基于DisplayPort接口的高清視頻傳輸方案

張 虎，梁龍飛，宋 利

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200030;2.博康智能網絡科技股份有限公司，上海 200233）

基于DisplayPort接口的高清視頻傳輸方案

張 虎1，2，梁龍飛2，宋 利1

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200030;2.博康智能網絡科技股份有限公司，上海 200233）

介紹了安防市場現有高清視頻傳輸方案的缺陷，提出了一種基于DisplayPort接口改進的新的高清視頻傳輸方案。詳述了該技術的要點和實現方法。經過演示板卡的測試，證明該設計是切實可行的，可以為安防監控領域提供一種實時、無損、不限格式的視頻傳輸方案。

DisplayPort接口;安防市場;高清視頻;傳輸

目前的安防視頻正在經歷由標清監控到高清監控的轉變，長距離、實時性、可靠性、無損傳輸，這些視頻傳輸要求在標清時代很容易實現，而在高清時代卻變成了一個很大的挑戰。縱觀現有的高清傳輸方案，無外乎HD－SDI和IP兩種。

HD－SDI接口帶寬可達 2.97 Gbit/s，可實時、無損傳輸1 920×1 080@60p的高清視頻，但是HD－SDI接口對格式要求很嚴格，支持的格式種類只有1 280×720和1 920×1 080兩種。IP方案采用H.264編碼，通過網絡來傳輸視頻碼流，編碼和傳輸本身有固有的延時，且為有損傳輸，無法滿足對視頻要求比較高的應用。

2008年，VESA（視頻電子標準組織）發布了Display-Port［1］1.1a 標準，其單通道帶寬最大可達2.7 Gbit/s、對傳輸的視頻格式要求不限以及其是免費的，因此越來越多地應用在消費電子產品上。

對此，本課題研究了一種基于DisplayPort接口修改而來的新型接口（High Definition Interface，HDI），用以解決HD－SDI和IP傳輸方案的缺陷。本文提出相關的設計方案和技術實現要點，實現了高帶寬、實時、無損、不限格式傳輸視頻的要求。

1 DisplayPort接口簡介

1.1 DisplayPort接口組成

DisplayPort接口主要由主通道（Main Lane）、附屬通道（Aux CH）、熱插拔檢測（HPD）管腳以及附屬電源（DP_PWR）管腳組成。主通道用來傳輸音視頻數據，附屬通道用來進行連接管理和設備管理。熱插拔檢測是源設備檢測接收設備是否連接上以及接收設備發起中斷請求的管腳。附屬電源管腳是源設備用來給中繼器及接口轉換器等設備供電的專用管腳。

主通道由1，2，4對高速、單向、高帶寬、低延時通道組成，每一個單獨的通道可選1.6 Gbit/s和2.7 Gbit/s兩種傳輸速率。通道數量和傳輸速率由發送端需求和接收端的接收能力以及信道質量綜合決定。所有的通道均用來傳輸數據，并不存在單獨的通道用來傳輸時鐘信號。信道編碼采用ANSI 8B/10B編碼規則（參見ANSI X3.230—1994，第11節），時鐘可從碼流中恢復。

主通道碼流在傳輸時被打包成“微封包”（稱之為傳輸單元），每個傳輸單元包含32～64個連接符號（由發送端確定）。碼流在被打包后映射到主通道上，打包后的數據流速率將小于或等于連接符號速率，小于時將插入填充符號。正是這種特殊的“微封包”結構，使得DisplayPort的通道速率和具體要傳輸的視頻格式是分開的。換句話說，在帶寬足夠的情況下，DisplayPort可以自由支持各種顏色格式、分辨率和幀率的視頻。

附屬通道是一對半雙工、交流耦合的差分線，通道編碼采用Manchester II編碼，時鐘也是從碼流中恢復。附屬通道的作用主要是進行連接管理和設備管理。在源設備檢測到HPD信號時會發起回話，和接收設備進行“握手”。主通道通過發起“鏈路訓練”來確定信道質量信號預加重等級等信息;通過附屬通道來讀取接收設備的DisplayPort配置數據（DisplayPort Configuration Data，DPCD）和擴展顯示識別數據（Extended Display Identification Data，EDID），以此來獲得接收設備的接收能力和顯示能力。在通道建立后，接收設備也可通過HPD管腳發起中斷請求，來請求源設備發起會話，和主設備之間重新進行“握手”。主從設備通過這種“握手”過程來進行連接管理和設備管理。

1.2 DisplayPort的體系結構

DisplayPort采用層次化、模塊化設計思路，其體系結構如圖1所示。整個系統分為物理層、鏈路層和應用層。這種體系結構的好處是將來可分層進行升級，使升級的可操作性和容易度大大提高。同時，物理層和鏈路層分開，使得調整物理層的通道速率而不改變鏈路的結構成為可能。

圖1 DisplayPort體系結構

2 關鍵技術

2.1 系統技術指標及關鍵技術

結合安防監控市場的現狀，本次設計的接口需滿足以下技術指標:

1）接口帶寬采用BNC和光纖接口，單通道;

2）為了兼容現有的HD－SDI接口方案，通道速率需達到2.97 Gbit/s;

3）不限視頻格式，能滿足最大1 920×1 080@30p及1 600×1 200@30p的傳輸要求;

4）無損、實時傳輸。

為滿足以上技術指標，需要對標準的DisplayPort接口做以下修改:

1）去掉附屬通道

因為修改以后的物理接口是BNC和光纖接口，附屬通道需去掉;同時原來附屬通道承載的功能，如Display-Port接口的初始化、連接管理、設備管理等功能也需要去掉。

2）去掉熱插拔檢測功能

源設備默認連接一直存在，且不會出現問題;接收設備禁用通過HPD管腳發起中斷請求的功能。

3）物理層單通道速率修改為2.97 Gbit/s

為了兼容現在的HD－SDI的傳輸系統，通道速率必須和HD－SDI一樣達到2.97 Gbit/s。這樣，原有的HD－SDI交換矩陣、中繼器等設備就可以做到無縫升級。

2.2 芯片組選擇及技術特征

本設計方案選用意法半導體公司的STDP6038［2］和STDP4028［3］芯片分別作為DisplayPort的收發芯片。其中STDP6038芯片還兼做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標準，四通道最大帶寬為10.8 Gbit/s;

2）支持HDMI 1.3標準，并兼容DVI輸入;

3）10位視頻ADC，用于混合視頻或者PC模擬視頻（VGA）的采集，最大支持1 080p或WUXGA分辨率視頻輸入;

4）內嵌一顆Intel X86架構的微控制器;

5）對于VGA輸入，支持自動圖像調整;

6）具有先進的可編程縮放功能;

7）雙通道LVDS輸出，可直接用來驅動LCD屏幕。STDP4028芯片能提供的性能特征如下:

1）支持DisplayPort 1.1a標準，四通道最大帶寬為10.8 Gbit/s;

2）支持LVTTL（60位寬）和LVDS（四組）視頻輸入，可支持1 920×1 080@120 Hz或者2 560×1 600（WQXGA），2 560×2 048（QSXGA）60 Hz視頻輸入;

3）內嵌一顆Intel X86架構的微控制器;

4）支持多種位深和色深的視頻輸入，如RGB/YUV（4∶4∶4）－10 bit color;YUV（4∶2∶2/4∶2∶0）－12 bit color。

3 演示板卡設計及技術實現

3.1 演示板卡設計

為驗證方案的可行性，設計了相應的演示板卡。本演示板卡分為發送端和接收端，其功能框圖如圖2、圖3所示。

圖3 接收端功能框圖

本演示板卡用來驗證基于DisplayPort接口修改而來的HDI接口的可行性。HDI接口的技術特征主要有單向性、不限視頻格式、通道速率2.97 Gbit/s等。

發送端的信號流向如下:

1）STDP6038對輸入的VGA、HDMI信號進行解碼，輸出奇偶兩組LVDS信號（4∶4∶4 RGB 8 bit）;FPGA對接收到的視頻數據做奇偶數據整合，RGB到YCbCr顏色空間轉換、4∶4∶4 到4∶2∶2 采樣轉換等處理后，輸出信號給STDP4028芯片做發送。

2）STDP4028輸出HDI信號，經過驅動后通過同軸電纜或者光纖進行傳輸。

接收端的信號流向如下:

1）STDP6038接收HDI信號，解碼后輸出奇偶兩組LVDS 信號（4∶4∶4 RGB 8 bit）。

2）FPGA對接收到的視頻數據做奇偶數據整合，YCbCr到 RGB 顏色空間轉換，4∶2∶2 到 4∶4∶4 采樣轉換等處理后，輸出信號給CH7301接口芯片做VGA、DVI信號發送。

3）CH7301C輸出VGA、DVI信號。

3.2 技術實現

本設計中對DisplayPort接口的修改都是基于對STDP6038和STDP4028而言的。使用集成開發環境Paradigm C++，通過修改相應的代碼而實現HDI接口所要求的技術特性。

3.2.1 單通道特性實現

在標準的DisplayPort設備中，源設備檢測熱插拔信號時會通過附屬通道和接收設備之間進行“握手”，通過物理信道進行鏈接訓練。要實現單行性，需要在源設備（STDP4028）中做修改。

1）關閉熱插拔檢測功能，熱插拔管腳始終為連接狀態。

2）關閉附屬通道的發送和接收功能，清楚鏈接訓練的中斷請求，禁止鏈接訓練部分產生中斷。

3）將系統當前的狀態手動設置為“Link Training Success”，使系統認為鏈接訓練已完成。

4）由于無法通過附屬通道同道接收設備的接收能力參數，手動配置發送通道速率、通道數量、預加重等級等參數。

接收設備（STDP6038）作為從設備，只要主設備不發起請求，STDP6038會一直處于靜默狀態。對應發送端做的修改，STDP6038主要是需要關閉附屬的功能;手動配置接收通道的通道速率、通道數量等參數。

3.2.2 通道速率2.97 Gbit/s特性實現

標準 DisplayPort設備中，電氣層的參考時鐘是27 MHz，最大通道速率時對應的通道時鐘為270 MHz。且電氣層和邏輯層是可以分開的，也就是通道時鐘原則上是可以任意設置的。這部分主要是通過修改收發芯片電氣層參考時鐘來實現。

STDP6038芯片是通過修改LTCLK_FREQ_0和LTCLK_FREQ_1兩個寄存器的值來實現的。LCLK_FREQ的計算公式為

式中:freq_LCLK是期望的通道時鐘，本設計中為148.5 MHz;freq_RCLK的值由寄存器RCLK_FREQUENCY來確定，本設計取默認值243 MHz。計算可得LCLK_FREQ［15:0］值應為0x9C72。

STDP4028的實現分為兩步:第一步先將發送的PLL參考時鐘設置為由內部的DDS輸出（設置CLOCK_CONFIG_3寄存器值為0x20）;第二部設置DDS的頻率輸出為29.7 MHz（設置LTCLK_FREQ_0寄存器值為0x2333）。LTCLK_FREQ_0的計算公式為

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

3.2.3 視頻壓縮消隱以及恢復消隱的實現

標準DisplayPort單通道帶寬最大是2.7 Gbit/s，如果視頻數據采用YUV 4∶2∶2 16 bit格式，除去通道8B/10B轉換時附加上的20%的開銷，視頻的像素時鐘最大為135 MHz，否則就會出現帶寬超標、視頻數據丟失。遺憾的是，有些視頻數據的像素時鐘會超過135 MHz，如1 920×1 080@60p 的像素時鐘為148.5 MHz，1 600 ×1 200@60p的像素時鐘為162 MHz。為了解決該問題，需要發送端對視頻數據進行壓縮消隱處理，將視頻的行消隱區進行壓縮，使壓縮后的視頻像素時鐘小于135 MHz。同理，接收端必須對接收到的視頻數據進行恢復壓縮消隱，以還原原始的視頻數據。實際操作中像素時鐘不采用135 MHz的極限數值，而是留有一定的裕量。本設計中選用132 MHz作為閥值，像素時鐘超過該值則必須進行壓縮消隱處理。

由于本設計中STDP6038芯片既作為DisplayPort通道的接收芯片，又作為VGA、HDMI輸入的接收芯片，所以壓縮消隱和恢復壓縮消隱的操作均由STDP6038來完成。實際上是借用STDP6038內部的可編程縮放功能來實現。

如HDMI輸入1 920×1 080@60p，輸入和輸出的分辨率相同，壓縮消隱的過程如下:

恢復壓縮消隱的操作剛好和上述過程相反，在此不再贅述。

3.2.4 其他功能的實現

1）顏色空間轉換

發送端FPGA需要將輸入的RGB顏色空間的數據轉換為YCbCr，已節省帶寬。顏色空間轉換的公式為

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

接收端STDP6038在解碼HDI信號后，需要將YCbCr顏色空間的視頻數據還原為RGB，公式為

2）自動位置調整

STDP6038在VGA輸入時，輸出的行、場信號和視頻數據經常會對不齊，從而輸出的圖像會出現偏移的現象。所以在VGA輸入時，需要對輸入信號進行一次位置調整。根據信號的頻率、邊沿，自動計算畫面的大小和水平垂直位置，獲得最佳的顯示效果。

4 功能驗證

PC機通過DVI接口輸出圖像到發送板卡，經過轉換后從發送板卡的HDI接口輸出，通過同軸電纜連接到接收板卡的HDI接口，最后通過接口板卡的DVI接口輸出圖像。實驗環境如圖4所示。實驗中通過PC機選取輸出了3種視頻制式:1 920×1 080@60p，1 600×1 200@60p和1 440×900@60p，測試視頻選用《鋼鐵俠》的宣傳片（分辨率為1 920 ×1 080，幀率為29.97 f/s，碼流為16 Mbit/s）。輸出的視頻制式正確，顏色、位置、內容都正常;測試視頻播放非常流暢，無色塊產生。實驗結果完全符合設計要求，達到了實用水平。

5 小結

本文基于DisplayPort標準設計了一種新的接口，詳述了該技術的要點和實現方法。經過演示板卡的測試，證明本設計是切實可行的。基于本設計，可以為安防監控領域提供一種實時、無損、不限格式的視頻傳輸方案。

圖4 實驗環境

:

［1］視頻標準電子協會.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］陳衛東.基于 DisplayPort接口的顯示設備設計［J］.液晶與顯示，2010，25（1）:85－89.

［5］王建平.DisplayPort接口的關鍵技術與應用研究［D］.桂林:桂林電子科技大學，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

【本文獻信息】張虎，梁龍飛，宋利.基于DisplayPort接口的高清視頻傳輸方案［J］.電視技術，2014，38（3）.

江西省教育廳科技項目（GJJ09529）;校長基金科技項目（DHXK1034）

張 虎（1986— ），碩士生，主研高清和超高清視頻的長距離傳輸;

梁龍飛（1975— ），博士，主研視頻智能分析與監控;

宋 利（1975— ），副教授，主要研究方向為圖像編碼、計算機視覺。

責任編輯:時 雯

2013－03－27