高清視頻信號(hào)長(zhǎng)線傳輸?shù)南辔蛔詣?dòng)補(bǔ)償方法

郝學(xué)元

(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

責(zé)任編輯:薛 京

在很多工程應(yīng)用中，需要用普通網(wǎng)線長(zhǎng)線傳輸視頻信號(hào)，視頻信號(hào)中的紅綠藍(lán)三基色模擬信號(hào)變成三對(duì)差分信號(hào)經(jīng)過(guò)差分芯片驅(qū)動(dòng)后，能進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，但由于網(wǎng)線中不同線對(duì)之間在雙絞時(shí)，實(shí)際長(zhǎng)度并不一樣，特別是線纜長(zhǎng)了后，不同線對(duì)之間的相位差較大，造成了視頻信號(hào)顯示時(shí)相位的不同步，影響成像質(zhì)量［1］。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)相位補(bǔ)償方法大多為調(diào)整傳輸線上的匹配電阻，在實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，信號(hào)的幅度受到影響。為此，提出一種相位自動(dòng)補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)不同傳輸長(zhǎng)度下，紅綠藍(lán)三色信號(hào)的相位同步。

1 補(bǔ)償原理

高清視頻信號(hào)長(zhǎng)線傳輸系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)送端、雙絞線、信號(hào)接收端和顯示器，如圖1所示。雙絞線有4對(duì)，其中3對(duì)傳輸?shù)氖羌t綠藍(lán)三基色的模擬信號(hào)。在系統(tǒng)傳輸長(zhǎng)度一定的條件下，模擬信號(hào)的延時(shí)與數(shù)字信號(hào)的延時(shí)相同，外部的溫度、濕度等因素雖對(duì)延時(shí)也有影響，但相對(duì)幾百米長(zhǎng)度的傳輸線，顯得微不足道，且3對(duì)線受影響程度相同。因此，造成視頻信號(hào)相位差的主要因素是傳輸線線長(zhǎng)，所以在傳輸線線長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，必須要進(jìn)行相位補(bǔ)償。

圖1 高清視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

相位自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑頌樵谛盘?hào)發(fā)送端增加電子開關(guān)，上電時(shí)電子開關(guān)設(shè)置為相位自動(dòng)補(bǔ)償模式，在此模式下，由發(fā)送端產(chǎn)生3個(gè)同頻同相位的脈沖信號(hào)，經(jīng)差分電路后轉(zhuǎn)換成3路同相位的脈沖信號(hào)對(duì)輸出，經(jīng)雙絞線傳輸，遠(yuǎn)程信號(hào)接收端自動(dòng)測(cè)量3個(gè)脈沖信號(hào)的相位差，將差值回傳，通過(guò)信號(hào)發(fā)送端控制模擬延遲芯片的寄存器設(shè)置值，將實(shí)際延遲的值在發(fā)送端提前，形成自動(dòng)補(bǔ)償。

2 自動(dòng)補(bǔ)償方法與設(shè)計(jì)

相位自動(dòng)補(bǔ)償需在信號(hào)發(fā)送端添加自動(dòng)相位補(bǔ)償工作模式，在信號(hào)接收端添加相位差測(cè)量電路;實(shí)現(xiàn)在補(bǔ)償工作模式下的補(bǔ)償值測(cè)量與回傳。

2.1 發(fā)送端標(biāo)準(zhǔn)同相位的產(chǎn)生

帶自動(dòng)補(bǔ)償功能的發(fā)送端電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。在原發(fā)送端基礎(chǔ)上增加電子開關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)同相位脈沖產(chǎn)生電路和對(duì)應(yīng)的信號(hào)解析電路。

圖2 發(fā)送端電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)初次工作時(shí)，電子開關(guān)進(jìn)入自動(dòng)補(bǔ)償模式，與標(biāo)準(zhǔn)同相位脈沖產(chǎn)生電路相連。在本地端由FPGA產(chǎn)生脈沖。產(chǎn)生的脈沖信號(hào)周期為1 ms，脈沖寬度為100 μs，如圖3所示。把此信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)源，通過(guò)高速差分轉(zhuǎn)換芯片ISL3259EFPGA工作時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)鐘經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻至333 MHz，可使得在處理回傳補(bǔ)償值時(shí)達(dá)到步進(jìn)時(shí)間寬度為3 ns的補(bǔ)償步進(jìn)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)同相位脈沖

2.2 接收端自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)

接收端的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由電子開關(guān)、解碼電路、差分電路、相位差測(cè)量電路4部分組成。不需補(bǔ)償時(shí)，信號(hào)經(jīng)電子開關(guān)進(jìn)入解碼電路，解出視頻信號(hào)后送顯示器輸出;進(jìn)入自動(dòng)補(bǔ)償模式時(shí)，信號(hào)經(jīng)電子開關(guān)進(jìn)入差分電路與相位差測(cè)量電路。

圖4 接收端電路結(jié)構(gòu)

發(fā)送端的3標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)經(jīng)幾百米的差分傳輸后，在接收端會(huì)產(chǎn)生明顯的相位差，如圖5所示。經(jīng)差分電路轉(zhuǎn)換恢復(fù)出的3個(gè)脈沖信號(hào)之間出現(xiàn)延遲，G信號(hào)比B信號(hào)延遲t1，R信號(hào)比B信號(hào)延遲t2。在線長(zhǎng)不同的現(xiàn)場(chǎng)，延遲時(shí)間t1，t2不同，當(dāng)線長(zhǎng)改變時(shí)必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相位補(bǔ)償。為得到t1，t2值，通過(guò)高速FPGA器件設(shè)計(jì)數(shù)字化相位差測(cè)量電路，捕捉到納秒級(jí)延遲量，時(shí)序原理［2］如圖6所示。輸入信號(hào)In1，In2，經(jīng)組合邏輯得到延遲信號(hào)delay，以delay信號(hào)使能高速計(jì)數(shù)器，對(duì)FPGA內(nèi)部高速時(shí)鐘計(jì)數(shù)，得到整數(shù)值N，即為信號(hào)In2對(duì)信號(hào)In1的延遲量，t=N×CLK，N為整數(shù)，設(shè)置計(jì)數(shù)器為5位，N取值為0～31。接收端所用FPGA內(nèi)部時(shí)鐘與發(fā)送端相同，均為333 MHz，步進(jìn)3 ns，可以記錄0～93 ns的延遲，反映出500 m以內(nèi)線長(zhǎng)的相位差。

相位差N值以數(shù)字量形式經(jīng)差分電路傳回發(fā)送端。

2.3 發(fā)送端延遲線補(bǔ)償

發(fā)送端針對(duì)接收到的N值，將其送入模擬延遲芯片的寄存器，使得模擬信號(hào)在輸出時(shí)提前將延遲值補(bǔ)上以彌補(bǔ)長(zhǎng)線后產(chǎn)生的相位差。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，通過(guò)發(fā)送端N值的補(bǔ)償也可在接收端收到同頻同相位的脈沖信號(hào)。為驗(yàn)證N值的準(zhǔn)確性，通過(guò)脈沖信號(hào)的恢復(fù)加以觀察。

發(fā)送端利用FPGA的門電路延遲實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的相位補(bǔ)償。FPGA門電路的延遲時(shí)間在芯片的手冊(cè)中有明確的說(shuō)明，以Xilinx公司的XC3S400芯片［3］為例，每個(gè)BUFD門電路的延長(zhǎng)時(shí)間為1.0 ns，要實(shí)現(xiàn)N=3 ns，9 ns的延遲輸出，代碼為:

延遲補(bǔ)償后的信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)線傳輸，在接收端差分電路變換后經(jīng)示波器捕捉，如圖7所示，完全能夠?qū)崿F(xiàn)相位補(bǔ)償。

圖7 補(bǔ)償后的脈沖信號(hào)

3 視頻信號(hào)實(shí)際補(bǔ)償效果

對(duì)于工程實(shí)踐中傳輸?shù)囊曨l模擬信號(hào)，用此方法進(jìn)行相位自動(dòng)補(bǔ)償。在發(fā)送端接200 m雙絞網(wǎng)線和接收端相連，發(fā)送端輸出無(wú)相位差的紅綠藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)傳輸后，在接收端拍攝到的顯示器截圖如圖8a所示。啟動(dòng)相位自動(dòng)補(bǔ)償功能后，針對(duì)同一位置拍攝的顯示器截圖如圖8b所示。

圖8 效果對(duì)比圖

在圖8的效果對(duì)比中，圖8a是未經(jīng)相位補(bǔ)償?shù)腞GB視頻顯示效果，它們?cè)谙辔簧系南嗖羁梢詮呢Q直方向上看出，紅綠藍(lán)的豎線都沒有重合，紅信號(hào)比綠信號(hào)滯后，綠信號(hào)比藍(lán)信號(hào)滯后，在畫質(zhì)上會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象;右側(cè)是經(jīng)過(guò)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)腞GB顯示效果，紅綠藍(lán)的豎線完全重合，即消除了相位差，畫質(zhì)會(huì)顯得更清晰。目前，此技術(shù)方法已經(jīng)用在長(zhǎng)線視頻傳輸中，效果良好。

［1］郝學(xué)元，張靜.視頻延長(zhǎng)信號(hào)的自動(dòng)校色方法［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(9):14－16.

［2］陳尚松，雷加，郭慶.電子測(cè)量與儀器［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:126－127.

［3］ Xilinx corporation.Spartan－3 FPGA family:data sheet［EB/OL］.［2012－02－02］.http://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds099.pdf.