數字高清視頻傳輸與視頻接口的轉換設計研究

中國電子科技集團公司第三十四研究所 周弟偉 段明瑋 王 振

隨著科技的不斷發展和進步，數字高清視頻也越來越為人們所熟知，并成為社會生活不可或缺的一部分。而兼容高清視頻信號與現有的顯示設備，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，都成了廣電系統急需要解決的問題。而且，交互式網絡電視（IPTV）的興起也為數字高清視頻的進一步發展帶來了極大的挑戰。因此，要解決眼前難題，必須更加致力于高清視頻傳輸系統的研究以使系統成本能夠盡量降低，并保證低成本的高清視頻質量是刻不容緩的。

本文以高清視頻接口和高清視頻傳輸技術為切入點研究出一種仿真高清視頻光纖傳輸系統，這是一種單路輸出，用低端現場可編程門陣列（FPGA）就可以完成高清數字串行接口（HD-SDI）到高清晰度多媒體接口（HDMI）的音視頻格式轉換，降低了系統成本和復雜性，整體方案簡單有效，適用于很多商業活動，如視頻會議或安防監控等。

1.傳輸系統的理論介紹

1.1 線纜均衡

在同軸電纜長線傳輸時，高速串行信號會有很大回波損耗或漏電等情況而導致一定量的衰減。同軸電纜的衰減由很多因素造成的，如電纜材料、相對介質常數和傳輸的信號頻率。所以，同軸電纜長線傳輸需要對電纜進行均衡設計，以減少長線傳輸造成的損失。而光纖的傳輸損耗要比同軸電纜小得多，光纖傳輸時不用引入均衡器。

1.2 時鐘數據恢復(CDR)

要對高清數字串行接口格式的高速串行信號解串才能對信號進行處理，而對HD-SDI信號而言，由于高速串行差而不免在傳輸過程中受到干擾，致使信號分辨率過低。以鎖相環路(PLL)再生時鐘來重整串行信號，可以去除信號中的受干擾因子，再通過系統增益將信號波形放大以便后端處理。

圖1 ASlC方案發送端的設計流程

圖2 HD-SDl接收解串行硬件結構框架圖

2.選擇低成本設計方案

2.1 發送端的方案選擇

設計HD-SDI光纖發送端的重點是要在保證傳輸系統信號質量和接收端接收高速視頻數據準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方案發送端的設計流程。

由圖1可見，線纜均衡修復高速傳輸的HD-SDI信號，再輸入到HD解串器恢復數據和時鐘，而HD解串器功能可以驅動能輸出供長線傳輸的HD-SDI接口，因此信號可以直接從解串器的差分串口輸出，經由GO2910光發送模塊傳送到光纖上完成傳輸過程。

2.2 接收端的方案選擇

接收端的方案選擇也采用了對應發送端的保質量低投入方案。系統主要接收一下幾個部分：光接收部分、HD-SDI串并轉換、線纜均衡部分、HDMI發射部分和FPGA協議轉換部分。圖2為HD-SDI接收解串行硬件結構框架圖。

如圖2，光接收器將得到的信號轉換為差分電信號傳送給線纜均衡去修復，然后又將高速串行差分信號傳輸到解串器，經由解串器旁路的串/并轉換模式將時鐘信息恢復的HD-SDI信號傳輸出去，由解串器的驅動力直接輸送到刺刀螺母連接器(BNC)接口來完成系統的信號流程。

3.電路設計與實現

3.1 HD-SDI信號處理電路部分

相較于數據，視頻信號需要消耗更大的功率來傳輸，HD解串器內部設有標準的信號處理模塊，可以進行傳輸誤檢和處理，自動配置自動監測數據的格式為適合標準協議的PLL處理模式，恢復串行信號的時鐘信息。

3.2 FPGA電路

內部寄存器資源、全局時鐘管理資源和引腳資源豐富，特有面積速度可互換，對電磁干擾也不甚敏感，大大降低了電路設計成本，是FPGA的可行優勢。FPGA電路配置中的時鐘輸入引腳使用FPGA的全局時鐘資源，而其他一腳資源根據印制電路板（PCB）布局進行合理連接，可通過引腳約束來配置引腳的電平、輸出模式以及輸出電流電壓。

3.3 HDMI接口設計

HDMI發射端采用的ANX9030芯片（由ANALOGIX公司產出）的內建PLL對接收并行信號且無誤差處理時鐘信息的能力很高，而且成本又低，HDMI（高清晰度多媒體）接口完全可以取代HD-SDI（高清數字串行）接口進行高清視頻的傳輸。HDMI接口設計從ANX9030的框架和特性出發，使ANX9030對接收到的含有行/場同步信息的并行圖像進行處理，再將ANX9030數據輸入引腳與FPGA連接進行引腳設置，最后用SST89V51芯片作ANX9030的外界驅動器，實現HDMI接口的設計。

4.FPGA實現傳輸設計

以FPGA對前級芯片數據進行精確提取，并分離提取視頻和音頻信號，根據自動檢測視頻格式信息來調整音視頻的輸出時序，然后實現輸出格式的轉換，完成高清視頻傳輸與視頻接口轉化的仿真設計。

5.結語

數字高清視頻的發展豐富了人們的生活，然而越來越多的同類科技成果在不斷衍生，數字高清視頻以后的發展受到了限制，所以，高清視頻傳輸系統必須不斷更進改善，才能在日趨激烈的競爭環境里生存并發展下去。研究數字高清視頻傳輸和視頻接口的轉換設計是優化傳輸系統的唯一途徑，是數字高清視頻得以發展的保障，因此，更新設計理念以搶占競爭優勢需要長久進行。

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