高清視頻信號長線傳輸?shù)南辔蛔詣友a償方法

郝學(xué)元

(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

責(zé)任編輯:薛 京

在很多工程應(yīng)用中，需要用普通網(wǎng)線長線傳輸視頻信號，視頻信號中的紅綠藍三基色模擬信號變成三對差分信號經(jīng)過差分芯片驅(qū)動后，能進行長線傳輸，但由于網(wǎng)線中不同線對之間在雙絞時，實際長度并不一樣，特別是線纜長了后，不同線對之間的相位差較大，造成了視頻信號顯示時相位的不同步，影響成像質(zhì)量［1］。傳統(tǒng)的模擬信號相位補償方法大多為調(diào)整傳輸線上的匹配電阻，在實現(xiàn)相位補償?shù)耐瑫r，信號的幅度受到影響。為此，提出一種相位自動補償方法，實現(xiàn)不同傳輸長度下，紅綠藍三色信號的相位同步。

1 補償原理

高清視頻信號長線傳輸系統(tǒng)包括信號發(fā)送端、雙絞線、信號接收端和顯示器，如圖1所示。雙絞線有4對，其中3對傳輸?shù)氖羌t綠藍三基色的模擬信號。在系統(tǒng)傳輸長度一定的條件下，模擬信號的延時與數(shù)字信號的延時相同，外部的溫度、濕度等因素雖對延時也有影響，但相對幾百米長度的傳輸線，顯得微不足道，且3對線受影響程度相同。因此，造成視頻信號相位差的主要因素是傳輸線線長，所以在傳輸線線長發(fā)生變化時，必須要進行相位補償。

圖1 高清視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

相位自動補償?shù)脑頌樵谛盘柊l(fā)送端增加電子開關(guān)，上電時電子開關(guān)設(shè)置為相位自動補償模式，在此模式下，由發(fā)送端產(chǎn)生3個同頻同相位的脈沖信號，經(jīng)差分電路后轉(zhuǎn)換成3路同相位的脈沖信號對輸出，經(jīng)雙絞線傳輸，遠程信號接收端自動測量3個脈沖信號的相位差，將差值回傳，通過信號發(fā)送端控制模擬延遲芯片的寄存器設(shè)置值，將實際延遲的值在發(fā)送端提前，形成自動補償。

2 自動補償方法與設(shè)計

相位自動補償需在信號發(fā)送端添加自動相位補償工作模式，在信號接收端添加相位差測量電路;實現(xiàn)在補償工作模式下的補償值測量與回傳。

2.1 發(fā)送端標準同相位的產(chǎn)生

帶自動補償功能的發(fā)送端電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。在原發(fā)送端基礎(chǔ)上增加電子開關(guān)、標準同相位脈沖產(chǎn)生電路和對應(yīng)的信號解析電路。

圖2 發(fā)送端電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)初次工作時，電子開關(guān)進入自動補償模式，與標準同相位脈沖產(chǎn)生電路相連。在本地端由FPGA產(chǎn)生脈沖。產(chǎn)生的脈沖信號周期為1 ms，脈沖寬度為100 μs，如圖3所示。把此信號作為標準源，通過高速差分轉(zhuǎn)換芯片ISL3259EFPGA工作時計數(shù)時鐘經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻至333 MHz，可使得在處理回傳補償值時達到步進時間寬度為3 ns的補償步進。

圖3 標準同相位脈沖

2.2 接收端自動補償設(shè)計

接收端的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由電子開關(guān)、解碼電路、差分電路、相位差測量電路4部分組成。不需補償時，信號經(jīng)電子開關(guān)進入解碼電路，解出視頻信號后送顯示器輸出;進入自動補償模式時，信號經(jīng)電子開關(guān)進入差分電路與相位差測量電路。

圖4 接收端電路結(jié)構(gòu)

發(fā)送端的3標準脈沖信號經(jīng)幾百米的差分傳輸后，在接收端會產(chǎn)生明顯的相位差，如圖5所示。經(jīng)差分電路轉(zhuǎn)換恢復(fù)出的3個脈沖信號之間出現(xiàn)延遲，G信號比B信號延遲t1，R信號比B信號延遲t2。在線長不同的現(xiàn)場，延遲時間t1，t2不同，當線長改變時必須對系統(tǒng)進行相位補償。為得到t1，t2值，通過高速FPGA器件設(shè)計數(shù)字化相位差測量電路，捕捉到納秒級延遲量，時序原理［2］如圖6所示。輸入信號In1，In2，經(jīng)組合邏輯得到延遲信號delay，以delay信號使能高速計數(shù)器，對FPGA內(nèi)部高速時鐘計數(shù)，得到整數(shù)值N，即為信號In2對信號In1的延遲量，t=N×CLK，N為整數(shù)，設(shè)置計數(shù)器為5位，N取值為0～31。接收端所用FPGA內(nèi)部時鐘與發(fā)送端相同，均為333 MHz，步進3 ns，可以記錄0～93 ns的延遲，反映出500 m以內(nèi)線長的相位差。

相位差N值以數(shù)字量形式經(jīng)差分電路傳回發(fā)送端。

2.3 發(fā)送端延遲線補償

發(fā)送端針對接收到的N值，將其送入模擬延遲芯片的寄存器，使得模擬信號在輸出時提前將延遲值補上以彌補長線后產(chǎn)生的相位差。針對標準脈沖信號，通過發(fā)送端N值的補償也可在接收端收到同頻同相位的脈沖信號。為驗證N值的準確性，通過脈沖信號的恢復(fù)加以觀察。

發(fā)送端利用FPGA的門電路延遲實現(xiàn)脈沖信號的相位補償。FPGA門電路的延遲時間在芯片的手冊中有明確的說明，以Xilinx公司的XC3S400芯片［3］為例，每個BUFD門電路的延長時間為1.0 ns，要實現(xiàn)N=3 ns，9 ns的延遲輸出，代碼為:

延遲補償后的信號經(jīng)長線傳輸，在接收端差分電路變換后經(jīng)示波器捕捉，如圖7所示，完全能夠?qū)崿F(xiàn)相位補償。

圖7 補償后的脈沖信號

3 視頻信號實際補償效果

對于工程實踐中傳輸?shù)囊曨l模擬信號，用此方法進行相位自動補償。在發(fā)送端接200 m雙絞網(wǎng)線和接收端相連，發(fā)送端輸出無相位差的紅綠藍標準信號，經(jīng)傳輸后，在接收端拍攝到的顯示器截圖如圖8a所示。啟動相位自動補償功能后，針對同一位置拍攝的顯示器截圖如圖8b所示。

圖8 效果對比圖

在圖8的效果對比中，圖8a是未經(jīng)相位補償?shù)腞GB視頻顯示效果，它們在相位上的相差可以從豎直方向上看出，紅綠藍的豎線都沒有重合，紅信號比綠信號滯后，綠信號比藍信號滯后，在畫質(zhì)上會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象;右側(cè)是經(jīng)過自動補償?shù)腞GB顯示效果，紅綠藍的豎線完全重合，即消除了相位差，畫質(zhì)會顯得更清晰。目前，此技術(shù)方法已經(jīng)用在長線視頻傳輸中，效果良好。

［1］郝學(xué)元，張靜.視頻延長信號的自動校色方法［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(9):14－16.

［2］陳尚松，雷加，郭慶.電子測量與儀器［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:126－127.

［3］ Xilinx corporation.Spartan－3 FPGA family:data sheet［EB/OL］.［2012－02－02］.http://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds099.pdf.