基于FPGA的高清嵌入解嵌系統的設計與實(shí)現
發(fā)布時(shí)間：2014-04-17 09:02:29 閱讀次數：5692
【摘要】
本文研究了基于單片FPGA的高清嵌入解嵌系統實(shí)現。根據SMPTE相關(guān)協(xié)議闡述了HD-SDI的信號格式，AES3音頻接口數據格式以及嵌入解嵌的實(shí)現框架和各個(gè)子模塊功能的實(shí)現。系統的實(shí)現結果符合預期，系統集成度、可靠性得到了有效的保障。
【關(guān)鍵字】 高清SDI, 嵌入, 解嵌, FPGA
[Abstract]
This paper make the research about mux and demux process of inserting audio or other user data into HD-SDI stream based on monolithic FPGA device. It discusses HD-SDI format which come from SMPTE protocol and AES3 interface data format acquired from AES3 standard.
More detail about system building and mux&demux implementation function are stated following. The designed
system accomplished good result as expected and show good integrity and stability.
[Key Words] HD-SDI, MUX, DEMUX, FPGA
前言
HD-SDI 已經(jīng)成為視頻廣播中心非壓縮高清晰視頻的主流接口。自從 HD-SDI的出現，就一直伴隨著(zhù)其他類(lèi)型的數據，包括嵌入數字音頻。在模擬視頻信號數字化的過(guò)程中，模擬信號中的行消隱時(shí)間和場(chǎng)消隱時(shí)間都被保留，并且轉換成為空白信息區間。在視頻演播室中，通?？梢岳眠@些空白信息區間攜帶一些有用信息，這樣既能節省傳輸通道，減少干擾，又能保證這些信息與視頻信號的同步。模擬信號的行消隱區間對應的是數字信號中的水平消隱區間，通常稱(chēng)為水平輔助數據區，用于嵌入一些輔助數據，最常見(jiàn)的就是嵌入數字音頻信息。音頻嵌入解嵌在視頻處理過(guò)程中是非常重要的兩個(gè)環(huán)節。
HD-SDI接口
目前，廣播影視行業(yè)最普遍使用的數字分量視頻格式是采用 Y’、Cb’、Cr’彩色空間并且給予 4:2:2 采樣的方案。下表列出了 SMPTE 274M (Society of Motion Picture and Television Engineers，1998b)標準定義的 1080P/1080i 的高清視頻信號格式以及 1080i 一個(gè)完整幀的掃描示意圖。
表 1 HD-SDI 支持的高清視頻格式,有效樣本個(gè)數都是 1920*1080
注：表格中的 M=1.001
視頻格式的兩種命名方式是根據視頻掃描的隔行掃描和逐行掃描來(lái)區分的，“i”表示隔行掃描，“p”表示逐行掃描。通常后面還跟著(zhù)一個(gè)幀率，例如 1080i60，表示各行掃描率為 60Hz。我國采用的高清視頻標準是 1080i50。表2是 1080i 一個(gè)完整幀的掃描示意圖：
表 2 視頻幀格式
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1~20
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Vertical Blanking
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First Field
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21~560
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Active lines
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561~563
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Vertical Blanking
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564~583
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Vertical Blanking
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Second Field
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584~1123
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Active lines
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1124~1125
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Vertical Blanking
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在 4:2:2 采樣格式中，亮度信號 Y’的采樣頻率為 74.25MHz，兩個(gè)色度信號Cr’、Cb’的采樣頻率分別為 37.125MHz，每種信號的量化比特數為 10 位。亮度信號和色度信號在處理的過(guò)程中是利用單獨的通道處理的，但是在傳輸過(guò)程中則需要交錯排列成一個(gè)通道。因此，并行高清信號的傳輸速率必須滿(mǎn)足 148.50MHz，串行傳輸速率為 1.485Gbps。HD-SDI 還支持另一種比特率，即 1.485/1.001G。
表1中顯示了高清視頻信號的總行數和每行的樣本總數（SMPTE 274M，1998），每一個(gè)視頻行作為視頻信號中的標準單元，被分成了兩個(gè)主要的部分，水平消隱區和有效視頻區。一行從參考時(shí)序 EAV（有效視頻結尾）開(kāi)始，EAV后面就是水平消隱區，水平消隱區的結尾是 SAV(有效視頻開(kāi)始)，SAV 后面緊跟的就是有效視頻區。有效視頻區的樣本就是真正顯示在屏幕上的點(diǎn)，而空白區對應的就是模擬視頻信號中的消隱區。下圖1顯示高清視頻數據流中的一個(gè)視頻行的數據格式，分開(kāi)處理的亮度信號和色度信號必須同步，對應區域必須對齊。在演播室的傳輸中，是把兩種信號流交錯到成一個(gè)信號流來(lái)傳輸。（SMPTE 292M,1998）。
圖1、視頻行數據排列
其中，SAV 是有效視頻行的開(kāi)始標志，占 4 個(gè)字，前三個(gè)是 3FF、000、000，第四個(gè)字是 XYZ，包含主要的時(shí)序信息。EAV 表示有效視頻行的結束，同 SAV格式相同。下表顯示的是 SAV 和 EAV 中第四個(gè)字的比特信息。
表 3.XYZ 比特位信息
其中，F 表示該行屬于哪一個(gè)場(chǎng)，F=0 表示場(chǎng) 1，F=1 表示場(chǎng) 2。V 表示該行是否為場(chǎng)消隱區的行，H 用于區分 EAV 和 SAV，H=0 表示 SAV，H=1 表示 EAV。
P3=V⊕H、P2=F⊕H、P1=F⊕V、P0=F⊕V⊕H。EAV 之后的兩個(gè)字 LN，表示該視頻行在特定的視頻格式中所處的行數，色度和亮度信息中的 LN 是相同的。
表 4 LN 字比特信息
LN 后面的兩個(gè)字是前一行的循環(huán)冗余碼（CRC）。HD-SDI 接收器利用 CRC值檢查傳輸中的錯誤。循環(huán)冗余碼在 HD-SDI 中的作用，并不是實(shí)時(shí)處理錯誤，HD-SDI 中也不存在糾錯碼。CRC 錯誤檢測會(huì )被系統輸出，指示在傳輸鏈中的某個(gè)鏈接的設備出錯了，從而該設備可以被維修或更換。每個(gè)數據流都有各自的 CRC 值，其計算是根據下面的公式：
CRC 校驗從有效視頻區間的第一個(gè)字開(kāi)始計算直到下一行的 LN 的第二個(gè)字。水平消隱區和 SAV 不被計算。水平消隱區中的輔助數據通常有自己的錯誤檢測方法。
表 5 CRC 字的比特信息
HD-SDI 數據流中，SAV 和 EAV 中的 3FF、000、000 作為獨一無(wú)二的序列，作為整個(gè)數據流的參考時(shí)序，HD-SDI 接收器通過(guò)檢測這個(gè)序列來(lái)同步比特流。上面說(shuō)的是系統中亮度信號和色度信號分別在各自的通道進(jìn)行處理，因此各自具有視頻行的所有特征。在系統中數據傳輸時(shí)，這兩個(gè)數據通道則會(huì )交錯成一個(gè)數據流。在 10 比特寬度的字傳輸中，色度信號流中的數據通常先發(fā)送。在 20比特寬度的傳輸中，色度信號被放置在低 10 比特位。這是因為 HD-SDI 串行器先發(fā)送低位，因此把色度信號流放在低位就是為了保證先被發(fā)送。在串行數據傳輸加擾之前，兩個(gè)數據流需要按照下圖被交錯到一個(gè)數據流中。每個(gè)視頻采樣點(diǎn)先是 2 個(gè)色差信號，再是一個(gè)亮度信號。在 10 比特寬度的字傳輸中，數據流 2 中的數據通常先發(fā)送。在 20 比特寬度的串行器中，數據流2 被連接到串行器的低 10 比特位，數據流 1 被連接到串行器的高 10 個(gè)比特位。因為 HD-SDI 串行器先發(fā)送低位。因此，把數據流 2 中的字放在低位，就是為了保證先被發(fā)送。
圖2、數據流交錯
在 HD-SDI 數據流交錯之后，需要對數據進(jìn)行一定的預加擾，增強數據的隨機性，便于接收端的時(shí)鐘數據恢復。HD-SDI 通常通過(guò)兩個(gè)階段對信號進(jìn)行加擾。首先，對數據進(jìn)行偽隨機加擾，其次把偽隨機加擾的輸出從非歸零 NRZ 數據轉換為反非歸零碼 NRZI。偽隨機加擾和線(xiàn)性反饋移位寄存器類(lèi)似，下面兩個(gè)公式就是這兩個(gè)步驟：
下圖顯示加擾的串行實(shí)現，當在 FPGA 中實(shí)現時(shí)，這樣的 HD-SDI 加擾器在一個(gè)時(shí)鐘周期可以進(jìn)行 10 或者 20 比特的編碼。
圖3、HD-SDI加擾
⊕
數字音頻格式
在標清應用中，視頻素材一般嵌入立體聲音頻，分為左右聲道。在高清播出系統中，音頻的嵌入不僅要考慮到立體聲，還有可能是5.1聲道的環(huán)繞聲或者Dolby-E壓縮數字音頻。數字音頻信號標準也有很多種，例如AES/EBU、MADI、SDIF2、SPDIF 等。其中 AES/EBU 是 AES 和 EBU 共同制定的數字音頻的接口標準，指的是一種專(zhuān)業(yè)數字音頻接口標準，是目前廣播領(lǐng)域數字音頻的主流標準，廣泛應用于演播室各種接口的音頻設備間。
AES3 音頻結構的最基本數據結構稱(chēng)為子幀。每個(gè) 32 比特的子幀攜帶一個(gè)音頻樣本字以及一些其他的信息位。音頻字既可以是 24 比特，也可以是 20 比特。子幀的開(kāi)始是一個(gè) 4 比特的前導碼，音頻字后面的是有效位(V)、用戶(hù)數據位(U)、聲道狀態(tài)位(C)和校驗位(P)。一個(gè)幀由兩個(gè)連續的子幀組成，這兩個(gè)子幀分別是一個(gè)聲道對的兩個(gè)聲道的樣本。音頻幀按照 192 幀一組組成一個(gè)音頻塊，音頻組織結構如圖4所示。
圖4、一個(gè)音頻塊組成結構圖
AES3 接口的數據速率取決于音頻采樣率。理論上，音頻可以被任意的采樣率采樣，所以比特速率也可以是任意的。AES3 定義的標準音頻采樣率是 32 kHz,48 kHz, and 96 kHz。AES3 的多種比特速率使得在實(shí)際應用中經(jīng)常用到音頻采樣率的轉換。
嵌入解嵌技術(shù)
SMPTE272M是SD-SDI音頻嵌入標準，SMPTE299M是HD-SDI的24bits PCM音頻嵌入標準。美國電影電視工程協(xié)會(huì )(SMPTE)制定的SMPTE299M附加標準A中描述在 AES3 接口上傳輸SMPTE337M定義的非 PCM 編碼的多聲道音頻(環(huán)繞聲)。
傳輸的音頻信號數從最少的兩個(gè)聲道到最大的 16聲道。音頻聲道成對發(fā)送，一般一組 4 個(gè)，每組都有一個(gè)單獨的輔助數據 ID。音頻數據包被嵌入到并行色差信號 Cb/Cr 的水平輔助數據空間，音頻控制包被嵌入到并行亮度信號 Y 的水平輔助數據空間。嵌入到視頻中的音頻包和SD-SDI的嵌入不同，沒(méi)有音頻擴展包只有兩種：一種是音頻數據包，一種是音頻控制包。
音頻數據包的格式在圖5 所示，音頻數據包包括輔助數據標志(ADF)，數據標識(DID)，數據塊序號(DBN)，數據計數(DC)，用戶(hù)數據(UDW)和校驗和(CS)。
圖5、音頻數據包格式
其中：
ADF：作為音頻包的其實(shí)標志，是一個(gè) 000 3FF 3FF 的序列。
DID：用在音頻包中，用于識別音頻組的標志，音頻組 1(聲道 1~4)的 DID是 2E7h，音頻組
2(聲道 5~8)的 DID 是 1E6h，音頻組 3(聲道 9~12)的 DID 是 1E5h，音頻組 4(聲道
13~16)的 DID 是 2E4h。
DBN：區別連續的 DID 相同的輔助數據包
DC： HD-SDI 中音頻包的 DC 值恒為 218h。
CLK：音頻時(shí)鐘相位表示視頻 EAV 的第一個(gè)字到音頻樣本輸入到格式化模塊時(shí)視頻樣本點(diǎn)之間的視頻時(shí)鐘數。專(zhuān)門(mén)用于異步音頻在接收端重新生成音頻采樣時(shí)鐘。
CH1~CH4：一個(gè)音頻包中包含一個(gè)音頻組即兩個(gè)聲道對共 4 個(gè)聲道的音頻樣本。每個(gè)音頻子幀在音頻數據包中用 4 個(gè)連續的字來(lái)表示，其格式如下表6：
表6、音頻子幀比特信息
其中，Z 標志的狀態(tài)用于同步 AES 音頻塊。相鄰兩個(gè)聲道一個(gè) Z 標志。
ECC：BCS(31,25)糾錯碼，對每個(gè)比特序列 b0 位到 b7 位。在該碼的范圍內對從 ADF 的第一個(gè)字到音頻數據的最后一個(gè)字進(jìn)行糾錯或檢錯。ECC 是 BCH(31，25)糾錯碼，用來(lái)對從 ADF 到 ECC 之前的所有字進(jìn)行糾錯。BCH 碼只針對每個(gè)字的 b0~b7 進(jìn)行糾錯。六個(gè)字的 ECC 是通過(guò)下面的式子生成的：
下圖為BCH碼的編碼電路：
圖6、BCH編碼電路
FPGA系統實(shí)現
嵌入和解嵌分別設計成兩個(gè)系統，最后完成兩個(gè)設備——嵌入設備、解嵌設備。由于兩個(gè)系統實(shí)現的是一種互逆過(guò)程，基本原理都一樣且實(shí)現方式都是采用單片FPGA完成數字邏輯的大部分功能，所以本文主要把兩個(gè)系統融合一起研究。
FPGA選定為Xilinx公司Spartan6系列芯片，具體型號為XC6SLX45T-FG484。該款FPGA芯片資源及特點(diǎn)如下表7所示：
表7
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器件型號
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XC6SLX45T
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邏輯單元
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43661
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Slices數量
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6822
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觸發(fā)器數量
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54576
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DSP處理單元
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58
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BlockRAM容量
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2Mbits
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時(shí)鐘管理單元
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4
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DDR存儲器接口
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