无压缩视频空间传输系统设计
2014-10-20 11:01逯杨
科技资讯 2014年24期
逯杨
摘 要：当前，高清晰度视频正在成为主流，采用无压缩的视频传输方式可以避免压缩视频造成的视频质量的损失。结合空间传输的无线的优势，设计了一种传输HD-SDI的无压缩高清视频空间传输系统。
关键词：无压缩 HD-SDI 高清视频 空间传输
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0018-01
随着视频技术和光传输技术的不断发展，人类社会正在逐步进入高清时代，并向全高清时代发展。无压缩高清视频的有效传输是整个发展过程中非常重要的环节。相比普通有压缩的高清视频传输，无压缩高清视频激光传输具有以下优点。
（1）不失真原始图像。
（2）提供更丰富的细节，保持图像的原始性和完整性。
（3）高清实时性，图像延迟较低。
（4）通信频带宽、信息容量大：激光载波的频率很高，其信息承载能力极强。
（5）体积小、重量轻、功耗低。
由此看出，无压缩高清视频激光空间传输系统具有明显优势，无压缩高清视频激光传输会满足对视频传输的高清、实时、无线的要求。因此，这成为现在的研究热点之一。
1 系统总体结构设计
无压缩高清视频的空间传输系统主要由高清摄像机、线缆均衡模块和串/并转换模块、FPGA处理模块、光端机模块、HDMI发射模块和视频实时显示部分组成。其总体设计框图如图1所示。
系统工作过程如下。
（1）发射端：高清数字摄像机输出HD-SDI数字视频信号，经线缆均衡模块处理，补偿传输造成的衰减和去除频率失真对信号的影响，恢复出满足解串单元要求的LVDS电平信号；数据信号恢复模块进行HD-SDI时钟信号和视频数据的CDR（时钟数据恢复）处理，经恢复的串行数据发送给激光发射单元。视频数据在激光信道中传输。
（2）接收端：激光接收机接收串行数据；经线缆均衡模块再生高速串行差分信号；串并转换模块进行串/并转换后，将包含数据和时钟的并行信号发送给FPGA处理；FPGA进行格式的检测，提取出同步时钟和同步信息给 HDMI发送芯片，同时恢复音频数据和视频数据传输给 HDMI 发射芯片；HDMI模块则按照HDMI协议对传过来的数据打包处理并传输；最后，带有HDMI口的显示器接收HDMI信号，从而将视频显示出来。
2 重要理论
2.1 线缆均衡
由于高速串行信号在传输过程中会存在回波损耗和漏电流等问题，所以高速串行信号会出现很大的衰减。同轴电缆的传输损耗公式为：
上式中，K1和K2分别是同轴电缆的内导体和外导体的两个常数，它由导体的材质和形状决定；d和D分别表示内导体和外导体的直径（单位：cm）；εr是同轴电缆的外包介质相对介电常数。在传输线选定情况下，线缆的传输距离越长、传输信号频率越高损耗越大。
2.2 CDR（时钟数据恢复）
高速的HD-SDI信号是串行信号，想要直接处理串行信号存在一定的困难，因此，需要对串行信号进行解串处理，即将串行信号转化为并行信号，再通过FPGA或DSP对并行信号进行处理。串行信号中包含着丰富的时钟信息，我们可通过PLL（锁相环）恢复出时钟信息。
PLL 的系统函数为：
系统开环增益
其中KΦ是鉴相器的增益，Z（s）是低通滤波器的系统函数，KVCO/Ns表示了压控振荡器和N模计数器的系统函数。
3 硬件方案设计
3.1 发送端
线缆均衡使用GS1574，它来修复高速传输的HD-SDI串行信号的影响，数据时钟恢复采用GS1560A，另外GS1560A还需要GO1525作为外接的VCO。因为GS1560A集成了线缆驱动功能，所以不需要额外的线缆驱动芯片，可简化电路结构。信号从GS1560A的差分串口输出后，传送给激光发射机，通过空间大气信道发送出去。
3.2 接收端
激光接收机接收到大气信道传来的光信号转变为差分电信号；传递给线缆均衡模块GS1574，对信号进行修复；然后修复的高速串行HD-SDI信号传递给GS1560A，完成串行信号到并行信号的转换；GS1560A解串后会得到20bit并行数据信息和并行时钟信息，Cylone II 系列EP2C8 FPGA对这些并行HD-SDI信号进行格式转换，转换成适合HDMI芯片ANX9030发送的信号，其中HDMI驱动芯片选用89V51；HDMI芯片对数据进行打包并发送给显示器，最终将视频显示出来。
4 结语
实验证明，本文介绍一种全数字、无压缩数字视频空间传输系统工作稳定，监视器可清晰显示摄像头所拍摄的场景，实时传输效果好，传输无需有线信道。因此，该无压缩数字视频空间传输技术是未来传输系统的一个重要拓展。
参考文献
[1] 刘晓军.采用HD-SDI的高清视频采集卡的设计与实现[J].电视技术，2009，33 （1）：91-93.
[2] 刘欢.数字高清视频传输系统及其视频接口转换的设计[J].成都：电子科技大学，2010.
[3] 李鸿强，苗长云，刘晓军，等.HD-SDI数字视频信号处理及传输的FPGA设计与实现[J].计算机应用研究，2007，24（10）：269-272.
[4] Communication Specialties，INC. HDTV tandards and Practices for Digital Broadcasting.2009，10.
[5] Digital Content Protection LLC.High-bandwidth Digital Content Protection System.2008，10；
摘 要：当前，高清晰度视频正在成为主流，采用无压缩的视频传输方式可以避免压缩视频造成的视频质量的损失。结合空间传输的无线的优势，设计了一种传输HD-SDI的无压缩高清视频空间传输系统。
关键词：无压缩 HD-SDI 高清视频 空间传输
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0018-01
随着视频技术和光传输技术的不断发展，人类社会正在逐步进入高清时代，并向全高清时代发展。无压缩高清视频的有效传输是整个发展过程中非常重要的环节。相比普通有压缩的高清视频传输，无压缩高清视频激光传输具有以下优点。
（1）不失真原始图像。
（2）提供更丰富的细节，保持图像的原始性和完整性。
（3）高清实时性，图像延迟较低。
（4）通信频带宽、信息容量大：激光载波的频率很高，其信息承载能力极强。
（5）体积小、重量轻、功耗低。
由此看出，无压缩高清视频激光空间传输系统具有明显优势，无压缩高清视频激光传输会满足对视频传输的高清、实时、无线的要求。因此，这成为现在的研究热点之一。
1 系统总体结构设计
无压缩高清视频的空间传输系统主要由高清摄像机、线缆均衡模块和串/并转换模块、FPGA处理模块、光端机模块、HDMI发射模块和视频实时显示部分组成。其总体设计框图如图1所示。
系统工作过程如下。
（1）发射端：高清数字摄像机输出HD-SDI数字视频信号，经线缆均衡模块处理，补偿传输造成的衰减和去除频率失真对信号的影响，恢复出满足解串单元要求的LVDS电平信号；数据信号恢复模块进行HD-SDI时钟信号和视频数据的CDR（时钟数据恢复）处理，经恢复的串行数据发送给激光发射单元。视频数据在激光信道中传输。
（2）接收端：激光接收机接收串行数据；经线缆均衡模块再生高速串行差分信号；串并转换模块进行串/并转换后，将包含数据和时钟的并行信号发送给FPGA处理；FPGA进行格式的检测，提取出同步时钟和同步信息给 HDMI发送芯片，同时恢复音频数据和视频数据传输给 HDMI 发射芯片；HDMI模块则按照HDMI协议对传过来的数据打包处理并传输；最后，带有HDMI口的显示器接收HDMI信号，从而将视频显示出来。
2 重要理论
2.1 线缆均衡
由于高速串行信号在传输过程中会存在回波损耗和漏电流等问题，所以高速串行信号会出现很大的衰减。同轴电缆的传输损耗公式为：
上式中，K1和K2分别是同轴电缆的内导体和外导体的两个常数，它由导体的材质和形状决定；d和D分别表示内导体和外导体的直径（单位：cm）；εr是同轴电缆的外包介质相对介电常数。在传输线选定情况下，线缆的传输距离越长、传输信号频率越高损耗越大。
2.2 CDR（时钟数据恢复）
高速的HD-SDI信号是串行信号，想要直接处理串行信号存在一定的困难，因此，需要对串行信号进行解串处理，即将串行信号转化为并行信号，再通过FPGA或DSP对并行信号进行处理。串行信号中包含着丰富的时钟信息，我们可通过PLL（锁相环）恢复出时钟信息。
PLL 的系统函数为：
系统开环增益
其中KΦ是鉴相器的增益，Z（s）是低通滤波器的系统函数，KVCO/Ns表示了压控振荡器和N模计数器的系统函数。
3 硬件方案设计
3.1 发送端
线缆均衡使用GS1574，它来修复高速传输的HD-SDI串行信号的影响，数据时钟恢复采用GS1560A，另外GS1560A还需要GO1525作为外接的VCO。因为GS1560A集成了线缆驱动功能，所以不需要额外的线缆驱动芯片，可简化电路结构。信号从GS1560A的差分串口输出后，传送给激光发射机，通过空间大气信道发送出去。
3.2 接收端
激光接收机接收到大气信道传来的光信号转变为差分电信号；传递给线缆均衡模块GS1574，对信号进行修复；然后修复的高速串行HD-SDI信号传递给GS1560A，完成串行信号到并行信号的转换；GS1560A解串后会得到20bit并行数据信息和并行时钟信息，Cylone II 系列EP2C8 FPGA对这些并行HD-SDI信号进行格式转换，转换成适合HDMI芯片ANX9030发送的信号，其中HDMI驱动芯片选用89V51；HDMI芯片对数据进行打包并发送给显示器，最终将视频显示出来。
4 结语
实验证明，本文介绍一种全数字、无压缩数字视频空间传输系统工作稳定，监视器可清晰显示摄像头所拍摄的场景，实时传输效果好，传输无需有线信道。因此，该无压缩数字视频空间传输技术是未来传输系统的一个重要拓展。
参考文献
[1] 刘晓军.采用HD-SDI的高清视频采集卡的设计与实现[J].电视技术，2009，33 （1）：91-93.
[2] 刘欢.数字高清视频传输系统及其视频接口转换的设计[J].成都：电子科技大学，2010.
[3] 李鸿强，苗长云，刘晓军，等.HD-SDI数字视频信号处理及传输的FPGA设计与实现[J].计算机应用研究，2007，24（10）：269-272.
[4] Communication Specialties，INC. HDTV tandards and Practices for Digital Broadcasting.2009，10.
[5] Digital Content Protection LLC.High-bandwidth Digital Content Protection System.2008，10；
摘 要：当前，高清晰度视频正在成为主流，采用无压缩的视频传输方式可以避免压缩视频造成的视频质量的损失。结合空间传输的无线的优势，设计了一种传输HD-SDI的无压缩高清视频空间传输系统。
关键词：无压缩 HD-SDI 高清视频 空间传输
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0018-01
随着视频技术和光传输技术的不断发展，人类社会正在逐步进入高清时代，并向全高清时代发展。无压缩高清视频的有效传输是整个发展过程中非常重要的环节。相比普通有压缩的高清视频传输，无压缩高清视频激光传输具有以下优点。
（1）不失真原始图像。
（2）提供更丰富的细节，保持图像的原始性和完整性。
（3）高清实时性，图像延迟较低。
（4）通信频带宽、信息容量大：激光载波的频率很高，其信息承载能力极强。
（5）体积小、重量轻、功耗低。
由此看出，无压缩高清视频激光空间传输系统具有明显优势，无压缩高清视频激光传输会满足对视频传输的高清、实时、无线的要求。因此，这成为现在的研究热点之一。
1 系统总体结构设计
无压缩高清视频的空间传输系统主要由高清摄像机、线缆均衡模块和串/并转换模块、FPGA处理模块、光端机模块、HDMI发射模块和视频实时显示部分组成。其总体设计框图如图1所示。
系统工作过程如下。
（1）发射端：高清数字摄像机输出HD-SDI数字视频信号，经线缆均衡模块处理，补偿传输造成的衰减和去除频率失真对信号的影响，恢复出满足解串单元要求的LVDS电平信号；数据信号恢复模块进行HD-SDI时钟信号和视频数据的CDR（时钟数据恢复）处理，经恢复的串行数据发送给激光发射单元。视频数据在激光信道中传输。
（2）接收端：激光接收机接收串行数据；经线缆均衡模块再生高速串行差分信号；串并转换模块进行串/并转换后，将包含数据和时钟的并行信号发送给FPGA处理；FPGA进行格式的检测，提取出同步时钟和同步信息给 HDMI发送芯片，同时恢复音频数据和视频数据传输给 HDMI 发射芯片；HDMI模块则按照HDMI协议对传过来的数据打包处理并传输；最后，带有HDMI口的显示器接收HDMI信号，从而将视频显示出来。
2 重要理论
2.1 线缆均衡
由于高速串行信号在传输过程中会存在回波损耗和漏电流等问题，所以高速串行信号会出现很大的衰减。同轴电缆的传输损耗公式为：
上式中，K1和K2分别是同轴电缆的内导体和外导体的两个常数，它由导体的材质和形状决定；d和D分别表示内导体和外导体的直径（单位：cm）；εr是同轴电缆的外包介质相对介电常数。在传输线选定情况下，线缆的传输距离越长、传输信号频率越高损耗越大。
2.2 CDR（时钟数据恢复）
高速的HD-SDI信号是串行信号，想要直接处理串行信号存在一定的困难，因此，需要对串行信号进行解串处理，即将串行信号转化为并行信号，再通过FPGA或DSP对并行信号进行处理。串行信号中包含着丰富的时钟信息，我们可通过PLL（锁相环）恢复出时钟信息。
PLL 的系统函数为：
系统开环增益
其中KΦ是鉴相器的增益，Z（s）是低通滤波器的系统函数，KVCO/Ns表示了压控振荡器和N模计数器的系统函数。
3 硬件方案设计
3.1 发送端
线缆均衡使用GS1574，它来修复高速传输的HD-SDI串行信号的影响，数据时钟恢复采用GS1560A，另外GS1560A还需要GO1525作为外接的VCO。因为GS1560A集成了线缆驱动功能，所以不需要额外的线缆驱动芯片，可简化电路结构。信号从GS1560A的差分串口输出后，传送给激光发射机，通过空间大气信道发送出去。
3.2 接收端
激光接收机接收到大气信道传来的光信号转变为差分电信号；传递给线缆均衡模块GS1574，对信号进行修复；然后修复的高速串行HD-SDI信号传递给GS1560A，完成串行信号到并行信号的转换；GS1560A解串后会得到20bit并行数据信息和并行时钟信息，Cylone II 系列EP2C8 FPGA对这些并行HD-SDI信号进行格式转换，转换成适合HDMI芯片ANX9030发送的信号，其中HDMI驱动芯片选用89V51；HDMI芯片对数据进行打包并发送给显示器，最终将视频显示出来。
4 结语
实验证明，本文介绍一种全数字、无压缩数字视频空间传输系统工作稳定，监视器可清晰显示摄像头所拍摄的场景，实时传输效果好，传输无需有线信道。因此，该无压缩数字视频空间传输技术是未来传输系统的一个重要拓展。
参考文献
[1] 刘晓军.采用HD-SDI的高清视频采集卡的设计与实现[J].电视技术，2009，33 （1）：91-93.
[2] 刘欢.数字高清视频传输系统及其视频接口转换的设计[J].成都：电子科技大学，2010.
[3] 李鸿强，苗长云，刘晓军，等.HD-SDI数字视频信号处理及传输的FPGA设计与实现[J].计算机应用研究，2007，24（10）：269-272.
[4] Communication Specialties，INC. HDTV tandards and Practices for Digital Broadcasting.2009，10.
[5] Digital Content Protection LLC.High-bandwidth Digital Content Protection System.2008，10；
