基于FPGA的4K HDMI至12G-SDI信号格式转换技术的研究与设计

发布时间：2020-09-11 21:04

　　 数字化多媒体技术取得了飞速发展,数字视频行业正快速迈向4K超高清时代,随着支持4K超高清分辨率的硬件设备日益繁多,支持4K信号传输的多种信号接口也就孕育而生,HDMI信号接口作为4K电视以及多媒体设备的标准接口,已经广泛应用于各种消费类电子上,SDI信号接口则广泛应用于专业广播视频制作设备中。由于不同接口所支持的信号传输标准不同,不同的信号源无法在不同接口的设备中直接实现传输,接口多样化使得单一的显示设备很难拥有所有的接口来兼容不同的信号源,在超高清视频领域的接口信号转换便成为了一个需要解决的问题,因此,支持4K分辨率的HDMI至12G-SDI信号格式转换技术将具有重要的研究与设计意义和较广阔的市场应用价值。本文以HDMI解码芯片和FPGA为基础,结合像素数据拼接、图像分割、数据流映射、音频数据封装、数据嵌入以及数据流复用等技术,设计并实现了信号格式转换系统,能够满足具有SDI接口的专业4K视频制作设备对HDMI信号输入的需求,主要包括4K HDMI信号接收解码、12G-SDI视频信号编码、12G-SDI音频信号嵌入和12G-SDI串行输出四个模块。本文的主要工作内容如下:(1)在掌握HDMI2.0协议标准以及12G-SDI相关的SMPTE标准的基础上,深入研究HDMI解码,12G-SDI信号编码以及音频嵌入12G-SDI的实现方法。(2)从信号格式转换系统应用角度出发,详细分析信号格式转换的功能和性能需求,在权衡各种设计方案的复杂度和硬件成本情况下制定出本次课题设计的方案并进行相关芯片的选型,并运用分层理念进行系统总体设计和模块划分。(3)对系统各个模块进行具体的设计与实现。(4)对所设计的信号格式转换系统进行功能和性能测试。实际测试结果表明,所设计的信号格式转换系统能够实现4K分辨率的HDMI视频源正确转换为12G-SDI视频信号输出,12G-SDI输出信号的物理层特性符合SMPTE标准,转换后的4K画面清晰流畅,视音频同步,达到预期设计目标。本文所设计的基于FPGA的4K HDMI至12G-SDI信号格式转换系统具有模块功能分工明确、转换延时低、转换稳定度高、设计硬件成本较低的特点。本课题的研究成果对于4K领域的HDMI转SDI信号格式转换器具有实际应用价值,对其他类型的信号格式转换器设计也具有一定的借鉴意义。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN941.1
【部分图文】：

逦？逡逑图２－１邋ＨＤＭＩ系统结构逡逑ＨＤＭＩ系统结构如图２－１所示，ＨＤＭＩ包含了邋３个ＴＭＤＳ传输通道用于传输视逡逑频（Ｖｉｄｅｏ）、音频（Ａｕｄｉｏ）、辅助数据（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ），还有１个ＴＭＤＳ时钟通道，用逡逑于传递时钟信号保证所需的统一时序［１１］，在一个时钟下，每个ＴＭＤＳ通道传输ｌＯｂｉｔ逡逑数据流，这ｌＯｂｉｔ数据流可以通过不同的编码格式构成。ＨＤＭＩ２．０标准规定包括支持逡逑ＢＴ．２０２０邋Ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙ的ｌＯｂｉｔ以上色深，ＨＤＭＩ２．０标准支持４ＩＣ的格式如下表２－１所逡逑不。逡逑逦表２－１邋ＨＤＭＩ２．０所支持的４Ｋ格式逦逡逑信号逦色深逦ｍｍ逦编码格式逦逡逑２１６０Ｐ逦１０／１２ｂｉｔｓ逦２４／２５／３０Ｈｚ逦ＲＧＢ／４：２：２／４：４：４逡逑２１６０Ｐ逦１０／１２ｂｉｔｓ逦５０／６０Ｈｚ逦ＹＣｂＣｒ邋／ＲＧＢ／４：２：０／４：２：２逦逡逑由于ＨＤＭＩ支持的格式众多以及我们本次设计时间以工作量有限，所以选取了逡逑分辨率为２１６０Ｐ，色深为ｌＯｂｉｔ，帧率为６０Ｈｚ，编码格式为ＹＣｂＣｒ邋４：２：２的ＨＤＭＩ视逡逑频源作为设计样本，２１６０Ｐ的视频图像帧一共需要传递４４００ｘ２２５０个像素点，采用逡逑ＹＣｂＣｒ邋４：２：２格式时

逑据包括音频数据（Ａｕｄｉｏ邋Ｄａｔａ），有效载荷识别（Ｐａｙｌｏａｄ邋Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ），时间码数据（Ｔｉｍｅ逡逑Ｃｏｄｅ邋Ｄａｔａ）邋［２３］。ＳＤＩ—行数据流格式如下图２－３所示。逡逑ＥＡＶ＋逡逑ＬＮ＋邋行消隐区邋ＳＡＶ逦有效视频像素区逦……逡逑ＣＲＣ逡逑图２－３邋ＳＤＩ—行数据流格式逡逑ＳＤＩ信号为未经压缩的数字信号，在传输过程中采用自同步和自时钟机制。在接逡逑收端通过检测特定的同步字节ＥＡＶ和ＳＡＶ来处理帧数据，ＳＤＩ数据流中没有携带时钟逡逑信号，它的原始视音频数据是采用ＮＲＺ邋（归零码），这样就有可能出现长的连续“０”逡逑或者连续“１”，会导致时钟信息缺乏，因此ＳＤＩ信号在输出前采用ＬＳＲ线性反馈移位逡逑寄存器对数据进行扰码处理，编码成ＮＲＺＩ（反向不归零码），以减少连续“０”和“１”逡逑的出现，使得电平跳变数增多，时钟信息更加丰富，时钟信息提取更加容易，方便解逡逑码。编码的具体过程是通过两个生成多项式来实现编码，用生成多项式如公式２－３所逡逑示：逡逑Ｇ＾Ｘ）邋＝ｘ９邋＋邋ｘ４邋＋邋１逦公式（２－３）逡逑来实现ＮＲＺ扰码

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本文编号：2817173