（信号与信息处理专业论文）基于hdsdi标准的视频接口卡的设计与实现.pdf

摘要 随着数字电视技术的日益成熟，特别是随着有线电视由模拟系统逐渐向数字 系统的过渡，数字电视设备逐渐得到大量使用。由于应用场合的不同就出现了各 种各样的数字电视接口，如并行数字分量接口、串行数字分量接口、复合数字视 频并行串行接口、串行数字接口( s o i ) 以及d v b 标准的异步串行接口( a s i ) 、同步 串行接口( s s z ) 、同步并行接口( s p i ) 等。其中s d i 接口是目前演播室数字电视节 目制作系统中应用最广的接口，主要用在非线性编辑系统、视频服务器、虚拟演 播室以及数字切换矩阵和数字光端机等。s d i 接口确保了在4 ：2 ：2 数字演播室环 境下各数字设备之间有效简单地连成一个系统，同时也简化了内部不同格式数据 之问的转换，因此s d i 接口已被世界上众多数字视频设备生产厂家普遍采纳并作 为标准视频接口，在其生产的视频设备上均有s d i 接口。 本文给出了高清串行数字接口卡( h d - s d i ) 的设计方案，并研制了h d - s d i 接 口卡，实现了标准清晰度格式和高清晰度格式视频数据的串行输入与输出，具有 视频数据处理速度快、实时性强、性价比高的特点。采用g e n u m i 公司的g s l 5 6 0 和g s l 5 3 2 芯片设计了主要模块的硬件电路，实现了视频数据的串并和并串转 换；设计了视频数据处理的i p 核并下载到a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p i s 2 5 f 7 8 0 c 7 中：编写上位机软件实现了对板卡的设置、视频数据的采集、预览和回放功能； 并进行了调试实验。 关键词：串行数字接口；f p g a ；d i r e c t s h o w ：s m p t e 2 9 2 m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i 百t a lt e l e v i s i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h et r a n s i t i o nf r o ma n a l o g s y s t e mt od i g i t a ls y s t e mo fc a b l et e l e v i s i o n ，d i g i t a lt e l e v i s i o ne q u i p m e n ta r cb e i n ga p p l i e d g r e a t l y b e c a u s eo fd i f f e r e n ta p p l y i n gs i t u a t i o n ，a l lk i n d so fd i g i t a lt e l e v i s i o ni n t e r f a c ea r e a p p e a r e d , s u c ha sp a r a l l e ld i 舀t a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e , s e r i a ld i g i t a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e , c o m p o s i t ed i g i t a lv i d e op a r a l l e l s e r i a li n t e r f a c e , s e r i a ld i g i t a li n t e r f a c ea n da s y n c h r o n i s ms e r i a i i n t e r f a c e ，s y n c h r o n i s ms e d a l i n t e r f a c e ，s y n c h r o n i s mp a r a l l e li n t e r f a c eo fd v bs t a n d a r d s d ii s t h ei n t e r f a c ea p p l i e db r o a d l yi nt h ed i g i t a lt e l e v i s i o np r o d u c t i o ni ab r o a d c a s tr o o m i ti su s e d m a i n l yi nn o n l i n e a re d i t o rs y s t e m ，v i d e os e r v e r , v i r t u a lb r o a d c a s tr o o m ，d i g i t a ls w i t c hm a t r i x a n dd i g i t a l l i g h te n dm a c h i n e t h ea p p e a r a n c eo fs d ic a nc o n n e c ta l lk i n d so fd i g i t a l e q u i p m e n tt ons y s t e mi n4 ：2 ：2d i g i t a lb r o a d c a s tl o o me n v i r o n m e n ta n ds i m p l i f yg r e a t l yt h e c o n v e r s i o no fd i f f e r e n td a t af o r m a t m a n yo fv i d e oe q u i p m e n tp r o d u c e r si nt h ew o r l dh a v es d i a ss t a n d a r dv i d e oi n t e r f a c ea n d e q u i pt h e i rv i d e op r o d u c ew i t hs d i t h ep a p e rs h o w st h ed e s i g ns c h e m eo fh i g l id e f i n i t i o ns e r i a i d i g i t a li n t e r f a c ec a r da n d d e v e l o p sh d s d li n t e f f a c ec a r d i tf u l f i l l ss e r i a li n p u ta n ds e r i a lo u t p u to fs t a n d a r dd e f i n i t i o n f o r m a tv i d e od a t aa n dh i g hd e f i n i t i o nf o r m a tv i d e od a t a ，a n dh a st h ef e a t t i r e so fp r o c e s s i n g v i d e od a t aw i t hh i g hs p e e d ，s t r o n gr e a lt i m ea n dh i g i ip e r f o r m a n c e p r i c er a t i o n ep a p e ru s e s t h ec h i p sg $ 1 5 6 0a n dg $ 1 5 3 2o fg e n u m lc o r p a n dd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t st o a c c o m p l i s ht h ec o n v e r s i o no fs e d a ld a t a p a r a l l e ld a t aa n dp a r a l l e ld a t a s e r i a ld a t a t h ep a p e r d e s i g n sp r o c e s s i n gv i d e od a t ai pc o r e sa n dd o w n l o a d st h e mt of p g ac h i pe p i s 2 5 f 7 8 0 c 7 t h es o f t w a r ei su s e dt oc o n f i g u r et h ec a r da n dc a p t u r e ，p r e v i e w , p l a y b a c kt h ev i d e od a t a f i n a l l y , t h ei n s t r u m e n ti sa c c o m p l i s h e da f t e rd e b u ga n de x p e r i m e n t k e y w o r d s ：s e r i a ld i g i t a li n t e r f a c e ；f p g a ；d i r e c t s h o w ；s m p t e 2 9 2 m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲剀眈净签字吼卅年乡月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名务) 签字日期：明年乃月j 导师签名： 日 签字日期：夕年歹月f 日 学位论文的主要创新点 一、提出了高清串行数字接口卡( h d - s d i ) 的设计方案，研制了h d - s d i 接口卡，实现了标准清晰度格式和高清晰度格式视频数据的串行输入 与输出。 二、采用g e n u m i 公司的g s l 5 6 0 和g s l 5 3 2 芯片设计了主要模块的硬 件电路，实现了视频数据的串并和并串转换。 三、设计了视频数据处理的i p 核，通过编写上位机软件实现了对板 卡的设置、视频数据的采集、预览和回放功能。 第一章前言 1 1 串行数字接口的发展 第一章前言 数字视频接口是非线性编辑系统中数字信号输入和输出的通道，对视频质量 的好坏有着直接的影响。s d i ( 串行数字接口) 作为目前主要的视频数据外部接 口，可以实时地传送无压缩的视频数据，对于广播室视频设备而言，其高质量的 视频信号，具有重要作用。 1 9 8 6 年，移动图像和电视工程师协会( s m p t e ) 在传统视频中介入串行数字 接口的方法得到电视工业界很好地接受，并成为全世界范围电视台和后期制作中 音频视频网络的中枢。 在2 0 世纪8 0 年代初，e b u 为r e c 6 0 1 信号推荐了一个串行接口。该接口使 用8 9 块编码，产生的比特率为2 4 3 m b s 。该接口并不支持l o 比特精度信号，而 且在制造用于该协议的可靠的高性价比的集成电路还存在一些困难。于是放弃了 基于块编码的接口，并用一个具有信道编码方案的接口取代，其中利用扰频变换 成n r z i ( 不归零倒置) 。这一串行接口被标准化成s m p t e2 5 9 m “和e b ut e c h 3 2 6 7 ， 它同时定义了常规视频信号的分量信号和复合信号，其中包括嵌入式数字音频。 s d i 被理想化地应用在通过一根同轴线对未压缩组成合成数字视频和多频 道音频信号进行转换这一工作上。为了使高清晰度电视仿效同层操作可用性及与 传统的电视设备系统进行结合，在s w p t e2 5 9 m 延伸的基础上，使用高清晰度串 行数字化接口( h d - s d i ) 系统是很必要的。 在s m p t e 和b t a 的赞助下，h d - s d i ( 高清晰串行数字化接口) 的研制工作于 1 9 9 2 年开始。经过大量的工作，( 于1 9 9 5 年5 月) 推出了b t a s - 0 0 4 。s m p t e2 9 2 1 9 9 6 也紧随其后面世。这两者具有相似的技术内容。 s m p r e2 9 2 m 的源格式具有s m 门e2 6 0 m 和s m f r r e2 7 4 m 中列出的信号性能。 h d - s d i 还特别使用了5 9 9 4 h z 和6 0 o o f l z 的场频，1 0 3 5 1 0 8 0 的活性线。 最后，得出了s m p t e2 9 2 m - 1 9 9 8 ，也就是s m p t e2 9 2 m 的修订版。应该注意的 是，总数据速度应为1 4 8 5 g b s 或1 4 8 5 1 0 0 1 g b s 。 1 2 课题研究目的及意义 随着信息科技的发展，电视传播市场正迅速地从模拟向数字视频产品和传输 第一章前言 方向发展，尤其是高质量的电视视频高清晰电视( h d t v ) 。早在1 9 9 5 年，国 内一些有实力的广播电台，电视台、有线电视台就开始了在采集、编排、制作、 播出、传输各环节上的数字化研究，积极推进由模拟技术向数字化过渡的演变进 程。时至今日，数字化设备和数字系统已在广播电视的很多技术系统中占据了相 当比重。电视技术的革命经历了t v 、d t v 、s d t v 等过程，现在，人们已把目光 集中在了正在发展的卫星电视、人机交互电视、高清晰度数字电视( h d t v ) 等新型 电视系统上。 要想研究高清信号，重要的一步就是解决高清信号的传输、接收及采集问题。 基于h d - s d l 标准的视频接口卡能够接受高清或者标清的s d i 信号，并将信号传入 到计算机中，对信号进行采集和预览，同时计算机播放的视频文件也可以通过该 接口卡传输到外部设备。另外，该系统的f p g a 模块的功能还可以进一步丰富和 完善，通过编写特定功能的i p ，可以实现对视频数据实时处理的效果。因此，该 系统既可作为离清与标清格式的视频数据接口，同时通过f p g a 对视频数据进行 处理，相对于目前采用软件对视频处理，提高了数据的处理速度，对广播级设备 具有重要作用。 1 3 课题的研究内容 本文提出了基于h d - s d i 标准的视频接口卡的设计方案，研制了h d s d i 接口 卡。研究内容主要分三部分： 1 h d s d i 接口卡的硬件电路设计。 2 f p g a 内部配置电路设计。此部分是整个系统的重要组成部分，视频数据 必须首先进入f p g a 才能进一步上传到计算机。这部分主要包含以下几个主要模 块：命令模式d m af i f o 模块，p l x 9 6 5 6 本地至l j a v a l o n 总线桥模块，控制模块，中断 控制模块，信号产生模块。数据流通过d m a 模块进入f p g a ，以先进先出的模式 进入p l x 9 6 5 6 本地至l j a v a l o n 总线桥模块，t e a v a l o n 总线的数据送至l j t s u n a m i 板卡的本 地总线，经过扳卡上的p l x 9 6 5 6 转换桥将数据送入p c i 总线，以实现底层数据到计 算机的通道，完成数据的底层传输问题。此部分主要使用q u a r t u s l l 设计工具完成。 3 上位机程序设计。上位机程序的设计主要分为三个部分：初始化程序设 计，视频采集与预览部分和视频回放部分。初始化程序的任务是把利用0 u a r t u s i i 软件添加各个功能模块并经编译生成的r b f 文件通过p c i 总线下载到f p ( ；a 中，并控 钳j f e 6 a 能够证常发出控制信号及接收视频数据；视频采集与预览部分主要完成的 任务是把视频数据读入到计算机内存中，并在高分辨率显示器上实时显示视频图 像，也可以把视频数据以文件的形式存入到计算机硬盘；视频回放部分主要完成 第一章前言 经编辑后的视频文件的播放，并可以经过接口卡输出到外部设备中此部分主要 使用d i r e c t s h o w 实现其功能。 3 第二章高清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 第二章高清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 2 i 高清晰度电视 1 h d t v 的定义 h d t v 是英文h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n 的缩写。高清晰度电视一词本身的 概念只具有相对的含义，世界各国的用词也不完全相同，例如，美国称为高级电 视( a t v ) ，西欧称为高质量电视( j q t v ) ，而日本最早称之为商品位( 高质量) 电视， 后来才改名为高清晰度电视( h d t v ) 。 关于h d t v ，c c i r 定义为：h d t v 系统实际上是或近似是透明系统，当观看距离 为屏幕高度的3 倍时，正常视力的观众所看到的画面质量就象实际景地看到的一 样。与现行电视相比，h d t v 系统的垂直和水平空间分辨率大致为现行电视系统的 2 倍，信息量比现行电视增加5 倍，其宽高比要扩展到1 6 ：9 ，并配有多声道的优 质伴音，具有大屏幕显示器。 2 视频格式命名 有两种基本的视频扫描方法：隔行扫描和逐行扫描。工业标准的视频格式命 名方案是采用有效行行数后跟上一个字母“i ”或者“p ”，“i ”表示隔行扫描， “p ”表示逐行扫描。例如，1 0 8 0 行有效行的隔行扫描格式称作1 0 8 0 i 。通常，帧 率也会被加到视频格式名称的最后。例如，帧率为3 0 h z 的1 0 8 0 i 的格式可以叫做 1 0 8 0 i 3 0 。 隔行扫描中，帧又被分为两场，一场由奇数行组成，另一场由偶数行组成。 在监视器上显示的时候，一场中的所有行绘制完后再绘制下一场中的所有行。这 两场实际上是不同时问的两幅不同的图像。现有两种逐行扫描视频格式是为高清 晰度电视( h d t v ) 定义的：1 0 3 5 i 和1 0 8 0 i 。1 0 3 5 i 格式使用非方波采样，它是早期的 h 时v 格式，现在已经完全被1 0 8 0 i 格式取代。 逐行扫描中，帧没有分成场。一帧中的所有行都来自同一幅图像。在监视器 上显示的时候，帧中的所有行按从上到下的顺序显示。通常，有两种逐行扫描的 格式是为h d t v 定义的：7 2 0 p 和1 0 8 0 p 。 在北美，大联盟h d t v 钼 式中提供了1 0 8 0 i 和7 2 0 p 两种扫描格式。1 0 8 0 i 格式每 帧1 0 8 0 有效行，1 9 2 0 像索行，帧频标称为3 0 h z 。每帧存在两场，这些场采用隔 行扫描作为当前的广播标准，如全国电视系统委员会制式n t s c ( n a t i o n a l t e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 。7 2 0 p 格式每幅图像7 2 0 有效行，1 2 8 0 像素行， 第二章高清晰度电视与s m p l e 2 9 2 标准 图像频率标称为6 0 h z ，采用逐行扫描( 即非隔行扫描) 所以。这些图像结构为：1 0 8 0 x1 9 2 0 = 2 0 7 3 6 0 0 像素和7 2 0 x1 2 8 0 = 9 2 1 6 0 0 像 素。但由于采用逐行扫描，后一种格式中的图像是前一种格式中图像的两倍，因 此像速率为每秒6 22 0 80 0 0 和5 52 9 60 0 0 。尽管这两种像速率大约相同，但隔行 扫描格式要求更高的静态空间分辨率，逐行扫描格式要求更高的时间和动态空间 分辨率，同时还要求消除由隔行扫描引起的缺陷值得注意的是，行闪烁和近似 水平运动边沿的混叠。 3 相对水平和垂直间隔 在横轴上，相邻像素之间的空间距离与纵轴上的相应距离相等，两种格式分 别为1 9 2 0 1 6 = 1 0 8 0 9 和1 2 8 0 1 6 = 7 2 0 9 。在每种格式中，沿着这些轴提供了相同 的空间分辨率。此外，它简化了包括图像旋转在内的数字信号处理。方块像素这 一术语通常用来描述这种格式，来源于计算机行业中的相同应用。 4 数字分量视频标准 在广电行业中最普遍使用的数字分量视频格式是采用y c b c r 彩色空间的 基于4 ：2 ：2 的采样方案。表2 一l 列出了普遍使用的h d4 ：2 ：2 数字分量视频标准。这 些格式全都与同轴电缆或者光纤上传送h d 数字视频的s m p t e2 9 2 mh d - s d i 标准相 兼容。 表2 1 常用h d4 ：2 ：2 视频分量标准 s m f t ef o n n a tf r a m e s a m p l e a c t i v es a m p l e s l a n e &t o t a ls a m p l e s l i n e & s t a n d a r d r a t e ( h z )r a t e ( m h z ) # k g t f v cl i n e s f r a m et o l a ll i n e s 腑a i i 嵋 ( w o r d sxl i n e s ) ( w o r d sxl i n e s ) s m l r i e 2 6 01 0 3 5 i3 0 7 4 2 5 1 9 2 0 x1 0 3 5 2 2 0 0x1 1 2 5 s m p t e 2 6 01 0 3 5 i3 0 l i7 4 2 5 m1 9 2 0x1 0 3 52 2 0 0x1 1 2 5 s m p t e 2 9 51 0 8 0 i2 57 4 2 51 9 2 0x1 0 8 02 3 7 6x1 2 5 0 s m p t e 2 7 4 1 0 8 0 i3 07 4 2 51 9 2 0 x1 0 8 02 2 0 0 x1 1 2 5 s m m 2 7 41 0 8 0 i 3 0 m 7 4 2 5 m 1 9 2 0x1 0 8 0 2 2 0 0x1 1 2 5 s m p t e 2 7 41 0 8 0 i 2 57 4 2 5 1 9 2 0 x1 0 8 02 2 0 0x1 1 2 5 s m p l e 2 7 4 1 0 8 0 p 3 07 4 2 51 9 2 0 x1 0 8 02 2 0 0x1 1 2 5 s m p t e 27 _ 4 1 0 8 0 p 3 0 m 7 4 2 5 m 1 9 2 0 x1 0 8 02 2 0 0x1 1 2 5 s m p ，r e 2 7 4 1 0 8 0 p 2 57 4 2 51 9 2 0x1 0 8 0 2 2 0 0 x1 1 2 5 s m p l e z 7 4 1 0 8 0 p 2 47 4 2 51 9 2 0x1 0 8 0 2 2 0 0x1 1 2 5 s m p t e 2 7 4 1 0 8 0 p 2 4 m7 4 2 5 m1 9 2 0x1 0 8 02 2 0 0 x1 1 2 5 s m p t e 2 9 6 7 2 0 p 6 07 4 2 51 2 8 0x7 2 01 6 5 0 x7 5 0 第二章高清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 5 彩色空恻和4 ：2 ：2 采样 黑白电视信号只包含亮度信息，叫做亮度，或者i u m a ，记做y ( 单引号表示 该分量经过伽马修正) 。当电视信号中增加彩色信息的时候，亮度信号保持不变 以便与已经存在的设备兼容，只添加包含彩色信息的两个分量( 或c h r o m a ) u 和 v 。这两个彩色分量常常被叫做彩色差分信号，即色差信号。u 分量是蓝色与1 u m a 的差值。v 分量是红色与l u m a 的差值。 数字分量视频使用y u v ，彩色空间的修正形式。这个彩色空问叫做 y c b c r ，它是y u v 用尺度和偏移量表示的结果。c b 分量与y u ，v 中的u 分量相似，是蓝色差分分量。同样地，c r 与y u v 中的v 相似，是红色差分 分量。在l o 比特的数字视频中，y 分量的取值范围是6 4 到9 4 0 ，c b 分量和c r 分 量的取值范围是6 4 到9 6 0 ，取值范围之外的值被保留( 给特殊信号编码) 。 在4 ：2 ：2 数字分量视频中，y 分量的采样率是色度分量c b 和c r 的两倍。例 如，如果基本采样率为7 4 2 5 m t t z ，那么y 分量采样率为基本采样率7 4 2 5 m h z ， c b 分量和c r 分量的采样率是基本采样率的一半，即3 7 1 2 5m h z 。因为两个色 度分量的采样率都是基本采样率的一半，所以平均每个采样有一个色度字。因此， 每个视频样本包含一个字的亮度分量( y ) 和一个字的色度分量( c b 或者c r ) 。 连续的样本交替地包含c b 字和c r 字。 在h d t v 数字分量视频标准中，亮度信道和色度信道被分别处理。对l o 比特 数字视频，有一个l o 比特的亮度信道和一个l o 比特的色度信道。 2 2s m p t e 2 9 2 m 标准 在演播室电视节目制作和编辑等各个环节中，需要用大量的数字视频设备， 在演播室内部大多采用电缆来连接不同的数字电视设备。但在距离较远的演播室 之间需要采用光缆传送数字电视信号。为了使数字技术和数字互连的应用达到和 保持高消晰度电视所需的性能水平，需要对高清晰度电视制作系统建立接口标 准s m p t e 2 9 2 m 标准嘲由移动图像和电视工程师协会( s m p t e ) 制定，在当今的 广播和视频产品领域得到了广泛的应用。 2 2 1 通用信号格式 2 2 1 1 视频数据 按照数字高清晰度电视演播室参数标准中的规定，一帧画面亮度像素数为 1 9 2 0x1 0 8 0 。两个色差信号像素各为9 6 0 x 1 0 8 0 ，数字设备向外输出每帧内的像 素数据时，按次序时分复用：亮度信号y 和经过时分复用后的色差信号c b c r 处 第二章高清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 理为2 0 比特数据字，2 0 比特数据字对应一个色差取样和一个亮度取样，复用次 序如下： ( q 1 ，y 1 ) c r i ，v z ) ( c b 3 ，v 3 ) ( ( 纛，y 4 ) 其中y i 表示每行的第i 个亮度有效取样，而c 晡、g j 表示与y i 取样点位置相 同的色差c ；和g 分量的取样，由于色差信号取样频率是亮度信号取样频率的一 半，故色差取样的序号“i ”仅取奇数值。这些数据字时分复用串行传输。 2 2 1 2 数字视频信号与模拟信号波形的定时关系 1 行定时关系 数字视频信号是由模拟视频信号经过a d 转换得到的，在数字有效行与模拟 行之间应该有明确的定时关系1 2 1 ，图2 一l 和表2 - 2 给出行期间视频数据与模拟行 的详细定时关系。其中，t 表示亮度信号取样周期，t = 1 7 4 2 5 1 0 6 = 1 3 4 6 8 n s 由图2 1 可见： ( 1 ) 每行3 5 5 5 6 u s 内有2 6 4 0 个亮度取样周期； ( 2 ) 数字行开始于相应行的模拟同步信号的基准点( o h ) 前5 2 8 个亮度取样周 期( f ) 处； ( 3 ) 数字有效行开始于相应行的模拟同步信号的基准点惭) 后的1 9 2 t 个亮 度取样周期( 曲处，占1 9 2 0 t ； ( 4 ) 数字行消隐起始于模拟行同步前沿o h 前5 2 8 t 处，共占7 2 0 t ： ( 5 ) 数字行消隐左端有4 t 的定时基准码e a v ( e n do f a c t i v ev i d e o ) ，e a v 代 表有效视频结束；右端有4 t 的定时基准码s a y ( s t a r to fa c t i v ev i d e o ) ，s a v 代表 有效视频开始。 - - x - 0 。 廿 雠； 一 模拟行j e 程( 2 58 5 9 时) 二附 - 抽叁符f 1 ，“、 一 i + 一j 甚鹱盏揖块( 1 9 2 s t ) 一 7 l ， e 复用视顿i 摧 ( c w c r ) a v 口 e s 复用扭壤蠹鼍c 删 v 敏，行i i 睡( 7 2 0 1 ) 一 1 教字有蕴行1 9 2 0 t ) 一 蕞牛仝行( 2 6 4 0 t ) 图2 1数据格式与模拟波形的定时关系 第二章高清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 表2 2 行周期定时规范 参数数值( 1 1 2 5 5 0 ) 隔行比 2 ：l 采样频率( m h z ) 7 4 2 5 模拟行消隐 9 6 9 7 us 模拟行正程 2 5 8 5 9 ps 模拟全行 3 5 5 5 6 ps 模拟行正程终点与e a v 始点的问隔( d ) o t s a v 终点与模拟行正程始点的间隔( e ) o t e a v 始点与模拟同步基准点仉的间隔( f ) 5 2 8 t 模拟同步基准点与s a v 终点的白j 隔( g ) 1 9 2 t 视频数据块 1 9 2 8 t e a v 持续期 4 t s a v 持续期 4 t 数字行消隐 7 2 0 t 数字有效行 1 9 2 0 t 数字全行 2 6 4 0 1 2 场定时关系 数字场的起点由数字行的起点位置确定【2 】，场期间的详细定时关系如图2 _ 2 和表2 _ 3 所示。 敦字金行 数字行i f i 秘 lj 啊蜀臻翱皤暖目翱霸鬣嘲_ _ 圈瞄掰冒_ 第 i 第场有效税撅 l 场 1 j l 第 i 第二场有散祝攮 - _ 场 r1 图2 2 隔行扫描系统场定时关系 行号 一i 牛哿 一m 一i 车嚣 一”， - - - $ m ：i = 器 i 封 第二章商清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 表2 3 隔行扫描系统场周期定时规范 定义 行号定义行号 第一场的第一行 l第二场的第一行5 6 4 第一场数字场消隐的最后一行 2 0 第二场数字场消隐的最后一行 5 8 3 第一场有效视频的第一行 2 l 第二场有效视频的第一行 5 8 4 第一场有效视频的最后一行 5 6 0第二场有效视频的最后一行1 1 2 3 第二场数字场消隐的第一行 5 6 l第一场数字场消隐的第一行1 1 2 4 第一场的最后一行 5 6 3 第二场的最后一行 “2 5 其中，第一场数字场消隐表示在第一场有效视频之前的场消隐，第二场数字场消 隐表示在第二场有效视频之前的场消隐：e a v 和s a v 中的( f ，、，僵 ) 取值代表了 f 、v 、h 比特的状态，由f 、h 、v 组成一个三比特二进制数。用一个十进制数 表示伊对应m s b ，h 对应l s b ) ，例如十进制数3 代表f - - o ，v = i 和h = i 。 3 视频定时基准码( s a v 和e a r ) 有两种定时基准码，一种在每个视频数据块的开始( s a c ) ，另一种在每个视 频数据块的终止( e 删。这些码与视频数据相邻，在场消隐期间内仍然存在。 表2 4 视频定时基准码的比特分配 比特9 ( m s b ) 87654321 0 ( l s b ) 位 第一 l1ll1 l l1 l l 字 第二 00oooo00oo 字 第三 o00oo o 000o 字 第四 lfvhp 3 p 2 p 1 p 0 oo 字 隔行扫描系统f = i 在第一场期间v = i 在场消隐期间h - l 在e a r 中 f = 0 在第二场期间v = 0 不在场消隐期间l j = o 在s a v 中 逐行扫描系统 f = 0v - - i 在场消隐期间h - - i 在e a v 中 v = 0 不在场消隐期间h = 0 在s a y 中 每个定时基准码由四个字组成，每个字为1 0 比特，前三个字是一个固定前 缀，第一个字用全1 表示，第二个字和第三个字用全0 表示，留给定时基准信号 用，第四个字载有定义场识别( f ) 、场消隐期( v ) 和行消隐期( h ) 的信息，以及校验 第二章高清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 位。为了与8 比特接口兼容，第四个字的第0 和l 比特位的值未作规定，只使用 了序号为2 到9 的8 个比特位。基准码四个字的比特分配如表2 _ 4 。其中；第四 个字的p 0 ，p l ，p 2 ，p 3 是保护比特。p j 的状态取决于f 、v 、h 的状态。m s b 为 最高有效比特位，l s b 为最低有效比特位。 4 保护比特 s a v 和e a v 两种定时基准码都加进了纠错编码，以提高f ，v ，h 的抗干扰 能力。保护比特p o 到p 3 的取值与f ，v ，h 有关，如表2 5 所示，这是一种仃， 4 ) 扩展的汉明码。p o 是奇校验位，最小码距是4 ，这种编码方式可以在收端对接 收码的第9 到1 0 比特位进行一比特的纠错和两比特的检错 表2 5s a v 和e a v 的保护比特 固定s a y e a r 比特状态 保护- 匕特固定 9 8765432lo ( 比特( f )( v )( h )( p 3 ) ( p 2 ) ( p 1 )( p o ) 位) l00o ooo00o lool 1l0lo0 lo l o 1o1l0o lo ll0llooo l1oool ll0o llol101 0oo llloll0 o0o l1lloo ol0o 5 消隐期问的数据字 在数字消隐期问的复用码流中，除了传送定时基准码( s a v 和e a v ) 或辅助数 据外，剩余的数据字应该用消隐电平填充。 对于8 比特的系统：y 、r 、g 、b 信号的消隐电平为1 6 ；c b 、c r 信号的消 隐电平为1 2 8 ：对于1 0 比特的系统：y 、r 、g 、b 信号的消隐电平为6 4 ；c b 、 c r 信号的消隐电平为5 1 2 。 2 2 2 传输格式 比特串行数据包括视频数据、视频定时基准码、行号数据、校验码、辅助数 第二章高清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 据和消隐数据。在串行化之前，亮度数据y 和复用的色差数据c b c r 分别为并行 数据，字长为l o 比特。两个并行比特码流经过复用，并串转换和加扰后转换成 串行比特码流，通过单一通道传输。码流根据下面的方法复用并串行化。 1 复用 把两个并行码流( 2 0 比特) 复用成一个并行码流( 1 0 比特) ，排列方式如下； c b 、y 、c r 、y 、c b 、y 、c r 、y 详见图二- 3 。 其中：y d o _ 叫d 1 9 1 9为数字亮度信号y c b d i 卜c b d 9 5 9 为数字色差信号c b c r d 伊弋r d 9 5 9 为数字色差信号c r y a 0 _ 一y a 7 0 r 7 为亮度数据流y 中的辅助数据或消隐数据 c a 0 c a 7 0 7 为色差数据流c s c s 中的辅助数据或消隐数据 第二章高清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 y q ta 唧t 1 j 。 r ：行号 f l 幢验 r 罐诺 l- 鐾 掘 嚣 ： l 1 j t 字 官 赡 杼 一 ， r ：l i - t t 代再 i 检验 7 情理 l- 聃 矗 茎 精 童 lt ； 矗 i m t 1 矗 字 有 照 行 复古童 j jl 行号 1 f jl 代码 验 锖谩 1 r l 助 教 船 矗 墒 t 量 l ， 蕾 字 肯 羲 图2 3 单独数据流及复用后的数据格式 2 串行化 在串行接1 2 1 中，每一个1 0 比特的数据字用并串转换电路变成串行的数据流， 传输码率从1 4 8 5 m b p s ( l $ 字，秒l 变为1 4 8 5 m b p s ，用单芯同轴电缆传输。依靠移位 寄存器将1 0 位的输人数据由1 4 8 5 m h z 的时钟信号并行写入，然后用l o 倍频的 1 4 8 5 m h z 时钟进行串行读出，l s b ( 最低有效位) 在先，m s b ( 最高有效位) 在后码 第二章商清晰度电视与s m p t e 2 9 2 标准 型为n r z 不归零码。 2 2 3 信道编码 由于在s d i 数据流中只有视频数据，不存在时钟信号，原数据的n r z 码中 难免有长串的连“1 ”和连“o ”，这既导致了数据流中有相当成分的低频信号分 量，又导致其电平跳变数量少而缺乏时钟信息。为此用个伪随机二进制序列与 原数据进行模2 加，达到扰码的目的，经过扰码后的数据流中只有很短的连“1 ” 和连“0 ”，从而电平跳变多，时钟信息丰富。 在演播室接口标准中，信道编码规定采用加扰的倒相非归零码( n r z i ) 。使用 下列生成多项式对串行比特流进行加扰： g ( x ) = ( x 7 + x 4 + 1 x x + 1 ) ( 2 - 1 ) 其实现电路如图2 - 4 所示。 串行源码入 + n l 也 图2 - 4 扰码电路和n r z - n r z i 变换编码电路 2 2 4 同轴电缆接口 同轴电缆接口提供单一发送器和单一接收器间的点对点的连接。同轴电缆接 口规定线路驱动器特性( 发送端) 、线路接收器特性( 接收端) 、传输线和连接器的 特性嘲。 1 线路驱动器特性( 发送端) 线路驱动器具有非平衡输出电路，要求；输出阻抗为7 5 欧( 标称值) ；在7 5 欧负载电阻上，通过1 米长同轴电缆测量时，信号幅度应为8 0 0 m v p p 1 0 ；在 信号的半幅度点测量直流偏置时应为0 0 4 - 0 5 v ；在5 m h z - 7 4 2 5 m h z 频率范围内， 回波损耗 1 5 d 8 ，在7 4 2 5 m h z 1 4 8 5 g h z 频率范围内，回波损耗 l o d b ；在7 5 欧负载电阻上，测量2 0 - 8 0 幅度点之值，上升沿和下降沿的过冲应小于标称幅 度的l o ，即上升和下降时间 2 7 0 p s 。 2 线路接收器特性( 接收端) 线路接收器应具有非平衡输入电路。当线路接收器连接在所规定的极限电压 下工作的线路驱动器，并连接所规定的下限传输电缆条件下的电缆上时，均应能 正确识别接收的数据。 第二章总体没计 3 1 设计要求 第三章总体设计 本课题的目标是设计基于h i ) - s d i 标准的数字视频接口卡，并实现以下两部分功 能：第一，通过接口卡将高清数字视频信号输入到计算机，并实现视频的采集和预 览；第二，实现采集的影音文件的回放。在采集过程中，可以进行视频的预览和音 频监听，提供b n c 端口，可以适用于广播级摄像机、数字录像机等视频源。在回放 过程中，同样提供了一b n c 端口，可以把计算机采集的影音文件后台播放输出到监 视器、数字录像机等广播级视频设备。 i t d - - s d i 接口卡的要求如下： 采集高清标清音视频数据； 播放输出采集的影音文件； 支持p a l 和n t s c 制式； 可对视频进行实时预览； 可对音频进行实时监听； 3 2 总体设计方案 本系统由硬件和软件两部分组成，总体设计框图如图p l 所示。 图3 一l 总体设计框图 - 第三章总体设计 硬件部分可分为解串器模块、串码器模块、均衡器模块、驱动器模块、时钟模 块、f p g a 模块以及电源模块。解串器模块主要是对从b n c 接口输入的视频数据进行 串并转换，输出1 0 比特或者2 0 比特的并行数据流串码器模块主要是把从上位机 内存读入的1 0 比特或2 0 比特的并行数据转换成串行数据，并通过b n c 接口输出。 均衡器模块的作用是均衡经过7 5 0 同轴电缆接收的信号。驱动器模块的作用是驱动 一个或者两个7 5 0 同轴电缆，并且可以选择两个速率，以适应s m p t e 2 5 9 m 和 s m p t e 2 9 2 m 信号流的要求。时钟模块可以为解串器和串码器提供不受干扰的 1 4 8 5 g 也的参考时钟信号。f p g a 摸块用来建立接口卡与p c i 总线的数据通道，并 控制解串器模块和串码器模块的工作模式。电源模块主要为硬件电路中各个模块 提供电源。 软件部分可分为驱动程序与上位机应用程序。驱动程序属于底层的软件接口， 主要为上层应用程序提供硬件调用接口。当前计算机支持的媒体格式多种多样， 自己去为每一种媒体格式编写编解码程序不太现实。在操作系统中有着丰富的编 解码资源，如何利用这些资源就显得至关重要。d i r e c t s h o w 为w i n d o w s 平台上处理 各种各样的媒体文件播放、音视频采集等高性能要求的多媒体应用提供一个完整 的解决方案。为了利用操作系统中提供的编解码资源，通过包装f i l t e r 对硬件设备 驱动程序进行包装，实现d i r e c t s h o wf i l t e r 对硬件设备的访问。编写基于d i r e c t s h o w s d k 的上位机应用程序，就可以方便的使用操作系统和第三方提供的资源，实现 音视频数据的软件编辑以及编解码操作。 第四章硬件电路设计 第四章硬件电路设计 4 1 硬件电路组成及原理 接口卡硬件电路由均衡器g s l 5 2 4 、解串器g s l 5 6 0 、驱动器g s l 5 2 8 、串码器 g s l 5 3 2 、时钟g 0 1 5 2 5 以及e p l s 2 5 f 7 8 0