超高清視頻遠程傳輸系統設計

羅 軍

(貴州高速公路集團有限公司)

1 系統方案設計

設計的超高清視頻遠程傳輸系統的設備主要包括信號源發送端、光纖以及現時期接收端，如圖1 所示。信號源發送端接受的主要是來自于現時期接收端傳送的光信號，然后將光信號轉換器相應的信號傳給信號源，如PC，使得信號源端能夠準確辨認出顯示器端的支持分辨率范圍以及最適宜的分辨率大小。與此同時，信號源發送端會將信號源端的超高清分辨率視頻信號通過相應的視頻解碼串并轉換、光電轉換等等措施將其轉變成光信號。通常情況下，使用光波模塊是由同一根的光纖將光信號傳送給顯示器接收端的。需要注意的是，顯示器接收端只是將EDID 信號通過串并轉換和光電轉換的形式將其變換成光信號，而信號的發送則是由信號源端負責的。同時，接受到的來源于信號端發送的光信號需要經過光電轉換、串并轉換、視頻編碼等等操作將其全部變換成超高清分辨率視頻信號，最終再將這一信號傳送給顯示器。

2 關鍵模塊設計

2.1 光電轉換

光電轉換模塊的主要功能是實現單芯光纖的同時收發，光電轉換模塊在整個系統中的作用重大。一般的光纖收發只有一個功能，即發送或者是接受功能，但是超高清視頻遠程傳輸系統使用的光組件具有雙向光的發送和接收功能，在配合一定的激光驅動器以及限幅放大器，就可以在同一根光纖上發送和接受數據。

圖2 發送端框圖

光組件BOSA 是將微小透鏡、波分復用WDM 濾光片等無源器件，和LD、PD 等有緣器件組裝在一起，組裝平臺為硅，這樣就使得該組件具有TOSA 和ROSA 光組件的多重功能，也就是實現了單纖雙向功能。激光驅動器MAX3946 接受8.5Gbps 高速串行數據電信號之后，通過可以變成均衡的輸入緩沖器、脈寬調節電路、偏置電流和調制電流DAC、可編程去加重的輸出驅動器BOSA 光組件發送。

2.2 串行化/解串化

視頻信號的采樣頻率是148.5 MHz，48 位的RGB 信號和同場同步信號等一起發送給FPGA。根據最高分辨率為

W=3 840 ×2 160 ×24 ×30 ×10/8=7.47 Gbps

所以，場同步信號VS、行同步信號HS、數據有效信號DE 和高速串行協議等，使用8.5 Gbps 足夠傳輸一路超高清視頻信號，直接由FPGA 將視頻數據經過內部的數據格式化、數據緩存和串行化/解串化等操作，實現將視頻信號的串行化/解串化。

2.3 緩存設計

RGB 信號通常都是通過視頻解碼芯片進行解碼的，解出來的信號屬于低速信號，而串行化通道是一種高速接口，為了使兩者相互配合和同步，就需要對數據進行緩存。FIFO根據設計者的設計主旨，在FPGA 中間劃分以供緩存的空間，這樣就可以使得低速信號在格式化處理之后依次將場同步信號VS、行同步信號HS、數據游戲信號DE 和數據DATA儲存在FIFO 中。在等待一定時間后，即FIFO 填充完畢之后，再由FPGA 把FIFO 數據讀取出來，然后將其存儲在高速串行化通道中間。因為高速串行化通道讀取速率高于低速視頻輸入接口，FIFO 讀取速度會比寫入速度快，從而保證FIFO 中的數據的讀取準確和及時。

當高速串行化數據輸入到了接收端之后，FPGA 會自動進行串化處理。當然，這也需要對FIFO 的緩存空間進行劃分。由于高速串行化數據解串之后，FIFO 的寫入速度還有大幅度的提高，而且FPGA 需要對數據以及同步信號進行二次格式化，這時就會使用到兩個FIFO。其中，一個FIFO 會存放解串化的數據，接著根據FPGA 讀取出來的信息進行格式化操作;另一個FIFO 接受前一個FIFO 格式化的數據，然后再輸出DVI 視頻編碼芯片。

3 系統調試

超高清視頻遠程傳輸系統在設計完畢后，需要對其進行調試，從而保證其能夠正常地運行，能夠達到設計目標。該系統使用的是高速串行化的數據通道，高達8.5 Gbps。傳統的印刷電路板材即FR4 已經不能滿足高速串行線的使用要求了，需要使用損耗率耕地的高級板材，一般常用的是M6。普通的印刷電路板材每英寸長度的信號損耗大致為0.608 dB，相較而言，高級板材M6 每英寸長度的信號損耗不大于0.2 dB。與此同時，高速串行化數據線總線也有一定的要求，走線越短，數據傳輸的效果會越好，也要求其旁邊不能有敏感信號線。

超高清視頻遠程傳輸系統的調試如下:首先，對硬件的測試，主要包括測試電源噪聲、上電時序和信號質量，該階段的測試的目的主要是保障硬件鏈路上的所有設備運行正常;其次，通過編寫FPGA 程序對高速串行化的通道誤碼率進行測試，因為FPGA 的內部會產生一定的PRBS 碼流，在通過限幅放大器的處理之后，RBS 碼流就會被光纖發送到接收端，再由接收端進行解碼，因為發送的數據是已經知道的數據，所以其數據統計的誤碼率較低，相關標準也明確規定誤碼率要控制在10E～12 左右;然后，在誤碼率較大時，需要采取有效措施進行調整，一般誤碼率較大的原因是畫印刷電路板沒有很好地處理高速串行化數據通道或者是FPGA 高速串行通道的相關問題，如參考時鐘運行不穩定，差分信號線的交流耦合電容不相適，電源發出的噪聲過大。

4 結束語

綜上所述，市場上產品多樣，現在人們使用較為頻繁的是4K、2K 的顯示器和電視，這就說明超高清視頻在人們的生活中越來越普遍。超高清視頻遠程傳輸系統使用的單根光纖，但是可以實現信號傳送接受雙重功能，很好地解決了超高清視頻遠距離傳輸存在的問題。

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