編者按：介紹了基於FPGA和高速串行復接/解復接技術，將3G/HD/SD-SDI信號通過光纖實現無損長距離傳輸的方法。與傳統的傳輸方案相比，此方案可以完成傳輸高清視頻的平滑升級，並向下兼容現有的視頻傳輸網絡，降低了網絡的改造升級成本。
摘要：介紹了基於FPGA和高速串行復接/解復接技術，將3G/HD/SD-SDI信號通過光纖實現無損長距離傳輸的方法。與傳統的傳輸方案相比，此方案可以完成傳輸高清視頻的平滑升級，並向下兼容現有的視頻傳輸網絡，降低了網絡的改造升級成本。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/279223.htm引言
SDI(Serial Digital Interface)是一種「數字分量串行接口」，通過75Ω同軸線纜傳輸無壓縮的數字視頻信號。由於串行數位訊號的數據率很高，在傳送前必須經過處理。用擾碼的不歸零倒置(NRZI)來代替早期的分組編碼，其標準為SMPTE 259M和EBU-Tech-3267，標準包括了含數字音頻在內的數字複合和數字分量信號，支持4種速率：143Mbit/s的NTSC制複合編碼信號;177.3Mbit/s的PAL制複合編碼信號;270Mbit/s的NTSC制和PAL制分量編碼信號;360Mbit/s 16：9長寬比的NTSC制和PAL制分量編碼信號，其中最常見的是270Mbit/s。在傳送前，對原始數據流進行擾頻並變換為NRZI碼，確保在接收端可靠地恢復原始數據。
在概念上可以將數字串行接口理解為一種基帶信號調製。SDI接口能通過270Mbit/s的串行數字分量信號，對於16：9格式的圖像，應能傳送360Mbit/s的信號。NRZI碼是極性敏感碼。用「1」和「0」表示電平的高和低，如果出現長時間的連續「1」或連續「0」，會影響接收端從數位訊號中提取時鐘。因為串行數位訊號接口不單獨傳送時鐘信號，接收端需從數位訊號流中提取時鐘信號，所以要採用以「1」和「0」來表示有無電平變換的NRZI碼。在接收NRZI碼流時，只要檢出電平變換，就可恢復數據，再經過加擾，連「1」的機會減少，也就使高頻分量進一步減少，使解碼和提取時鐘信息更加容易。實現加擾/解擾的生成多項式為G1(x)=x9+x4+1，該步主要是將數位化的視頻信號變成NRZ擾碼信號。編碼/解碼的生成多項式為G2(x)=x+1，該步主要是將上一步生成的NRZ擾碼變成對電平極性不敏感、只對電平極性變換敏感的NRZI碼。其擾碼的原理框圖如圖1所示。具體實現利用Verilog HDL編程。在接收端，由SDI解碼模塊從NRZI碼流恢復出原數據流。
按照移動圖像和電視工程師協會(SMPTE)制定的清晰度標準要求，SDI可分為：SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI。其中：
SD-SDI：SD-SDI(Standard Definition Seria Digital Interface) 視頻信號的通常速率為270Mbit/s。其信號格式從19.4Mbit/s到360Mbit/s，支持符合SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M標準，以及DVB-ASI(EN50083-9)等數位電視格式的信號。SD-SDI是無延時、無失真的標清視頻信號。
HD-SDI：HD-SDI(High Definition Seria Digital Interface)視頻信號的速率達到1.485Gbit/s，刷新率支持60Hz。其信號格式從19.4Mbit/s到1.485Gbit/s，支持符合SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M標準，以及DVB-ASI(EN50083-9)等數位電視格式的信號。HD-SDI是無延時、無失真的高請視頻信號。
3G-SDI：3G-SDI中的3G是指SDI信號的數據傳輸率約為3Gbit/s。其信號格式從19.4Mbit/s到2.97Gbit/s，支持符合SMPTE 424M、SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M標準，以及DVB-ASI(EN50083-9)等數位電視格式的信號。由於HDTV可以支持每秒30幀的逐行掃描1920×1080的解析度格式，而3G能夠支持比HD視頻信號最高幀掃描頻率高一倍的頻率，即3G可以支持每秒60幀的HD信號，這在觀看動態視頻時的差別是很大的。
本文設計的3G/HD/SD-SDI信號的光纖傳輸方案，支持標清SD-SDI(270Mbit/s)、高清HD-SDI(1.485Gbit/s)及全高清3G-SDI(2.97Gbit/s)視頻格式，可傳送符合數字視頻廣播/異步串行接口(DVB-ASI)、標準清晰度(SMPTE 259M)、高清晰度(SMPTE 292M)以及全新的3G-SDI(SMPTE 424M)等標準的視頻數據，通過光纖實現3G/HD/SD-SDI信號的高可靠、高性能和長距離傳輸。採用單模光纖，無中繼傳輸距離可達100km以上。
1 系統設計
由於傳輸的3G/HD/SD-SDI 信號主要用於廣播電視行業，其專業級的指標要求，必須確保輸出信號有高穩定性與可靠性。在對信號進行均衡以及時鐘恢復，解擾及串並轉換，以及後端的輸出驅動的處理過程中，均選擇GENNUM公司的集成電路實現高清視頻信號接口的轉換，這樣做可以最大限度的保證各相關模塊的兼容性，並且具有信號恢復和抖動抑制功能，系統輸出接近完美的眼圖指標，有利於提高系統的穩定性，降低信號的抖動。
本系統的主控模塊是FPGA，綜合考慮成本、佔用面積以及以後的升級，就需要FPGA的內部資源儘量豐富，因此選用Xilinx公司Spartan-3A系列FPGA，該系列FPGA集成了DSP功能，擁有極強的並行處理能力，滿足圖像和視頻處理所需的性能要求，包括壓縮(MPEG-2和MPEG-4)，色空間轉換，圖像增強、處理、縮放和識別等;採用SPI PROM模式完成配置，為便於調試，也預留了JTAG接口; 完成圖像採集、存儲和整個系統的邏輯控制。
系統分為發射端和接收端。在發射端，信號先經過均衡、串並轉換處理，輸入到FPGA完成一次復用後，進入高速復接晶片完成二次復用，最後經電光轉換模塊將其轉換為光信號，這樣就將3G/HD/SD-SDI信號轉變成光信號。在接收端，將接收到的的光信號經光電轉換模塊轉換為電信號，進入高速解復接模塊和FPGA中，完成信號解復用和緩存處理後，輸入到多速率SDI編碼模塊，輸出原3G/HD/SD-SDI信號。系統原理框圖如圖2所示。
1.1 發射端
將從同軸電纜輸入的3G/HD/SD-SDI信號通過SDI均衡模塊完成信號自動均衡，信號經過長距離的傳輸後在線纜中會產生損耗，經過均衡後，信號質量得到明顯的改善。在模塊輸入引腳處連接75Ω對地電阻進行阻抗匹配。均衡模塊對輸入信號處理後產生一對差分輸出信號，再在兩條差分線之間串接100Ω電阻平衡線間阻抗，將此差分信號輸入到多速率SDI接收模塊進行時鐘恢復和8B/10B解碼處理，經串/並轉換後產生符合SMPTE 424M/292M/259M標準的20/10bit的並行數據，將此數據送入到FPGA中。數據先緩存在FPGA內部FIFO中，在完成對數據的第一次復用後，復用為10bit的並行數據，輸出給高速復接模塊，將FPGA輸出的低速並行信號復接為高速串行信號，再通過電光轉換模塊(選用速率為3.125Gbit/s，支持熱插拔的SFP光器件)轉換為光信號傳輸到接收端。
1.2 接收端
首先將從光纜得到的光信號通過光電轉換模塊轉換成電信號，將此電信號送給高速解復接模塊，將高速串行信號進行串並轉換處理，將轉換後的並行數據輸入到FPGA，由FPGA先緩存在內部FIFO中， 再解復用出符合SMPTE 424M/292M/259M標準的20/10bit的並行數據，然後將此並行數據發送給多速率SDI編碼模塊，從並行數據中提取出時鐘，作為採樣時鐘，對並行數據進行同步處理，同時提取出圖像數據和圖像格式信息，完成3G/HD/SD-SDI信號的8B/10B編碼，最後輸出到接收設備，實現了3G/HD/SD-SDI信號的光纖傳輸。
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