基于FPGA的3G/HD/SD-SDI信號光纖傳輸系統的設計

摘要：介紹了基于FPGA和高速串行復接/解復接技術(shù)，將3G/HD/SD-SDI信號通過(guò)光纖實(shí)現無(wú)損長(cháng)距離傳輸的方法。與傳統的傳輸方案相比，此方案可以完成傳輸高清視頻的平滑升級，并向下兼容現有的視頻傳輸網(wǎng)絡(luò )，降低了網(wǎng)絡(luò )的改造升級成本。

引言

　　SDI(Serial Digital Interface)是一種“數字分量串行接口”，通過(guò)75Ω同軸線(xiàn)纜傳輸無(wú)壓縮的數字視頻信號。由于串行數字信號的數據率很高，在傳送前必須經(jīng)過(guò)處理。用擾碼的不歸零倒置(NRZI)來(lái)代替早期的分組編碼，其標準為SMPTE 259M和EBU-Tech-3267，標準包括了含數字音頻在內的數字復合和數字分量信號，支持4種速率：143Mbit/s的NTSC制復合編碼信號;177.3Mbit/s的PAL制復合編碼信號;270Mbit/s的NTSC制和PAL制分量編碼信號;360Mbit/s 16：9長(cháng)寬比的NTSC制和PAL制分量編碼信號，其中最常見(jiàn)的是270Mbit/s。在傳送前，對原始數據流進(jìn)行擾頻并變換為NRZI碼，確保在接收端可靠地恢復原始數據。

　　在概念上可以將數字串行接口理解為一種基帶信號調制。SDI接口能通過(guò)270Mbit/s的串行數字分量信號，對于16：9格式的圖像，應能傳送360Mbit/s的信號。NRZI碼是極性敏感碼。用“1”和“0”表示電平的高和低，如果出現長(cháng)時(shí)間的連續“1”或連續“0”，會(huì )影響接收端從數字信號中提取時(shí)鐘。因為串行數字信號接口不單獨傳送時(shí)鐘信號，接收端需從數字信號流中提取時(shí)鐘信號，所以要采用以“1”和“0”來(lái)表示有無(wú)電平變換的NRZI碼。在接收NRZI碼流時(shí)，只要檢出電平變換，就可恢復數據，再經(jīng)過(guò)加擾，連“1”的機會(huì )減少，也就使高頻分量進(jìn)一步減少，使解碼和提取時(shí)鐘信息更加容易。實(shí)現加擾/解擾的生成多項式為G₁(x)=x⁹+x⁴+1，該步主要是將數字化的視頻信號變成NRZ擾碼信號。編碼/譯碼的生成多項式為G₂(x)=x+1，該步主要是將上一步生成的NRZ擾碼變成對電平極性不敏感、只對電平極性變換敏感的NRZI碼。其擾碼的原理框圖如圖1所示。具體實(shí)現利用Verilog HDL編程。在接收端，由SDI解碼模塊從NRZI碼流恢復出原數據流。

　　按照移動(dòng)圖像和電視工程師協(xié)會(huì )(SMPTE)制定的清晰度標準要求，SDI可分為：SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI。其中：

　　SD-SDI：SD-SDI(Standard Definition Seria Digital Interface) 視頻信號的通常速率為270Mbit/s。其信號格式從19.4Mbit/s到360Mbit/s，支持符合SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M標準，以及DVB-ASI(EN50083-9)等數字電視格式的信號。SD-SDI是無(wú)延時(shí)、無(wú)失真的標清視頻信號。

　　HD-SDI：HD-SDI(High Definition Seria Digital Interface)視頻信號的速率達到1.485Gbit/s，刷新率支持60Hz。其信號格式從19.4Mbit/s到1.485Gbit/s，支持符合SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M標準，以及DVB-ASI(EN50083-9)等數字電視格式的信號。HD-SDI是無(wú)延時(shí)、無(wú)失真的高請視頻信號。

　　3G-SDI：3G-SDI中的3G是指SDI信號的數據傳輸率約為3Gbit/s。其信號格式從19.4Mbit/s到2.97Gbit/s，支持符合SMPTE 424M、SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M標準，以及DVB-ASI(EN50083-9)等數字電視格式的信號。由于HDTV可以支持每秒30幀的逐行掃描1920×1080的分辨率格式，而3G能夠支持比HD視頻信號最高幀掃描頻率高一倍的頻率，即3G可以支持每秒60幀的HD信號，這在觀(guān)看動(dòng)態(tài)視頻時(shí)的差別是很大的。

　　本文設計的3G/HD/SD-SDI信號的光纖傳輸方案，支持標清SD-SDI(270Mbit/s)、高清HD-SDI(1.485Gbit/s)及全高清3G-SDI(2.97Gbit/s)視頻格式，可傳送符合數字視頻廣播/異步串行接口(DVB-ASI)、標準清晰度(SMPTE 259M)、高清晰度(SMPTE 292M)以及全新的3G-SDI(SMPTE 424M)等標準的視頻數據，通過(guò)光纖實(shí)現3G/HD/SD-SDI信號的高可靠、高性能和長(cháng)距離傳輸。采用單模光纖，無(wú)中繼傳輸距離可達100km以上。

1 系統設計

　　由于傳輸的3G/HD/SD-SDI 信號主要用于廣播電視行業(yè)，其專(zhuān)業(yè)級的指標要求，必須確保輸出信號有高穩定性與可靠性。在對信號進(jìn)行均衡以及時(shí)鐘恢復，解擾及串并轉換，以及后端的輸出驅動(dòng)的處理過(guò)程中，均選擇GENNUM公司的集成電路實(shí)現高清視頻信號接口的轉換，這樣做可以最大限度的保證各相關(guān)模塊的兼容性，并且具有信號恢復和抖動(dòng)抑制功能，系統輸出接近完美的眼圖指標，有利于提高系統的穩定性，降低信號的抖動(dòng)。

　　本系統的主控模塊是FPGA，綜合考慮成本、占用面積以及以后的升級，就需要FPGA的內部資源盡量豐富，因此選用Xilinx公司Spartan-3A系列FPGA，該系列FPGA集成了DSP功能，擁有極強的并行處理能力，滿(mǎn)足圖像和視頻處理所需的性能要求，包括壓縮(MPEG-2和MPEG-4)，色空間轉換，圖像增強、處理、縮放和識別等;采用SPI PROM模式完成配置，為便于調試，也預留了JTAG接口; 完成圖像采集、存儲和整個(gè)系統的邏輯控制。

　　系統分為發(fā)射端和接收端。在發(fā)射端，信號先經(jīng)過(guò)均衡、串并轉換處理，輸入到FPGA完成一次復用后，進(jìn)入高速復接芯片完成二次復用，最后經(jīng)電光轉換模塊將其轉換為光信號，這樣就將3G/HD/SD-SDI信號轉變成光信號。在接收端，將接收到的的光信號經(jīng)光電轉換模塊轉換為電信號，進(jìn)入高速解復接模塊和FPGA中，完成信號解復用和緩存處理后，輸入到多速率SDI編碼模塊，輸出原3G/HD/SD-SDI信號。系統原理框圖如圖2所示。

1.1 發(fā)射端

　　將從同軸電纜輸入的3G/HD/SD-SDI信號通過(guò)SDI均衡模塊完成信號自動(dòng)均衡，信號經(jīng)過(guò)長(cháng)距離的傳輸后在線(xiàn)纜中會(huì )產(chǎn)生損耗，經(jīng)過(guò)均衡后，信號質(zhì)量得到明顯的改善。在模塊輸入引腳處連接75Ω對地電阻進(jìn)行阻抗匹配。均衡模塊對輸入信號處理后產(chǎn)生一對差分輸出信號，再在兩條差分線(xiàn)之間串接100Ω電阻平衡線(xiàn)間阻抗，將此差分信號輸入到多速率SDI接收模塊進(jìn)行時(shí)鐘恢復和8B/10B解碼處理，經(jīng)串/并轉換后產(chǎn)生符合SMPTE 424M/292M/259M標準的20/10bit的并行數據，將此數據送入到FPGA中。數據先緩存在FPGA內部FIFO中，在完成對數據的第一次復用后，復用為10bit的并行數據，輸出給高速復接模塊，將FPGA輸出的低速并行信號復接為高速串行信號，再通過(guò)電光轉換模塊(選用速率為3.125Gbit/s，支持熱插拔的SFP光器件)轉換為光信號傳輸到接收端。

1.2 接收端

　　首先將從光纜得到的光信號通過(guò)光電轉換模塊轉換成電信號，將此電信號送給高速解復接模塊，將高速串行信號進(jìn)行串并轉換處理，將轉換后的并行數據輸入到FPGA，由FPGA先緩存在內部FIFO中， 再解復用出符合SMPTE 424M/292M/259M標準的20/10bit的并行數據，然后將此并行數據發(fā)送給多速率SDI編碼模塊，從并行數據中提取出時(shí)鐘，作為采樣時(shí)鐘，對并行數據進(jìn)行同步處理，同時(shí)提取出圖像數據和圖像格式信息，完成3G/HD/SD-SDI信號的8B/10B編碼，最后輸出到接收設備，實(shí)現了3G/HD/SD-SDI信號的光纖傳輸。