HDMI车站终端显示系统设计

赵宇红，乐雄志，曾 雷

（1.北方工业大学信息工程学院，北京 100144;2.北京冠华天视数码科技有限公司，北京 100070）

HDMI车站终端显示系统设计

赵宇红1，乐雄志1，曾 雷2

（1.北方工业大学信息工程学院，北京 100144;2.北京冠华天视数码科技有限公司，北京 100070）

针对当前地铁车站终端显示系统实时高清显示的需求，提出了一套基于光纤的HDMI高清终端显示系统的设计方案。介绍了广播电视领域广泛使用的SDI和HDMI接口标准及其关键技术，阐述了系统总体架构设计和各模块具体功能。系统以FPGA为编码核心，以STC单片机为控制中心，实现SDI音视频信号的高标清转换、图像缩放，以及多路高清HDMI信号编码输出。试验运行结果证明系统具有很好的兼容性和稳定性。

HDMI;FPGA;SDI;光纤传输

【本文献信息】赵宇红，乐雄志，曾雷.HDMI车站终端显示系统设计［J］.电视技术，2013，37（3）.

当前，城市轨道交通迅猛发展，已成为国家交通的重要组成部分。终端显示系统作为整个轨道交通重要的组成部分，其必须具备高速信号的实时处理能力，以确保终端显示系统的实时高清显示，同时系统还必须具备高度的可靠性和稳定性以适应地铁车站的复杂环境。

目前在地铁车站内传输的是SDI广播电视信号，但是SDI信号不能直接显示在消费类电子显示屏上。一般情况下，传统的终端显示系统将SDI信号转换为模拟音视频信号，但是会带来很大的信号转换损耗，而且设备连接很复杂。随着HMDI接口技术的发展，HDMI相对于其他的视频接口有带宽高、连接简单和保密性好的巨大优势，而且能直接在LCD上显示。因此，地在铁车站内将SDI信号转换为HDMI接口信号是一种必然趋势。同时随着光纤技术的发展，光纤传输的最大带宽可以达到100 Tbit/s［1］，因此在地铁车站中越来越趋向采用光纤代替同轴电缆传来输广播SDI信号，以满足实时高清显示的要求。笔者设计的高清终端显示系统，将光和电SDI信号转换为多路HDMI信号输出。系统运行可靠稳定，兼容性好。

1 数字音视频接口标准

1.1 SDI串行接口

SDI接口是美国电影与电视工程师学会（SMPTE）基于非归零反相编码定义的视频标准接口。在广播电视领域，SDI接口用于传送不压缩的音视频信号。SDI信号以4∶2∶2方式对视频亮度和色度采样形成，主要分为720×576格式的SD－SDI和1 920×1 080格式的HD－SDI信号，传输速度分别为270 Mbit/s和1.485 Gbit/s。其最大优点就是能在视频行和列消隐区嵌入大量的音频和辅助数据。依据STM259标准规定，可以嵌入的音频最少2路，最多16 路［2］。

1.2HDMI接口

HDMI是由国际高清多媒体接口组织制定的一种全新数字化视频/音频接口技术。它可以同时传输高清视频信号和数字音频信号，传输数据带宽高达10.2 Gbit/s。HDMI系统结构整体框图如图1所示［3］。

图1 HDMI系统结构整体框图

视频、音频和辅助数据在3条TMDS数据通道上传送。TMDS时钟通道传送视频像素时钟，作为数据通道上数据恢复的参考频率。HDMI数据传输过程分成视频数据传输期、数据岛数据传输期和控制数据传输期3个周期。视频数据传输期和数据岛数据传输期分别传输经过HDMI编码的10位TMDS视频流和10位TMDS音频流。控制数据传输期传输控制数据，表明下一个周期是视频数据传输期还是数据岛数据传输期。

2 硬件系统设计

2.1 系统总体框架

一般在一个地铁车站放置多个通过光纤或同轴电缆级联的HDMI高清终端，每个终端连接4～5个LCD显示屏。终端系统将车站播控中心传输来的广播高标清SDI信号转换为多路HDMI信号输出至车站大厅内的LCD显示屏，实现高清音视频信号实时稳定显示。

系统设计主要分为SDI输入部分、FPGA处理部分、HDMI处理部分和MCU控制部分，系统总体框架如图2所示。SDI输入部分要能兼容光输入和电信号输入，对输入的SDI信号进行均衡恢复并解嵌出音频数据和时钟信号。FPGA处理部分对音视频进行处理，并按照HDMI协议将音频和视频编码为HDMI接口信号。HDMI处理部分采取软编码和硬编码两套方案。软编码由FPGA编码完成;硬编码部分将FPGA编码输出的并行音频和视频通过ASIC编码为多路HDMI信号并驱动输出。

图2 系统总体框架

2.2 SDI处理部分

SDI处理部分包括光电转换、音频解嵌、SDI环出。本系统采用AVAGO公司的AFCT－57M5ATPZ芯片作为光模块完成光电转换。AFCT－57M5ATPZ是一款高性能、低功耗的光收发器，并且支持热插拔。在单模1 310 nm波长时，光信号最高速率能达到2.125 Gbit/s，收发距离能达到10 km，完全满足高清SDI信号的传输要求。

经过光电转换后的SDI音视频流输入到音频解嵌模块。本方案采用Gennum公司的GS1671芯片作为音频解嵌模块。GS1671支持从270 Mbit/s SD－SDI到1.485 Gbit/s HD－SDI的信号输入，对输入的信号具备很强的自适应均衡和检测纠错能力。GS1671首先对SDI信号进行均衡补偿，再通过内部集成的锁相环恢复出视频信号的时钟。在视频时钟信号的作用下，经过串并转换、解扰、音频解嵌和时序流解码，从SDI信号解嵌出I2S格式的音频信号和20 bit并行视频信号及时序信号，并将音视频信号输出至FPGA。此外GS1671环回输出2路经过时钟去抖的SDI信号至下一级HMDI终端输入。GS1671信号处理框图如图3所示。

图3 GS1671信号处理框图

2.3 FPGA 处理部分

本系统中 FPGA采用 Xilinx公司的 SP6LX45T，SP6LX45T是一款低功耗高性能的FPGA，它内部具有丰富的逻辑资源，内部集成了高速DDR3控制器，8个速率高达3.2 Gbit/s的高速串行收发器和16个低偏移的全局时钟网络系统。因此SP6LX45T非常适用于对时序要求严格的高速信号处理的应用中［4］。系统中FPGA主要完成音视频的HDMI软编码，HDMI转SDI输出，以及并行音视频数据的直通输出等功能。FPGA的编码设计框图如图4所示。

图4 FPGA编码设计框图

外部经过GS1671均衡后输出的20 bit并行视频和I2S格式的音频输入到FPGA内部的视频和音频FIFO，再将视频FIFO输出的信号进行Y/Cb/Cr到RGB的色域转换。处理后的并行视频和I2S格式音频通过FPGA内部的DDR IP核输出到外部高速DDR3中。DDR3数据存取速率高达800 MHz，能对音视频数据进行高速缓存以应对过大的数据量并解决跨时钟域的问题。DDR3将经过缓存后的音视频数据传回FPGA进行采样点的上下变换和图像缩放处理。处理后的音频和视频分为2路，一路直接输出到外部LT8618芯片进行HDMI硬编码，另一路音视频数据由FPGA根据HDMI1.3协议进行HDMI软编码，输出TMDS音视频流。FPGA中的视频时钟通过外部的Si5315芯片做时钟去抖处理，并作为音频时钟的参考时钟，因此FPGA内部的信号有很好的时序约束。

2.4 HDMI处理部分

HDMI处理部分完成HDMI的编码输出。本系统为了实现更好的兼容性和稳定性，采用了2套方案——HDMI软编码和ASIC硬编码。HDMI软编码通过FPGA编码生成1路HDMI信号，并采用龙讯公司的LT86101EX芯片进行驱动输出。

HDMI硬编码部分分为三级，如图5所示。

图5 HDMI硬编码设计图

HDMI硬编码第一级采用龙讯公司LT8618LP芯片。LT8618LP支持最新的HDMI1.3编码标准和24 bit色域深度;视频输入支持 24 bit RGB/YCbCr 4∶4∶4，8/10/12 bit YCbCr 4∶2∶2的视频格式;音频输入支持4×I2S Dolby digital和DVD－Audio的音频格式。HDMI硬编码信号处理图如图6所示。

LT8618LP先将输入的20 bit的视频信号、H/YSYN和DCLK时序信号进行4∶2∶2到4∶4∶4的视频采样速率转换和YCbCr到RGB颜色空间转换。再将处理后的视频信号与输入打包的音频按照HDMI1.3标准生成标准HDMI信号，并且通过HDPC模块进行音视频数字内容加密。HDCP加密信息存储在外部E2PORM中。

图6 HDMI硬编码信号处理图

HDMI编码第二级采用Loutium的LT86104将LT8616LP输出的信号作一分四处理，输出4路HDMI。第三级采用Lontium的LT86101EX对信号进行驱动输出，输入端能达到最大15 dB的均衡增益，输出端进行预加重驱动输出，信号无损传输距离能达到40 m，非常适用于车站内的应用。

2.5MCU 部分

本系统采用STC12LE5A60SA单片机作为MCU模块。STC12LE5A60SA是一款高速、低功耗、超强抗干扰性的新一代8051单片机，外设资源非常丰富［5］。系统上电后，MCU主要完成:1）系统复位和初始化。上电后MCU产生Resetn信号对系统进行复位。复位后通过SPI和I2C总线对GS1671，LT8618，LT86104等芯片进行初始化配置，并且与FPGA进行通信，获取FPGA的内部状态并作相应的处理;2）串口调试和低压检测。MCU通过I2C总线、SPI总线对 LT8618，LT86104，LT86101EX 进行音频和视频的调试，并将调试信息通过串口显示在PC端。同时MCU完成低压检测功能，一旦MCU检测到系统处于低电压状态就进行复位，保证系统稳定运行。MCU控制模块的软件流程图如图7所示。

图7 MCU软件流程图

3 硬件调试和分析

本系统设计的PCB版图如图8所示。系统调试时，通过IO2100D数字SDI接口卡将PC上的高清音视频信号转换为SDI信号输出作为测试信号源，原始视频图像分辨率为1 920×1 080，帧率为50 Hz，扫描方式为隔行扫描。SDI信号输入系统经过处理后输出的HDMI信号在监视器上显示的图像如图9所示。实验结果显示系统满足实时高清显示的要求，并且音视频同步良好，音视频信号质量高。

为了系统运行安全可靠，笔者对其做了静力放电、快速瞬变群脉冲和雷击等EMC检测。由于在PCB制板中对接地系统做了很好的布局且采取了良好的静电措施，系统通过了B级国家EMC标准。

4 结束语

本系统设计充分利用HDMI带宽高和光纤损耗低的优点，将广播SDI信号转换为当前消费领域广泛使用的HDMI接口信号，并兼容光和电SDI信号输入。系统已经在地铁车站试运行，运行试验表明，系统运行稳定可靠，控制方便;音视频实时性好，信号质量高，满足设计要求。并且系统通过了静力放电、快速瞬变群脉冲和雷击等EMC检测，完全满足地铁车站内特殊环境要求。因此，本系统设计具有很高的研究意义和实用价值。

:

［1］饶云江，刘德森.光纤技术［M］.北京:科学出版社，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］何宾.Xilinx可编程逻辑器件设计技术详解［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［5］陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术［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

赵宇红（1962— ），副教授，硕士生导师，主研多媒体通信技术与现代电路理论;

乐雄志（1987— ），硕士生，主研嵌入式系统设计与多媒体通信技术;

曾 雷（1985— ），硕士，硬件工程师，主研视频处理与数据通信技术。

责任编辑:任健男

2012－09－27