實(shí)時(shí)攝像視頻至3g-sdi視頻轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)攝像視頻至3g-sdi視頻轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

0基于3g-sdi視頻轉(zhuǎn)換pal系統(tǒng)通常用于模擬視頻。pal使用75uf057抗逆軸電纜，接收720.576hz的模擬視頻，并滿足28.4、320.256、1938.288和640.01的一般探測(cè)器的成像需求。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)字視頻的應(yīng)用變得越加廣泛,而數(shù)字視頻相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬視頻,在抗干擾、數(shù)據(jù)傳輸量等方面均有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)隨著熱成像探測(cè)器已經(jīng)開始步入高清、超高清分辨率后,PAL制模擬視頻輸出開始無法滿足熱成像探測(cè)器的成像需求。因而當(dāng)前很多熱像系統(tǒng)出于高速數(shù)據(jù)傳輸以及調(diào)試便捷的考慮,均采用CameraLink標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻輸出熱圖像。但是當(dāng)傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的時(shí)候就出現(xiàn)了一個(gè)問題。CameraLink和PAL這兩種視頻格式在傳輸上無法兼容。如果要更換75uf057同軸電纜,勢(shì)必要在較大程度上改變傳統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)部電纜的走線布局,無法做到新模塊即插即用,將會(huì)大大增加技術(shù)升級(jí)的工作量。此時(shí)利用3G-SDI(3generationserialdigitalinterface)視頻格式就能很好地解決這個(gè)矛盾。1994年,ITU-R發(fā)布了BT656-2建議書,定義了最初的SDI串行數(shù)字接口,該接口采用10bit數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)速率270Mb/s,很快在數(shù)字廣播、電影、電視行業(yè)設(shè)備上被采用。此接口使用通用的75uf057同軸電纜與連接器,原有系統(tǒng)中的大量已敷設(shè)電纜得以再利用2005年,ITU-R在BT1120-6建議書以及SMPTE424M中給出了第三代SDI(3G-SDI)標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)采用2.97Gb/s數(shù)據(jù)率,最高支持1080P@60Hz的高清圖像傳輸。SDI的物理層可以采用特性阻抗為75uf057或50uf057的接頭與同軸電纜,以及特性阻抗為100uf057的平衡雙絞線與接頭SDI信號(hào)是無壓縮的數(shù)字視頻信號(hào),不存在因壓縮造成的畫質(zhì)下降以及延遲。傳輸HD-SDI信號(hào)時(shí)距離可達(dá)150m。因此,在一定范圍內(nèi)組建系統(tǒng)時(shí)可以不必太注意電纜的性能于是當(dāng)傳統(tǒng)系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)改造時(shí),只需要在熱像系統(tǒng)輸出端接入一個(gè)CameraLink至SDI的轉(zhuǎn)接電路,接收端換裝具有SDI接收功能的數(shù)字顯示器即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路,除了采用FPGA作為主處理芯片外,還需要采用專用SDI轉(zhuǎn)換芯片,將并行的數(shù)字視頻進(jìn)行串化,之后再將信號(hào)發(fā)送出去,且一塊專用芯片只能實(shí)現(xiàn)一路視頻的轉(zhuǎn)換。同時(shí)SDI轉(zhuǎn)換芯片將會(huì)占用較大的電路板面積,增加相應(yīng)的配屬電路,使得轉(zhuǎn)換電路難以小型化。本文將介紹利用XilinxXc6slx45tFPGA的高速GTP(gigabittransceiverwithlowpower)串行收發(fā)器,實(shí)現(xiàn)將CameraLink視頻轉(zhuǎn)換為3G-SDI視頻的過程。采用該方法可以將并串轉(zhuǎn)換的邏輯功能在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn),取消SDI專用轉(zhuǎn)換芯片,僅需要搭配接口驅(qū)動(dòng)芯片即可,因而可以在小規(guī)模電路上實(shí)現(xiàn)雙路SDI信號(hào)輸出。1基于差分電流模式邏輯GTP是低功耗千兆位收發(fā)器的簡(jiǎn)稱。Spartanxad6LXT器件的GTP收發(fā)器支持最高3.2Gb/s的收/發(fā)數(shù)據(jù)率。每個(gè)GTP收發(fā)器都擁有大量用戶可定義的特性和參數(shù),并能夠在器件的配置過程中完成用戶自定義GTP的發(fā)射器從根本上來說是一個(gè)并串轉(zhuǎn)換器,將并行信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇行盘?hào),使用差分電流模式邏輯(currentmodelogic,CML)輸出信號(hào)。同理GTP接收器實(shí)質(zhì)為一個(gè)串并轉(zhuǎn)換器,可將輸入的串行差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)于是可以利用FPGA內(nèi)部邏輯資源將并行數(shù)字視頻信號(hào)通過GTP轉(zhuǎn)換為串行CML信號(hào)輸出,再利用SDI電纜驅(qū)動(dòng)芯片將CML信號(hào)轉(zhuǎn)換為滿足SMPTE規(guī)定的電氣要求的串行信號(hào)。2sdi線程信號(hào)的生成說明串行信號(hào)的產(chǎn)生過程如圖1所示3實(shí)現(xiàn)電路3.1同軸電纜接插件本電路設(shè)計(jì)電路的硬件構(gòu)架如圖2、圖3。電路以Xc6slx45tFPGA為核心處理器件,該器件包含4個(gè)GTP收發(fā)器,實(shí)際只使用其中兩個(gè)發(fā)送器,作為SDI視頻的輸出。外部采用LMH0302電纜驅(qū)動(dòng)芯片,進(jìn)行接口電氣轉(zhuǎn)換,即可將SDI信號(hào)發(fā)送出去。雙路SDI一路采用標(biāo)準(zhǔn)的75uf057特征阻抗的同軸電纜接插件,一路采用50uf057的小型接插件。對(duì)于一些小型化要求較高的情況,利用50uf057同軸電路輸出,取消75uf057同軸電纜接插件以減小結(jié)構(gòu)尺寸。電路利用兩片ADV7391視頻DA實(shí)現(xiàn)兩路獨(dú)立的PAL制模擬輸出;利用DS90CR286芯片實(shí)現(xiàn)將串行LVDS的CameraLink視頻流轉(zhuǎn)換為TTL并行視頻信號(hào),采用MT41J128M8DDR3存儲(chǔ)器作為幀存,對(duì)輸入視頻進(jìn)行緩沖。電路還具備3路422通信接口可實(shí)現(xiàn)命令的接收和轉(zhuǎn)發(fā),另外具備一路232維護(hù)串口。電路還可以接受外同步,并轉(zhuǎn)發(fā)外同步。整個(gè)電路板結(jié)構(gòu)尺寸為50mm×50mm。若包含75uf057同軸電纜接插件則尺寸為70mm×50mm。3.2視頻編碼模塊FPGA內(nèi)部處理流程如圖4所示。FPGA內(nèi)部通過IP核Multi-PortMemoryController(MPMC)開辟5個(gè)DDR3的訪問接口每一路視頻輸出都有一個(gè)獨(dú)立的視頻編碼模塊,對(duì)于SDI輸出進(jìn)行SMPTE425M編碼,對(duì)PAL輸出進(jìn)行CCIR656編碼。編碼后形成并行的數(shù)字視頻流。對(duì)于SDI通路還需要進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和NRZI編碼,之后便可輸出;對(duì)于PAL通道則可以直接將視頻流送入DA轉(zhuǎn)換器形成模擬PAL視頻。分劃菜單模塊利用FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)器搭建,存儲(chǔ)需要顯示的分劃/菜單數(shù)據(jù),可根據(jù)視頻編碼模塊的時(shí)序,提取分劃/菜單數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,形成帶分劃/菜單的視頻流。利用FPGA內(nèi)部資源搭建MicroBlaze軟核,構(gòu)建時(shí)選用4個(gè)UART模塊,3個(gè)用于通信422接口,一個(gè)用于維護(hù)232接口。MicroBlaze軟核可以編寫C程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的通信接收轉(zhuǎn)發(fā)功能,極大地加快開發(fā)速度。同步模塊可接收外部同步,可將同步用于內(nèi)部編碼模塊,也可將同步轉(zhuǎn)發(fā)給前端的熱像系統(tǒng)。3.3圖像顯示正常輸出,無明顯噪聲經(jīng)測(cè)試,短距離下SDI雙路(75uf057/50uf057)接口均可輸出1080P@60Hz的圖像,并正常顯示工作穩(wěn)定。長(zhǎng)距離傳輸還未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。CameraLink接口能夠正常接收CameraLink視頻。2路PAL通道能夠正常輸出PAL模擬視頻且無明顯噪聲。CameraLink和SDI(2.97Gb/s)的高速數(shù)字信號(hào)并沒有對(duì)模擬視頻產(chǎn)生干擾。全部功能運(yùn)行下電路板功耗約為4.5W。4外同及外同步視頻同步轉(zhuǎn)發(fā)本文介紹了基于Xc6slx45tFPGA的CameraLink至3G-SDI的視頻轉(zhuǎn)換電路。電路能夠?qū)⑤斎氲腃ameraLink視頻轉(zhuǎn)換為2路3G-SDI視頻和2路PAL模擬視頻;同時(shí)具備3路422通信接口,1路RS232維護(hù)接口;可以實(shí)現(xiàn)外同以及外同步轉(zhuǎn)發(fā)?？稍谝曨l流上疊加分劃字符。由于不需要使用專用的SDI解串芯片,系統(tǒng)可以大量減少相關(guān)元件的使用;同時(shí),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證短距離內(nèi)可以使用小型50uf057同軸接插件,使得系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的SDI接口電路具有小型化特點(diǎn)(50mm×50mm)便于傳統(tǒng)系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)改造。當(dāng)不需要全部輸出時(shí),可降低部分功耗。特別當(dāng)視頻輸入的輸入完全同步且