FPGA高端项目：SDI 视频+音频编解码，提供工程源码和技术支持

2023-12-27 12:21:03

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FPGA高端项目：SDI 视频+音频编解码，提供工程源码和技术支持

1、前言

Xilinx系列FPGA实现SDI视频编解码目前有两种方案：
一是使用专用编解码芯片，比如典型的接收器GS2971，发送器GS2972，优点是简单，比如GS2971接收器直接将SDI解码为并行的YCRCB，GS2972发送器直接将并行的YCRCB编码为SDI视频，缺点是成本较高，可以百度一下GS2971和GS2972的价格；另一种方案是使用FPGA实现编解码，利用FPGA的GTP/GTX/GTH/UltraScale GTH等资源实现解串，优点是合理利用了FPGA资源，缺点是操作难度大一些，对FPGA水平要求较高；UltraScale GTH 适用于Xilinx UltraScale系列的FPGA上，包括Virtex UltraScale、Kintex UltraScale、Zynq? UltraScale等器件，在UltraScale系列之下只有GTH，而UltraScale GTH相比于GTH，线速率更高，支持协议类型更多，功耗更低，带宽更高；同样的，Xilinx也提供了SDI视频编解码的专用IP，比如SMPTE UHD-SDI，该IP支持3G-SDI、6G-SDI、12G-SDI等视频编解码；目前市面上的SDI编解码方案一般都是视频的，而SDI音频的编解码方案却很少，要知道，SDI数据流中是可以包含音频的，而本设计就是解决这个问题，从输入的SDI数据流中分理处视频和音频；

本文使用Xilinx的7系列Kintex7–xc7k325tffg676-2型号的FPGA实现3G-SDI 视频+音频编解码；本设计分为3G-SDI 视频编码、3G-SDI 音频解码和3G-SDI 视频解码两部分，即3G-SDI 视频发送和视频+音频接收，三个部分功能做在一个工程里；3G-SDI 视频接收过程为：输入摄像头为标准的3G-SDI摄像头，开发板板载GV8601A芯片，SDI视频经过GV8601A起到均衡EQ的作用，也可以理解为单端转差分；然后调用Xilinx官方GTX的GTXE2_CHANNEL原语和GTXE2_COMMON原语进行SDI视频解串，将高速串行的SDI视频解为并行数据，GTX选择QPLL时钟；然后调用Xilinx官方的SMPTE SD/HD/3G-SDI IP核实现SDI视频解码，该IP在Kintex7器件上只支持SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI视频编解码，本设计配置为3G-SDI模式；到这里，3G-SDI 视频解码工作就完成了，解码后的视频为并行的TTL电平的数据，此时的解码数据送入ILA中观察，也可以供用户做后续处理，比如缓存、颜色转换、缩放、图像识别等，本设计不做处理，只将数据留出来，给开发者更多利用空间；SDI接收到的数据流中是可以包含音频的，而本设计就是解决这个问题，从输入的SDI数据流中分理处视频和音频；调用Xilinx官方的 UHD-SDI Audio IP核解码SDI音频信号，该IP在Kintex7器件上只支持3G-SDI和6G-SDI音频编解码，本设计配置为3G-SDI模式；然后将解码后的音频送入i2s音频编码模块，输出标准的i2s音频时序；然后将音频数据送入板载的TLV320AIC3104音频编码芯片输出到外部扬声器即可播放SDI音频；3G-SDI 视频发送过程为：纯verilog实现的静态彩条作为视频源，然后调用Xilinx官方的SMPTE SD/HD/3G-SDI IP核实现SDI视频编码，该IP在Kintex7器件上只支持SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI视频编解码，本设计配置为3G-SDI模式，这个过程是接收过程的逆过程；然后调用Xilinx官方GTX的GTXE2_CHANNEL原语进行SDI视频串化，将并行的SDI视频数据串化为高速串行数据，GTX选择CPLL时钟，这个过程是接收过程的逆过程；然后将视频信号送入板载的GV8500芯片，GV8500起到增强驱动的作用，也可以理解为差分转单端；我手里有一个SDI转HDMI的盒子，将输出的SDI视频接到盒子里，然后输出显示器即可输出显示了；本方案提供1套vivado2022.2版本的FPGA工程源码；

本博客详细描述了Xilinx的7系列Kintex7–xc7k325tffg676-2型号的FPGA实现6SDI 视频+音频编解码的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我这里已有的 GT 高速接口解决方案

我的主页有FPGA GT 高速接口专栏，该专栏有 GTP 、 GTX 、 GTH 、 GTY 等GT 资源的视频传输例程和PCIE传输例程，其中 GTP基于A7系列FPGA开发板搭建，GTX基于K7或者ZYNQ系列FPGA开发板搭建，GTH基于KU或者V7系列FPGA开发板搭建，GTY基于KU+系列FPGA开发板搭建；以下是专栏地址：
点击直接前往

我目前已有的SDI编解码方案

我的博客主页开设有SDI视频专栏，里面全是FPGA编解码SDI的工程源码及博客介绍；既有基于GS2971/GS2972的SDI编解码，也有基于GTP/GTX资源的SDI编解码；专栏地址链接：点击直接前往

3、设计思路和框架

本文使用Xilinx的7系列Kintex7–xc7k325tffg676-2型号的FPGA实现3G-SDI 视频+音频编解码；本设计分为3G-SDI 视频编码、3G-SDI 音频解码和3G-SDI 视频解码两部分，即3G-SDI 视频发送和视频+音频接收，三个部分功能做在一个工程里；3G-SDI 视频接收过程为：输入摄像头为标准的3G-SDI摄像头，开发板板载GV8601A芯片，SDI视频经过GV8601A起到均衡EQ的作用，也可以理解为单端转差分；然后调用Xilinx官方GTX的GTXE2_CHANNEL原语和GTXE2_COMMON原语进行SDI视频解串，将高速串行的SDI视频解为并行数据，GTX选择QPLL时钟；然后调用Xilinx官方的SMPTE SD/HD/3G-SDI IP核实现SDI视频解码，该IP在Kintex7器件上只支持SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI视频编解码，本设计配置为3G-SDI模式；到这里，3G-SDI 视频解码工作就完成了，解码后的视频为并行的TTL电平的数据，此时的解码数据送入ILA中观察，也可以供用户做后续处理，比如缓存、颜色转换、缩放、图像识别等，本设计不做处理，只将数据留出来，给开发者更多利用空间；SDI接收到的数据流中是可以包含音频的，而本设计就是解决这个问题，从输入的SDI数据流中分理处视频和音频；调用Xilinx官方的 UHD-SDI Audio IP核解码SDI音频信号，该IP在Kintex7器件上只支持3G-SDI和6G-SDI音频编解码，本设计配置为3G-SDI模式；然后将解码后的音频送入i2s音频编码模块，输出标准的i2s音频时序；然后将音频数据送入板载的TLV320AIC3104音频编码芯片输出到外部扬声器即可播放SDI音频；3G-SDI 视频发送过程为：纯verilog实现的静态彩条作为视频源，然后调用Xilinx官方的SMPTE SD/HD/3G-SDI IP核实现SDI视频编码，该IP在Kintex7器件上只支持SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI视频编解码，本设计配置为3G-SDI模式，这个过程是接收过程的逆过程；然后调用Xilinx官方GTX的GTXE2_CHANNEL原语进行SDI视频串化，将并行的SDI视频数据串化为高速串行数据，GTX选择CPLL时钟，这个过程是接收过程的逆过程；然后将视频信号送入板载的GV8500芯片，GV8500起到增强驱动的作用，也可以理解为差分转单端；我手里有一个SDI转HDMI的盒子，将输出的SDI视频接到盒子里，然后输出显示器即可输出显示了；本方案提供1套vivado2022.2版本的FPGA工程源码；

设计框图

本设计参考了Xilinx官方设计文档，官方的参考设计框图如下：
在这里插入图片描述
具体到本工程详细设计方案框图如下：
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GV8601A均衡EQ

3G-SDI 视频接收过程为：输入摄像头为标准的3G-SDI摄像头，开发板板载GV8601A芯片，SDI视频经过GV8601A起到均衡EQ的作用，也可以理解为单端转差分；原理图部分截图如下：
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GTX 时钟要求

根据Xilinx推荐的硬件设计要求，GTX需要两路差分时钟，一路148.5M和一路148.351M，后者可以通过148.5M差分晶振匹配电阻得到；

GTX 调用与控制

然后调用Xilinx官方GTX的GTXE2_CHANNEL原语和GTXE2_COMMON原语进行SDI视频解串与串化，接收时为解串，发送时为串化，将高速串行的SDI视频解为并行数据，GTX选择QPLL时钟；代码位置截图如下：
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需要注意的是，这里并没有直接例化GTX IP核，而是直接调用其GTXE2_CHANNEL和GTXE2_COMMON原语，需要开发者对GTX有着极高的熟练度，这里直接调用原语的目的是方便配置与复位，因为我们设计的GTX支持HD-SDI、3G-SDI和6G-SDI的解串与串化，每种输入的线速率不一样，所以需要控制GTX在不同输入状态下的线速率切换，线速率切换后，需要改变GTX内部状态机逻辑和复位才能使GTX在变速后工作稳定，GTX的变速和配置需严格按照官方数据手册时序进行，所以代码中有专门的GTX变速配置模块；代码中包含了GTXE2_CHANNEL和GTXE2_COMMON原语，分别对应GTX官方文档中的对应结构，GTXE2_CHANNEL负责具体的解串与串化，GTXE2_COMMON原语负责QPLL时钟配置，两者可通过GTX变速配置模块中的DRP进行动态配置；

SMPTE SD/HD/3G-SDI

然后调用Xilinx官方的SMPTE SD/HD/3G-SDI IP核实现SDI视频编解码，对于接收来说是解码，对于发送来说是编码；该IP在Kintex7器件上只支持SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI编解码，本设计配置为3G-SDI模式；代码位置截图如下：
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IP配置如下：
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SMPTE SD/HD/3G-SDI 用法与SMPTE UHD-SDI IP类似，调用都很简单，但使用相对复杂，用户接口众多，详情请参考官方数据手册，接口关系请参考，这里只做简单解读，如下：
根据官方手册，参考SMPTE UHD-SDI数据收发架构如下：
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SMPTE SD/HD/3G-SDI 接收

SMPTE SD/HD/3G-SDI 用法与SMPTE UHD-SDI IP类似，参考SMPTE UHD-SDI 接收端的框图如下：
在这里插入图片描述
来自串行收发器 RX 的数据通过 rx_data_in 端口进入 SMPTE UHD-SDI接收器，对于 SD、HD 和 3G 模式，每个时钟周期 20 位;对于 6G 和 12G 模式，每个时钟周期 40 位。在 SD 模式下，rx_data_in 上的 20 位数据转到 DRU (data recovery unit)， DRU 从 11 倍过采样数据中恢复 10 位数据。数据由 SDI解扰器解扰，然后由 SDI 成帧器进行字对齐。之后就是同步位恢复功能。 此功能可还原由变送器修改的 3FF 和 000值，以减少 6G 和 12G-SDI 模式下的运行长度。这三个模块以全 rx_clk 速度运行，并根据 SDI 模式在每个时钟周期处理 40、20 或 10 位数据。 数据进入 stream demux，该 demux 确定有多少数据流交织在一起，然后在单独的数据路径上分离每个数据流，最多支持 16 个数据流。每路数据流进入一个处理单元，该单元进行 CRC 错误检查、行号捕获和 ST 352 包捕获。还可以从 stream demux 中
提取视频时序并产生 rx_eav，rx_sav 和 rx_trs 时序信号。这些时序信号由 SDI 模式检测并给传输检测模块使用。

SMPTE SD/HD/3G-SDI 发送

SMPTE SD/HD/3G-SDI 用法与SMPTE UHD-SDI IP类似，参考SMPTE UHD-SDI 发射端的框图如下：
在这里插入图片描述
SMPTE UHD-SDI最多可以支持 16 路 SDI 数据流，数据流首先通过 ST 352 插入模块，可以有选择地插入 ST 352 有效负载 ID 数据包，从 ST 352 插入模块输出的数据流称为 tx_ds1_st352_out 至tx_ds16_st352_out。输出这些流可以方便用户在 ST 352 数据包后插入辅助数据。 发送器的其余部分可以直接使用ST 352 数据包插入模块输出的流，也可以使用 16 个 tx_ds1_anc_in 到 tx_ds16_anc_in 数据流。请注意，如果使用tx_dsn_anc_in 数据流，则它们必须是完整的 SDI 数据流，而不仅仅是辅助数据。通常情况下，每个 Y/C 数据流对的 Y 数据流中只插入 ST 352 包。而在 3G-SDI level A mode-only 模式下，数据流 1 和数据流 2 都必须插入 ST 352 报文。然后每对 Y / C 数据流经过一个数据流处理模块，该模块可以进行进行行号插入和 CRC 生成及插入。在流处理之后，数据流被 MUX 交织，形成 40、20 或 10 位宽的多路复用 SDI 数据流。然后，由 SDI 加扰器对多路复用的数据流进行加扰。最后，数据在 tx_txdata 端口上输出到对应的串行收发器。

SDI 视频接收数据处理

到这里，3G-SDI 视频解码工作就完成了，解码后的视频为并行的TTL电平的数据，此时的解码数据送入ILA中观察，也可以供用户做后续处理，比如缓存、颜色转换、缩放、图像识别等，本设计不做处理，只将数据留出来，给开发者更多利用空间；开发者可以通过ILA观察SDI接收数据的正确性，在此基础上可以做后续处理；

SDI 音频接收–UHD-SDI Audio解码

SDI接收到的数据流中是可以包含音频的，而本设计就是解决这个问题，从输入的SDI数据流中分理处视频和音频；调用Xilinx官方的 UHD-SDI Audio IP核解码SDI音频信号，该IP在Kintex7器件上只支持3G-SDI和6G-SDI音频编解码，本设计配置为3G-SDI模式；UHD-SDI Audio在代码中位置和IP配置如下：
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SDI 音频接收–i2s输出播放

然后将解码后的音频送入i2s音频编码模块，输出标准的i2s音频时序；然后将音频数据送入板载的TLV320AIC3104音频编码芯片输出到外部扬声器即可播放SDI音频；该部分代码位置如下：
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发送数据彩条

发送数据彩条由纯verilog实现，为静态彩条，作为 3G-SDI视频发送的数据源，代码位置截图如下：
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GV8500增强驱动

发送过程经过静态彩条生成、SMPTE UHD-SDI编码、GTX串化后，将视频信号送入板载的GV8500芯片，GV8500起到增强驱动的作用，也可以理解为差分转单端；原理图部分截图如下：
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SDI 视频发送输出

3G-SDI 视频发送通路，经GV8500增强驱动后，通过板载的BNC接头连接SDI转HDMI的盒子，将输出的SDI视频接到盒子里，然后输出显示器即可输出显示了；

4、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx的7系列Kintex7–xc7k325tffg676-2；
开发环境：Vivado2022.2；
输入：3G-SDI摄像头，解码后不做处理；
输出：静态彩条视频经3G-SDI编码后输出、输出SDI音频至扬声器；
应用：FPGA高端项目：SDI 视频+音频编解码；
工程代码架构如下：
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资源消耗和功耗预估如下：
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5、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；
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3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：
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打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：
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此时需要升级IP，操作如下：
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FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：
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更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

6、上板调试验证并演示

准备工作

FPGA开发板；
3G-SDI相机；
BNC转SMA同轴线；
SDI转HDMI盒子；
HDMI显示器；

输出静态演示

音频输出没法演示，请见谅。。。
发送端，3G-SDI 静态彩条视频输出如下：
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7、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：
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文章来源:https://blog.csdn.net/qq_41667729/article/details/135216812
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