FPGA的3G高清视频信号转换接口设计分析

FPGA的3G高清视频信号转换接口设计分析

李煜乾 ,武鹏飞 ,董帅良 ,王乾 ,汪润

北方自动控制技术研究所，030006

摘要：在我国现代数字电视技术迅速发展的背景下，目前高清电视节目的高质量建设以及传输已经得到了大范围的推广与应用。显而易见的是，信息时代背景下的电视节目制作标准已经被不断完善并落实了统一规范制度，逐步得到了多家设备制造厂商的高度认可，而高清电视节目的制作市场也已经成为各大设备制造厂商所关注的行业热点内容。从目前的发展现状来看，大部分高清电视节目的制作上都采用了SDI口来落实电视信号的摄入与传输，但由于其生产成本较高，所以很难实现大范围高清视频制作的推广。对此，本文基于FPGA的3G高清视频信号转换接口系统的设计方案进行阐述，重点分析其系统建设的指标需求，并针对该系统的主要工作流程进行阐述，在全面提升节目质量建设的前提下，满足高清视频大范围推广的必然趋势。

关键字：FPGA；3G高清视频信号；转换接口设计

前言：随着我国现代科学技术水平的迅速发展，进一步提升了我国广大人民群众的活质量，而高清设备也在多媒体技术迅速提升的背景下得到了快速推广。从目前的发展现状来看，数字高清不仅在很大范围内改善了人们的生活方式，同时更成为未来携式电子显示设备所必备的重要特征。需要注意的是，在数字高清发展逐步落实的大环境下，虽然高清设备的混乱使用却导致我国现代数字视频业务没有得到深入推广，但仍然清晰可见现代高清市场行业已经逐步迈向的规范化与统一化的发展历程，并逐步成为各大设备制造厂商争夺的行业热点。基于此背景下，如何进一步提升高清电视节目制作在传输接口上的建设标准，也成为未来数字电视技术创新发展的必然趋势。

1.基于FPGA的3G高清视频信号转换接口系统设计方案

如图一所示，为本文在针对基于FPGA的3G高清视频信号转换接口系统设计的总框图，可明显看出的是，本系统设计总体可分为三大模块，即输入模块、转换模块以及输出模块。

  在这一系统设计流程当中，由于传统的SDI格式视频信号在电缆中的距离将会由于距离过长产生信号传输的衰减或畸变的现象，所以本系统在设计信号输入的过程当中首先就优先采用了均衡器以及始终恢复器设备来针对输入端的信号质量进行初次恢复，然后再将被恢复后的数据进行串联、转换、解忧等一系列的信号校验操作，以此生成以20 bit并行数据【1】以及一个同步像素时钟数据为主的信号状态。

  其次，在本系统的转换模块当中，清晰可见在转换过程当中必须要优先针对这类数据展开TRS标志的自检测，并针对其数据内部所包含的有效像素、辅助数据以及信息类型展开多样化的识别，然后再实现音频数据的高效提取，满足音频数据的缓存、传输、持续调整、串联等基础操作，继而在针对视频数据进行持续调整的基础上，输入到最终的格式转换芯片当中。最后，在系统的输出模块利用当中，还应当针对经过专用格式转变后的视频信号以及数据调整后的音频信号，利用HDMI编码进入到HDMI输入接口的显示器当中，以此来完成整个高清视频的信号转换接口流程。

图一  基于FPGA的3G高清视频信号转换接口系统设计框图

2.基于FPGA的3G高清视频信号转换接口系统指标需求

  2.1SDI接口的指标要求

  相比于传统的SDI接口指标要求来说，基于3G高清视频信号下的SDI输出接口必须要采用不平衡的输出模式【2】。例如，其输出接口的回波损耗必须大于等于1 5dB且将其信号输出的幅值控制在800mVp-p±10% 。

  2.2HDMI接口的指标要求

  最大输出分辨率：1920×1080接口类型：A型19针。

3.基于FPGA的3G高清视频信号转换接口系统工作流程

首先，在输入模块中，所利用到的3G-SDI高清视频串行信号必须要利用BNC的接头进行接入设计。这也是由于从上文中可以了解到信号在经过长距离的传输状态下将会产生不同程度的衰减以及畸变状态，所以必须要在传输的过程当中，经过线缆均衡作用，以及时钟恢复处理后再生成对应的串号差分信号。这样一来，串行差分信号也能够直接利用专用的内部新换芯片串并转换器进行一系列的信号接收操作，并针对所接收到的TRS信号展开接收视频标准的定时提取识别行为【3】。这里需要注意的是，视频标准的提取识别主要是指针对两个完全相同数据中的任意时间参数进行测量，然后再用数据流速率的测定方式展开两个数据流间的数据数据测验操作，最后输出相同的并行数据以及同一个同步像素时钟下的数据。

  其次，在转换模块中，输出模块所产生的并行数据以及时钟数据将会被同步送入到FPGA当中，这时系统内部的数据流中所包含的音频数据以及视频数据是处于复合状态的，所以在进入到FPGA后，还应当利用FPGA针对数据开展不同类型的数据采集、缓存以及解析等一系列环节，然后再利用特定的软件程序实现音频信号在视频信号当中的解嵌作用。这样一来，也能够在视频信号送入到专用格式转换芯片并落实转换格式的工作状态下，将格式转换后的视频信号以及音频信号都送入到HDMI驱动器当中，以此来保障转换芯片输出控制的精准度。

  最后，在输出模块中，由于在HDMI链路中所传输的TMDS信号是最小化的传输差分信号，所以在这一模块当中还应当针对上两个模块中所处理后的音频信号以及视频信号展开TMDS编码芯片的统一编码历程，待编码过后即可利用专用的高清驱动芯片将信号输入到高清视频当中，实现专业化的输出监看效应。

结论：

综上所述，为了进一步满足我国未来电视制造行业发展的真实需求，实现针对录制视频信号的实时监管效应，满足我国广大人民群众对于高清视频观看的根本需求，令高清电视节目走进千家万户，就必须要落实基于FPGA的3G高清视频信号转换接口系统系统建设。基于此背景下，本文在基于FPGA的3G高清视频信号转换接口系统设计解决方案上，主体采用了低端FPGA进一步满足了对于高清视频数据的信息处理，有效降低了高清视频的接收成本。这一设计结果的大范围推广，除了能够全面降低高清视频的收看成本之外，也进一步推动了我国未来高清视频业务的范围推广，而满足高清视频在信号上的环路传输目标以及视频延时等功能，也必将成为未来系统接口转换设计的主体研究方向，打造多功能模块系统为一体的转换接口系统平台。

参考文献：

[1]孔俊涛,朱向冰,朱标,张青,陈瑾,黄少肃,沈丙娇.基于FPGA的视频信号转换系统设计[J].光电技术应用,2022,37(01):67-73.
[2]黄荣铭. 基于FPGA的4K HDMI至12G-SDI信号格式转换技术的研究与设计[D].福州大学,2018.
[3]李星. 高清数字视频信号的HDMI与SDI接口双向转换系统硬件部分设计与实现[D].北京邮电大学,2011.