無壓縮視頻空間傳輸系統設計
2014-10-20 11:01:21逯楊
科技資訊 2014年24期
逯楊
摘 要：當前，高清晰度視頻正在成為主流，采用無壓縮的視頻傳輸方式可以避免壓縮視頻造成的視頻質量的損失。結合空間傳輸的無線的優勢，設計了一種傳輸HD-SDI的無壓縮高清視頻空間傳輸系統。
關鍵詞：無壓縮 HD-SDI 高清視頻 空間傳輸
中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0018-01
隨著視頻技術和光傳輸技術的不斷發展，人類社會正在逐步進入高清時代，并向全高清時代發展。無壓縮高清視頻的有效傳輸是整個發展過程中非常重要的環節。相比普通有壓縮的高清視頻傳輸，無壓縮高清視頻激光傳輸具有以下優點。
（1）不失真原始圖像。
（2）提供更豐富的細節，保持圖像的原始性和完整性。
（3）高清實時性，圖像延遲較低。
（4）通信頻帶寬、信息容量大：激光載波的頻率很高，其信息承載能力極強。
（5）體積小、重量輕、功耗低。
由此看出，無壓縮高清視頻激光空間傳輸系統具有明顯優勢，無壓縮高清視頻激光傳輸會滿足對視頻傳輸的高清、實時、無線的要求。因此，這成為現在的研究熱點之一。
1 系統總體結構設計
無壓縮高清視頻的空間傳輸系統主要由高清攝像機、線纜均衡模塊和串/并轉換模塊、FPGA處理模塊、光端機模塊、HDMI發射模塊和視頻實時顯示部分組成。其總體設計框圖如圖1所示。
系統工作過程如下。
（1）發射端：高清數字攝像機輸出HD-SDI數字視頻信號，經線纜均衡模塊處理，補償傳輸造成的衰減和去除頻率失真對信號的影響，恢復出滿足解串單元要求的LVDS電平信號；數據信號恢復模塊進行HD-SDI時鐘信號和視頻數據的CDR（時鐘數據恢復）處理，經恢復的串行數據發送給激光發射單元。視頻數據在激光信道中傳輸。
（2）接收端：激光接收機接收串行數據；經線纜均衡模塊再生高速串行差分信號；串并轉換模塊進行串/并轉換后，將包含數據和時鐘的并行信號發送給FPGA處理；FPGA進行格式的檢測，提取出同步時鐘和同步信息給 HDMI發送芯片，同時恢復音頻數據和視頻數據傳輸給 HDMI 發射芯片；HDMI模塊則按照HDMI協議對傳過來的數據打包處理并傳輸；最后，帶有HDMI口的顯示器接收HDMI信號，從而將視頻顯示出來。
2 重要理論
2.1 線纜均衡
由于高速串行信號在傳輸過程中會存在回波損耗和漏電流等問題，所以高速串行信號會出現很大的衰減。同軸電纜的傳輸損耗公式為：
上式中，K1和K2分別是同軸電纜的內導體和外導體的兩個常數，它由導體的材質和形狀決定；d和D分別表示內導體和外導體的直徑（單位：cm）；εr是同軸電纜的外包介質相對介電常數。在傳輸線選定情況下，線纜的傳輸距離越長、傳輸信號頻率越高損耗越大。
2.2 CDR（時鐘數據恢復）
高速的HD-SDI信號是串行信號，想要直接處理串行信號存在一定的困難，因此，需要對串行信號進行解串處理，即將串行信號轉化為并行信號，再通過FPGA或DSP對并行信號進行處理。串行信號中包含著豐富的時鐘信息，我們可通過PLL（鎖相環）恢復出時鐘信息。
PLL 的系統函數為：
系統開環增益
其中KΦ是鑒相器的增益，Z（s）是低通濾波器的系統函數，KVCO/Ns表示了壓控振蕩器和N模計數器的系統函數。
3 硬件方案設計
3.1 發送端
線纜均衡使用GS1574，它來修復高速傳輸的HD-SDI串行信號的影響，數據時鐘恢復采用GS1560A，另外GS1560A還需要GO1525作為外接的VCO。因為GS1560A集成了線纜驅動功能，所以不需要額外的線纜驅動芯片，可簡化電路結構。信號從GS1560A的差分串口輸出后，傳送給激光發射機，通過空間大氣信道發送出去。
3.2 接收端
激光接收機接收到大氣信道傳來的光信號轉變為差分電信號；傳遞給線纜均衡模塊GS1574，對信號進行修復；然后修復的高速串行HD-SDI信號傳遞給GS1560A，完成串行信號到并行信號的轉換；GS1560A解串后會得到20bit并行數據信息和并行時鐘信息，Cylone II 系列EP2C8 FPGA對這些并行HD-SDI信號進行格式轉換，轉換成適合HDMI芯片ANX9030發送的信號，其中HDMI驅動芯片選用89V51；HDMI芯片對數據進行打包并發送給顯示器，最終將視頻顯示出來。
4 結語
實驗證明，本文介紹一種全數字、無壓縮數字視頻空間傳輸系統工作穩定，監視器可清晰顯示攝像頭所拍攝的場景，實時傳輸效果好，傳輸無需有線信道。因此，該無壓縮數字視頻空間傳輸技術是未來傳輸系統的一個重要拓展。
參考文獻
[1] 劉曉軍.采用HD-SDI的高清視頻采集卡的設計與實現[J].電視技術，2009，33 （1）：91-93.
[2] 劉歡.數字高清視頻傳輸系統及其視頻接口轉換的設計[J].成都：電子科技大學，2010.
[3] 李鴻強，苗長云，劉曉軍，等.HD-SDI數字視頻信號處理及傳輸的FPGA設計與實現[J].計算機應用研究，2007，24（10）：269-272.
[4] Communication Specialties，INC. HDTV tandards and Practices for Digital Broadcasting.2009，10.
[5] Digital Content Protection LLC.High-bandwidth Digital Content Protection System.2008，10；
摘 要：當前，高清晰度視頻正在成為主流，采用無壓縮的視頻傳輸方式可以避免壓縮視頻造成的視頻質量的損失。結合空間傳輸的無線的優勢，設計了一種傳輸HD-SDI的無壓縮高清視頻空間傳輸系統。
關鍵詞：無壓縮 HD-SDI 高清視頻 空間傳輸
中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0018-01
隨著視頻技術和光傳輸技術的不斷發展，人類社會正在逐步進入高清時代，并向全高清時代發展。無壓縮高清視頻的有效傳輸是整個發展過程中非常重要的環節。相比普通有壓縮的高清視頻傳輸，無壓縮高清視頻激光傳輸具有以下優點。
（1）不失真原始圖像。
（2）提供更豐富的細節，保持圖像的原始性和完整性。
（3）高清實時性，圖像延遲較低。
（4）通信頻帶寬、信息容量大：激光載波的頻率很高，其信息承載能力極強。
（5）體積小、重量輕、功耗低。
由此看出，無壓縮高清視頻激光空間傳輸系統具有明顯優勢，無壓縮高清視頻激光傳輸會滿足對視頻傳輸的高清、實時、無線的要求。因此，這成為現在的研究熱點之一。
1 系統總體結構設計
無壓縮高清視頻的空間傳輸系統主要由高清攝像機、線纜均衡模塊和串/并轉換模塊、FPGA處理模塊、光端機模塊、HDMI發射模塊和視頻實時顯示部分組成。其總體設計框圖如圖1所示。
系統工作過程如下。
（1）發射端：高清數字攝像機輸出HD-SDI數字視頻信號，經線纜均衡模塊處理，補償傳輸造成的衰減和去除頻率失真對信號的影響，恢復出滿足解串單元要求的LVDS電平信號；數據信號恢復模塊進行HD-SDI時鐘信號和視頻數據的CDR（時鐘數據恢復）處理，經恢復的串行數據發送給激光發射單元。視頻數據在激光信道中傳輸。
（2）接收端：激光接收機接收串行數據；經線纜均衡模塊再生高速串行差分信號；串并轉換模塊進行串/并轉換后，將包含數據和時鐘的并行信號發送給FPGA處理；FPGA進行格式的檢測，提取出同步時鐘和同步信息給 HDMI發送芯片，同時恢復音頻數據和視頻數據傳輸給 HDMI 發射芯片；HDMI模塊則按照HDMI協議對傳過來的數據打包處理并傳輸；最后，帶有HDMI口的顯示器接收HDMI信號，從而將視頻顯示出來。
2 重要理論
2.1 線纜均衡
由于高速串行信號在傳輸過程中會存在回波損耗和漏電流等問題，所以高速串行信號會出現很大的衰減。同軸電纜的傳輸損耗公式為：
上式中，K1和K2分別是同軸電纜的內導體和外導體的兩個常數，它由導體的材質和形狀決定；d和D分別表示內導體和外導體的直徑（單位：cm）；εr是同軸電纜的外包介質相對介電常數。在傳輸線選定情況下，線纜的傳輸距離越長、傳輸信號頻率越高損耗越大。
2.2 CDR（時鐘數據恢復）
高速的HD-SDI信號是串行信號，想要直接處理串行信號存在一定的困難，因此，需要對串行信號進行解串處理，即將串行信號轉化為并行信號，再通過FPGA或DSP對并行信號進行處理。串行信號中包含著豐富的時鐘信息，我們可通過PLL（鎖相環）恢復出時鐘信息。
PLL 的系統函數為：
系統開環增益
其中KΦ是鑒相器的增益，Z（s）是低通濾波器的系統函數，KVCO/Ns表示了壓控振蕩器和N模計數器的系統函數。
3 硬件方案設計
3.1 發送端
線纜均衡使用GS1574，它來修復高速傳輸的HD-SDI串行信號的影響，數據時鐘恢復采用GS1560A，另外GS1560A還需要GO1525作為外接的VCO。因為GS1560A集成了線纜驅動功能，所以不需要額外的線纜驅動芯片，可簡化電路結構。信號從GS1560A的差分串口輸出后，傳送給激光發射機，通過空間大氣信道發送出去。
3.2 接收端
激光接收機接收到大氣信道傳來的光信號轉變為差分電信號；傳遞給線纜均衡模塊GS1574，對信號進行修復；然后修復的高速串行HD-SDI信號傳遞給GS1560A，完成串行信號到并行信號的轉換；GS1560A解串后會得到20bit并行數據信息和并行時鐘信息，Cylone II 系列EP2C8 FPGA對這些并行HD-SDI信號進行格式轉換，轉換成適合HDMI芯片ANX9030發送的信號，其中HDMI驅動芯片選用89V51；HDMI芯片對數據進行打包并發送給顯示器，最終將視頻顯示出來。
4 結語
實驗證明，本文介紹一種全數字、無壓縮數字視頻空間傳輸系統工作穩定，監視器可清晰顯示攝像頭所拍攝的場景，實時傳輸效果好，傳輸無需有線信道。因此，該無壓縮數字視頻空間傳輸技術是未來傳輸系統的一個重要拓展。
參考文獻
[1] 劉曉軍.采用HD-SDI的高清視頻采集卡的設計與實現[J].電視技術，2009，33 （1）：91-93.
[2] 劉歡.數字高清視頻傳輸系統及其視頻接口轉換的設計[J].成都：電子科技大學，2010.
[3] 李鴻強，苗長云，劉曉軍，等.HD-SDI數字視頻信號處理及傳輸的FPGA設計與實現[J].計算機應用研究，2007，24（10）：269-272.
[4] Communication Specialties，INC. HDTV tandards and Practices for Digital Broadcasting.2009，10.
[5] Digital Content Protection LLC.High-bandwidth Digital Content Protection System.2008，10；
摘 要：當前，高清晰度視頻正在成為主流，采用無壓縮的視頻傳輸方式可以避免壓縮視頻造成的視頻質量的損失。結合空間傳輸的無線的優勢，設計了一種傳輸HD-SDI的無壓縮高清視頻空間傳輸系統。
關鍵詞：無壓縮 HD-SDI 高清視頻 空間傳輸
中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0018-01
隨著視頻技術和光傳輸技術的不斷發展，人類社會正在逐步進入高清時代，并向全高清時代發展。無壓縮高清視頻的有效傳輸是整個發展過程中非常重要的環節。相比普通有壓縮的高清視頻傳輸，無壓縮高清視頻激光傳輸具有以下優點。
（1）不失真原始圖像。
（2）提供更豐富的細節，保持圖像的原始性和完整性。
（3）高清實時性，圖像延遲較低。
（4）通信頻帶寬、信息容量大：激光載波的頻率很高，其信息承載能力極強。
（5）體積小、重量輕、功耗低。
由此看出，無壓縮高清視頻激光空間傳輸系統具有明顯優勢，無壓縮高清視頻激光傳輸會滿足對視頻傳輸的高清、實時、無線的要求。因此，這成為現在的研究熱點之一。
1 系統總體結構設計
無壓縮高清視頻的空間傳輸系統主要由高清攝像機、線纜均衡模塊和串/并轉換模塊、FPGA處理模塊、光端機模塊、HDMI發射模塊和視頻實時顯示部分組成。其總體設計框圖如圖1所示。
系統工作過程如下。
（1）發射端：高清數字攝像機輸出HD-SDI數字視頻信號，經線纜均衡模塊處理，補償傳輸造成的衰減和去除頻率失真對信號的影響，恢復出滿足解串單元要求的LVDS電平信號；數據信號恢復模塊進行HD-SDI時鐘信號和視頻數據的CDR（時鐘數據恢復）處理，經恢復的串行數據發送給激光發射單元。視頻數據在激光信道中傳輸。
（2）接收端：激光接收機接收串行數據；經線纜均衡模塊再生高速串行差分信號；串并轉換模塊進行串/并轉換后，將包含數據和時鐘的并行信號發送給FPGA處理；FPGA進行格式的檢測，提取出同步時鐘和同步信息給 HDMI發送芯片，同時恢復音頻數據和視頻數據傳輸給 HDMI 發射芯片；HDMI模塊則按照HDMI協議對傳過來的數據打包處理并傳輸；最后，帶有HDMI口的顯示器接收HDMI信號，從而將視頻顯示出來。
2 重要理論
2.1 線纜均衡
由于高速串行信號在傳輸過程中會存在回波損耗和漏電流等問題，所以高速串行信號會出現很大的衰減。同軸電纜的傳輸損耗公式為：
上式中，K1和K2分別是同軸電纜的內導體和外導體的兩個常數，它由導體的材質和形狀決定；d和D分別表示內導體和外導體的直徑（單位：cm）；εr是同軸電纜的外包介質相對介電常數。在傳輸線選定情況下，線纜的傳輸距離越長、傳輸信號頻率越高損耗越大。
2.2 CDR（時鐘數據恢復）
高速的HD-SDI信號是串行信號，想要直接處理串行信號存在一定的困難，因此，需要對串行信號進行解串處理，即將串行信號轉化為并行信號，再通過FPGA或DSP對并行信號進行處理。串行信號中包含著豐富的時鐘信息，我們可通過PLL（鎖相環）恢復出時鐘信息。
PLL 的系統函數為：
系統開環增益
其中KΦ是鑒相器的增益，Z（s）是低通濾波器的系統函數，KVCO/Ns表示了壓控振蕩器和N模計數器的系統函數。
3 硬件方案設計
3.1 發送端
線纜均衡使用GS1574，它來修復高速傳輸的HD-SDI串行信號的影響，數據時鐘恢復采用GS1560A，另外GS1560A還需要GO1525作為外接的VCO。因為GS1560A集成了線纜驅動功能，所以不需要額外的線纜驅動芯片，可簡化電路結構。信號從GS1560A的差分串口輸出后，傳送給激光發射機，通過空間大氣信道發送出去。
3.2 接收端
激光接收機接收到大氣信道傳來的光信號轉變為差分電信號；傳遞給線纜均衡模塊GS1574，對信號進行修復；然后修復的高速串行HD-SDI信號傳遞給GS1560A，完成串行信號到并行信號的轉換；GS1560A解串后會得到20bit并行數據信息和并行時鐘信息，Cylone II 系列EP2C8 FPGA對這些并行HD-SDI信號進行格式轉換，轉換成適合HDMI芯片ANX9030發送的信號，其中HDMI驅動芯片選用89V51；HDMI芯片對數據進行打包并發送給顯示器，最終將視頻顯示出來。
4 結語
實驗證明，本文介紹一種全數字、無壓縮數字視頻空間傳輸系統工作穩定，監視器可清晰顯示攝像頭所拍攝的場景，實時傳輸效果好，傳輸無需有線信道。因此，該無壓縮數字視頻空間傳輸技術是未來傳輸系統的一個重要拓展。
參考文獻
[1] 劉曉軍.采用HD-SDI的高清視頻采集卡的設計與實現[J].電視技術，2009，33 （1）：91-93.
[2] 劉歡.數字高清視頻傳輸系統及其視頻接口轉換的設計[J].成都：電子科技大學，2010.
[3] 李鴻強，苗長云，劉曉軍，等.HD-SDI數字視頻信號處理及傳輸的FPGA設計與實現[J].計算機應用研究，2007，24（10）：269-272.
[4] Communication Specialties，INC. HDTV tandards and Practices for Digital Broadcasting.2009，10.
[5] Digital Content Protection LLC.High-bandwidth Digital Content Protection System.2008，10；
