超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 軍

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司)

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的設(shè)備主要包括信號(hào)源發(fā)送端、光纖以及現(xiàn)時(shí)期接收端，如圖1 所示。信號(hào)源發(fā)送端接受的主要是來自于現(xiàn)時(shí)期接收端傳送的光信號(hào)，然后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的信號(hào)傳給信號(hào)源，如PC，使得信號(hào)源端能夠準(zhǔn)確辨認(rèn)出顯示器端的支持分辨率范圍以及最適宜的分辨率大小。與此同時(shí)，信號(hào)源發(fā)送端會(huì)將信號(hào)源端的超高清分辨率視頻信號(hào)通過相應(yīng)的視頻解碼串并轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等等措施將其轉(zhuǎn)變成光信號(hào)。通常情況下，使用光波模塊是由同一根的光纖將光信號(hào)傳送給顯示器接收端的。需要注意的是，顯示器接收端只是將EDID 信號(hào)通過串并轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換的形式將其變換成光信號(hào)，而信號(hào)的發(fā)送則是由信號(hào)源端負(fù)責(zé)的。同時(shí)，接受到的來源于信號(hào)端發(fā)送的光信號(hào)需要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換、視頻編碼等等操作將其全部變換成超高清分辨率視頻信號(hào)，最終再將這一信號(hào)傳送給顯示器。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)單芯光纖的同時(shí)收發(fā)，光電轉(zhuǎn)換模塊在整個(gè)系統(tǒng)中的作用重大。一般的光纖收發(fā)只有一個(gè)功能，即發(fā)送或者是接受功能，但是超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)使用的光組件具有雙向光的發(fā)送和接收功能，在配合一定的激光驅(qū)動(dòng)器以及限幅放大器，就可以在同一根光纖上發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。

圖2 發(fā)送端框圖

光組件BOSA 是將微小透鏡、波分復(fù)用WDM 濾光片等無源器件，和LD、PD 等有緣器件組裝在一起，組裝平臺(tái)為硅，這樣就使得該組件具有TOSA 和ROSA 光組件的多重功能，也就是實(shí)現(xiàn)了單纖雙向功能。激光驅(qū)動(dòng)器MAX3946 接受8.5Gbps 高速串行數(shù)據(jù)電信號(hào)之后，通過可以變成均衡的輸入緩沖器、脈寬調(diào)節(jié)電路、偏置電流和調(diào)制電流DAC、可編程去加重的輸出驅(qū)動(dòng)器BOSA 光組件發(fā)送。

2.2 串行化/解串化

視頻信號(hào)的采樣頻率是148.5 MHz，48 位的RGB 信號(hào)和同場同步信號(hào)等一起發(fā)送給FPGA。根據(jù)最高分辨率為

W=3 840 ×2 160 ×24 ×30 ×10/8=7.47 Gbps

所以，場同步信號(hào)VS、行同步信號(hào)HS、數(shù)據(jù)有效信號(hào)DE 和高速串行協(xié)議等，使用8.5 Gbps 足夠傳輸一路超高清視頻信號(hào)，直接由FPGA 將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)緩存和串行化/解串化等操作，實(shí)現(xiàn)將視頻信號(hào)的串行化/解串化。

2.3 緩存設(shè)計(jì)

RGB 信號(hào)通常都是通過視頻解碼芯片進(jìn)行解碼的，解出來的信號(hào)屬于低速信號(hào)，而串行化通道是一種高速接口，為了使兩者相互配合和同步，就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。FIFO根據(jù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)主旨，在FPGA 中間劃分以供緩存的空間，這樣就可以使得低速信號(hào)在格式化處理之后依次將場同步信號(hào)VS、行同步信號(hào)HS、數(shù)據(jù)游戲信號(hào)DE 和數(shù)據(jù)DATA儲(chǔ)存在FIFO 中。在等待一定時(shí)間后，即FIFO 填充完畢之后，再由FPGA 把FIFO 數(shù)據(jù)讀取出來，然后將其存儲(chǔ)在高速串行化通道中間。因?yàn)楦咚俅谢ǖ雷x取速率高于低速視頻輸入接口，F(xiàn)IFO 讀取速度會(huì)比寫入速度快，從而保證FIFO 中的數(shù)據(jù)的讀取準(zhǔn)確和及時(shí)。

當(dāng)高速串行化數(shù)據(jù)輸入到了接收端之后，F(xiàn)PGA 會(huì)自動(dòng)進(jìn)行串化處理。當(dāng)然，這也需要對FIFO 的緩存空間進(jìn)行劃分。由于高速串行化數(shù)據(jù)解串之后，F(xiàn)IFO 的寫入速度還有大幅度的提高，而且FPGA 需要對數(shù)據(jù)以及同步信號(hào)進(jìn)行二次格式化，這時(shí)就會(huì)使用到兩個(gè)FIFO。其中，一個(gè)FIFO 會(huì)存放解串化的數(shù)據(jù)，接著根據(jù)FPGA 讀取出來的信息進(jìn)行格式化操作;另一個(gè)FIFO 接受前一個(gè)FIFO 格式化的數(shù)據(jù)，然后再輸出DVI 視頻編碼芯片。

3 系統(tǒng)調(diào)試

超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完畢后，需要對其進(jìn)行調(diào)試，從而保證其能夠正常地運(yùn)行，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)使用的是高速串行化的數(shù)據(jù)通道，高達(dá)8.5 Gbps。傳統(tǒng)的印刷電路板材即FR4 已經(jīng)不能滿足高速串行線的使用要求了，需要使用損耗率耕地的高級(jí)板材，一般常用的是M6。普通的印刷電路板材每英寸長度的信號(hào)損耗大致為0.608 dB，相較而言，高級(jí)板材M6 每英寸長度的信號(hào)損耗不大于0.2 dB。與此同時(shí)，高速串行化數(shù)據(jù)線總線也有一定的要求，走線越短，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч麜?huì)越好，也要求其旁邊不能有敏感信號(hào)線。

超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的調(diào)試如下:首先，對硬件的測試，主要包括測試電源噪聲、上電時(shí)序和信號(hào)質(zhì)量，該階段的測試的目的主要是保障硬件鏈路上的所有設(shè)備運(yùn)行正常;其次，通過編寫FPGA 程序?qū)Ω咚俅谢耐ǖ勒`碼率進(jìn)行測試，因?yàn)镕PGA 的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的PRBS 碼流，在通過限幅放大器的處理之后，RBS 碼流就會(huì)被光纖發(fā)送到接收端，再由接收端進(jìn)行解碼，因?yàn)榘l(fā)送的數(shù)據(jù)是已經(jīng)知道的數(shù)據(jù)，所以其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的誤碼率較低，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也明確規(guī)定誤碼率要控制在10E～12 左右;然后，在誤碼率較大時(shí)，需要采取有效措施進(jìn)行調(diào)整，一般誤碼率較大的原因是畫印刷電路板沒有很好地處理高速串行化數(shù)據(jù)通道或者是FPGA 高速串行通道的相關(guān)問題，如參考時(shí)鐘運(yùn)行不穩(wěn)定，差分信號(hào)線的交流耦合電容不相適，電源發(fā)出的噪聲過大。

4 結(jié)束語

綜上所述，市場上產(chǎn)品多樣，現(xiàn)在人們使用較為頻繁的是4K、2K 的顯示器和電視，這就說明超高清視頻在人們的生活中越來越普遍。超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)使用的單根光纖，但是可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送接受雙重功能，很好地解決了超高清視頻遠(yuǎn)距離傳輸存在的問題。

［1］周澤強(qiáng).超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.硅谷，2014，(9):12－13.

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