基于DisplayPort接口的高清视频传输方案

张 虎，梁龙飞，宋 利

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200030;2.博康智能网络科技股份有限公司，上海 200233）

基于DisplayPort接口的高清视频传输方案

张 虎1，2，梁龙飞2，宋 利1

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200030;2.博康智能网络科技股份有限公司，上海 200233）

介绍了安防市场现有高清视频传输方案的缺陷，提出了一种基于DisplayPort接口改进的新的高清视频传输方案。详述了该技术的要点和实现方法。经过演示板卡的测试，证明该设计是切实可行的，可以为安防监控领域提供一种实时、无损、不限格式的视频传输方案。

DisplayPort接口;安防市场;高清视频;传输

目前的安防视频正在经历由标清监控到高清监控的转变，长距离、实时性、可靠性、无损传输，这些视频传输要求在标清时代很容易实现，而在高清时代却变成了一个很大的挑战。纵观现有的高清传输方案，无外乎HD－SDI和IP两种。

HD－SDI接口带宽可达 2.97 Gbit/s，可实时、无损传输1 920×1 080@60p的高清视频，但是HD－SDI接口对格式要求很严格，支持的格式种类只有1 280×720和1 920×1 080两种。IP方案采用H.264编码，通过网络来传输视频码流，编码和传输本身有固有的延时，且为有损传输，无法满足对视频要求比较高的应用。

2008年，VESA（视频电子标准组织）发布了Display-Port［1］1.1a 标准，其单通道带宽最大可达2.7 Gbit/s、对传输的视频格式要求不限以及其是免费的，因此越来越多地应用在消费电子产品上。

对此，本课题研究了一种基于DisplayPort接口修改而来的新型接口（High Definition Interface，HDI），用以解决HD－SDI和IP传输方案的缺陷。本文提出相关的设计方案和技术实现要点，实现了高带宽、实时、无损、不限格式传输视频的要求。

1 DisplayPort接口简介

1.1 DisplayPort接口组成

DisplayPort接口主要由主通道（Main Lane）、附属通道（Aux CH）、热插拔检测（HPD）管脚以及附属电源（DP_PWR）管脚组成。主通道用来传输音视频数据，附属通道用来进行连接管理和设备管理。热插拔检测是源设备检测接收设备是否连接上以及接收设备发起中断请求的管脚。附属电源管脚是源设备用来给中继器及接口转换器等设备供电的专用管脚。

主通道由1，2，4对高速、单向、高带宽、低延时通道组成，每一个单独的通道可选1.6 Gbit/s和2.7 Gbit/s两种传输速率。通道数量和传输速率由发送端需求和接收端的接收能力以及信道质量综合决定。所有的通道均用来传输数据，并不存在单独的通道用来传输时钟信号。信道编码采用ANSI 8B/10B编码规则（参见ANSI X3.230—1994，第11节），时钟可从码流中恢复。

主通道码流在传输时被打包成“微封包”（称之为传输单元），每个传输单元包含32～64个连接符号（由发送端确定）。码流在被打包后映射到主通道上，打包后的数据流速率将小于或等于连接符号速率，小于时将插入填充符号。正是这种特殊的“微封包”结构，使得DisplayPort的通道速率和具体要传输的视频格式是分开的。换句话说，在带宽足够的情况下，DisplayPort可以自由支持各种颜色格式、分辨率和帧率的视频。

附属通道是一对半双工、交流耦合的差分线，通道编码采用Manchester II编码，时钟也是从码流中恢复。附属通道的作用主要是进行连接管理和设备管理。在源设备检测到HPD信号时会发起回话，和接收设备进行“握手”。主通道通过发起“链路训练”来确定信道质量信号预加重等级等信息;通过附属通道来读取接收设备的DisplayPort配置数据（DisplayPort Configuration Data，DPCD）和扩展显示识别数据（Extended Display Identification Data，EDID），以此来获得接收设备的接收能力和显示能力。在通道建立后，接收设备也可通过HPD管脚发起中断请求，来请求源设备发起会话，和主设备之间重新进行“握手”。主从设备通过这种“握手”过程来进行连接管理和设备管理。

1.2 DisplayPort的体系结构

DisplayPort采用层次化、模块化设计思路，其体系结构如图1所示。整个系统分为物理层、链路层和应用层。这种体系结构的好处是将来可分层进行升级，使升级的可操作性和容易度大大提高。同时，物理层和链路层分开，使得调整物理层的通道速率而不改变链路的结构成为可能。

图1 DisplayPort体系结构

2 关键技术

2.1 系统技术指标及关键技术

结合安防监控市场的现状，本次设计的接口需满足以下技术指标:

1）接口带宽采用BNC和光纤接口，单通道;

2）为了兼容现有的HD－SDI接口方案，通道速率需达到2.97 Gbit/s;

3）不限视频格式，能满足最大1 920×1 080@30p及1 600×1 200@30p的传输要求;

4）无损、实时传输。

为满足以上技术指标，需要对标准的DisplayPort接口做以下修改:

1）去掉附属通道

因为修改以后的物理接口是BNC和光纤接口，附属通道需去掉;同时原来附属通道承载的功能，如Display-Port接口的初始化、连接管理、设备管理等功能也需要去掉。

2）去掉热插拔检测功能

源设备默认连接一直存在，且不会出现问题;接收设备禁用通过HPD管脚发起中断请求的功能。

3）物理层单通道速率修改为2.97 Gbit/s

为了兼容现在的HD－SDI的传输系统，通道速率必须和HD－SDI一样达到2.97 Gbit/s。这样，原有的HD－SDI交换矩阵、中继器等设备就可以做到无缝升级。

2.2 芯片组选择及技术特征

本设计方案选用意法半导体公司的STDP6038［2］和STDP4028［3］芯片分别作为DisplayPort的收发芯片。其中STDP6038芯片还兼做VGA、HDMI的接收芯片。

STDP6038芯片能提供的性能特征如下:

1）支持DisplayPort 1.1a标准，四通道最大带宽为10.8 Gbit/s;

2）支持HDMI 1.3标准，并兼容DVI输入;

3）10位视频ADC，用于混合视频或者PC模拟视频（VGA）的采集，最大支持1 080p或WUXGA分辨率视频输入;

4）内嵌一颗Intel X86架构的微控制器;

5）对于VGA输入，支持自动图像调整;

6）具有先进的可编程缩放功能;

7）双通道LVDS输出，可直接用来驱动LCD屏幕。STDP4028芯片能提供的性能特征如下:

1）支持DisplayPort 1.1a标准，四通道最大带宽为10.8 Gbit/s;

2）支持LVTTL（60位宽）和LVDS（四组）视频输入，可支持1 920×1 080@120 Hz或者2 560×1 600（WQXGA），2 560×2 048（QSXGA）60 Hz视频输入;

3）内嵌一颗Intel X86架构的微控制器;

4）支持多种位深和色深的视频输入，如RGB/YUV（4∶4∶4）－10 bit color;YUV（4∶2∶2/4∶2∶0）－12 bit color。

3 演示板卡设计及技术实现

3.1 演示板卡设计

为验证方案的可行性，设计了相应的演示板卡。本演示板卡分为发送端和接收端，其功能框图如图2、图3所示。

图3 接收端功能框图

本演示板卡用来验证基于DisplayPort接口修改而来的HDI接口的可行性。HDI接口的技术特征主要有单向性、不限视频格式、通道速率2.97 Gbit/s等。

发送端的信号流向如下:

1）STDP6038对输入的VGA、HDMI信号进行解码，输出奇偶两组LVDS信号（4∶4∶4 RGB 8 bit）;FPGA对接收到的视频数据做奇偶数据整合，RGB到YCbCr颜色空间转换、4∶4∶4 到4∶2∶2 采样转换等处理后，输出信号给STDP4028芯片做发送。

2）STDP4028输出HDI信号，经过驱动后通过同轴电缆或者光纤进行传输。

接收端的信号流向如下:

1）STDP6038接收HDI信号，解码后输出奇偶两组LVDS 信号（4∶4∶4 RGB 8 bit）。

2）FPGA对接收到的视频数据做奇偶数据整合，YCbCr到 RGB 颜色空间转换，4∶2∶2 到 4∶4∶4 采样转换等处理后，输出信号给CH7301接口芯片做VGA、DVI信号发送。

3）CH7301C输出VGA、DVI信号。

3.2 技术实现

本设计中对DisplayPort接口的修改都是基于对STDP6038和STDP4028而言的。使用集成开发环境Paradigm C++，通过修改相应的代码而实现HDI接口所要求的技术特性。

3.2.1 单通道特性实现

在标准的DisplayPort设备中，源设备检测热插拔信号时会通过附属通道和接收设备之间进行“握手”，通过物理信道进行链接训练。要实现单行性，需要在源设备（STDP4028）中做修改。

1）关闭热插拔检测功能，热插拔管脚始终为连接状态。

2）关闭附属通道的发送和接收功能，清楚链接训练的中断请求，禁止链接训练部分产生中断。

3）将系统当前的状态手动设置为“Link Training Success”，使系统认为链接训练已完成。

4）由于无法通过附属通道同道接收设备的接收能力参数，手动配置发送通道速率、通道数量、预加重等级等参数。

接收设备（STDP6038）作为从设备，只要主设备不发起请求，STDP6038会一直处于静默状态。对应发送端做的修改，STDP6038主要是需要关闭附属的功能;手动配置接收通道的通道速率、通道数量等参数。

3.2.2 通道速率2.97 Gbit/s特性实现

标准 DisplayPort设备中，电气层的参考时钟是27 MHz，最大通道速率时对应的通道时钟为270 MHz。且电气层和逻辑层是可以分开的，也就是通道时钟原则上是可以任意设置的。这部分主要是通过修改收发芯片电气层参考时钟来实现。

STDP6038芯片是通过修改LTCLK_FREQ_0和LTCLK_FREQ_1两个寄存器的值来实现的。LCLK_FREQ的计算公式为

式中:freq_LCLK是期望的通道时钟，本设计中为148.5 MHz;freq_RCLK的值由寄存器RCLK_FREQUENCY来确定，本设计取默认值243 MHz。计算可得LCLK_FREQ［15:0］值应为0x9C72。

STDP4028的实现分为两步:第一步先将发送的PLL参考时钟设置为由内部的DDS输出（设置CLOCK_CONFIG_3寄存器值为0x20）;第二部设置DDS的频率输出为29.7 MHz（设置LTCLK_FREQ_0寄存器值为0x2333）。LTCLK_FREQ_0的计算公式为

式中:freq_RCLK为216 MHz，计算可得LTCLK_FREQ［15:0］为9011（0x2333）。

3.2.3 视频压缩消隐以及恢复消隐的实现

标准DisplayPort单通道带宽最大是2.7 Gbit/s，如果视频数据采用YUV 4∶2∶2 16 bit格式，除去通道8B/10B转换时附加上的20%的开销，视频的像素时钟最大为135 MHz，否则就会出现带宽超标、视频数据丢失。遗憾的是，有些视频数据的像素时钟会超过135 MHz，如1 920×1 080@60p 的像素时钟为148.5 MHz，1 600 ×1 200@60p的像素时钟为162 MHz。为了解决该问题，需要发送端对视频数据进行压缩消隐处理，将视频的行消隐区进行压缩，使压缩后的视频像素时钟小于135 MHz。同理，接收端必须对接收到的视频数据进行恢复压缩消隐，以还原原始的视频数据。实际操作中像素时钟不采用135 MHz的极限数值，而是留有一定的裕量。本设计中选用132 MHz作为阀值，像素时钟超过该值则必须进行压缩消隐处理。

由于本设计中STDP6038芯片既作为DisplayPort通道的接收芯片，又作为VGA、HDMI输入的接收芯片，所以压缩消隐和恢复压缩消隐的操作均由STDP6038来完成。实际上是借用STDP6038内部的可编程缩放功能来实现。

如HDMI输入1 920×1 080@60p，输入和输出的分辨率相同，压缩消隐的过程如下:

恢复压缩消隐的操作刚好和上述过程相反，在此不再赘述。

3.2.4 其他功能的实现

1）颜色空间转换

发送端FPGA需要将输入的RGB颜色空间的数据转换为YCbCr，已节省带宽。颜色空间转换的公式为

式中:R，G，B的取值范围为0～255;Y的取值范围为16～235;Cb，Cr的取值范围为16 ～240。

接收端STDP6038在解码HDI信号后，需要将YCbCr颜色空间的视频数据还原为RGB，公式为

2）自动位置调整

STDP6038在VGA输入时，输出的行、场信号和视频数据经常会对不齐，从而输出的图像会出现偏移的现象。所以在VGA输入时，需要对输入信号进行一次位置调整。根据信号的频率、边沿，自动计算画面的大小和水平垂直位置，获得最佳的显示效果。

4 功能验证

PC机通过DVI接口输出图像到发送板卡，经过转换后从发送板卡的HDI接口输出，通过同轴电缆连接到接收板卡的HDI接口，最后通过接口板卡的DVI接口输出图像。实验环境如图4所示。实验中通过PC机选取输出了3种视频制式:1 920×1 080@60p，1 600×1 200@60p和1 440×900@60p，测试视频选用《钢铁侠》的宣传片（分辨率为1 920 ×1 080，帧率为29.97 f/s，码流为16 Mbit/s）。输出的视频制式正确，颜色、位置、内容都正常;测试视频播放非常流畅，无色块产生。实验结果完全符合设计要求，达到了实用水平。

5 小结

本文基于DisplayPort标准设计了一种新的接口，详述了该技术的要点和实现方法。经过演示板卡的测试，证明本设计是切实可行的。基于本设计，可以为安防监控领域提供一种实时、无损、不限格式的视频传输方案。

图4 实验环境

:

［1］视频标准电子协会.VESA displayport standard version 1，revision 1a.video electronics standards association［S］.2008.

［2］ST Product Workgroup.STDP602x triple input LCD controller for WSXGA+and XUXGA applications［EB/OL］.［2013－03－08］.http://www.stmicroelectronics.com.cn/st－web－ui/static/active/en/resource/technical/document/data_brief/CD00219952.pdf.

［3］ST Product Workgroup.DisplayPort transmitter［EB/OL］.［2013－03－08］.http://www.stmicroelectronics.com.cn/st－web－ui/static/active/en/resource/technical/document/data_brief/CD00238573.pdf.

［4］陈卫东.基于 DisplayPort接口的显示设备设计［J］.液晶与显示，2010，25（1）:85－89.

［5］王建平.DisplayPort接口的关键技术与应用研究［D］.桂林:桂林电子科技大学，2009.

High－Definition Video Transmission Scheme Based on DisplayPort Interface

ZHANG Hu1，2，LIANG Longfei2，SONG Li1

（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China;2.Bocom Smart Network Technologies Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

In view of the monitoring and maintenance on IPTV network，together with the rapid evolution of the network，to cater to the requirement of the service evolution and the providers’reality，the Ethernet controller of IPTV network tester is designed in this paper.And then，the architecture of the tester is described，the algorithm and indicators extraction of the Ethernet controller are analyzed.Meanwhile，the simulation and verification are also given based on FPGA.The simulating results prove that the design has reliability，stability and good applications in the IPTV network tester.

displayport interface;security market;high－definition video;transmission

TN919.85

A

【本文献信息】张虎，梁龙飞，宋利.基于DisplayPort接口的高清视频传输方案［J］.电视技术，2014，38（3）.

江西省教育厅科技项目（GJJ09529）;校长基金科技项目（DHXK1034）

张 虎（1986— ），硕士生，主研高清和超高清视频的长距离传输;

梁龙飞（1975— ），博士，主研视频智能分析与监控;

宋 利（1975— ），副教授，主要研究方向为图像编码、计算机视觉。

责任编辑:时 雯

2013－03－27