基于FPGA的3G/HD/SD-SDI信號光纖傳輸系統的設計

1.3 硬件電路實(shí)現

　　本系統傳輸的信號速率從143Mbit/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,滿(mǎn)足工業(yè)級和廣電產(chǎn)品相關(guān)標準要求。

　　系統硬件需要的主要器件包括多速率SDI接收芯片GS2970、多速率SDI發(fā)射芯片GS2972、多速率SDI均衡芯片GS2974B 、FPGA+DSP芯片XC3SD1800A、高速復接/解復接芯片TLK3101。芯片GS2974B將輸入的3G/HD/SD-SDI信號進(jìn)行均衡處理。

　　芯片GS2970將輸入的SDI串行信號解碼，恢復出采樣時(shí)鐘，并將輸入的串行數據流轉換為并行數據。芯片內部集成帶壓控振蕩器的時(shí)鐘恢復電路(Reclocker)和時(shí)鐘恢復串行環(huán)路穿越電纜驅動(dòng)器，可以自動(dòng)調節輸出壓擺率，以適應數據的輸入速度。芯片的輸入抖動(dòng)容限則高達0.7UI (單位信號時(shí)間)，因此即使信號的眼圖已關(guān)閉60%以上，這款芯片仍可接收信號以及將信號解串。芯片具有信號環(huán)出功能，本端環(huán)出的3G/HD/SD-SDI信號，可直接連至高清顯示大屏幕或SDI監控器，可供系統實(shí)時(shí)檢測SDI 信號輸入是否正常。其功能框圖如圖3所示。

　　芯片GS2972將接收到的并行數據轉換為無(wú)壓縮的3G/HD/SD-SDI信號。芯片內部集成電纜驅動(dòng)器、帶壓控振蕩器的時(shí)鐘恢復模塊和高性能PLL鎖相環(huán)模塊，不再需要外置本地時(shí)鐘及抖動(dòng)消除電路，有效節約了電路板的面積;芯片只需模擬3.3V、1.2V及數字1.2V供電，且功耗低，只有400mW(包括電纜驅動(dòng))，大大降低了系統成本。其功能框圖如圖4所示。

　　FPGA芯片XC3SD1800A 支持600Mbit/s到3.125Gbit/s的信號速率，從芯片GS2970解碼輸出的150MHz的20路并行數據, 經(jīng)FPGA芯片一級復用轉換為10 路300MHz的并行數據，同時(shí)FPGA芯片對150MHz的時(shí)鐘頻率信號進(jìn)行倍頻產(chǎn)生與原有時(shí)鐘信號同相的300MHz時(shí)鐘信號，以提供給行、場(chǎng)同步信號，進(jìn)而使行、場(chǎng)同步信號與10 路并行數據信號同時(shí)復用。 FPGA芯片與編碼器或解碼器之間采用了LVDS技術(shù)，不再使用TTL電平連接。LVDS電平具有非常低的EMI輻射和功率損耗，并提供更高的收發(fā)速率;另外，并行數據總線(xiàn)也從20位減少到10位，使得PCB板圖設計變得更容易，也降低了對FPGA的等級要求。

　　芯片TLK3101將從FPGA芯片接收到的10位并行數據進(jìn)行8B/10B編碼，復接為高速串行信號后輸出;同時(shí)將輸入的高速串行信號先進(jìn)行8B/10B解碼和通道對齊，轉換成10位并行數據輸出給FPGA芯片。具有信號丟失(LOS)檢測功能?？山邮盏牟罘州斎腴T(mén)限低至200mV。僅需2.5V單電源供電，且功耗低，約450mW(Typical)。其功能框圖如圖5所示。

2 電路測試

　　使用Tektronix儀器 WFM 7120對系統傳輸的SD-SDI信號進(jìn)行了實(shí)際測試，測試結果如圖6所示。

　　由測試結果可知，經(jīng)過(guò)本系統傳輸的視頻信號畫(huà)面清晰，眼圖質(zhì)量好，信號抖動(dòng)僅有0.12UI，優(yōu)于SMPTE 259M規定的0.2UI。

3 結束語(yǔ)

　　目前，各省市電視臺和廣播通信網(wǎng)絡(luò )系統也越來(lái)越迫切需要在現有的光纖鏈路中傳送高清視頻信號，本文設計的基于FPGA的3G/HD/SD-SDI信號的光纖傳輸系統，采用了SDI信號電復接、分接技術(shù)，實(shí)現了高質(zhì)量視頻信號的傳輸且沒(méi)有任何圖像質(zhì)量的損失，另外FPGA具有較大的設計靈活性，對數據的擦除、修改，只需更改代碼，無(wú)需改變電路結構，降低了系統成本，同時(shí)簡(jiǎn)化了系統的復雜性，提高了系統工作的穩定性。

參考文獻：

　　[1]李彥迪. 基于FPGA的HD-SDI編解碼技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 電子技術(shù)應用 2012

　　[2]Gennum. GS2970 Receiver Datasheet .2009

　　[3]Gennum. GS2972 Transmiter Datasheet.2011

　　[4]Gennum.GS2974B Adaptive Cable Equalizer Datasheet.2009

　　[5]Texas Instruments. TLK3101 Transceivers Datasheet.2001

　　[6]Xilinx. XA Spartan-3A DSP Automotive FPGA Family Data Sheet.2011

　　[7]SMPTE 259M,Television 10bit 4:2:2 Component and 4fsc Composite Digital Signals Serial Interface.1997

　　[8]SMPTE 292M,Television Bit-Serial Digital Interface For High-Definition Television Systems.1998

　　[9]SMPTE 424M,Television 3Gb/s Signal/Data Serial Interface. 2006