基于fpga的sdi視頻傳輸系統設計

在紅色圖像設計中，模擬視頻輸出通常用于在監視器上直接圖像。為了將現有的模擬視頻系統連接到數字矩陣視頻系統，需要將模擬視頻轉換為sdi信號。SDI接口作為當前主要的數字視頻外部接口,可以實時地傳送無壓縮的視頻數據,其高質量的視頻信號,對我國視頻監控系統及廣電設備而言具有重要作用。目前,國際上如NS、GENNUM公司針對廣電行業的SDI芯片種類繁多,但價格普遍較高。一方面采用這種專用的SDI轉換芯片實現SDI視頻接口的方案對于安防行業來說并不太合適。安防產品出貨量大,對成本控制非常嚴格。同時鑒于安防領域對低成本SDI標準視頻接口的要求。另一方面在紅外成像處理設計中,基于FPGA+Nios軟核的構架,可以利用FPGA來實現SDI標準的視頻輸出,減少其他視頻轉換芯片的使用而節約成本和減少硬件設計空間。本文提出了一種以FPGA作為視頻接口轉換芯片的更加靈活的低成本解決方案。該方案采用FPGA內部邏輯資源實現SDI標準時序,并結合外部線纜驅動的方式實現SDI視頻數據的傳輸。1sdi視頻傳輸系統本文提出的SDI視頻傳輸系統以Altera公司的一款EEPP33SS系列FFPPGGAA作為核心器件,采用VVHHDDLL語言生成ITU-RBT656格式的并行測試圖像數據,然后實現數據的并串轉換以及SDI信號編碼,最后FPGA輸出的串行數據經過線路驅動輸出幅度為800mV的標準SDI信號。SDI接口采用75歐同軸電纜傳輸未經壓縮的數字視頻信號,在SMPTE259M中規定了A、B、C、D4種標準,傳輸速率分別為143Mbit/s、177Mbit/s、270Mbit/s、360Mbit/s,其中最常見的是270Mbit/s本文提出的SDI視頻傳輸系統包括軟件設計和硬件設計兩部分。軟件設計包括采用VHDL語言生成測試圖像數據,完成并行數據的并串轉換以及SDI信號編碼。硬件設計完成對FPGA輸出差分信號的線纜驅動。本設計中并串轉換模塊的讀存儲器時鐘為270MHz,而Altera公司EP3S系列FPGA內嵌SRAM支持最高600M時鐘的讀寫操作,LVDS接口支持最高800MHz速率的數據傳輸,因此完全滿足設計要求。另外,由于FPGA引腳輸出的差分信號滿足ANSI/TIA/EIA-644LVDS標準,與SDI接口遵循的SMPTE259M標準不兼容,因而需要對其進行線纜驅動,以滿足SDI視頻采集卡的接收要求。具體設計方案見第2節。2系統的具體設計2.1并串轉換電路本設計首先采用VHDL語言生成ITU-RBT656格式的并行測試圖像數據流數據流數據寬度為10bit,包含4:2:2的YCbCr視頻數據,并內嵌有水平同步控制信號。一幀測試圖像數據包含625行,每行1728bit。其中23~310行是偶場視頻數據,336~623行是奇場視頻數據,其余為垂直控制信號圖像數據的并串轉換仍然采用VHDL語言實現:在FPGA內部,并串轉換模塊將滿足ITU656標準的并行數據流在字節時鐘(27MHz)的控制下并行寫入移位寄存器,然后在位時鐘(270MHz)的控制下串行讀出,完成并串轉換,產生270Mbps的串行圖像數據流。最后,串行數據再通過SDI信號編碼——擾碼和NRZ-NRZI編碼轉換為SDI視頻數據。擾碼操作先將信號編碼為NRZ(不歸零)擾碼信號,再把NRZ擾碼信號轉換成對電平極性不敏感、只對電平極性變換敏感的NRZI(倒相不歸零)信號。在數據傳輸時,首先需要通過生成多項式(1)的計算:形成NRZ(不歸零)信號。目的是重新排列串行數據流,減小長串的連“0”和連“1”,從而使電平跳變多、時鐘信息豐富。其次,串行數據中如果“0”電平或“1”電平持續的次數過多的話,在接收端不利于從接收數據信號中恢復時鐘信號。因此利用生成多項式(2)對NRZ信號作第2次計算:得到NRZI(倒相不歸零)信號。擾碼模塊的原理圖框圖如圖3所示2.2ccllcc00010芯片經過擾碼形成的SDI數據流通過FPGA的LVDS引腳以差分信號形式輸出,然后進行線纜驅動。線路驅動選用國家半導體公司的CLC001芯片,該芯片采用33..33VV電源供電。該芯片專為SSMMPPTTEE225599MM串行數字視頻和IITTUU--TTGG..770033串行數據傳輸而設計,在7755ΩΩ同軸線纜上最高傳輸速率可達662222MMbbppss。CCLLCC000011輸出電壓幅度可以通過調節一個外部參考電阻的阻值來改變,該電阻的典型值為11..9911kkΩΩ(輸出幅值880000mmVV)或為11..55kkΩΩ(輸出幅值11000000mmVV)。線路驅動電路只需要CCLLCC000011和幾個外部電阻、電容即可,原理圖如圖44所示。3視頻圖像顯示測試本設計采用ADLINK公司的型號為PCIe-2602的SDI視頻采集卡進行圖像顯示測試。經過測試,本系統能夠以25幀/s的速率發送720*576分辨率的標清SDI視頻圖像,并在PC機上正確顯示。從測試結果可以看出圖像清晰穩定,顯示效果良好。4空間視頻輸出的設計本文設計并實現了一種基于FPGA的SD-SDI視頻傳輸系統。經測試該系統具有低功耗、低成本、設計靈活、設計周期短等一系列特點,成像效果清晰、穩定,能滿足視頻監控