基于FPGA的數(shù)字視頻接口轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　隨著數(shù)字視頻傳輸技術(shù)的高速發(fā)展，DVI、Camera Link等數(shù)字視頻傳輸接口在商業(yè)PC、數(shù)字電視及工業(yè)相機(jī)等領(lǐng)域得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。

　　不同接口的視頻信號(hào)在編解碼技術(shù)及數(shù)據(jù)同步等層面具有不同的格式，不能直接兼容，因此可知，視頻接口的轉(zhuǎn)換本質(zhì)在于對不同視頻格式的信號(hào)進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)換。然而，視頻信號(hào)的高帶寬、高頻率及大數(shù)據(jù)吞吐量等特點(diǎn)給視頻處理系統(tǒng)的性能提出了極大的挑戰(zhàn)，如何保證視頻處理的實(shí)時(shí)性，成為設(shè)計(jì)者必須首先解決的問題。

　　高性能FPGA具有片內(nèi)存儲(chǔ)器資源豐富，可編程硬件邏輯塊數(shù)量多，靈活性高，并行處理能力強(qiáng)等特性，使得設(shè)計(jì)者在信號(hào)處理任務(wù)上更具選擇性和創(chuàng)造性，無疑成為大帶寬數(shù)字視頻信號(hào)處理的理想選擇。本文針對某型仿真測試設(shè)備中視頻接口轉(zhuǎn)換的實(shí)際需求，研究了基于Altera公司CycloneⅢ 型FPGA的DVI接口視頻信號(hào)（1024×768@60Hz）到CameraLink接口視頻信號(hào)（1024×768@29.18Hz或320×256@50Hz）的轉(zhuǎn)換方法。

　　1 數(shù)字視頻接口基本原理

　　1.1 DVI接口標(biāo)準(zhǔn)

　　DVI標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字顯示工作組DDWG提出的新一代高性能數(shù)字視頻顯示接口技術(shù)。DVI接口采用類似于LVDS的最小變換差分信號(hào)TMDS技術(shù)進(jìn)行高速信號(hào)傳輸，分為單鏈接和雙鏈接兩種方式。單鏈接DVI-D接口包含3路TMDS信號(hào)通道，1路TMDS時(shí)鐘通道。TMDS編碼技術(shù)將基色（R、G、B）信號(hào)以及同步信號(hào)編碼為串行的10位碼元，并經(jīng)過數(shù)據(jù)直流平衡，使像素?cái)?shù)據(jù)與同步控制數(shù)據(jù)在同一對TMDS信號(hào)通道中分時(shí)傳輸。DVI接收器通過判斷數(shù)據(jù)使能信號(hào)DE的狀態(tài)來區(qū)分像素與同步數(shù)據(jù)。當(dāng)DE信號(hào)為高電平時(shí)，表示當(dāng)前鏈路編碼輸出的數(shù)據(jù)為像素?cái)?shù)據(jù)；當(dāng)DE信號(hào)為低電平時(shí)，表示當(dāng)前鏈路像素?cái)?shù)據(jù)無效，而同步控制數(shù)據(jù)有效。而且，像素?cái)?shù)據(jù)與同步數(shù)據(jù)被編碼為不同的碼型，保證接受器可以無誤的恢復(fù)像素?cái)?shù)據(jù)、像素時(shí)鐘和同步控制信號(hào)。

　　1.2 Camera Link接口標(biāo)準(zhǔn)

　　Camera Link接口標(biāo)準(zhǔn)由美國國家半導(dǎo)體公司提出的Channel Link技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來[3].該標(biāo)準(zhǔn)基于LVDS技術(shù)且具有開放式的接口協(xié)議，使得不同廠家能夠保持產(chǎn)品的差異性，又能相互兼容。Camera Link標(biāo)準(zhǔn)采用5對LVDS通道（包括4對視頻信號(hào)通道和1對像素時(shí)鐘通道）來完成24位像素?cái)?shù)據(jù)和4位同步控制數(shù)據(jù)的傳輸，驅(qū)動(dòng)器將這些單端信號(hào)以7:1的比例轉(zhuǎn)換為LVDS信號(hào)串行傳輸，提高了信號(hào)的抗噪能力和傳輸速度。Camera Link數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)為RGB格式；視頻同步信號(hào)則包括：幀有效信號(hào)FVAL,行有效信號(hào)LVAL,數(shù)據(jù)有效信號(hào)DVAL,備用信號(hào)Spare.

　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)兩種接口不同格式的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換，具體包括視頻信號(hào)的幀頻轉(zhuǎn)換、分辨率轉(zhuǎn)換、色度空間轉(zhuǎn)換。

　　系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。