基于FPGA的数字视频接口转换器设计（一）

　　摘要：针对数字视频在某型仿真测试设备中的实际应用需求，研究了一种从DVI视频接口到Camera Link视频接口转换的实现方法；结合专用的视频编解码芯片，以CycloneⅢ 型高性能FPGA为系统功能，通过合理控制大容量存储器的读写操作，实现了1024×768@60Hz的DVI接口视频信号到1024×768@29.18Hz或320×256@50Hz的Camera Link接口视频信号的转换；经试验验证，上述视频接口转换方法工作稳定、可靠。

　　0 引言

　　随着数字视频传输技术的高速发展，DVI、Camera Link等数字视频传输接口在商业PC、数字电视及工业相机等领域得到了愈来愈广泛的应用。

　　不同接口的视频信号在编解码技术及数据同步等层面具有不同的格式，不能直接兼容，因此可知，视频接口的转换本质在于对不同视频格式的信号进行处理与转换。然而，视频信号的高带宽、高频率及大数据吞吐量等特点给视频处理系统的性能提出了极大的挑战，如何保证视频处理的实时性，成为设计者必须首先解决的问题。

　　高性能FPGA具有片内存储器资源丰富，可编程硬件逻辑块数量多，灵活性高，并行处理能力强等特性，使得设计者在信号处理任务上更具选择性和创造性，无疑成为大带宽数字视频信号处理的理想选择。本文针对某型仿真测试设备中视频接口转换的实际需求，研究了基于Altera公司CycloneⅢ 型FPGA的DVI接口视频信号（1024×768@60Hz）到CameraLink接口视频信号（1024×768@29.18Hz或320×256@50Hz）的转换方法。

　　1 数字视频接口基本原理

　　1.1 DVI接口标准

　　DVI标准是数字显示工作组DDWG提出的新一代高性能数字视频显示接口技术。DVI接口采用类似于LVDS的变换差分信号TMDS技术进行高速信号传输，分为单链接和双链接两种方式。单链接DVI-D接口包含3路TMDS信号通道，1路TMDS时钟通道。TMDS编码技术将基色（R、G、B）信号以及同步信号编码为串行的10位码元，并经过数据直流平衡，使像素数据与同步控制数据在同一对TMDS信号通道中分时传输。DVI接收器通过判断数据使能信号DE的状态来区分像素与同步数据。当DE信号为高电平时，表示当前链路编码输出的数据为像素数据；当DE信号为低电平时，表示当前链路像素数据无效，而同步控制数据有效。而且，像素数据与同步数据被编码为不同的码型，保证接受器可以无误的恢复像素数据、像素时钟和同步控制信号。

　　1.2 Camera Link接口标准

　　Camera Link接口标准由美国国家半导体公司提出的Channel Link技术标准发展而来[3].该标准基于LVDS技术且具有开放式的接口协议，使得不同厂家能够保持产品的差异性，又能相互兼容。Camera Link标准采用5对LVDS通道（包括4对视频信号通道和1对像素时钟通道）来完成24位像素数据和4位同步控制数据的传输，驱动器将这些单端信号以7:1的比例转换为LVDS信号串行传输，提高了信号的抗噪能力和传输速度。Camera Link数字像素数据为RGB格式；视频同步信号则包括：帧有效信号FVAL,行有效信号LVAL,数据有效信号DVAL,备用信号Spare.

　　2 系统方案设计

　　本系统的功能是实现两种接口不同格式的视频信号转换，具体包括视频信号的帧频转换、分辨率转换、色度空间转换。

　　系统功能框图如图1所示。

　　由图1可知，系统主要包括DVI接口模块、FPGA模块、存储器模块及Camera Link接口模块。系统的功能流程为：

　　DVI接收器将TMDS信号转换为单端数字信号（包括24为RGB像素信号，行场同步信号，DE信号及像素时钟信号），并将其送给FPGA.经过FPGA相应的信号处理，将视频数据直接输出给Camera Link编码器完成视频接口的转换。其中，FPGA的处理任务主要包括：合理控制外部大容量存储器的读写，实现输入视频信号的帧缓存；实现视频信号的帧频改变、分辨率改变及色度空间转换。测试时，系统使用普通PC机的DVI输出接口作为视频信号源，用标准的Camera Link采集显示系统实时采集转换后的信号，以验证系统功能。