HDMI車站終端顯示系統設計

趙宇紅，樂雄志，曾 雷

（1.北方工業大學信息工程學院，北京 100144;2.北京冠華天視數碼科技有限公司，北京 100070）

HDMI車站終端顯示系統設計

趙宇紅1，樂雄志1，曾 雷2

（1.北方工業大學信息工程學院，北京 100144;2.北京冠華天視數碼科技有限公司，北京 100070）

針對當前地鐵車站終端顯示系統實時高清顯示的需求，提出了一套基于光纖的HDMI高清終端顯示系統的設計方案。介紹了廣播電視領域廣泛使用的SDI和HDMI接口標準及其關鍵技術，闡述了系統總體架構設計和各模塊具體功能。系統以FPGA為編碼核心，以STC單片機為控制中心，實現SDI音視頻信號的高標清轉換、圖像縮放，以及多路高清HDMI信號編碼輸出。試驗運行結果證明系統具有很好的兼容性和穩定性。

HDMI;FPGA;SDI;光纖傳輸

【本文獻信息】趙宇紅，樂雄志，曾雷.HDMI車站終端顯示系統設計［J］.電視技術，2013，37（3）.

當前，城市軌道交通迅猛發展，已成為國家交通的重要組成部分。終端顯示系統作為整個軌道交通重要的組成部分，其必須具備高速信號的實時處理能力，以確保終端顯示系統的實時高清顯示，同時系統還必須具備高度的可靠性和穩定性以適應地鐵車站的復雜環境。

目前在地鐵車站內傳輸的是SDI廣播電視信號，但是SDI信號不能直接顯示在消費類電子顯示屏上。一般情況下，傳統的終端顯示系統將SDI信號轉換為模擬音視頻信號，但是會帶來很大的信號轉換損耗，而且設備連接很復雜。隨著HMDI接口技術的發展，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勢，而且能直接在LCD上顯示。因此，地在鐵車站內將SDI信號轉換為HDMI接口信號是一種必然趨勢。同時隨著光纖技術的發展，光纖傳輸的最大帶寬可以達到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，以滿足實時高清顯示的要求。筆者設計的高清終端顯示系統，將光和電SDI信號轉換為多路HDMI信號輸出。系統運行可靠穩定，兼容性好。

1 數字音視頻接口標準

1.1 SDI串行接口

SDI接口是美國電影與電視工程師學會（SMPTE）基于非歸零反相編碼定義的視頻標準接口。在廣播電視領域，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。其最大優點就是能在視頻行和列消隱區嵌入大量的音頻和輔助數據。依據STM259標準規定，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字化視頻/音頻接口技術。它可以同時傳輸高清視頻信號和數字音頻信號，傳輸數據帶寬高達10.2 Gbit/s。HDMI系統結構整體框圖如圖1所示［3］。

圖1 HDMI系統結構整體框圖

視頻、音頻和輔助數據在3條TMDS數據通道上傳送。TMDS時鐘通道傳送視頻像素時鐘，作為數據通道上數據恢復的參考頻率。HDMI數據傳輸過程分成視頻數據傳輸期、數據島數據傳輸期和控制數據傳輸期3個周期。視頻數據傳輸期和數據島數據傳輸期分別傳輸經過HDMI編碼的10位TMDS視頻流和10位TMDS音頻流?？刂茢祿鬏斊趥鬏斂刂茢祿?，表明下一個周期是視頻數據傳輸期還是數據島數據傳輸期。

2 硬件系統設計

2.1 系統總體框架

一般在一個地鐵車站放置多個通過光纖或同軸電纜級聯的HDMI高清終端，每個終端連接4～5個LCD顯示屏。終端系統將車站播控中心傳輸來的廣播高標清SDI信號轉換為多路HDMI信號輸出至車站大廳內的LCD顯示屏，實現高清音視頻信號實時穩定顯示。

系統設計主要分為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信號進行均衡恢復并解嵌出音頻數據和時鐘信號。FPGA處理部分對音視頻進行處理，并按照HDMI協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信號并驅動輸出。

圖2 系統總體框架

2.2 SDI處理部分

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

經過光電轉換后的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的自適應均衡和檢測糾錯能力。GS1671首先對SDI信號進行均衡補償，再通過內部集成的鎖相環恢復出視頻信號的時鐘。在視頻時鐘信號的作用下，經過串并轉換、解擾、音頻解嵌和時序流解碼，從SDI信號解嵌出I2S格式的音頻信號和20 bit并行視頻信號及時序信號，并將音視頻信號輸出至FPGA。此外GS1671環回輸出2路經過時鐘去抖的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

本系統中 FPGA采用 Xilinx公司的 SP6LX45T，SP6LX45T是一款低功耗高性能的FPGA，它內部具有豐富的邏輯資源，內部集成了高速DDR3控制器，8個速率高達3.2 Gbit/s的高速串行收發器和16個低偏移的全局時鐘網絡系統。因此SP6LX45T非常適用于對時序要求嚴格的高速信號處理的應用中［4］。系統中FPGA主要完成音視頻的HDMI軟編碼，HDMI轉SDI輸出，以及并行音視頻數據的直通輸出等功能。FPGA的編碼設計框圖如圖4所示。

圖4 FPGA編碼設計框圖

外部經過GS1671均衡后輸出的20 bit并行視頻和I2S格式的音頻輸入到FPGA內部的視頻和音頻FIFO，再將視頻FIFO輸出的信號進行Y/Cb/Cr到RGB的色域轉換。處理后的并行視頻和I2S格式音頻通過FPGA內部的DDR IP核輸出到外部高速DDR3中。DDR3數據存取速率高達800 MHz，能對音視頻數據進行高速緩存以應對過大的數據量并解決跨時鐘域的問題。DDR3將經過緩存后的音視頻數據傳回FPGA進行采樣點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芯片進行HDMI硬編碼，另一路音視頻數據由FPGA根據HDMI1.3協議進行HDMI軟編碼，輸出TMDS音視頻流。FPGA中的視頻時鐘通過外部的Si5315芯片做時鐘去抖處理，并作為音頻時鐘的參考時鐘，因此FPGA內部的信號有很好的時序約束。

2.4 HDMI處理部分

HDMI處理部分完成HDMI的編碼輸出。本系統為了實現更好的兼容性和穩定性，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芯片進行驅動輸出。

HDMI硬編碼部分分為三級，如圖5所示。

圖5 HDMI硬編碼設計圖

HDMI硬編碼第一級采用龍訊公司LT8618LP芯片。LT8618LP支持最新的HDMI1.3編碼標準和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時序信號進行4∶2∶2到4∶4∶4的視頻采樣速率轉換和YCbCr到RGB顏色空間轉換。再將處理后的視頻信號與輸入打包的音頻按照HDMI1.3標準生成標準HDMI信號，并且通過HDPC模塊進行音視頻數字內容加密。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對信號進行驅動輸出，輸入端能達到最大15 dB的均衡增益，輸出端進行預加重驅動輸出，信號無損傳輸距離能達到40 m，非常適用于車站內的應用。

2.5MCU 部分

本系統采用STC12LE5A60SA單片機作為MCU模塊。STC12LE5A60SA是一款高速、低功耗、超強抗干擾性的新一代8051單片機，外設資源非常豐富［5］。系統上電后，MCU主要完成:1）系統復位和初始化。上電后MCU產生Resetn信號對系統進行復位。復位后通過SPI和I2C總線對GS1671，LT8618，LT86104等芯片進行初始化配置，并且與FPGA進行通信，獲取FPGA的內部狀態并作相應的處理;2）串口調試和低壓檢測。MCU通過I2C總線、SPI總線對 LT8618，LT86104，LT86101EX 進行音頻和視頻的調試，并將調試信息通過串口顯示在PC端。同時MCU完成低壓檢測功能，一旦MCU檢測到系統處于低電壓狀態就進行復位，保證系統穩定運行。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 硬件調試和分析

本系統設計的PCB版圖如圖8所示。系統調試時，通過IO2100D數字SDI接口卡將PC上的高清音視頻信號轉換為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信號輸入系統經過處理后輸出的HDMI信號在監視器上顯示的圖像如圖9所示。實驗結果顯示系統滿足實時高清顯示的要求，并且音視頻同步良好，音視頻信號質量高。

為了系統運行安全可靠，筆者對其做了靜力放電、快速瞬變群脈沖和雷擊等EMC檢測。由于在PCB制板中對接地系統做了很好的布局且采取了良好的靜電措施，系統通過了B級國家EMC標準。

4 結束語

本系統設計充分利用HDMI帶寬高和光纖損耗低的優點，將廣播SDI信號轉換為當前消費領域廣泛使用的HDMI接口信號，并兼容光和電SDI信號輸入。系統已經在地鐵車站試運行，運行試驗表明，系統運行穩定可靠，控制方便;音視頻實時性好，信號質量高，滿足設計要求。并且系統通過了靜力放電、快速瞬變群脈沖和雷擊等EMC檢測，完全滿足地鐵車站內特殊環境要求。因此，本系統設計具有很高的研究意義和實用價值。

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［1］饒云江，劉德森.光纖技術［M］.北京:科學出版社，2008.

［2］SMPTE 272M，Formatting 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可編程邏輯器件設計技術詳解［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［5］陳桂友.增強型8051單片機實用開發技術［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，FPGA 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，碩士生導師，主研多媒體通信技術與現代電路理論;

樂雄志（1987— ），碩士生，主研嵌入式系統設計與多媒體通信技術;

曾 雷（1985— ），碩士，硬件工程師，主研視頻處理與數據通信技術。

責任編輯:任健男

2012－09－27