基于FPGA的3G/HD/SD-SDI信号光纤传输系统的设计
发布时间：2015-12-4 11:14
发布者：designapp
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摘要：介绍了基于FPGA和高速串行复接/解复接技术，将3G/HD/SD-SDI信号通过光纤实现无损长距离传输的方法。与传统的传输方案相比，此方案可以完成传输高清视频的平滑升级，并向下兼容现有的视频传输网络，降低了网络的改造升级成本。 引言 SDI(Serial Digital Interface)是一种“数字分量串行接口”，通过75Ω同轴线缆传输无压缩的数字视频信号。由于串行数字信号的数据率很高，在传送前必须经过处理。用扰码的不归零倒置(NRZI)来代替早期的分组编码，其标准为SMPTE 259M和EBU-Tech-3267，标准包括了含数字音频在内的数字复合和数字分量信号，支持4种速率：143Mbit/s的NTSC制复合编码信号;177.3Mbit/s的PAL制复合编码信号;270Mbit/s的NTSC制和PAL制分量编码信号;360Mbit/s 16：9长宽比的NTSC制和PAL制分量编码信号，其中最常见的是270Mbit/s。在传送前，对原始数据流进行扰频并变换为NRZI码，确保在接收端可靠地恢复原始数据。 在概念上可以将数字串行接口理解为一种基带信号调制。SDI接口能通过270Mbit/s的串行数字分量信号，对于16：9格式的图像，应能传送360Mbit/s的信号。NRZI码是极性敏感码。用“1”和“0”表示电平的高和低，如果出现长时间的连续“1”或连续“0”，会影响接收端从数字信号中提取时钟。因为串行数字信号接口不单独传送时钟信号，接收端需从数字信号流中提取时钟信号，所以要采用以“1”和“0”来表示有无电平变换的NRZI码。在接收NRZI码流时，只要检出电平变换，就可恢复数据，再经过加扰，连“1”的机会减少，也就使高频分量进一步减少，使解码和提取时钟信息更加容易。实现加扰/解扰的生成多项式为G1(x)=x9+x4+1，该步主要是将数字化的视频信号变成NRZ扰码信号。编码/译码的生成多项式为G2(x)=x+1，该步主要是将上一步生成的NRZ扰码变成对电平极性不敏感、只对电平极性变换敏感的NRZI码。其扰码的原理框图如图1所示。具体实现利用Verilog HDL编程。在接收端，由SDI解码模块从NRZI码流恢复出原数据流。  按照移动图像和电视工程师协会(SMPTE)制定的清晰度标准要求，SDI可分为：SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI。其中： SD-SDI：SD-SDI(Standard Definition Seria Digital Interface) 视频信号的通常速率为270Mbit/s。其信号格式从19.4Mbit/s到360Mbit/s，支持符合SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M标准，以及DVB-ASI(EN50083-9)等数字电视格式的信号。SD-SDI是无延时、无失真的标清视频信号。 HD-SDI：HD-SDI(High Definition Seria Digital Interface)视频信号的速率达到1.485Gbit/s，刷新率支持60Hz。其信号格式从19.4Mbit/s到1.485Gbit/s，支持符合SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M标准，以及DVB-ASI(EN50083-9)等数字电视格式的信号。HD-SDI是无延时、无失真的高请视频信号。 3G-SDI：3G-SDI中的3G是指SDI信号的数据传输率约为3Gbit/s。其信号格式从19.4Mbit/s到2.97Gbit/s，支持符合SMPTE 424M、SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M标准，以及DVB-ASI(EN50083-9)等数字电视格式的信号。由于HDTV可以支持每秒30帧的逐行扫描1920×1080的分辨率格式，而3G能够支持比HD视频信号最高帧扫描频率高一倍的频率，即3G可以支持每秒60帧的HD信号，这在观看动态视频时的差别是很大的。 本文设计的3G/HD/SD-SDI信号的光纤传输方案，支持标清SD-SDI(270Mbit/s)、高清HD-SDI(1.485Gbit/s)及全高清3G-SDI(2.97Gbit/s)视频格式，可传送符合数字视频广播/异步串行接口(DVB-ASI)、标准清晰度(SMPTE 259M)、高清晰度(SMPTE 292M)以及全新的3G-SDI(SMPTE 424M)等标准的视频数据，通过光纤实现3G/HD/SD-SDI信号的高可靠、高性能和长距离传输。采用单模光纤，无中继传输距离可达100km以上。 1 系统设计 由于传输的3G/HD/SD-SDI 信号主要用于广播电视行业，其专业级的指标要求，必须确保输出信号有高稳定性与可靠性。在对信号进行均衡以及时钟恢复，解扰及串并转换，以及后端的输出驱动的处理过程中，均选择GENNUM公司的集成电路实现高清视频信号接口的转换，这样做可以最大限度的保证各相关模块的兼容性，并且具有信号恢复和抖动抑制功能，系统输出接近完美的眼图指标，有利于提高系统的稳定性，降低信号的抖动。 本系统的主控模块是FPGA，综合考虑成本、占用面积以及以后的升级，就需要FPGA的内部资源尽量丰富，因此选用Xilinx公司Spartan-3A系列FPGA，该系列FPGA集成了DSP功能，拥有极强的并行处理能力，满足图像和视频处理所需的性能要求，包括压缩(MPEG-2和MPEG-4)，色空间转换，图像增强、处理、缩放和识别等;采用SPI PROM模式完成配置，为便于调试，也预留了JTAG接口; 完成图像采集、存储和整个系统的逻辑控制。 系统分为发射端和接收端。在发射端，信号先经过均衡、串并转换处理，输入到FPGA完成一次复用后，进入高速复接芯片完成二次复用，最后经电光转换模块将其转换为光信号，这样就将3G/HD/SD-SDI信号转变成光信号。在接收端，将接收到的的光信号经光电转换模块转换为电信号，进入高速解复接模块和FPGA中，完成信号解复用和缓存处理后，输入到多速率SDI编码模块，输出原3G/HD/SD-SDI信号。系统原理框图如图2所示。  1.1 发射端 将从同轴电缆输入的3G/HD/SD-SDI信号通过SDI均衡模块完成信号自动均衡，信号经过长距离的传输后在线缆中会产生损耗，经过均衡后，信号质量得到明显的改善。在模块输入引脚处连接75Ω对地电阻进行阻抗匹配。均衡模块对输入信号处理后产生一对差分输出信号，再在两条差分线之间串接100Ω电阻平衡线间阻抗，将此差分信号输入到多速率SDI接收模块进行时钟恢复和8B/10B解码处理，经串/并转换后产生符合SMPTE 424M/292M/259M标准的20/10bit的并行数据，将此数据送入到FPGA中。数据先缓存在FPGA内部FIFO中，在完成对数据的第一次复用后，复用为10bit的并行数据，输出给高速复接模块，将FPGA输出的低速并行信号复接为高速串行信号，再通过电光转换模块(选用速率为3.125Gbit/s，支持热插拔的SFP光器件)转换为光信号传输到接收端。 1.2 接收端 首先将从光缆得到的光信号通过光电转换模块转换成电信号，将此电信号送给高速解复接模块，将高速串行信号进行串并转换处理，将转换后的并行数据输入到FPGA，由FPGA先缓存在内部FIFO中， 再解复用出符合SMPTE 424M/292M/259M标准的20/10bit的并行数据，然后将此并行数据发送给多速率SDI编码模块，从并行数据中提取出时钟，作为采样时钟，对并行数据进行同步处理，同时提取出图像数据和图像格式信息，完成3G/HD/SD-SDI信号的8B/10B编码，最后输出到接收设备，实现了3G/HD/SD-SDI信号的光纤传输。  1.3 硬件电路实现 本系统传输的信号速率从143Mbit/s到2.97Gbit/s，支持符合SMPTE 424M、SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M标准以及DVB-ASI(EN50083-9)等数字电视格式的信号,满足工业级和广电产品相关标准要求。 系统硬件需要的主要器件包括多速率SDI接收芯片GS2970、多速率SDI发射芯片GS2972、多速率SDI均衡芯片GS2974B 、FPGA+DSP芯片XC3SD1800A、高速复接/解复接芯片TLK3101。芯片GS2974B将输入的3G/HD/SD-SDI信号进行均衡处理。 芯片GS2970将输入的SDI串行信号解码，恢复出采样时钟，并将输入的串行数据流转换为并行数据。芯片内部集成带压控振荡器的时钟恢复电路(Reclocker)和时钟恢复串行环路穿越电缆驱动器，可以自动调节输出压摆率，以适应数据的输入速度。芯片的输入抖动容限则高达0.7UI (单位信号时间)，因此即使信号的眼图已关闭60%以上，这款芯片仍可接收信号以及将信号解串。芯片具有信号环出功能，本端环出的3G/HD/SD-SDI信号，可直接连至高清显示大屏幕或SDI监控器，可供系统实时检测SDI 信号输入是否正常。其功能框图如图3所示。 芯片GS2972将接收到的并行数据转换为无压缩的3G/HD/SD-SDI信号。芯片内部集成电缆驱动器、带压控振荡器的时钟恢复模块和高性能PLL锁相环模块，不再需要外置本地时钟及抖动消除电路，有效节约了电路板的面积;芯片只需模拟3.3V、1.2V及数字1.2V供电，且功耗低，只有400mW(包括电缆驱动)，大大降低了系统成本。其功能框图如图4所示。  FPGA芯片XC3SD1800A 支持600Mbit/s到3.125Gbit/s的信号速率，从芯片GS2970解码输出的150MHz的20路并行数据, 经FPGA芯片一级复用转换为10 路300MHz的并行数据，同时FPGA芯片对150MHz的时钟频率信号进行倍频产生与原有时钟信号同相的300MHz时钟信号，以提供给行、场同步信号，进而使行、场同步信号与10 路并行数据信号同时复用。 FPGA芯片与编码器或解码器之间采用了LVDS技术，不再使用TTL电平连接。LVDS电平具有非常低的EMI辐射和功率损耗，并提供更高的收发速率;另外，并行数据总线也从20位减少到10位，使得PCB板图设计变得更容易，也降低了对FPGA的等级要求。 芯片TLK3101将从FPGA芯片接收到的10位并行数据进行8B/10B编码，复接为高速串行信号后输出;同时将输入的高速串行信号先进行8B/10B解码和通道对齐，转换成10位并行数据输出给FPGA芯片。具有信号丢失(LOS)检测功能。可接收的差分输入门限低至200mV。仅需2.5V单电源供电，且功耗低，约450mW(Typical)。其功能框图如图5所示。  2 电路测试 使用Tektronix仪器 WFM 7120对系统传输的SD-SDI信号进行了实际测试，测试结果如图6所示。  由测试结果可知，经过本系统传输的视频信号画面清晰，眼图质量好，信号抖动仅有0.12UI，优于SMPTE 259M规定的0.2UI。 3 结束语 目前，各省市电视台和广播通信网络系统也越来越迫切需要在现有的光纤链路中传送高清视频信号，本文设计的基于FPGA的3G/HD/SD-SDI信号的光纤传输系统，采用了SDI信号电复接、分接技术，实现了高质量视频信号的传输且没有任何图像质量的损失，另外FPGA具有较大的设计灵活性，对数据的擦除、修改，只需更改代码，无需改变电路结构，降低了系统成本，同时简化了系统的复杂性，提高了系统工作的稳定性。 参考文献： [1]李彦迪. 基于FPGA的HD-SDI编解码技术的研究与开发[J]. 电子技术应用 2012 [2]Gennum. GS2970 Receiver Datasheet .2009 [3]Gennum. GS2972 Transmiter Datasheet.2011 [4]Gennum.GS2974B Adaptive Cable Equalizer Datasheet.2009 [5]Texas Instruments. TLK3101 Transceivers Datasheet.2001 [6]Xilinx. XA Spartan-3A DSP Automotive FPGA Family Data Sheet.2011 [7]SMPTE 259M,Television 10bit 4:2:2 Component and 4fsc Composite Digital Signals Serial Interface.1997 [8]SMPTE 292M,Television Bit-Serial Digital Interface For High-Definition Television Systems.1998 [9]SMPTE 424M,Television 3Gb/s Signal/Data Serial Interface. 2006 |
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