超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要 針對超高清視頻（4K*2K）在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)遇到的困難，提出根據(jù)FPGA的高速串行通道為關(guān)鍵設(shè)計(jì)，將一路超高清視頻信號通過高帶寬、高性能的高速串行數(shù)據(jù)串行化/解串化，由單根光纖作為傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵組成部分及調(diào)試手段。

關(guān)鍵詞 超高清視頻；高速串行信號；光纖通信

中圖分類號：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0039-02

近年來，超高清視頻信號（4K*2K）的制作、傳輸與播放已成為當(dāng)今世界視頻發(fā)展的必然趨勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對視頻質(zhì)量的要求越來越高，對視頻傳輸距離要求越來越遠(yuǎn)[1]。但因超高清視頻信號數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高等特點(diǎn)，傳輸距離較近的缺點(diǎn)阻礙其發(fā)展。

目前，超高清分辨率視頻信號的信號接口主要是DVI和HDMI，傳輸媒質(zhì)是平衡電纜，比如雙絞線。但因超高清分辨率視頻信號數(shù)據(jù)量大，傳輸速率高，使用平衡電纜傳輸信號衰減嚴(yán)重，傳輸距離一般為5米左右，加上均衡器最多也只能支持到45米。且需要使用高質(zhì)量規(guī)格的線纜，成本較高，布線不方便。

其他遠(yuǎn)程傳輸方式也有將DVI或HDMI信號通過簡單的光電轉(zhuǎn)換將TMDS信號轉(zhuǎn)換成4個(gè)光信號，通過4條光纖進(jìn)行傳輸。這樣造成了現(xiàn)場布線困難，最小化傳輸差分信號（TMDS）存在延伸，容易靠成時(shí)鐘偏移。而且此方法為單向傳輸，信號源無法讀取顯示器的擴(kuò)展顯示標(biāo)識數(shù)據(jù)（EDID），不能以最佳分辨率進(jìn)行顯示。以上這些方法都不能很好的解決超高清視頻信號遠(yuǎn)程傳輸?shù)膯栴}。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足，本文提出了一種超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，以便于解決超高清視頻在實(shí)際應(yīng)用過程中遇到的突出問題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)其設(shè)備包括：信號源發(fā)送端，光纖，顯示器接收端。如圖1所示。信號源發(fā)送端接收來自顯示器接收端發(fā)送過來的光信號，將光信號轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的EDID信號給信號源（PC或其它），使信號源端能夠識別出顯示器端的支持分辨率范圍與最佳分辨率大小。同時(shí)信號源發(fā)送端將信號源端的超高清分辨率視頻信號通過相關(guān)的視頻解碼、串并轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等操作轉(zhuǎn)換成光信號，使用光波分復(fù)用模塊由同一根光纖將光信號傳輸給顯示器接收端。

而顯示器接收端將EDID信號通過串并轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換變成光信號，傳輸給信號源發(fā)送端，同時(shí)接收來自信號源發(fā)送端的光信號，將其經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換、視頻編碼等操作轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的超高清分辨率視頻信號，傳輸給顯示器。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊有三部分，包括光電轉(zhuǎn)換模塊、串行化/解串化模塊、緩存設(shè)計(jì)。發(fā)送端框圖如圖2所示，接收端與發(fā)送端類似。

2.1 光電轉(zhuǎn)換

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單芯光纖同時(shí)收發(fā)功能，光電轉(zhuǎn)換模塊起著重要的作用[2]。常用的光纖收發(fā)模塊只有單獨(dú)的發(fā)送或接收功能，但本文使用具有雙向光發(fā)送接收功能的BOSA光組件，再同配合MAXIM公司的激光驅(qū)動器MAX3946與限幅放大器MAX3945，實(shí)現(xiàn)在一根光纖上同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。

光組件BOSA是將微小透鏡、波分復(fù)用WDM濾光片等無源器件，與LD、PD等有源器件組裝在了一個(gè)基于硅的平臺上，同時(shí)具有TOSA和ROSA光組件功能，實(shí)現(xiàn)了單纖雙向功能。激光驅(qū)動器MAX3946接收8.5Gbps高速串行數(shù)據(jù)電信號后，通過可編程均衡的輸入緩沖器、脈寬調(diào)節(jié)電路、偏置電流和調(diào)制電流DAC、可編程去加重的輸出驅(qū)動器驅(qū)動BOSA光組件發(fā)送。而限幅放大器MAX3945對互阻放大器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過可編程濾波器，限幅放大，產(chǎn)生CML電平差分輸出信號，速率高達(dá)8.5Gbps。

2.2 串行化/解串化

超高清分辨率最高可達(dá)4K*2K分辨率，本系統(tǒng)前端接受來DUAL LINK的DVI信號源傳輸?shù)?840*2160@30Hz，24位色深的分辨率，通過SILICON公司的解碼芯片SIL7181解碼成48位的奇偶場RGB信號。視頻信號的采樣頻率為148.5 MHz。48位的RGB信號連同場同步信號VS，行同步信號HS、數(shù)據(jù)有效信號DE，像素時(shí)鐘CLK一起發(fā)送給FPGA[3]。FPGA選用ALTERA公司的Stratix IV系列的EP4SGX70由于FPGA自帶了16路最高支持8.5Gbps的高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)器，可以不用外置串行化/解串化芯片。

根據(jù)最高分辨率為3840*2160@30Hz，使用單通道高速傳輸，單純傳輸視頻有效數(shù)據(jù)，使用8b/10b編碼方式[4]，需要使用的帶寬如下：

帶寬W=行數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)*列數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)*位寬*幀數(shù)*8bit/10bit

W=3840*2160*24*30*10/8=7.47Gbps

因此，再算上視頻信號的部分消隱區(qū)，場同步信號VS、行同步信號HS、數(shù)據(jù)有效信號DE和高速串行協(xié)議的一些指示位等，使用8.5Gbps足夠傳輸一路超高清視頻信號，直接由FPGA將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)格式化，數(shù)據(jù)緩存和串行化/解串化等操作，實(shí)現(xiàn)將視頻信號的串行化/解串化。

2.3 緩存設(shè)計(jì)

由于視頻解碼芯片解出來的RGB信號屬于低速信號，而串行化通道屬于高速接口，為了將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，需要對數(shù)據(jù)放進(jìn)FIFO一級緩存。FIFO根據(jù)先進(jìn)先出的設(shè)計(jì)思想，在FPGA劃分一個(gè)較大的緩存空間，低速信號經(jīng)過格式處理后，依次把場同步信號VS、行同步信號HS、數(shù)據(jù)有效信號DE和數(shù)據(jù)DATA放入FIFO中，等待FIFO填充一定程度時(shí)，由FPGA將FIFO數(shù)據(jù)讀取放入高速串行化通道中[5]。由于高速串行化通道讀取速率高于低速視頻輸入接口，F(xiàn)IFO讀取速度快于寫入速度，保證FIFO中數(shù)據(jù)能及時(shí)讀取，不會出現(xiàn)覆蓋現(xiàn)象。

當(dāng)高速串行化數(shù)據(jù)輸入到接收端的FPGA進(jìn)行解串化處理時(shí)，也需要劃分FIFO緩存空間，由于高速串行化數(shù)據(jù)解串后寫入FIFO的速率較快，且FPGA需要對數(shù)據(jù)和同步信號重新進(jìn)行格式化處理等，需要使用兩個(gè)FIFO。第一個(gè)FIFO存放解串化的數(shù)據(jù)，再由FPGA讀取出來進(jìn)行格式化操作，存放到第二個(gè)FIFO，最后才輸出DVI視頻編碼芯片。DVI視頻編碼芯片使用SILICON公司的SIL7172芯片。endprint

3 系統(tǒng)調(diào)試

該系統(tǒng)關(guān)鍵在于使用高速串行化數(shù)據(jù)通道，高達(dá)8.5Gbps。對于普通的印刷電路板材FR4已不能滿足使用高速串行線要求，需使用更低損耗的高級板材如M6。普通FR4板材每英寸長度信號損耗為0.608dB，而高級板材M6每英寸損耗小于0.2dB。同時(shí)高速串行化數(shù)據(jù)線走線越短越好，旁邊不能有敏感信號線如復(fù)位線，時(shí)鐘線等，最好能有一層完整地參考平面，保證高速串行化數(shù)據(jù)線的信號完整性。

對系統(tǒng)調(diào)試首先要對硬件進(jìn)行測試，包括測試電源噪聲、上電時(shí)序、信號質(zhì)量等。保證有硬件鏈路上設(shè)備是正常的。然后通過編寫FPGA程序?qū)Ω咚俅谢ǖ赖恼`碼率進(jìn)行測試。由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生PRBS碼流[6]，通過限幅放大器處理后，由光纖發(fā)送給接收端。在接收端進(jìn)行解碼。由于發(fā)送的數(shù)據(jù)為已知數(shù)據(jù)，可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤碼情況，要求誤碼率低于10E-12。如果發(fā)現(xiàn)誤碼率較大，較大可能是畫印刷電路板沒處理好高速串行化數(shù)據(jù)通道或者FPGA高速串行通道的參考時(shí)鐘不穩(wěn)定、差分信號線的交流耦合電容不匹配、電源噪聲大等問題導(dǎo)致。需要根據(jù)實(shí)際情況測試信號波形進(jìn)行排查。

4 結(jié)論

市面上越來越多使用4K*2K的顯示器或電視機(jī)，表明超高清視頻在視頻應(yīng)用中已逐步成為主流趨勢。本設(shè)計(jì)通過使用單根光纖，較好的解決了超高清視頻遠(yuǎn)距離傳輸存在的問題，與現(xiàn)有的一些視頻遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備相比有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1）分辨率范圍廣。

本發(fā)明可用于傳輸視頻分辨率范圍大，不僅可用于傳輸標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻和高清視頻，突出可傳輸分辨率超過1080P的超高清視頻。最大傳輸視頻分辨率可達(dá)到3840*2160。

2）傳輸距離遠(yuǎn)。

超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)根據(jù)光發(fā)送、光接收器件和光纖的選擇不同的，傳輸距離也有所不同。如果使用單模光纖進(jìn)行傳輸，最遠(yuǎn)可以傳輸幾十千米。

3）單根光纖雙向傳輸。

超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)利用BOSA光組件，實(shí)現(xiàn)信號源與顯示器之間進(jìn)行單根光纖雙向傳輸。通過回傳顯示器的EDID信號，達(dá)到信號源智能識別顯示器最佳分辨率，同時(shí)降低光纖使用成本。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)?高速視頻光纖傳輸系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2012，35（9）：74-76，86.

[2]林康，劉敬彪，等.一路視頻雙向數(shù)據(jù)的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù)，2012（03）：33-35.

[3]林琳，王加賢，等.四路視頻和音頻信號的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（1）：35-38.

[4]趙柏山，郭名坤，等.基于FPGA的光纖與1.4標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口轉(zhuǎn)換方法[J].FPGA技術(shù)應(yīng)用，2013（8）：21-23.

[5]季旭東，李武森，等.多路視頻雙向光纖傳輸系統(tǒng)的研究[J].光傳輸技術(shù)，2011（3）：29-32.

[6]李增.高速視頻數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)的物料層實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2009，35（11）：272-274.

作者簡介

周澤強(qiáng)（1985-），男，廣東汕頭人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。endprint

3 系統(tǒng)調(diào)試

該系統(tǒng)關(guān)鍵在于使用高速串行化數(shù)據(jù)通道，高達(dá)8.5Gbps。對于普通的印刷電路板材FR4已不能滿足使用高速串行線要求，需使用更低損耗的高級板材如M6。普通FR4板材每英寸長度信號損耗為0.608dB，而高級板材M6每英寸損耗小于0.2dB。同時(shí)高速串行化數(shù)據(jù)線走線越短越好，旁邊不能有敏感信號線如復(fù)位線，時(shí)鐘線等，最好能有一層完整地參考平面，保證高速串行化數(shù)據(jù)線的信號完整性。

對系統(tǒng)調(diào)試首先要對硬件進(jìn)行測試，包括測試電源噪聲、上電時(shí)序、信號質(zhì)量等。保證有硬件鏈路上設(shè)備是正常的。然后通過編寫FPGA程序?qū)Ω咚俅谢ǖ赖恼`碼率進(jìn)行測試。由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生PRBS碼流[6]，通過限幅放大器處理后，由光纖發(fā)送給接收端。在接收端進(jìn)行解碼。由于發(fā)送的數(shù)據(jù)為已知數(shù)據(jù)，可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤碼情況，要求誤碼率低于10E-12。如果發(fā)現(xiàn)誤碼率較大，較大可能是畫印刷電路板沒處理好高速串行化數(shù)據(jù)通道或者FPGA高速串行通道的參考時(shí)鐘不穩(wěn)定、差分信號線的交流耦合電容不匹配、電源噪聲大等問題導(dǎo)致。需要根據(jù)實(shí)際情況測試信號波形進(jìn)行排查。

4 結(jié)論

市面上越來越多使用4K*2K的顯示器或電視機(jī)，表明超高清視頻在視頻應(yīng)用中已逐步成為主流趨勢。本設(shè)計(jì)通過使用單根光纖，較好的解決了超高清視頻遠(yuǎn)距離傳輸存在的問題，與現(xiàn)有的一些視頻遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備相比有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1）分辨率范圍廣。

本發(fā)明可用于傳輸視頻分辨率范圍大，不僅可用于傳輸標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻和高清視頻，突出可傳輸分辨率超過1080P的超高清視頻。最大傳輸視頻分辨率可達(dá)到3840*2160。

2）傳輸距離遠(yuǎn)。

超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)根據(jù)光發(fā)送、光接收器件和光纖的選擇不同的，傳輸距離也有所不同。如果使用單模光纖進(jìn)行傳輸，最遠(yuǎn)可以傳輸幾十千米。

3）單根光纖雙向傳輸。

超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)利用BOSA光組件，實(shí)現(xiàn)信號源與顯示器之間進(jìn)行單根光纖雙向傳輸。通過回傳顯示器的EDID信號，達(dá)到信號源智能識別顯示器最佳分辨率，同時(shí)降低光纖使用成本。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)?高速視頻光纖傳輸系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2012，35（9）：74-76，86.

[2]林康，劉敬彪，等.一路視頻雙向數(shù)據(jù)的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù)，2012（03）：33-35.

[3]林琳，王加賢，等.四路視頻和音頻信號的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（1）：35-38.

[4]趙柏山，郭名坤，等.基于FPGA的光纖與1.4標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口轉(zhuǎn)換方法[J].FPGA技術(shù)應(yīng)用，2013（8）：21-23.

[5]季旭東，李武森，等.多路視頻雙向光纖傳輸系統(tǒng)的研究[J].光傳輸技術(shù)，2011（3）：29-32.

[6]李增.高速視頻數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)的物料層實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2009，35（11）：272-274.

作者簡介

周澤強(qiáng)（1985-），男，廣東汕頭人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。endprint

3 系統(tǒng)調(diào)試

該系統(tǒng)關(guān)鍵在于使用高速串行化數(shù)據(jù)通道，高達(dá)8.5Gbps。對于普通的印刷電路板材FR4已不能滿足使用高速串行線要求，需使用更低損耗的高級板材如M6。普通FR4板材每英寸長度信號損耗為0.608dB，而高級板材M6每英寸損耗小于0.2dB。同時(shí)高速串行化數(shù)據(jù)線走線越短越好，旁邊不能有敏感信號線如復(fù)位線，時(shí)鐘線等，最好能有一層完整地參考平面，保證高速串行化數(shù)據(jù)線的信號完整性。

對系統(tǒng)調(diào)試首先要對硬件進(jìn)行測試，包括測試電源噪聲、上電時(shí)序、信號質(zhì)量等。保證有硬件鏈路上設(shè)備是正常的。然后通過編寫FPGA程序?qū)Ω咚俅谢ǖ赖恼`碼率進(jìn)行測試。由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生PRBS碼流[6]，通過限幅放大器處理后，由光纖發(fā)送給接收端。在接收端進(jìn)行解碼。由于發(fā)送的數(shù)據(jù)為已知數(shù)據(jù)，可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤碼情況，要求誤碼率低于10E-12。如果發(fā)現(xiàn)誤碼率較大，較大可能是畫印刷電路板沒處理好高速串行化數(shù)據(jù)通道或者FPGA高速串行通道的參考時(shí)鐘不穩(wěn)定、差分信號線的交流耦合電容不匹配、電源噪聲大等問題導(dǎo)致。需要根據(jù)實(shí)際情況測試信號波形進(jìn)行排查。

4 結(jié)論

市面上越來越多使用4K*2K的顯示器或電視機(jī)，表明超高清視頻在視頻應(yīng)用中已逐步成為主流趨勢。本設(shè)計(jì)通過使用單根光纖，較好的解決了超高清視頻遠(yuǎn)距離傳輸存在的問題，與現(xiàn)有的一些視頻遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備相比有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1）分辨率范圍廣。

本發(fā)明可用于傳輸視頻分辨率范圍大，不僅可用于傳輸標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻和高清視頻，突出可傳輸分辨率超過1080P的超高清視頻。最大傳輸視頻分辨率可達(dá)到3840*2160。

2）傳輸距離遠(yuǎn)。

超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)根據(jù)光發(fā)送、光接收器件和光纖的選擇不同的，傳輸距離也有所不同。如果使用單模光纖進(jìn)行傳輸，最遠(yuǎn)可以傳輸幾十千米。

3）單根光纖雙向傳輸。

超高清視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)利用BOSA光組件，實(shí)現(xiàn)信號源與顯示器之間進(jìn)行單根光纖雙向傳輸。通過回傳顯示器的EDID信號，達(dá)到信號源智能識別顯示器最佳分辨率，同時(shí)降低光纖使用成本。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)?高速視頻光纖傳輸系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2012，35（9）：74-76，86.

[2]林康，劉敬彪，等.一路視頻雙向數(shù)據(jù)的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù)，2012（03）：33-35.

[3]林琳，王加賢，等.四路視頻和音頻信號的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（1）：35-38.

[4]趙柏山，郭名坤，等.基于FPGA的光纖與1.4標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口轉(zhuǎn)換方法[J].FPGA技術(shù)應(yīng)用，2013（8）：21-23.

[5]季旭東，李武森，等.多路視頻雙向光纖傳輸系統(tǒng)的研究[J].光傳輸技術(shù)，2011（3）：29-32.

[6]李增.高速視頻數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)的物料層實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2009，35（11）：272-274.

作者簡介

周澤強(qiáng)（1985-），男，廣東汕頭人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。endprint