ＨＤ－ＳＤＩ數(shù)字視頻信號(hào)處理及傳輸?shù)模疲校牵猎O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要:設(shè)計(jì)了一種符合SMPTE292M標(biāo)準(zhǔn)的高清晰度數(shù)字電視信號(hào)采集傳輸用的HD-SDI卡，介紹了其電路結(jié)構(gòu)，對(duì)HD-SDI中的視頻數(shù)據(jù)#65380;視頻定時(shí)基準(zhǔn)碼#65380;行號(hào)數(shù)據(jù)#65380;校驗(yàn)碼進(jìn)行了分析，并就數(shù)字視頻識(shí)別和提取模塊#65380;DMA傳輸模塊和PLX9656局部總線到Avalon總線的轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)#65377;FPGA采用Altera公司的Stratix EP1S25，實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，HD-SDI數(shù)字視頻信號(hào)處理及傳輸工作穩(wěn)定可靠#65377;

關(guān)鍵詞:高清晰度電視; 比特串行數(shù)字接口; HD-SDI; 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

中圖分類號(hào):TN949.197文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-3695(2007)10-0269-04

高清晰度數(shù)字電視節(jié)目的制作在我國(guó)還處于起步階段#65377;目前的電視制作仍以標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視節(jié)目為主#65377;高清晰度數(shù)字電視和標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)將并存#65377;數(shù)字視頻接口是非線性編輯系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)輸入和輸出的通道，對(duì)視頻質(zhì)量的好壞有直接的影響#65377;比特串行數(shù)字接口(SDI)標(biāo)準(zhǔn)由移動(dòng)圖像和電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)制定，在當(dāng)今的廣播和視頻產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用#65377;SDI接口作為當(dāng)前主要的數(shù)字視頻外部接口，可以實(shí)時(shí)地傳送無壓縮的視頻數(shù)據(jù)#65377;其高質(zhì)量的視頻信號(hào)，對(duì)廣播級(jí)設(shè)備而言具有重要作用#65377;

本文介紹了用于高清晰度數(shù)字電視信號(hào)采集傳輸用的HD-SDI卡，它可以連接HD攝像機(jī)或其他節(jié)目信號(hào)源，將SDI輸入信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和處理后傳輸給工作站#65377;同樣也可以將工作站中的數(shù)字電視節(jié)目源經(jīng)HD-SDI卡上的SDI接口輸出，這樣就為數(shù)字電視節(jié)目的非線性編輯提供了極大的方便#65377;

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)高清晰度數(shù)字電視信號(hào)采集傳輸用的HD-SDI卡都為國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)進(jìn)行SDI接口卡的設(shè)計(jì)企業(yè)也只是進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視SD-SDI卡的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)#65377;本文設(shè)計(jì)的HD-SDI卡可完全替代國(guó)外的同類產(chǎn)品，必將為我國(guó)高清數(shù)字電視技術(shù)的推廣應(yīng)用添磚加瓦#65377;

1HD－SDI卡電路結(jié)構(gòu)

HD-SDI卡由Stratix EP1S25#65380;SDRAM#65380;SRAM#65380;flash#65380;均衡電路GS1524A#65380;串并/并串轉(zhuǎn)換電路GS1560A/GS1532#65380;輸出驅(qū)動(dòng)電路GS1528A#65380;PCI接口電路#65380;配置器件MAX7128S#65380;可編程時(shí)鐘電路#65380;同步鎖相電路GS4982和電源轉(zhuǎn)換電路等組成#65377;電路原理框圖如圖1所示#65377;由于篇幅所限，有部分外圍電路和電源電路沒有在圖中繪出#65377;

HD-SDI卡具有二通道的視頻輸入，定義為A和B通道;三通道的視頻輸出，定義為C#65380;D和E通道(其中E通道為上述二通道中選擇輸入通道的回路輸出，可用于輸出監(jiān)視)#65377;視頻輸入可以是符合 SMPTE292M 1.485 Gbps或SMPTE259M 270 Mbps的串行數(shù)字接口#65377;圖1中g(shù)enlock為同步鎖相輸入#65377;HD-SDI卡中C#65380;D#65380;genlock采用BNC連接;A#65380;B#65380;E采用HD-SDI卡所連數(shù)字視頻接口DVI線纜分出的三個(gè)BNC連接;DVI線纜分出的一個(gè)DVI接口可以連接外部輸出的DVI視頻信號(hào)，HD-SDI卡可以把此視頻信號(hào)通過PCI總線傳輸給工作站#65377;

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，高清信號(hào)是2∶1#65380;1 920×1 080格式的10 bit彩色數(shù)字視頻信號(hào)，隔行掃描，一行共1 920個(gè)像素，共需采集3 840個(gè)數(shù)據(jù)#65377;通過HD-SDI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有兩個(gè)標(biāo)志碼，在每行有效輸出數(shù)據(jù)的前端有標(biāo)志碼SAV，后端有EAV#65377;只有在這兩個(gè)標(biāo)志碼之間的數(shù)據(jù)才是有用視頻數(shù)據(jù)#65377;

設(shè)計(jì)中設(shè)置了八個(gè)10 bit的移位寄存器:在第一個(gè)時(shí)鐘周期，將收到的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入第一個(gè)寄存器中;在第二個(gè)時(shí)鐘周期，將這個(gè)字節(jié)寫入后一個(gè)寄存器中，而將最新收到的字節(jié)數(shù)據(jù)再寫入第一個(gè)寄存器中;在第三個(gè)時(shí)鐘周期，將第二個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入第三個(gè)寄存器，將第一個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入第二個(gè)寄存器，將最新收到的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入第一個(gè)寄存器……依此類推，每一個(gè)時(shí)鐘周期，寄存器中的字節(jié)數(shù)據(jù)依次向后移一個(gè)寄存器，八個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)順序是字節(jié)輸入順序的逆序，最早的數(shù)據(jù)在最后一個(gè)寄存器中，最新的數(shù)據(jù)在第一個(gè)寄存器中#65377;

通過對(duì)這八個(gè)移位寄存器逆序，再對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，就可以對(duì)行起始標(biāo)志碼和行結(jié)束標(biāo)志碼進(jìn)行判定了#65377;如果八個(gè)寄存器中的前四個(gè)數(shù)據(jù)分別是十六進(jìn)制的3FF#65380;000#65380;000#65380;XYZ，并且XYZ中的第七位為0，則說明這是有效行的起始標(biāo)志碼，它后面的數(shù)據(jù)就是有效視頻數(shù)據(jù)，需要開始進(jìn)行存儲(chǔ)和處理;如果八個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)分別是十六進(jìn)制的3FF#65380;000#65380;XYZ，并且XYZ的第七位為0，則說明這是有效行的行結(jié)束碼，它后面的數(shù)據(jù)又是無效數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行舍棄#65377;在對(duì)SAV與EAV標(biāo)志字節(jié)進(jìn)行判斷時(shí)，也要對(duì)XYZ其他各位數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行分析#65377;如果它們的次高位(bit 8)值為0，說明在第一場(chǎng)期間;如果為1，則說明當(dāng)前數(shù)據(jù)行是第二場(chǎng)數(shù)據(jù)#65377;如果它們的第六位(bit 6)值為0，則說明它是SAV信號(hào)，它后面的數(shù)據(jù)有效;如果為1，則說明它是EAV信號(hào)，它前面的數(shù)據(jù)有效#65377;如果連續(xù)兩行有效數(shù)據(jù)中XYZ的次高位(bit 8)值有變化，則說明開始傳輸一場(chǎng)新的數(shù)據(jù)，變化后的SAV標(biāo)志位是場(chǎng)頭的位置#65377;其值如果從1變?yōu)?，說明是第一場(chǎng)的開始，同時(shí)也是一幀新圖像的開始;如果從0變?yōu)?，說明是第二場(chǎng)的開始#65377;

在系統(tǒng)啟動(dòng)后，為防止采集的第一幀圖像不完整，不能立即對(duì)所采集的第一行有效數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理，而要等到一幀新圖像的起始，即檢測(cè)到XYZ的次高位值由1變?yōu)?時(shí)才可以開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理#65377;由此可見，對(duì)SAV與EAV標(biāo)志字節(jié)中各位數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行檢測(cè)與分析是十分必要的#65377;

由于送入FPGA的視頻數(shù)據(jù)是10位的，在FPGA的四個(gè)雙口RAM中，是以兩個(gè)字節(jié)共16位為單位對(duì)各數(shù)據(jù)分量進(jìn)行存儲(chǔ)的，以14位片內(nèi)寫地址線與兩位片選地址線共同組合對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行編址#65377;然而在FPGA中，SDRAM與DMA模塊都是以32位數(shù)據(jù)線寬來傳輸數(shù)據(jù)的，需要在將雙口RAM中的數(shù)據(jù)讀出前，先將其中的數(shù)據(jù)兩個(gè)一組拼湊成32位，以另一套15位的讀地址線重新編址，再對(duì)新地址中的32位數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取#65377;由圖3可以看出，由于Y#65380;Cr#65380;Cb分量的存儲(chǔ)格式不同，對(duì)它們的數(shù)據(jù)組合方式也是不同的#65377;對(duì)Cr與Cb分量，是將同一個(gè)雙口RAM中地址相鄰的兩個(gè)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，并以其中較小的地址與片選地址線組合，作為讀地址而重新進(jìn)行編址，這種組合方式與片選地址線無關(guān)，可以通過判斷兩個(gè)數(shù)據(jù)的高八位片內(nèi)寫地址線是否相同來實(shí)現(xiàn)#65377;對(duì)Y分量，需要將片選地址線分別為01和11的兩個(gè)雙口RAM中片內(nèi)寫地址相同的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，并以兩個(gè)數(shù)據(jù)的片內(nèi)寫地址線作為讀地址而重新進(jìn)行編址#65377;這種組合方式可以通過判斷這兩個(gè)雙口RAM中數(shù)據(jù)的片內(nèi)寫地址線是否相同來實(shí)現(xiàn)#65377;這樣，就可以將Y#65380;Cb#65380;Cr分量合并成32位的Y#65380;Cb#65380;Cr數(shù)據(jù)，向SDRAM和DMA中進(jìn)行傳輸#65377;SDRAM模塊的存儲(chǔ)容量為2 MB×32 bit，可以存儲(chǔ)一幀完整的數(shù)據(jù)#65377;因此在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)將SDRAM的存儲(chǔ)空間劃分為三個(gè)連續(xù)的區(qū)域#65377;其中二分之一用來存儲(chǔ)Y分量有效數(shù)據(jù)，四分之一用來存儲(chǔ)Cb分量有效數(shù)據(jù)，剩余四分之一用來存儲(chǔ)Cr分量有效數(shù)據(jù)#65377;對(duì)SDRAM內(nèi)部地址的讀寫控制，是通過在FPGA內(nèi)部設(shè)置的三個(gè)地址控制器來完成的#65377;三個(gè)地址控制器首先需要分別計(jì)算三個(gè)分量的首地址，在后面的數(shù)據(jù)傳輸過程中，每輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的地址控制器將偏移地址加1#65377;這樣，Y#65380;Cb#65380;Cr分量都可以按順序分別存儲(chǔ)了#65377;在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)Y分量的首地址為0#65377;由于在SDRAM中需要為它保留一半的存儲(chǔ)空間，Cr分量的首地址被設(shè)置為1 MB，相應(yīng)地將Cb分量的首地址設(shè)置為1 500 KB[5~8]#65377;

4DMA控制模塊

由于SOPC builder提供了基于Avalon總線的DMA模塊，設(shè)計(jì)中采用了獨(dú)立的#65380;不需要CPU干預(yù)的DMA模塊#65377;它支持字節(jié)#65380;半字和字傳輸#65377;它既可以在存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，也可以在存儲(chǔ)器和外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞#65377;DMA外設(shè)擁有兩個(gè)Avalon主端口(用于DMA讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù))和一個(gè)Avalon從端口(用于控制DMA)#65377;軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要先初始化存儲(chǔ)器地址，然后啟動(dòng)DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸#65377;可用以下指令來啟動(dòng)DMA傳輸:

nr_dma_copy_range_to_range(na_dma_0，4，RD_ADDRESS，WR_ADDRESS，LENGTH);

其中:RD_ADDRESS為源數(shù)據(jù)地址;WR_ADDRESS為目標(biāo)地址;LENGTH為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度#65377;

5PLX9656局部總線到Avalon總線轉(zhuǎn)換模塊

在HD-SDI數(shù)字視頻信號(hào)處理及傳輸?shù)腇PGA實(shí)現(xiàn)中，各功能模塊之間的連接利用了Altera開發(fā)的Avalon總線#65377;對(duì)于SOPC builder尚未集成的功能模塊，用戶必須設(shè)計(jì)出符合Avalon總線規(guī)范的模塊才能集成到SOPC中，這就需要額外的總線轉(zhuǎn)換模塊#65377;因此筆者進(jìn)行了PLX9656局部總線到Avalon總線的轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)#65377;它的作用是把DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)送到PLX9656局部總線，為進(jìn)一步向PC機(jī)的PCI總線傳輸提供通道#65377;PLX9656局部總線到Avalon總線的轉(zhuǎn)換模塊接口如圖5所示#65377;

Avalon總線規(guī)范定義了主端口和從端口之間通過Avalon總線模塊傳輸數(shù)據(jù)所需的信號(hào)和時(shí)序#65377;設(shè)計(jì)時(shí)PLX9656采用從端口傳輸模式，提供符合Avalon總線傳輸要求的信號(hào)線，即address#65380;data(31..0)#65380;write_n#65380;chip_select#65380;wait_request與時(shí)鐘信號(hào)clk#65377;當(dāng)主設(shè)備DMA控制模塊要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將address#65380;write_n信號(hào)有效，同時(shí)將要發(fā)送的32位數(shù)據(jù)裝載到data(31..0)上，而同步時(shí)鐘clk一直處于工作狀態(tài)#65377;當(dāng)clk上升沿判斷到以上信號(hào)有效后，Avalon總線對(duì)address譯碼，然后置chip_select有效#65377;VHDL程序設(shè)計(jì)時(shí)須判斷address#65380;chip_select是否有效;如果有效，則在下一個(gè)clk上升沿前將wait_request置為無效，就從Avalon總線獲取data數(shù)據(jù);如果wait_request有效，則這個(gè)總線周期就成為等待周期，其他信號(hào)以及數(shù)據(jù)信號(hào)保持不變#65377;同理，數(shù)據(jù)接收采用具有外設(shè)控制等待周期的從端口讀傳輸模式，可以將數(shù)據(jù)送入到主設(shè)備中進(jìn)行處理[9]#65377;

6實(shí)驗(yàn)調(diào)試

由于數(shù)字高清晰度電視SDI信號(hào)源和專業(yè)SDI高清顯示器需要幾十萬元，實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)購置了一塊澳大利亞Blackmagic Design公司的decklink HD extreme板卡#65377;通過把它插入工作站的PCI插槽，在工作站上播放高清節(jié)目源，該板卡就會(huì)輸出高清電視SDI信號(hào)，相當(dāng)于一臺(tái)高清信號(hào)發(fā)生器#65377;通過這種工作站加板卡的方式成本還不到五萬元#65377;由于利用了國(guó)外HD-SDI卡進(jìn)行輸出高清信號(hào)來調(diào)試自己的板卡，又起到了“以它山之石，可以攻玉”的效果#65377;

實(shí)驗(yàn)調(diào)試首先將decklink HD extreme板卡的SDI輸出接到本設(shè)計(jì)板卡的輸入通道，經(jīng)過數(shù)字視頻提取及處理并給上位機(jī)軟件進(jìn)行非線性編輯后，可以再通過PCI總線給板卡;板卡經(jīng)過數(shù)字視頻并/串轉(zhuǎn)換后輸出HD-SDI信號(hào)#65377;輸出的HD-SDI信號(hào)可以直接接至專業(yè)SDI高清顯示器上，實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)筆者利用了Blackmagic Design公司的HDLink轉(zhuǎn)換器，將HD-SDI格式的信號(hào)轉(zhuǎn)換為DVI格式的信號(hào)，然后直接用于LCD監(jiān)視器的顯示#65377;實(shí)驗(yàn)調(diào)試環(huán)境及結(jié)果如圖6所示#65377;LCD上顯示的是經(jīng)HD-SDI板卡采集和處理后傳輸過來的高清視頻信號(hào)#65377;

7結(jié)束語

本文對(duì)高清晰度數(shù)字電視信號(hào)采集傳輸用的HD-SDI卡上視頻處理和傳輸?shù)腇PGA設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，所有設(shè)計(jì)都經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是可行的#65377;它能將HDTV視頻信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)，還可以將進(jìn)行非線性編輯后的視頻信號(hào)輸出#65377;希望本設(shè)計(jì)對(duì)HDTV和SDI應(yīng)用設(shè)計(jì)的人員有一定的參考價(jià)值#65377;

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