非壓縮數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)的設計

摘   要： 本文提出了一種非壓縮數(shù)字傳輸方案。采用時分復用技術及高速串/并轉換單元對多路視頻/音頻/數(shù)據(jù)信號進行二次復接，在接收端實行相應的解復用以及串/并轉換,實現(xiàn)多路低速數(shù)據(jù)信息與高速數(shù)字音視頻信息的混合傳輸，本文重點分析了其關鍵技術和音頻部分的時序關系。
關鍵詞： 非壓縮數(shù)字傳輸；數(shù)據(jù)復/解復接；時分復用

引言

現(xiàn)在，國際上基于各種算法的數(shù)字視頻傳輸標準已有很多，但壓縮編碼會對視頻信息帶來不同程度的損失，當壓縮比高(數(shù)據(jù)傳輸速率低)時，圖像失真嚴重，容易出現(xiàn)馬賽克及塊效應現(xiàn)象。在電視臺內(nèi)部等要求高清晰度的場合，這種失真是不允許的。因此，本文介紹了一種全數(shù)字、無壓縮多路數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)，可實現(xiàn)2路視頻和4路音頻信號的同時傳輸，且容易實現(xiàn)，傳輸性能好，總體性價比高。

系統(tǒng)設計方案

一般情況下，在非壓縮視頻傳輸系統(tǒng)中，通常先把視頻信號經(jīng)編碼、復接、電光變換之后，再經(jīng)光纖傳輸?shù)侥康牡兀缓蠼?jīng)光電轉換、分接、解碼等處理，還原成原始的視頻信號。對于單路視頻傳輸系統(tǒng)，復/解復接系統(tǒng)一般用通用的復/解復接芯片來實現(xiàn)，但如果系統(tǒng)要傳輸多路視頻信號，現(xiàn)有的復/解復接芯片是不能獨立完成的。以本設計要求為例，需要滿足2路視頻和4路音頻的同時傳輸。每路視頻信號采用12位量化，2路視頻則需要24路的數(shù)字信號，而HDMP1032芯片最多可擴展為17路數(shù)據(jù)復/解復接傳輸，這還不包括4路音頻轉換為數(shù)字信號所占用的數(shù)據(jù)位，因而僅僅通過單個復/解復接芯片不能滿足要求，必須采用多次復/解復接才能完成設計。本文介紹一種基于HDMP1032/1034串行/解串行芯片，采用二次復/解復接實現(xiàn)多路數(shù)字視頻/音頻/數(shù)據(jù)在一根電纜或光纖上傳輸?shù)姆桨?，原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計原理框圖

關鍵技術

本設計采用二次復用的方法傳輸2路視頻信號、4路音頻信號。二次復用的思想類似于脈沖編碼調(diào)制。在發(fā)送端，多路模擬視頻/音頻信號經(jīng)ADC轉換為多路數(shù)字視頻/音頻信號，為了減輕復接單元的壓力，首先將多路數(shù)字信號分別通過一個合路器進行一次復用，復用為1路或幾路較高速并行數(shù)字信號，然后再將其送到復接單元G—Link進行二次復接，得到高速串行數(shù)字信號；在接收端，高速串行信號首先經(jīng)過分接單元進行一次解復用，得到較高速多路并行數(shù)字信號，然后分別經(jīng)分路器進行二次解復接恢復為多路數(shù)字視頻/音頻信號，再通過DAC轉換為多路模擬信號。

整個系統(tǒng)的同步主時鐘由一個32.768MHz的晶振提供。二次復/解復接由HDMP1032/1034串行/解串行芯片來完成，所以主要設計的是信號的一次復/解復接部分。由于4路音頻信號最后合為1路串行信號進入HDMP1032/1034芯片組，所以4路音頻復/解復接的時序是整個系統(tǒng)的關鍵。

視頻信號的處理

首先，分別對視頻和音頻信號進行量化復接。兩路視頻經(jīng)過A/D轉換后，采用12位量化后輸出24路數(shù)字信號，取樣速率為16.384MHz，然后經(jīng)過2：1的復接器。復接的具體做法是第一路A/D轉換量化后的第一位A0與第二路A/D轉換量化后的第一位B0復接為TX0，第一路A/D轉換量化后的第二位A1與第二路A/D轉換量化后的第二位B1復接為TX1，依此類推，24路視頻信號復接為12路并行數(shù)據(jù)TX0、TX1、…、TX11進入HDMP1032。由于每路信號速率為16.384Mbps，故復接后信號速率為32.768Mbps。在接收端，HDMP1034仍然輸出12路視頻數(shù)字信號，然后通過兩個反相時鐘分別解出兩路視頻。

音頻信號一次復接的實現(xiàn)

本設計中音頻信號的采樣頻率為32KHz，量化精度為24位，同時進行AES3編碼，轉換后的單路音頻碼流速率為4.096Mbps。4路音頻TXP0、TXP1、TXP2和TXP3經(jīng)ADC轉換后，通過4：1數(shù)據(jù)選擇器復接成1路速率為16.384Mbps的串行數(shù)字信號TXA，這個過程是通過主時鐘的4分頻(F1)和8分頻(F2)兩個時鐘的4種組合、利用時分復用的原理完成的。

作為擴展需要， TXA與一路外部擴展信號EX用16.384MHz時鐘進行2：1的復接，最終得到速率為32.768Mbps的信號TXAE。這與視頻信號的速率相等，保證了輸入HDMP1032芯片的各數(shù)據(jù)流速率一致。在接收端，同樣用音頻一次復用時采用的時鐘F1和F2將4路音頻信號恢復出來。

高速串/并轉換的實現(xiàn)

設計中視頻/音頻信號的串行傳輸通過HDMP1032/4A芯片組完成。HDMP1032/4A芯片組可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)鏈路的點對點通信，在使用中，它可以看成傳送數(shù)據(jù)和控制字的“虛擬帶狀電纜”接口。載入Tx發(fā)射芯片的并行位可以經(jīng)過一個同軸電纜或是光纖鏈路串行信道到達Rx接收芯片，并在Rx恢復為最初的并行格式。

在發(fā)射端，HDMP1032內(nèi)部的鎖相環(huán)(PLL)和時鐘發(fā)生器用來產(chǎn)生發(fā)射芯片工作所需要的全部內(nèi)部時鐘。通過所需的并行碼率設置控制信號TXDIV1/0的選擇，PLL鎖住TXCLK輸入的時鐘，經(jīng)CIMT編碼后擴展為20位(16位碼位+4位編碼位)。鎖相完成后，芯片開始接收并行碼率在TXDIV1/0設定范圍內(nèi)的信號。又根據(jù)控制位的狀態(tài)，決定信號類型、進行編碼復接、串行輸出。

在接收端，高速串行數(shù)據(jù)進入Rx后，片內(nèi)的時鐘——數(shù)據(jù)恢復電路(CDR)從輸入數(shù)據(jù)提取時鐘，恢復出數(shù)據(jù)。CDR電路鎖住REFCLK的頻率，與抽樣后的輸入信號相位對齊。恢復后的數(shù)據(jù)進入解復接電路，時鐘發(fā)生器根據(jù)碼流速率產(chǎn)生內(nèi)部電路所需的所有時鐘。此時串行數(shù)據(jù)解復接為并行數(shù)據(jù)，再進入譯碼器譯碼，然后輸出并行碼。

信號經(jīng)一次復接后，2路視頻和4路音頻復接為13路并行的數(shù)字信號，同時，為了準確恢復音頻信號，保證接收端和發(fā)射端信號與復接時鐘之間的相對關系不變，我們將復接時用到的時鐘F1和F2也作為數(shù)據(jù)與信號并行傳輸，在接收端得到RF1和RF2。這樣，加上2路時鐘信號，總共15路數(shù)字信號進入二次復接芯片HDMP1032A的數(shù)據(jù)位。

由HDMP1032A出來的1路串行數(shù)據(jù)經(jīng)光纖傳輸進入HDMP1034A，通過其內(nèi)部處理，在接收端得到的仍然是15路數(shù)字信號，即進入HDMP1032A的并行信號。這樣，音視頻信號的二次復接和一次解復接已經(jīng)由HDMP1032/4A芯片組完成。

音頻二次解復接的實現(xiàn)

HDMP1034可自動產(chǎn)生兩個互為反相的RXCLK0和RXCLK1，作為所有輸出信號的標志信號，所有的恢復信號的相位均以這兩個信號作為參考。這對于得到用于恢復各路音頻的時鐘信號非常重要。圖2所示的是輸出信號與RXCLK0和RXCLK1之間的時序關系。RX[0-15]表示HDMP1032/4A芯片組中可作為信號傳輸?shù)?6位并行數(shù)據(jù)位，它們與RXCLK0的下降沿存在td、典型值為2ns的延遲。事實上，作為芯片時鐘輸入的TXFLAG經(jīng)過芯片組后得到的RXFLAG同樣與各數(shù)據(jù)位相位一致。

圖2 HDMP1032A（Rx）接收端時序圖
　
從串行信號恢復出的各信號必須遵循的原則是用復接時用到的頻率去恢復出串行流中包含的各信號。因此，首先用同樣是Tx恢復出的16.384MHz的RX16MA將數(shù)據(jù)信號和外部擴展信號EX分離開，得到RXA。為了能準確地恢復RXA，所選用的16.384MHz時鐘的邊沿應該盡量靠近RXP[0-3]數(shù)據(jù)包的中間部分。處理的辦法是將RXFLAG做為數(shù)據(jù)位，RXCLK1做為時鐘，經(jīng)過一個D觸發(fā)器，得到16.384MHz的RX16MA，這樣，RX16MA與RXAE之間存在約為5ns的延時。

對于RXP[0-3]的恢復選用的是兩個4.096MHz的時鐘，具體的電路如圖3所示。最后用于RXP[0-3]解復接的4個時鐘信號分別是DRF2及其反相信號，RF2及其經(jīng)過與非門之后的信號。其中，DRF2及其反相信號分別解出RXP0和RXP2，RF2及其經(jīng)過與非門之后的信號分別解出RXP3和RXP1。因為4路音頻復接成的串行信號速率為16.384Mbps，因此，對相鄰兩路音頻信號解復接的兩路時鐘信號應存在一個周期的延遲，對應到解復接采用的4.096MHz的時鐘，即為1/4個周期的延遲。

圖3 音頻二次解復接電路原理圖

這樣，首先將4路音頻與1路擴展信號分離，然后進行RXP[0-3]的解復接，最后恢復出了4路音頻信號。

結語

本方案具有簡單、實用、可靠性高、成本低等特點，已經(jīng)成功運用于傳輸多路音視頻及數(shù)據(jù)信息的光端機設計中。視頻傳輸質(zhì)量達到廣播電視水平；音頻傳輸質(zhì)量足以滿足專業(yè)級的立體聲傳輸要求(失真<-75dB、S/N>75dB、20Hz～20kHz帶內(nèi)平坦度<