数字高清视频传输与视频接口的转换设计研究

中国电子科技集团公司第三十四研究所 周弟伟 段明玮 王 振

随着科技的不断发展和进步，数字高清视频也越来越为人们所熟知，并成为社会生活不可或缺的一部分。而兼容高清视频信号与现有的显示设备，使收看高清视频的硬件成本降低，是高清视频摆脱限制而得到普及的一大难题，再者，高清视频的编辑和传输成本也非常高昂，都成了广电系统急需要解决的问题。而且，交互式网络电视（IPTV）的兴起也为数字高清视频的进一步发展带来了极大的挑战。因此，要解决眼前难题，必须更加致力于高清视频传输系统的研究以使系统成本能够尽量降低，并保证低成本的高清视频质量是刻不容缓的。

本文以高清视频接口和高清视频传输技术为切入点研究出一种仿真高清视频光纤传输系统，这是一种单路输出，用低端现场可编程门阵列（FPGA）就可以完成高清数字串行接口（HD-SDI）到高清晰度多媒体接口（HDMI）的音视频格式转换，降低了系统成本和复杂性，整体方案简单有效，适用于很多商业活动，如视频会议或安防监控等。

1.传输系统的理论介绍

1.1 线缆均衡

在同轴电缆长线传输时，高速串行信号会有很大回波损耗或漏电等情况而导致一定量的衰减。同轴电缆的衰减由很多因素造成的，如电缆材料、相对介质常数和传输的信号频率。所以，同轴电缆长线传输需要对电缆进行均衡设计，以减少长线传输造成的损失。而光纤的传输损耗要比同轴电缆小得多，光纤传输时不用引入均衡器。

1.2 时钟数据恢复(CDR)

要对高清数字串行接口格式的高速串行信号解串才能对信号进行处理，而对HD-SDI信号而言，由于高速串行差而不免在传输过程中受到干扰，致使信号分辨率过低。以锁相环路(PLL)再生时钟来重整串行信号，可以去除信号中的受干扰因子，再通过系统增益将信号波形放大以便后端处理。

图1 ASlC方案发送端的设计流程

图2 HD-SDl接收解串行硬件结构框架图

2.选择低成本设计方案

2.1 发送端的方案选择

设计HD-SDI光纤发送端的重点是要在保证传输系统信号质量和接收端接收高速视频数据准确度和低误码率的前提下尽可能地降低成本。相较与高昂的FPGA芯片方案，专用集成电路（ASIC）解决方案比较符合低成本要求。图1是ASIC方案发送端的设计流程。

由图1可见，线缆均衡修复高速传输的HD-SDI信号，再输入到HD解串器恢复数据和时钟，而HD解串器功能可以驱动能输出供长线传输的HD-SDI接口，因此信号可以直接从解串器的差分串口输出，经由GO2910光发送模块传送到光纤上完成传输过程。

2.2 接收端的方案选择

接收端的方案选择也采用了对应发送端的保质量低投入方案。系统主要接收一下几个部分：光接收部分、HD-SDI串并转换、线缆均衡部分、HDMI发射部分和FPGA协议转换部分。图2为HD-SDI接收解串行硬件结构框架图。

如图2，光接收器将得到的信号转换为差分电信号传送给线缆均衡去修复，然后又将高速串行差分信号传输到解串器，经由解串器旁路的串/并转换模式将时钟信息恢复的HD-SDI信号传输出去，由解串器的驱动力直接输送到刺刀螺母连接器(BNC)接口来完成系统的信号流程。

3.电路设计与实现

3.1 HD-SDI信号处理电路部分

相较于数据，视频信号需要消耗更大的功率来传输，HD解串器内部设有标准的信号处理模块，可以进行传输误检和处理，自动配置自动监测数据的格式为适合标准协议的PLL处理模式，恢复串行信号的时钟信息。

3.2 FPGA电路

内部寄存器资源、全局时钟管理资源和引脚资源丰富，特有面积速度可互换，对电磁干扰也不甚敏感，大大降低了电路设计成本，是FPGA的可行优势。FPGA电路配置中的时钟输入引脚使用FPGA的全局时钟资源，而其他一脚资源根据印制电路板（PCB）布局进行合理连接，可通过引脚约束来配置引脚的电平、输出模式以及输出电流电压。

3.3 HDMI接口设计

HDMI发射端采用的ANX9030芯片（由ANALOGIX公司产出）的内建PLL对接收并行信号且无误差处理时钟信息的能力很高，而且成本又低，HDMI（高清晰度多媒体）接口完全可以取代HD-SDI（高清数字串行）接口进行高清视频的传输。HDMI接口设计从ANX9030的框架和特性出发，使ANX9030对接收到的含有行/场同步信息的并行图像进行处理，再将ANX9030数据输入引脚与FPGA连接进行引脚设置，最后用SST89V51芯片作ANX9030的外界驱动器，实现HDMI接口的设计。

4.FPGA实现传输设计

以FPGA对前级芯片数据进行精确提取，并分离提取视频和音频信号，根据自动检测视频格式信息来调整音视频的输出时序，然后实现输出格式的转换，完成高清视频传输与视频接口转化的仿真设计。

5.结语

数字高清视频的发展丰富了人们的生活，然而越来越多的同类科技成果在不断衍生，数字高清视频以后的发展受到了限制，所以，高清视频传输系统必须不断更进改善，才能在日趋激烈的竞争环境里生存并发展下去。研究数字高清视频传输和视频接口的转换设计是优化传输系统的唯一途径，是数字高清视频得以发展的保障，因此，更新设计理念以抢占竞争优势需要长久进行。

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