基于基于FPGA的的3G/HD/SD-SDI信号光纤传输系统的设计信号光纤传输系统的设计
绍了基于FPGA和高速串行复接/解复接技术，将3G/HD/SD-SDI信号通过光纤实现无损长距离传输的方法。与传
统的传输方案相比，此方案可以完成传输高清视频的平滑升级，并向下兼容现有的视频传输网络，降低了网络
的改造升级成本。
引言
SDI(Serial Digital Interface)是一种“数字分量串行接口”，通过75Ω同轴线缆传输无压缩的数字视频信号。由于串行数字信号的
数据率很高，在传送前必须经过处理。用扰码的不归零倒置(NRZI)来代替早期的分组编码，其标准为SMPTE 259M和EBU-
Tech-3267，标准包括了含数字音频在内的数字复合和数字分量信号，支持4种速率：143Mbit/s的NTSC制复合编码信
号;177.3Mbit/s的PAL制复合编码信号;270Mbit/s的NTSC制和PAL制分量编码信号;360Mbit/s 16：9长宽比的NTSC制和PAL制
分量编码信号，其中最常见的是270Mbit/s。在传送前，对原始数据流进行扰频并变换为NRZI码，确保在接收端可靠地恢复原
始数据。
在概念上可以将数字串行接口理解为一种基带信号调制。SDI接口能通过270Mbit/s的串行数字分量信号，对于16：9格式的图
像，应能传送360Mbit/s的信号。NRZI码是极性敏感码。用“1”和“0”表示电平的高和低，如果出现长时间的连续“1”或连续“0”，
会影响接收端从数字信号中提取时钟。因为串行数字信号接口不单独传送时钟信号，接收端需从数字信号流中提取时钟信号，
所以要采用以“1”和“0”来表示有无电平变换的NRZI码。在接收NRZI码流时，只要检出电平变换，就可恢复数据，再经过加
扰，连“1”的机会减少，也就使高频分量进一步减少，使解码和提取时钟信息更加容易。实现加扰/解扰的生成多项式为
G1(x)=x9+x4+1，该步主要是将数字化的视频信号变成NRZ扰码信号。编码/译码的生成多项式为G2(x)=x+1，该步主要是将上
一步生成的NRZ扰码变成对电平极性不敏感、只对电平极性变换敏感的NRZI码。其扰码的原理框图如图1所示。具体实现利用
Verilog HDL编程。在接收端，由SDI解码模块从NRZI码流恢复出原数据流。
按照移动图像和电视工程师协会(SMPTE)制定的清晰度标准要求，SDI可分为：SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI。其中：
SD-SDI：SD-SDI(Standard Definition Seria Digital Interface) 视频信号的通常速率为270Mbit/s。其信号格式从19.4Mbit/s到
360Mbit/s，支持符合SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M标准，以及DVB-ASI(EN50083-9)等数字
电视格式的信号。SD-SDI是无延时、无失真的标清视频信号。
HD-SDI：HD-SDI(High Definition Seria Digital Interface)视频信号的速率达到1.485Gbit/s，刷新率支持60Hz。其信号格式从
19.4Mbit/s到1.485Gbit/s，支持符合SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M标准，以
及DVB-ASI(EN50083-9)等数字电视格式的信号。HD-SDI是无延时、无失真的高请视频信号。
3G-SDI：3G-SDI中的3G是指SDI信号的数据传输率约为3Gbit/s。其信号格式从19.4Mbit/s到2.97Gbit/s，支持符合SMPTE
424M、SMPTE 292M、SMPTE 259M、SMPTE 297M、SMPTE 305M、SMPTE 310M标准，以及DVB-ASI(EN50083-9)等
数字电视格式的信号。由于HDTV可以支持每秒30帧的逐行扫描1920×1080的分辨率格式，而3G能够支持比HD视频信号最高
帧扫描频率高一倍的频率，即3G可以支持每秒60帧的HD信号，这在观看动态视频时的差别是很大的。
本文设计的3G/HD/SD-SDI信号的光纤传输方案，支持标清SD-SDI(270Mbit/s)、高清HD-SDI(1.485Gbit/s)及全高清3G-
SDI(2.97Gbit/s)视频格式，可传送符合数字视频广播/异步串行接口(DVB-ASI)、标准清晰度(SMPTE 259M)、高清晰度
(SMPTE 292M)以及全新的3G-SDI(SMPTE 424M)等标准的视频数据，通过光纤实现3G/HD/SD-SDI信号的高可靠、高性能和
长距离传输。采用单模光纤，无中继传输距离可达100km以上。
1 系统设计
由于传输的3G/HD/SD-SDI 信号主要用于广播电视行业，其专业级的指标要求，必须确保输出信号有高稳定性与可靠性。在对
信号进行均衡以及时钟恢复，解扰及串并转换，以及后端的输出驱动的处理过程中，均选择GENNUM公司的集成电路实现高
清视频信号接口的转换，这样做可以最大限度的保证各相关模块的兼容性，并且具有信号恢复和抖动抑制功能，系统输出接近
完美的眼图指标，有利于提高系统的稳定性，降低信号的抖动。
本系统的主控模块是FPGA，综合考虑成本、占用面积以及以后的升级，就需要FPGA的内部资源尽量丰富，因此选用Xilinx公
司Spartan-3A系列FPGA，该系列FPGA集成了DSP功能，拥有极强的并行处理能力，满足图像和视频处理所需的性能要求，
包括压缩(MPEG-2和MPEG-4)，色空间转换，图像增强、处理、缩放和识别等;采用SPI PROM模式完成配置，为便于调试，
也预留了JTAG接口; 完成图像采集、存储和整个系统的逻辑控制。
系统分为发射端和接收端。在发射端，信号先经过均衡、串并转换处理，输入到FPGA完成一次复用后，进入高速复接芯片完
成二次复用，最后经电光转换模块将其转换为光信号，这样就将3G/HD/SD-SDI信号转变成光信号。在接收端，将接收到的的
光信号经光电转换模块转换为电信号，进入高速解复接模块和FPGA中，完成信号解复用和缓存处理后，输入到多速率SDI编
码模块，输出原3G/HD/SD-SDI信号。系统原理框图如图2所示。
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