摘 要 針對(duì)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(hào)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(hào)；光纖通信

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

近年來，超高清視頻信號(hào)（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(shì)。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)視頻質(zhì)量的要求越來越高，對(duì)視頻傳輸距離要求越來越遠(yuǎn)[1]。但因超高清視頻信號(hào)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(hào)的信號(hào)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(hào)數(shù)據(jù)量大，傳輸速率高，使用平衡電纜傳輸信號(hào)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(hào)通過簡(jiǎn)單的光電轉(zhuǎn)換將TMDS信號(hào)轉(zhuǎn)換成4個(gè)光信號(hào)，通過4條光纖進(jìn)行傳輸。這樣造成了現(xiàn)場(chǎng)布線困難，最小化傳輸差分信號(hào)（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(hào)源無法讀取顯示器的擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)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(hào)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(hào)源發(fā)送端，光纖，顯示器接收端。如圖1所示。信號(hào)源發(fā)送端接收來自顯示器接收端發(fā)送過來的光信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的EDID信號(hào)給信號(hào)源（PC或其它），使信號(hào)源端能夠識(shí)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(hào)源發(fā)送端將信號(hào)源端的超高清分辨率視頻信號(hào)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(hào)，使用光波分復(fù)用模塊由同一根光纖將光信號(hào)傳輸給顯示器接收端。

而顯示器接收端將EDID信號(hào)通過串并轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換變成光信號(hào)，傳輸給信號(hào)源發(fā)送端，同時(shí)接收來自信號(hào)源發(fā)送端的光信號(hào)，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(hào)，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(dòng)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(tái)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(dòng)器MAX3946接收8.5Gbps高速串行數(shù)據(jù)電信號(hào)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(dòng)器驅(qū)動(dòng)BOSA光組件發(fā)送。而限幅放大器MAX3945對(duì)互阻放大器產(chǎn)生的電信號(hào)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(hào)，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(hào)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(chǎng)RGB信號(hào)。視頻信號(hào)的采樣頻率為148.5 MHz。48位的RGB信號(hào)連同場(chǎng)同步信號(hào)VS，行同步信號(hào)HS、數(shù)據(jù)有效信號(hào)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(hào)的部分消隱區(qū)，場(chǎng)同步信號(hào)VS、行同步信號(hào)HS、數(shù)據(jù)有效信號(hào)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(hào)，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(hào)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(hào)屬于低速信號(hào)，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(duì)數(shù)據(jù)放進(jìn)FIFO一級(jí)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(hào)經(jīng)過格式處理后，依次把場(chǎng)同步信號(hào)VS、行同步信號(hào)HS、數(shù)據(jù)有效信號(hào)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(huì)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?jiǎng)澐諪IFO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(duì)數(shù)據(jù)和同步信號(hào)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(duì)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(jí)板材如M6。普通FR4板材每英寸長(zhǎng)度信號(hào)損耗為0.608dB，而高級(jí)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(hào)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(hào)完整性。

對(duì)系統(tǒng)調(diào)試首先要對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試，包括測(cè)試電源噪聲、上電時(shí)序、信號(hào)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(cè)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(hào)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(cè)試信號(hào)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(shì)。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(hào)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(hào)，達(dá)到信號(hào)源智能識(shí)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(cè)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(hào)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(jiǎn)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(duì)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(jí)板材如M6。普通FR4板材每英寸長(zhǎng)度信號(hào)損耗為0.608dB，而高級(jí)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(hào)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(hào)完整性。

對(duì)系統(tǒng)調(diào)試首先要對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試，包括測(cè)試電源噪聲、上電時(shí)序、信號(hào)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(cè)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(hào)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(cè)試信號(hào)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(shì)。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(hào)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(hào)，達(dá)到信號(hào)源智能識(shí)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(cè)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(hào)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(jiǎn)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(duì)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(jí)板材如M6。普通FR4板材每英寸長(zhǎng)度信號(hào)損耗為0.608dB，而高級(jí)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(hào)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(hào)完整性。

對(duì)系統(tǒng)調(diào)試首先要對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試，包括測(cè)試電源噪聲、上電時(shí)序、信號(hào)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(cè)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(hào)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(cè)試信號(hào)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(shì)。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(hào)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(hào)，達(dá)到信號(hào)源智能識(shí)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(cè)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(hào)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(jiǎn)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