒng)，通道速率必須和HD－SDI一樣達(dá)到2.97 Gbit/s。這樣，原有的HD－SDI交換矩陣、中繼器等設(shè)備就可以做到無(wú)縫升級(jí)。

2.2 芯片組選擇及技術(shù)特征

本設(shè)計(jì)方案選用意法半導(dǎo)體公司的STDP6038［2］和STDP4028［3］芯片分別作為DisplayPort的收發(fā)芯片。其中STDP6038芯片還兼做VGA、HDMI的接收芯片。

STDP6038芯片能提供的性能特征如下:

1）支持DisplayPort 1.1a標(biāo)準(zhǔn)，四通道最大帶寬為10.8 Gbit/s;

2）支持HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)，并兼容DVI輸入;

3）10位視頻ADC，用于混合視頻或者PC模擬視頻（VGA）的采集，最大支持1 080p或WUXGA分辨率視頻輸入;

4）內(nèi)嵌一顆Intel X86架構(gòu)的微控制器;

5）對(duì)于VGA輸入，支持自動(dòng)圖像調(diào)整;

6）具有先進(jìn)的可編程縮放功能;

7）雙通道LVDS輸出，可直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD屏幕。STDP4028芯片能提供的性能特征如下:

1）支持DisplayPort 1.1a標(biāo)準(zhǔn)，四通道最大帶寬為10.8 Gbit/s;

2）支持LVTTL（60位寬）和LVDS（四組）視頻輸入，可支持1 920×1 080@120 Hz或者2 560×1 600（WQXGA），2 560×2 048（QSXGA）60 Hz視頻輸入;

3）內(nèi)嵌一顆Intel X86架構(gòu)的微控制器;

4）支持多種位深和色深的視頻輸入，如RGB/YUV（4∶4∶4）－10 bit color;YUV（4∶2∶2/4∶2∶0）－12 bit color。

3 演示板卡設(shè)計(jì)及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 演示板卡設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證方案的可行性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的演示板卡。本演示板卡分為發(fā)送端和接收端，其功能框圖如圖2、圖3所示。

圖3 接收端功能框圖

本演示板卡用來(lái)驗(yàn)證基于DisplayPort接口修改而來(lái)的HDI接口的可行性。HDI接口的技術(shù)特征主要有單向性、不限視頻格式、通道速率2.97 Gbit/s等。

發(fā)送端的信號(hào)流向如下:

1）STDP6038對(duì)輸入的VGA、HDMI信號(hào)進(jìn)行解碼，輸出奇偶兩組LVDS信號(hào)（4∶4∶4 RGB 8 bit）;FPGA對(duì)接收到的視頻數(shù)據(jù)做奇偶數(shù)據(jù)整合，RGB到Y(jié)CbCr顏色空間轉(zhuǎn)換、4∶4∶4 到4∶2∶2 采樣轉(zhuǎn)換等處理后，輸出信號(hào)給STDP4028芯片做發(fā)送。

2）STDP4028輸出HDI信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后通過(guò)同軸電纜或者光纖進(jìn)行傳輸。

接收端的信號(hào)流向如下:

1）STDP6038接收HDI信號(hào)，解碼后輸出奇偶兩組LVDS 信號(hào)（4∶4∶4 RGB 8 bit）。

2）FPGA對(duì)接收到的視頻數(shù)據(jù)做奇偶數(shù)據(jù)整合，YCbCr到 RGB 顏色空間轉(zhuǎn)換，4∶2∶2 到 4∶4∶4 采樣轉(zhuǎn)換等處理后，輸出信號(hào)給CH7301接口芯片做VGA、DVI信號(hào)發(fā)送。

3）CH7301C輸出VGA、DVI信號(hào)。

3.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中對(duì)DisplayPort接口的修改都是基于對(duì)STDP6038和STDP4028而言的。使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Paradigm C++，通過(guò)修改相應(yīng)的代碼而實(shí)現(xiàn)HDI接口所要求的技術(shù)特性。

3.2.1 單通道特性實(shí)現(xiàn)

在標(biāo)準(zhǔn)的DisplayPort設(shè)備中，源設(shè)備檢測(cè)熱插拔信號(hào)時(shí)會(huì)通過(guò)附屬通道和接收設(shè)備之間進(jìn)行“握手”，通過(guò)物理信道進(jìn)行鏈接訓(xùn)練。要實(shí)現(xiàn)單行性，需要在源設(shè)備（STDP4028）中做修改。

1）關(guān)閉熱插拔檢測(cè)功能，熱插拔管腳始終為連接狀態(tài)。

2）關(guān)閉附屬通道的發(fā)送和接收功能，清楚鏈接訓(xùn)練的中斷請(qǐng)求，禁止鏈接訓(xùn)練部分產(chǎn)生中斷。

3）將系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)手動(dòng)設(shè)置為“Link Training Success”，使系統(tǒng)認(rèn)為鏈接訓(xùn)練已完成。

4）由于無(wú)法通過(guò)附屬通道同道接收設(shè)備的接收能力參數(shù)，手動(dòng)配置發(fā)送通道速率、通道數(shù)量、預(yù)加重等級(jí)等參數(shù)。

接收設(shè)備（STDP6038）作為從設(shè)備，只要主設(shè)備不發(fā)起請(qǐng)求，STDP6038會(huì)一直處于靜默狀態(tài)。對(duì)應(yīng)發(fā)送端做的修改，STDP6038主要是需要關(guān)閉附屬的功能;手動(dòng)配置接收通道的通道速率、通道數(shù)量等參數(shù)。

3.2.2 通道速率2.97 Gbit/s特性實(shí)現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn) DisplayPort設(shè)備中，電氣層的參考時(shí)鐘是27 MHz，最大通道速率時(shí)對(duì)應(yīng)的通道時(shí)鐘為270 MHz。且電氣層和邏輯層是可以分開(kāi)的，也就是通道時(shí)鐘原則上是可以任意設(shè)置的。這部分主要是通過(guò)修改收發(fā)芯片電氣層參考時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。

STDP6038芯片是通過(guò)修改LTCLK_FREQ_0和LTCLK_FREQ_1兩個(gè)寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。LCLK_FREQ的計(jì)算公式為

式中:freq_LCLK是期望的通道時(shí)鐘，本設(shè)計(jì)中為148.5 MHz;freq_RCLK的值由寄存器RCLK_FREQUENCY來(lái)確定，本設(shè)計(jì)取默認(rèn)值243 MHz。計(jì)算可得LCLK_FREQ［15:0］值應(yīng)為0x9C72。

STDP4028的實(shí)現(xiàn)分為兩步:第一步先將發(fā)送的PLL參考時(shí)鐘設(shè)置為由內(nèi)部的DDS輸出（設(shè)置CLOCK_CONFIG_3寄存器值為0x20）;第二部設(shè)置DDS的頻率輸出為29.7 MHz（設(shè)置LTCLK_FREQ_0寄存器值為0x2333）。LTCLK_FREQ_0的計(jì)算公式為

式中:freq_RCLK為216 MHz，計(jì)算可得LTCLK_FREQ［15:0］為9011（0x2333）。

3.2.3 視頻壓縮消隱以及恢復(fù)消隱的實(shí)現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)DisplayPort單通道帶寬最大是2.7 Gbit/s，如果視頻數(shù)據(jù)采用YUV 4∶2∶2 16 bit格式，除去通道8B/10B轉(zhuǎn)換時(shí)附加上的20%的開(kāi)銷(xiāo)，視頻的像素時(shí)鐘最大為135 MHz，否則就會(huì)出現(xiàn)帶寬超標(biāo)、視頻數(shù)據(jù)丟失。遺憾的是，有些視頻數(shù)據(jù)的像素時(shí)鐘會(huì)超過(guò)135 MHz，如1 920×1 080@60p 的像素時(shí)鐘為148.5 MHz，1 600 ×1 200@60p的像素時(shí)鐘為162 MHz。為了解決該問(wèn)題，需要發(fā)送端對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮消隱處理，將視頻的行消隱區(qū)進(jìn)行壓縮，使壓縮后的視頻像素時(shí)鐘小于135 MHz。同理，接收端必須對(duì)接收到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)壓縮消隱，以還原原始的視頻數(shù)據(jù)。實(shí)際操作中像素時(shí)鐘不采用135 MHz的極限數(shù)值，而是留有一定的裕量。本設(shè)計(jì)中選用132 MHz作為閥值，像素時(shí)鐘超過(guò)該值則必須進(jìn)行壓縮消隱處理。

由于本設(shè)計(jì)中STDP6038芯片既作為DisplayPort通道的接收芯片，又作為VGA、HDMI輸入的接收芯片，所以壓縮消隱和恢復(fù)壓縮消隱的操作均由STDP6038來(lái)完成。實(shí)際上是借用STDP6038內(nèi)部的可編程縮放功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如HDMI輸入1 920×1 080@60p，輸入和輸出的分辨率相同，壓縮消隱的過(guò)程如下:

恢復(fù)壓縮消隱的操作剛好和上述過(guò)程相反，在此不再贅述。

3.2.4 其他功能的實(shí)現(xiàn)

1）顏色空間轉(zhuǎn)換

發(fā)送端FPGA需要將輸入的RGB顏色空間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為YCbCr，已節(jié)省帶寬。顏色空間轉(zhuǎn)換的公式為

式中:R，G，B的取值范圍為0～255;Y的取值范圍為16～235;Cb，Cr的取值范圍為16 ～240。

接收端STDP6038在解碼HDI信號(hào)后，需要將YCbCr顏色空間的視頻數(shù)據(jù)還原為RGB，公式為

2）自動(dòng)位置調(diào)整

STDP6038在VGA輸入時(shí)，輸出的行、場(chǎng)信號(hào)和視頻數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)對(duì)不齊，從而輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)偏移的現(xiàn)象。所以在VGA輸入時(shí)，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次位置調(diào)整。根據(jù)信號(hào)的頻率、邊沿，自動(dòng)計(jì)算畫(huà)面的大小和水平垂直位置，獲得最佳的顯示效果。

4 功能驗(yàn)證

PC機(jī)通過(guò)DVI接口輸出圖像到發(fā)送板卡，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后從發(fā)送板卡的HDI接口輸出，通過(guò)同軸電纜連接到接收板卡的HDI接口，最后通過(guò)接口板卡的DVI接口輸出圖像。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)PC機(jī)選取輸出了3種視頻制式:1 920×1 080@60p，1 600×1 200@60p和1 440×900@60p，測(cè)試視頻選用《鋼鐵俠》的宣傳片（分辨率為1 920 ×1 080，幀率為29.97 f/s，碼流為16 Mbit/s）。輸出的視頻制式正確，顏色、位置、內(nèi)容都正常;測(cè)試視頻播放非常流暢，無(wú)色塊產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了實(shí)用水平。

5 小結(jié)

本文基于DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種新的接口，詳述了該技術(shù)的要點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)過(guò)演示板卡的測(cè)試，證明本設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的?；诒驹O(shè)計(jì)，可以為安防監(jiān)控領(lǐng)域提供一種實(shí)時(shí)、無(wú)損、不限格式的視頻傳輸方案。

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

:

［1］視頻標(biāo)準(zhǔn)電子協(xié)會(huì).VESA displayport standard version 1，revision 1a.video electronics standards association［S］.2008.

［2］ST Product Workgroup.STDP602x triple input LCD controller for WSXGA+and XUXGA applications［EB/OL］.［2013－03－08］.http://www.stmicroelectronics.com.cn/st－web－ui/static/active/en/resource/technical/document/data_brief/CD00219952.pdf.

［3］ST Product Workgroup.DisplayPort transmitter［EB/OL］.［2013－03－08］.http://www.stmicroelectronics.com.cn/st－web－ui/static/active/en/resource/technical/document/data_brief/CD00238573.pdf.

［4］陳衛(wèi)東.基于 DisplayPort接口的顯示設(shè)備設(shè)計(jì)［J］.液晶與顯示，2010，25（1）:85－89.

［5］王建平.DisplayPort接口的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究［D］.桂林:桂林電子科技大學(xué)，2009.

High－Definition Video Transmission Scheme Based on DisplayPort Interface

ZHANG Hu1，2，LIANG Longfei2，SONG Li1

（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China;2.Bocom Smart Network Technologies Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

In view of the monitoring and maintenance on IPTV network，together with the rapid evolution of the network，to cater to the requirement of the service evolution and the providers’reality，the Ethernet controller of IPTV network tester is designed in this paper.And then，the architecture of the tester is described，the algorithm and indicators extraction of the Ethernet controller are analyzed.Meanwhile，the simulation and verification are also given based on FPGA.The simulating results prove that the design has reliability，stability and good applications in the IPTV network tester.

displayport interface;security market;high－definition video;transmission

TN919.85

A

【本文獻(xiàn)信息】張虎，梁龍飛，宋利.基于DisplayPort接口的高清視頻傳輸方案［J］.電視技術(shù)，2014，38（3）.

江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ09529）;校長(zhǎng)基金科技項(xiàng)目（DHXK1034）

張 虎（1986— ），碩士生，主研高清和超高清視頻的長(zhǎng)距離傳輸;

梁龍飛（1975— ），博士，主研視頻智能分析與監(jiān)控;

宋 利（1975— ），副教授，主要研究方向?yàn)閳D像編碼、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

責(zé)任編輯:時(shí) 雯

2013－03－27