超高清视频远程传输系统设计

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超高清视频远程传输系统设计摘要针对超高清视频（4K*2K）在远程传输时遇到的困难，提出根据FPGA的高速串行通道为关键设计，将一路超高清视频信号通过高带宽、高性能的高速串行数据串行化/解串化，由单根光纤作为传输介质，实现超高清视频远程传输系统设计，同时论述了系统设计关键组成部分及调试手段。关键词超高清视频；高速串行信号；光纤通信中图分类号：TN919文献标识码：A文章编号：1671-7597（2014）09-0039-02近年来，超高清视频信号（4K*2K）的制作、传输与播放已成为当今世界视频发展的必然趋势。随着技术的发展，人们对视频质量的要求越来越高，对视频传输距离要求越来越远［1］。但因超高清视频信号数据量大、传输速率高等特点，传输距离较近的缺点阻碍其发展。目前，超高清分辨率视频信号的信号接口主要是DVI和HDMI,传输媒质是平衡电缆，比如双绞线。但因超高清分辨率视频信号数据量大，传输速率高，使用平衡电缆传输信号衰减严重，传输距离一般为5米左右，加上均衡器最多也只能支持到45米。且需要使用髙质量规格的线缆，成本较高,布线不方便。 其他远程传输方式也有将DVI或HDMI信号通过简单的光电转换将TMDS信号转换成4个光信号，通过4条光纤进行传输。这样造成了现场布线困难，最小化传输差分信号（TMDS）存在延伸，容易靠成时钟偏移。而且此方法为单向传输，信号源无法读取显示器的扩展显示标识数据（EDID）,不能以最佳分辨率进行显示。以上这些方法都不能很好的解决超高清视频信号远程传输的问题。为了克服现有技术结构的不足，本文提出了一种超高清视频远程传输系统，以便于解决超高清视频在实际应用过程中遇到的突出问题。1系统方案设计本文设计的超高清视频远程传输系统其设备包括：信号源发送端，光纤，显示器接收端。如图1所示。信号源发送端接收来自显示器接收端发送过来的光信号，将光信号转换器相应的EDID信号给信号源（PC或其它），使信号源端能够识别出显示器端的支持分辨率范围与最佳分辨率大小。同时信号源发送端将信号源端的超高清分辨率视频信号通过相关的视频解码、串并转换、光电转换等操作转换成光信号，使用光波分复用模块由同一根光纤将光信号传输给显示器接收端。而显示器接收端将EDID信号通过串并转换和光电转换变成光信号，传输给信号源发送端，同时接收来自信号源发送端的光信号，将其经过光电转换、串并转换、视频编码等操作转 换成相应的超高清分辨率视频信号，传输给显示器。2关键模块设计整个系统的关键模块有三部分，包括光电转换模块、串行化/解串化模块、缓存设计。发送端框图如图2所示，接收端与发送端类似。2.1光电转换本设计实现单芯光纤同时收发功能，光电转换模块起着重要的作用［2］。常用的光纤收发模块只有单独的发送或接收功能，但本文使用具有双向光发送接收功能的BOSA光组件，再同配合MAXIM公司的激光驱动器MAX3946与限幅放大器MAX3945,实现在一根光纤上同时收发数据。光组件BOSA是将微小透镜、波分复用WDM滤光片等无源器件，与LD、PD等有源器件组装在了一个基于硅的平台上，同时具有TOSA和ROSA光组件功能，实现了单纤双向功能。激光驱动器MAX3946接收&5Gbps高速串行数据电信号后，通过可编程均衡的输入缓冲器、脉宽调节电路、偏置电流和调制电流DAC、可编程去加重的输出驱动器驱动BOSA光组件发送。而限幅放大器MAX3945对互阻放大器产生的电信号经过可编程滤波器，限幅放大，产生CML电平差分输出信号，速率高达8.5GbpSo2.2串行化/解串化超高清分辨率最高可达4K*2K分辨率，本系统前端接受来 DUALLINK的DVI信号源传输的3840*2160@30Hz,24位色深的分辨率，通过SILICON公司的解码芯片SIL7181解码成48位的奇偶场RGB信号。视频信号的采样频率为148.5MHzo48位的RGB信号连同场同步信号VS,行同步信号HS、数据有效信号DE,像素时钟CLK-起发送给FPGA[3]。FPGA选用ALTERA公司的StratixIV系列的EP4SGX70由于FPGA自带了16路最高支持8.5Gbps的高速串行数据收发器，可以不用外置串行化/解串化芯片。根据最高分辨率为3840*2160@30Hz,使用单通道高速传输，单纯传输视频有效数据，使用8b/10b编码方式[4],需要使用的带宽如下：带宽W=行数据个数*列数据个数*位宽*帧数*8bit/10bitW=3840*2160*24*30*10/8=7.47Gbps因此，再算上视频信号的部分消隐区，场同步信号VS、行同步信号HS、数据有效信号DE和高速串行协议的一些指示位等，使用8.5Gbps足够传输一路超高清视频信号，直接由FPGA将视频数据经过内部数据格式化，数据缓存和串行化/解串化等操作，实现将视频信号的串行化/解串化。2.3缓存设计由于视频解码芯片解出来的RGB信号属于低速信号，而串行化通道属于高速接口，为了将两者数据进行同步，需 要对数据放进FIFO一级缓存。FIFO根据先进先出的设计思想,在FPGA划分一个较大的缓存空间，低速信号经过格式处理后，依次把场同步信号VS、行同步信号HS、数据有效信号DE和数据DATA放入FIFO中，等待FIFO填充一定程度时，由FPGA将FIFO数据读取放入高速串行化通道中［5］。由于高速串行化通道读取速率高于低速视频输入接口，FIFO读取速度快于写入速度，保证FIFO中数据能及时读取，不会出现覆盖现象。当高速串行化数据输入到接收端的FPGA进行解串化处理时，也需要划分FIFO缓存空间，由于高速串行化数据解串后写入FIFO的速率较快，且FPGA需要对数据和同步信号重新进行格式化处理等，需要使用两个FIFO。第一个FIFO存放解串化的数据，再由FPGA读取出来进行格式化操作，存放到第二个FIFO,最后才输出DVI视频编码芯片。DVI视频编码芯片使用SILICON公司的SIL7172芯片。3系统调试该系统关键在于使用高速串行化数据通道，高达&5Gbpso对于普通的印刷电路板材FR4已不能满足使用高速串行线要求，需使用更低损耗的高级板材如M6。普通FR4板材每英寸长度信号损耗为0.608dB,而高级板材M6每英寸损耗小于0.2dBo同时高速串行化数据线走线越短越好，旁边不能有敏感信号线如复位线，时钟线等，最好能有一层完整地参考平面， 保证高速串行化数据线的信号完整性。对系统调试首先要对硬件进行测试，包括测试电源噪声、上电时序、信号质量等。保证有硬件链路上设备是正常的。然后通过编写FPGA程序对高速串行化通道的误码率进行测试。由FPGA内部产生PRBS码流[6],通过限幅放大器处理后，由光纤发送给接收端。在接收端进行解码。由于发送的数据为已知数据，可以根据接收的数据统计误码情况，要求误码率低于10E-12o如果发现误码率较大，较大可能是画印刷电路板没处理好高速串行化数据通道或者FPGA高速串行通道的参考时钟不稳定、差分信号线的交流耦合电容不匹配、电源噪声大等问题导致。需要根据实际情况测试信号波形进行排查。4结论市面上越来越多使用4K*2K的显示器或电视机，表明超高清视频在视频应用中已逐步成为主流趋势。本设计通过使用单根光纤，较好的解决了超高清视频远距离传输存在的问题，与现有的一些视频远程传输设备相比有如下几个优点。1）分辨率范围广。本发明可用于传输视频分辨率范围大，不仅可用于传输标准清晰度视频和高清视频，突出可传输分辨率超过1080P的超高清视频。最大传输视频分辨率可达到3840*2160。2)传输距离远。超高清视频远程传输系统根据光发送、光接收器件和光纤 的选择不同的，传输距离也有所不同。如果使用单模光纤进行传输，最远可以传输几十千米。2)单根光纤双向传输。超高清视频远程传输系统利用BOSA光组件，实现信号源与显示器之间进行单根光纤双向传输。通过回传显示器的EDID信号，达到信号源智能识别显示器最佳分辨率，同时降低光纤使用成本。参考文献[1]张岳.高速视频光纤传输系统[J].电子测量技术，2012,35(9)：74-76,86.[2]林康，刘敬彪，等.一路视频双向数据的光纤传输系统设计[J].光通信技术,2012(03)：33-35.[3]林琳，王加贤，等•四路视频和音频信号的光纤传输系统设计[J].华侨大学学报(自然科学版)，2011,32(1)：35-3&[4]赵柏山，郭名坤，等.基于FPGA的光纤与1.4标准HDMI接口转换方法[J].FPGA技术应用，2013(8)：21-23.[5]季旭东，李武森，等.多路视频双向光纤传输系统的研究[J].光传输技术，2011(3)：29-32.[6]李增•高速视频数据光纤传输系统的物料层实现[J].计算机工程，2009,35(11)：272-274・作者简介 周泽强(1985-),男，广东汕头人，硕士研究生，研究方向：计算机应用技术。