趙宇紅，樂雄志，曾 雷

（1.北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100144;2.北京冠華天視數(shù)碼科技有限公司，北京 100070）

HDMI車站終端顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙宇紅1，樂雄志1，曾 雷2

（1.北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100144;2.北京冠華天視數(shù)碼科技有限公司，北京 100070）

針對當(dāng)前地鐵車站終端顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)高清顯示的需求，提出了一套基于光纖的HDMI高清終端顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。介紹了廣播電視領(lǐng)域廣泛使用的SDI和HDMI接口標(biāo)準(zhǔn)及其關(guān)鍵技術(shù)，闡述了系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)和各模塊具體功能。系統(tǒng)以FPGA為編碼核心，以STC單片機(jī)為控制中心，實(shí)現(xiàn)SDI音視頻信號的高標(biāo)清轉(zhuǎn)換、圖像縮放，以及多路高清HDMI信號編碼輸出。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果證明系統(tǒng)具有很好的兼容性和穩(wěn)定性。

HDMI;FPGA;SDI;光纖傳輸

【本文獻(xiàn)信息】趙宇紅，樂雄志，曾雷.HDMI車站終端顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

當(dāng)前，城市軌道交通迅猛發(fā)展，已成為國家交通的重要組成部分。終端顯示系統(tǒng)作為整個(gè)軌道交通重要的組成部分，其必須具備高速信號的實(shí)時(shí)處理能力，以確保終端顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)高清顯示，同時(shí)系統(tǒng)還必須具備高度的可靠性和穩(wěn)定性以適應(yīng)地鐵車站的復(fù)雜環(huán)境。

目前在地鐵車站內(nèi)傳輸?shù)氖荢DI廣播電視信號，但是SDI信號不能直接顯示在消費(fèi)類電子顯示屏上。一般情況下，傳統(tǒng)的終端顯示系統(tǒng)將SDI信號轉(zhuǎn)換為模擬音視頻信號，但是會帶來很大的信號轉(zhuǎn)換損耗，而且設(shè)備連接很復(fù)雜。隨著HMDI接口技術(shù)的發(fā)展，HDMI相對于其他的視頻接口有帶寬高、連接簡單和保密性好的巨大優(yōu)勢，而且能直接在LCD上顯示。因此，地在鐵車站內(nèi)將SDI信號轉(zhuǎn)換為HDMI接口信號是一種必然趨勢。同時(shí)隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳輸?shù)淖畲髱捒梢赃_(dá)到100 Tbit/s［1］，因此在地鐵車站中越來越趨向采用光纖代替同軸電纜傳來輸廣播SDI信號，以滿足實(shí)時(shí)高清顯示的要求。筆者設(shè)計(jì)的高清終端顯示系統(tǒng)，將光和電SDI信號轉(zhuǎn)換為多路HDMI信號輸出。系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，兼容性好。

1 數(shù)字音視頻接口標(biāo)準(zhǔn)

1.1 SDI串行接口

SDI接口是美國電影與電視工程師學(xué)會（SMPTE）基于非歸零反相編碼定義的視頻標(biāo)準(zhǔn)接口。在廣播電視領(lǐng)域，SDI接口用于傳送不壓縮的音視頻信號。SDI信號以4∶2∶2方式對視頻亮度和色度采樣形成，主要分為720×576格式的SD－SDI和1 920×1 080格式的HD－SDI信號，傳輸速度分別為270 Mbit/s和1.485 Gbit/s。其最大優(yōu)點(diǎn)就是能在視頻行和列消隱區(qū)嵌入大量的音頻和輔助數(shù)據(jù)。依據(jù)STM259標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以嵌入的音頻最少2路，最多16 路［2］。

1.2HDMI接口

HDMI是由國際高清多媒體接口組織制定的一種全新數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)。它可以同時(shí)傳輸高清視頻信號和數(shù)字音頻信號，傳輸數(shù)據(jù)帶寬高達(dá)10.2 Gbit/s。HDMI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體框圖如圖1所示［3］。

圖1 HDMI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體框圖

視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)在3條TMDS數(shù)據(jù)通道上傳送。TMDS時(shí)鐘通道傳送視頻像素時(shí)鐘，作為數(shù)據(jù)通道上數(shù)據(jù)恢復(fù)的參考頻率。HDMI數(shù)據(jù)傳輸過程分成視頻數(shù)據(jù)傳輸期、數(shù)據(jù)島數(shù)據(jù)傳輸期和控制數(shù)據(jù)傳輸期3個(gè)周期。視頻數(shù)據(jù)傳輸期和數(shù)據(jù)島數(shù)據(jù)傳輸期分別傳輸經(jīng)過HDMI編碼的10位TMDS視頻流和10位TMDS音頻流?？刂茢?shù)據(jù)傳輸期傳輸控制數(shù)據(jù)，表明下一個(gè)周期是視頻數(shù)據(jù)傳輸期還是數(shù)據(jù)島數(shù)據(jù)傳輸期。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

一般在一個(gè)地鐵車站放置多個(gè)通過光纖或同軸電纜級聯(lián)的HDMI高清終端，每個(gè)終端連接4～5個(gè)LCD顯示屏。終端系統(tǒng)將車站播控中心傳輸來的廣播高標(biāo)清SDI信號轉(zhuǎn)換為多路HDMI信號輸出至車站大廳內(nèi)的LCD顯示屏，實(shí)現(xiàn)高清音視頻信號實(shí)時(shí)穩(wěn)定顯示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為SDI輸入部分、FPGA處理部分、HDMI處理部分和MCU控制部分，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。SDI輸入部分要能兼容光輸入和電信號輸入，對輸入的SDI信號進(jìn)行均衡恢復(fù)并解嵌出音頻數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號。FPGA處理部分對音視頻進(jìn)行處理，并按照HDMI協(xié)議將音頻和視頻編碼為HDMI接口信號。HDMI處理部分采取軟編碼和硬編碼兩套方案。軟編碼由FPGA編碼完成;硬編碼部分將FPGA編碼輸出的并行音頻和視頻通過ASIC編碼為多路HDMI信號并驅(qū)動(dòng)輸出。

圖2 系統(tǒng)總體框架

2.2 SDI處理部分

SDI處理部分包括光電轉(zhuǎn)換、音頻解嵌、SDI環(huán)出。本系統(tǒng)采用AVAGO公司的AFCT－57M5ATPZ芯片作為光模塊完成光電轉(zhuǎn)換。AFCT－57M5ATPZ是一款高性能、低功耗的光收發(fā)器，并且支持熱插拔。在單模1 310 nm波長時(shí)，光信號最高速率能達(dá)到2.125 Gbit/s，收發(fā)距離能達(dá)到10 km，完全滿足高清SDI信號的傳輸要求。

經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的SDI音視頻流輸入到音頻解嵌模塊。本方案采用Gennum公司的GS1671芯片作為音頻解嵌模塊。GS1671支持從270 Mbit/s SD－SDI到1.485 Gbit/s HD－SDI的信號輸入，對輸入的信號具備很強(qiáng)的自適應(yīng)均衡和檢測糾錯(cuò)能力。GS1671首先對SDI信號進(jìn)行均衡補(bǔ)償，再通過內(nèi)部集成的鎖相環(huán)恢復(fù)出視頻信號的時(shí)鐘。在視頻時(shí)鐘信號的作用下，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換、解擾、音頻解嵌和時(shí)序流解碼，從SDI信號解嵌出I2S格式的音頻信號和20 bit并行視頻信號及時(shí)序信號，并將音視頻信號輸出至FPGA。此外GS1671環(huán)回輸出2路經(jīng)過時(shí)鐘去抖的SDI信號至下一級HMDI終端輸入。GS1671信號處理框圖如圖3所示。

圖3 GS1671信號處理框圖

2.3 FPGA 處理部分

本系統(tǒng)中 FPGA采用 Xilinx公司的 SP6LX45T，SP6LX45T是一款低功耗高性能的FPGA，它內(nèi)部具有豐富的邏輯資源，內(nèi)部集成了高速DDR3控制器，8個(gè)速率高達(dá)3.2 Gbit/s的高速串行收發(fā)器和16個(gè)低偏移的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此SP6LX45T非常適用于對時(shí)序要求嚴(yán)格的高速信號處理的應(yīng)用中［4］。系統(tǒng)中FPGA主要完成音視頻的HDMI軟編碼，HDMI轉(zhuǎn)SDI輸出，以及并行音視頻數(shù)據(jù)的直通輸出等功能。FPGA的編碼設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 FPGA編碼設(shè)計(jì)框圖

外部經(jīng)過GS1671均衡后輸出的20 bit并行視頻和I2S格式的音頻輸入到FPGA內(nèi)部的視頻和音頻FIFO，再將視頻FIFO輸出的信號進(jìn)行Y/Cb/Cr到RGB的色域轉(zhuǎn)換。處理后的并行視頻和I2S格式音頻通過FPGA內(nèi)部的DDR IP核輸出到外部高速DDR3中。DDR3數(shù)據(jù)存取速率高達(dá)800 MHz，能對音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行高速緩存以應(yīng)對過大的數(shù)據(jù)量并解決跨時(shí)鐘域的問題。DDR3將經(jīng)過緩存后的音視頻數(shù)據(jù)傳回FPGA進(jìn)行采樣點(diǎn)的上下變換和圖像縮放處理。處理后的音頻和視頻分為2路，一路直接輸出到外部LT8618芯片進(jìn)行HDMI硬編碼，另一路音視頻數(shù)據(jù)由FPGA根據(jù)HDMI1.3協(xié)議進(jìn)行HDMI軟編碼，輸出TMDS音視頻流。FPGA中的視頻時(shí)鐘通過外部的Si5315芯片做時(shí)鐘去抖處理，并作為音頻時(shí)鐘的參考時(shí)鐘，因此FPGA內(nèi)部的信號有很好的時(shí)序約束。

2.4 HDMI處理部分

HDMI處理部分完成HDMI的編碼輸出。本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)更好的兼容性和穩(wěn)定性，采用了2套方案——HDMI軟編碼和ASIC硬編碼。HDMI軟編碼通過FPGA編碼生成1路HDMI信號，并采用龍訊公司的LT86101EX芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出。

HDMI硬編碼部分分為三級，如圖5所示。

圖5 HDMI硬編碼設(shè)計(jì)圖

HDMI硬編碼第一級采用龍訊公司LT8618LP芯片。LT8618LP支持最新的HDMI1.3編碼標(biāo)準(zhǔn)和24 bit色域深度;視頻輸入支持 24 bit RGB/YCbCr 4∶4∶4，8/10/12 bit YCbCr 4∶2∶2的視頻格式;音頻輸入支持4×I2S Dolby digital和DVD－Audio的音頻格式。HDMI硬編碼信號處理圖如圖6所示。

LT8618LP先將輸入的20 bit的視頻信號、H/YSYN和DCLK時(shí)序信號進(jìn)行4∶2∶2到4∶4∶4的視頻采樣速率轉(zhuǎn)換和YCbCr到RGB顏色空間轉(zhuǎn)換。再將處理后的視頻信號與輸入打包的音頻按照HDMI1.3標(biāo)準(zhǔn)生成標(biāo)準(zhǔn)HDMI信號，并且通過HDPC模塊進(jìn)行音視頻數(shù)字內(nèi)容加密。HDCP加密信息存儲在外部E2PORM中。

圖6 HDMI硬編碼信號處理圖

HDMI編碼第二級采用Loutium的LT86104將LT8616LP輸出的信號作一分四處理，輸出4路HDMI。第三級采用Lontium的LT86101EX對信號進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出，輸入端能達(dá)到最大15 dB的均衡增益，輸出端進(jìn)行預(yù)加重驅(qū)動(dòng)輸出，信號無損傳輸距離能達(dá)到40 m，非常適用于車站內(nèi)的應(yīng)用。

2.5MCU 部分

本系統(tǒng)采用STC12LE5A60SA單片機(jī)作為MCU模塊。STC12LE5A60SA是一款高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾性的新一代8051單片機(jī)，外設(shè)資源非常豐富［5］。系統(tǒng)上電后，MCU主要完成:1）系統(tǒng)復(fù)位和初始化。上電后MCU產(chǎn)生Resetn信號對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位后通過SPI和I2C總線對GS1671，LT8618，LT86104等芯片進(jìn)行初始化配置，并且與FPGA進(jìn)行通信，獲取FPGA的內(nèi)部狀態(tài)并作相應(yīng)的處理;2）串口調(diào)試和低壓檢測。MCU通過I2C總線、SPI總線對 LT8618，LT86104，LT86101EX 進(jìn)行音頻和視頻的調(diào)試，并將調(diào)試信息通過串口顯示在PC端。同時(shí)MCU完成低壓檢測功能，一旦MCU檢測到系統(tǒng)處于低電壓狀態(tài)就進(jìn)行復(fù)位，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。MCU控制模塊的軟件流程圖如圖7所示。

圖7 MCU軟件流程圖

3 硬件調(diào)試和分析

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PCB版圖如圖8所示。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，通過IO2100D數(shù)字SDI接口卡將PC上的高清音視頻信號轉(zhuǎn)換為SDI信號輸出作為測試信號源，原始視頻圖像分辨率為1 920×1 080，幀率為50 Hz，掃描方式為隔行掃描。SDI信號輸入系統(tǒng)經(jīng)過處理后輸出的HDMI信號在監(jiān)視器上顯示的圖像如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)高清顯示的要求，并且音視頻同步良好，音視頻信號質(zhì)量高。

為了系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，筆者對其做了靜力放電、快速瞬變?nèi)好}沖和雷擊等EMC檢測。由于在PCB制板中對接地系統(tǒng)做了很好的布局且采取了良好的靜電措施，系統(tǒng)通過了B級國家EMC標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用HDMI帶寬高和光纖損耗低的優(yōu)點(diǎn)，將廣播SDI信號轉(zhuǎn)換為當(dāng)前消費(fèi)領(lǐng)域廣泛使用的HDMI接口信號，并兼容光和電SDI信號輸入。系統(tǒng)已經(jīng)在地鐵車站試運(yùn)行，運(yùn)行試驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制方便;音視頻實(shí)時(shí)性好，信號質(zhì)量高，滿足設(shè)計(jì)要求。并且系統(tǒng)通過了靜力放電、快速瞬變?nèi)好}沖和雷擊等EMC檢測，完全滿足地鐵車站內(nèi)特殊環(huán)境要求。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很高的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

:

［1］饒?jiān)平?，劉德?光纖技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［2］SMPTE 272M，F(xiàn)ormatting AES/EBU audio and auxiliary data into digital video ancillary data space［S］.1994.

［3］Matsushita Electric Industrial Co.，Ltd.High－Definition Multimedia Interface Specification Version 1.3［S］.2006.

［4］何賓.Xilinx可編程邏輯器件設(shè)計(jì)技術(shù)詳解［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［5］陳桂友.增強(qiáng)型8051單片機(jī)實(shí)用開發(fā)技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

Design of Terminal Display System for HDMI in Subway Station

ZHAO Yuhong1，YUE Xiongzhi1，ZENG Lei2

（1.College of Information Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China;2.Beijing Guan Hua Tian Shi Digital Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China）

According to the high－definition and real－time requirements of the terminal display system in subway station，a scheme of terminal display system for HDMI based on optical fiber is proposed.After introducing the signal standards and key techniques of SDI and HDMI interfaces which are widely used in the broadcast field，the overall structure design of system and the specific function of each module are described in the paper.In the system，F(xiàn)PGA is the encoding center and STC MCU controls the working of the system.The system achieves the transformation between high－definition and standard－definition for SDI audio and video signals，image scaling，and the encoding of multiple roads of HDMI signal.The result of experiment indicates that the system has excellent compatibility and stability.

HDMI;FPGA;SDI;optical fiber transmission

TN943

A

趙宇紅（1962— ），副教授，碩士生導(dǎo)師，主研多媒體通信技術(shù)與現(xiàn)代電路理論;

樂雄志（1987— ），碩士生，主研嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與多媒體通信技術(shù);

曾 雷（1985— ），碩士，硬件工程師，主研視頻處理與數(shù)據(jù)通信技術(shù)。

責(zé)任編輯:任健男

2012－09－27