RU66644U1 - Модуль многоканального ввода-вывода и обработки hd/sd sdi видео dvi/hdmi графики - Google Patents

Abstract

Полезная модель представляет собой электронное устройство и относится к области цифрового кино- видеопроизводства, телевидения и компьютерной графики. Более конкретно полезная модель может быть использована в HDTV и SDTV видеооборудовании: многоканальных вещательных серверах, цифровых диск рекордерах, станциях нелинейного монтажа, системах компьютерных спецэффектов, в микшерском оборудовании, видеороутерах, рирпроекции, оборудовании преобразования форматов, в качестве платы управления LCD-дисплеев и проекционных систем. Технический результат состоит в объединении интерфейсов HD\SD SDI, DVI\HDMI, LVDS, PCI-X\PCI-Express в одном модуле и создания конфигурационной прошивки программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Также техническим результатом данной полезной модели является реализация многоканального ввода-вывода HD\SD SDI видео и DVI\HDMI графики в компьютерную систему через шину PCI-X либо PCI-Express. Сущность устройства: модуль многоканального ввода-вывода и обработки HD\SD SDI видео и DVI\HDMI графики, выполненный в виде PCI-X/PCI-Express платы, содержащий программируемую логическую интегральную схему - ПЛИС и подключенные к ней высокоскоростные приемо-передатчики, ОЗУ DDR DRAM, шины данных и управления, отличающийся тем, что содержит не менее двух HD\SD SDI входов, не менее двух HD\SD SDI выходов, не менее одного DVI\HDMI передатчика, не менее одного DVI\HDMI приемника, содержит GenLock приемник, LVDS-интерфейс, буфер RS422, причем все вышеперечисленные устройства подключены к ПЛИС, на которой реализованы блоки управления и обработки данных; модуль включает в себя подсистемы тактирования, питания и загрузки ПЛИС. Дополнительно может использоваться реализованная на ПЛИС PCI-X/PCI-Express порт для интеграции модуля в компьютерные системы.

Description

Область применения

Полезная модель представляет собой электронное устройство и относится к области цифрового кино- видеопроизводства, телевидения и компьютерной графики.

Более конкретно полезная модель может быть использована в HDTV и SDTV видеооборудовании: многоканальных вещательных серверах, цифровых диск рекордерах, станциях нелинейного монтажа, системах компьютерных спецэффектов, в микшерском оборудовании, видеороутерах, рирпроекции, оборудовании преобразования форматов, в качестве платы управления LCD-дисплеев и проекционных систем.

Уровень техники

В системах цифрового кино- видеопроизводства обмен данными как правило осуществляется через последовательные каналы SDI (стандарты SMPTE 259M, SMPTE 292М, SMPTE425M и ряд других) [http://www.smpte.org/].

В компьютерных системах для вывода цифрового видеосигнала применяется стандарт DVI, тогда как для ввода видео специальных интерфейсов не предусмотрено вообще. Таким образом, для интеграции видеооборудования и компьютерных систем необходим аппаратный модуль, осуществляющий преобразование между различными технологическими стандартами цифрового видео и компьютерной графики. Важным практическим требованием к модулю ввода-вывода является многоканальность, необходимая для построения на базе компьютера вещательного сервера или многокамерной системы. Также многоканальность необходима для создания микшерского оборудования, видеороутеров, рирпроекторов.

Наиболее близкими аналогами являются платы ввода-вывода фирм DeckLink [http://www.decklink.com/ модели ряда DeckLink HD Pro] и AJA [http://www.aja.com/ модели ряда KONA]. Однако они обеспечивают ввод/вывод HD/SD SDI видео только от одного источника, не имеют LVDS и входного DVI-интерфейса.

Задача данной полезной модели - устранение данных недостатков, а также реализация многоканального ввода-вывода HD\SD SDI видео и DVI\HDMI графики в компьютерную систему через шину PCI-X либо PCI-Express.

Технический результат состоит в объединении интерфейсов HD\SD SDI, DVI\HDMI, LVDS, PCI-X\PCI-Express в одном модуле и реализация многоканального ввода-вывода HD\SD SDI видео и DVI\HDMI графики в компьютерную систему через шину PCI-X либо PCI-Express.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показана блок-схема полезной модели, где 1 - модуль (плата), 2 - ПЛИС - Программируемая Логическая Интегральная Схема, 3 - ОЗУ DDR DRAM, 4 - GenLock приемник, 5 - LVDS-интерфейс, 6 - DVI\HDMI передатчик, 7 - DVI\HDMI приемник, 8 - Буфер интерфейса RS422 (порт), 9 - HD/SD SDI приемо-передатчики, 10 - PCI-X/PCI-Express Bus (шина).

На Фиг.2 показан рабочий опытный образец полезной модели.

На Фиг.3 показана блок-схема программы для ПЛИС, где 11 - блоки SDI декодеров, 12 - блоки SDI кодеров, 13 - блок DVI кодера, 14 - блок DVI декодера, 15 - блок GenLock декодера, 16 - DDR SDRAM контроллер, 17 - контроллер LVDS-интерфейса, 18 - блоки DMA контроллеров, 19 - ядро PCI-X/PCIe интерфейса, 20 - контроллер управления через шину PCI-X/PCIe, 21 - контроллер интерфейса RS422, 22 - общий коммутирующий блок Mediator.

На Фиг.4 показана схема блока SDI кодера, где 23 - дескамблер, 24 - фреймер, 25 - SDI парсер, 26 - упаковщик видео данных, 27 - упаковщик дополнительных данных.

На Фиг.5 показана схема блока SDI декодера, где 28 - распаковщик видео, 29 - распаковщик дополнительных данных, 30 - генератор, 31 - скрамблер.

Сущность устройства

Данный технический результат достигается за счет того, что модуль многоканального ввода-вывода и обработки HD\SD SDI видео и DVI\HDMI графики, выполненный в виде PCI-X/PCI-Express платы, содержащей программируемую логическую интегральную схему - ПЛИС и подключенные к ней высокоскоростные приемо-передатчики, ОЗУ DDR DRAM, шины данных и управления, отличается тем, что имеет не менее двух HD\SD SDI входов, не менее двух HD\SD SDI выходов, не менее одного DVI\HDMI передатчика, не менее одного DVI\HDMI приемника, GenLock приемник, LVDS-интерфейс, буфер RS422, причем все вышеперечисленные устройства подключены к ПЛИС, на которой реализованы блоки управления и обработки данных; модуль включает в себя подсистемы

тактирования, питания и загрузки ПЛИС. В ПЛИС загружается файл программы, написанной специально для заявленной полезной модели.

Дополнительно может использоваться реализованный на ПЛИС PCI-X/PCI-Express порт для интеграции модуля в компьютерные системы.

Многоканальный HD\SD SDI ввод-вывод реализован на основе взаимонезависимых высокоскоростных последовательных приемопередатчиков, обеспечивающих работу как с SDTV видео стандарта SMPTE259M, скорость 270 Мбит/с, так и с HDTV видео, скорость 1.485 Гбит/с, 2.970 Гбит/с. Интерфейс HD\SD SDI является основным внутристудийным каналом передачи без компрессии видеоматериалов высокого разрешения.

Новизна заявляемой полезной модели обусловлена, во-первых, тем, что в ней одновременно реализованы входные-выходные интерфейсы HD\SD SDI, DVI\HDMI, LVDS, PCI-X\PCI-Express; во вторых, реализована полноценная многоканальность HD\SD SDI ввода-вывода: каналы работают независимо друг от друга, воспроизводя либо принимая видеосигналы от разных источников; в-третьих, реализован ввод DVI\HDMI сигнала в компьютер. Ни одна из известных плат ввода-вывода не обладает описанной функциональностью.

Модуль (см. Фиг.1) выполнен в виде печатной платы в форм-факторе PCI-X\PCI-Express.

Монтаж и соединение элементов модуля реализовано на печатной плате (1). Основной элемент (2) - ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема.

Многоканальный HD\SD SDI ввод-вывод реализован на основе независимых высокоскоростных последовательных приемопередатчиков(9), обеспечивающих работу как с видео-потоком стандартного разрешения (SMPTE259M, 270 Мбит/с), так и HDTV (SMPTE292M, 1.485 Гбит/с; SMPTE425M, 2.970 Гбит/с). Каналы могут объединятся для реализации DualLink HD SDI в соответствии со стандартом SMPTE372M. Физическая среда передачи - коаксиальный кабель либо оптоволокно. Соответственно, для внешнего подключения к плате используются либо кабельные драйвер и эквалайзер, либо оптический SFP-модуль.

К ПЛИС (2) подключены не менее одного DVI\HDMI приемника (7) и не менее одного DVI\HDMI передатчика (6), которые используются для преобразования сигналов DVI\HDMI в параллельную шину LVCMOS, подключаемую к ПЛИС (2).

Буфер интерфейса RS422 (8) используется для организации управления студийным оборудованием по протоколу SONY 9 pin. Вход GenLock (4) используется для общесистемной синхронизации студийного оборудования.

Для кадровой буферизации видеоданных используется ОЗУ DDR DRAM (3).

Кодирование и декодирование HD/SD SDI потоков осуществляется в ПЛИС (12).

Две интегральные схемы DVI\HDMI приемника (7) и две интегральные схемы DVI передатчика (6) служат для организации либо двух независимых каналов ввода-вывода DVI на одиночной скорости (SingleLink), либо одного канала с удвоенной пропускной способностью (DualLink).

Для высокоскоростного обмена данными с нестандартным оборудованием служит LVDS-интерфейс (5). Многоканальная LVDS-шина является универсальным интерфейсом для высокоскоростной связи с различными устройствами. В частности, по LVDS платы управления подключаются к LCD-панелям.

Наличие DVI\HDMI входа необходимо для решения проблемы скоростного ввода компьютерной графики. Современные графические карты не предназначены для двустороннего обмена данными с центральным процессором компьютера. Существует проблема наложения компьютерной графики на HDTV видео в реальном времени. Практическим решением является ввод DVI\HDMI сигнала с выхода видеокарты и аппаратное наложение без использования центрального процессора. Эта схема реализована в заявленной модели. Так же возможен ввод DVI\HDMI - графики обратно в компьютер через шину PCI-X\PCI-Express. Наличие DVI\HDMI выхода требуется для просмотра HD\SD SDI видео на компьютерных мониторах и цифровых проекторах. Стоимость студийных мониторов с HD\SD SDI входами в несколько раз выше, чем стоимость мониторов с DVI-входами.

Интеграция в компьютерные системы производится путем подключения к внутренней шине компьютера PCI-XVPCI-Express (10). Данный интерфейс является индустриальным стандартом для высокопроизводительных серверов и рабочих станций. Контроллер PCI-X\PCI-Express (13) реализован на ПЛИС (2). При использовании на плате контролера и шины PCI-X\PCI-Express плата может использоваться как внутреннее устройство и вставляется в гнездо PCI-X\PCI-Express на материнской плате компьютера. Исполнение модели в форм-факторе PCI-X\PCI-Express упрощает интеграцию в состав компьютерных систем.

Использование в качестве центрального узла модуля программируемой логической интегральной схемы с перегружаемой прошивкой позволяет добиться высокой производительности, характерной для аппаратных решений, и значительной функциональной гибкости, характерной для программных решений. Вычислительных ресурсов ПЛИС достаточно для выполнения параллельной обработки 4-х каналов HDTV видео, 4 каналов DVI\HDMI, организации обмена по шине PCI-X\PCI-Express (10).

Внутренняя коммутационная структура ПЛИС позволяет использовать модуль в качестве микшера, переключая все входы и выходы в любой комбинации.

Модуль включает в себя подсистемы тактирования, питания и загрузки ПЛИС и может работать автономно. Модуль обеспечивает многоканальный ввод-вывод без компрессии и обработку видеоматериалов высокого (HDTV) и стандартного (SDTV) разрешения. ПЛИС представляют собой матрицу логических элементов, объединенных конфигурируемыми межсоединениями. Конечная функциональность устройства на базе ПЛИС определяется файлом программы, конфигурирующим межсоединения ПЛИС в соответствии в требуемым алгоритмом работы [1].

Программа ПЛИС Модуля многоканального ввода-вывода и обработки HD\SD SDI видео и DVI графики является уникальной и неотъемлемой частью заявленной полезной модели. Создание программы ПЛИС схоже с написанием программы для процессора - разница состоит в том, что на процессоре код исполняется последовательно на одном вычислительном элементе, а при реализации в ПЛИС программа преобразуется в схемотехнический пространственный эквивалент алгоритма. После синтеза и топологического размещения программный код преобразуют в конфигурационный файл прошивки и далее загружают в ПЛИС [7]. Файл прошивки заявленной полезной модели конфигурирует ПЛИС для выполнения следующих задач:

- управление HD/SD SDI приемопередатчиками, обработка HD/SD SDI-потоков;

- управление DVI приемниками и передатчиками, обработка DVI потоков;

- организация обмена по шине PCI-X/PCI-Express;

- управление приемопередатчиком RS-422;

- управление приемником GenLock;

- обмен данными с ОЗУ;

- организация обмена по шине LVDS.

Программный код написан на языке описания аппаратуры VHDL и синтезирован при помощи специализированного САПР.

Потоковая диаграмма верхнего иерархического уровня программы, загружаемой в ПЛИС модуля многоканального ввода-вывода и обработки HD\SD SDI видео и DVI графики, приведена на Фиг.3. Приемные блоки SDI декодеров (11) и DVI декодеров (13) декодируют входящие параллельные видеопотоки, поступающие от приемопередатчиков, и подготавливают данные к передаче через шину PCI-X/PCI-Express (10) посредством PCI-X\PCI-Express ядра (19).

Входной HD\SD видеопоток закодирован в соответствии со стандартами SMTE259M,

SMTE292M. Для последующей обработки в компьютерных системах его необходимо дескрамблировать, выровнять на границу транспортного слова (фреймировать), разделить (парсить) данные активных видеополей и дополнительные (ancillary) данные из полного видеопотока. В качестве дополнительных данных передается 4 канала звука и таймкод. Для передачи через шину PCI-X/PCI-Express необходимо упаковать (packing) очищенные видео- и дополнительные данные в 64-разрядные слова.

Приемный блок SDI (11) состоит (см. Фиг.4) из дескамблера (23), фреймера (24), SDI парсера (25), упаковщика видеоданных (26) и упаковщика дополнительных данных (27). Приемный блок DVI (13) аналогичен приемному блоку SDI, но не требует дескрамблера (23) и фреймера (24). Используется только парсинг (25) и упаковка (26, 27).

Все функции, представленные на Фиг.3, Фиг.4 и Фиг.5 написаны в виде HDL-кода. Передающие блоки SDI (12) и DVI (14) принимают данные через шину PCI-X/PCI-Express и кодируют их для передачи через видеоинтерфейсы. На Фиг.5 показана схема блока SDI кодера.

Передающий блок распаковывает входные видео (30) и дополнительные данные (31), генерирует (29) полный видеопоток и кодирует его скрамблирующим полиномом (28) в соответствии со стандартами SMTE259M, SMTE292M. В передающем блоке DVI (14) не используется функция скрамблирования.

Блок GenLock декодера (15) выделяет импульсы синхронизации, подаваемые на GenLock приемник (4).

В блоках DMA CTRL0..DMA CTRL3 (18) осуществляется буфферизация и управление DMA-передачами. Каждый блок может работать в режиме приема или в режиме передачи. Блоки PCI-X/PCI-Express ядра (19), DRAM контролер (16), LVDS контроллер (17) и RS422 контроллер (21) реализуют функции управления соответствующими интерфейсами. Блок контроллера PCI-X/PCIe (20) выполняет роль файла регистров конфигурации, доступного по чтению/записи через шину PCI-X/PCI-Express.

Коммутация данных и арбитраж общей памяти выполняется в блоке Mediator Ctrl (22). В этом же блоке происходит перевод сигналов из тактового домена синхросигнала PCI в локальные таковые домены видеоканалов.

В опытных образцах заявленной полезной модели была использована ПЛИС EP2S30F672 типа FPGA семейства StratixII фирмы Altera. Эта ПЛИС содержит 33 тысячи 880 логических элементов, 1 миллион 369 тысяч 728 бит ОЗУ, 500 портов ввода-вывода, 64 аппаратных умножителей, 6 блоков тактовой подсистемы с ФАПЧ [2]. Среди поддерживаемых EP2S30F672 стандартов ввода-вывода присутствует 3.3V

LVCMOS/LVTTL, 64-бит 133-МГц PCI-X, LVDS, HSTL2.5V DDR [2]. Для EP2S30F672 существуют контроллеры PCI-X [3] и DDR [4]. Применение FPGA для работы с HD/SD SDI потоками описано в [5]. Также в полезной модели могут быть использованы более новые семейства ПЛИС типа FPGA и схемы других производителей - например, фирмы Xilinx [6]. Программа ПЛИС Модуля многоканального ввода-вывода и обработки HD\SD SDI видео и DVI графики занимает около 50% всех ресурсов ПЛИС EP2S30F672.

Принцип работы модуля

Возможно несколько режимов работы устройства. Эти режимы:

- Многоканальный ввод-вывод HD\SD видео в компьютер.

- Ввод-вывод DVI\HDMI графики в компьютер.

- Ввод-вывод LVDS данных в компьютер.

- Работа в качестве отдельного устройства.

При многоканальном вводе HD\SD SDI видео внешние видеосигналы поступают на входы HD\SD SDI приемопередатчиков (9). В приемопередатчиках происходит последовательно-параллельное преобразование и восстановление тактового сигнала из последовательного потока. Далее параллельный 10-битный поток каждого канала поступает на канальный дескрамблер и фреймер, реализованные на логике ПЛИС (2). Из приведенного в соответствие стандартам SMPTE125M/SMPTE274M потоков выделяются области активных видеоданных и дополнительной информации, пакуются в 64-битные слова и передаются в DMA-контроллер, далее через PCI-X\PCI-Express контроллер (19) шины (10) в память компьютера.

При многоканальном воспроизведении данные поступают через PCI-X\PCI-Express шину (10) в режиме DMA и распаковываются из 64-битных слов. Кадровая структура создается для каждого канала отдельно собственным внутренним генератором и принятые данные вставляются в поля активного видео и дополнительной информации. Далее потоки скрамблируются и передаются на HD\SD SDI приемопередатчики (9). В них происходит параллельно-последовательное преобразование и выходной сигнал поступает на выходы. При работе с HD\SD SDI оборудованием полезная модель может использовать порт RS-422 (8) для управления в режиме видеодеки, например, по протоколу Sony 9-pin. Для кадровой синхронизации вывода с другим оборудованием используется синхровход GenLock (4). При получении синхросигнала все кадровые генераторы начинают формирование нового кадра по нему.

При вводе DVI\HDMI - графики входной сигнал поступает либо в формате Dual Link (две

части одного большого изображения по двум каналам), либо Single Link (по каждому каналу идет собственное изображение) на входы DVI\HDMI приемников (7). В DVI\HDMI приемниках происходит преобразование стандарта DVI\HDMI в параллельный видеопоток с сигналами синхронизации. Этот поток декодируется в ПЛИС (2), пакуется в 64 битные слова и поступает в DMA-контроллер для дальнейшей передачи через PCI-XYPCI-Express шину (10).

При выводе DVI\HDMI - графики из компьютера процесс производится в обратном направлении через DVI\HDMI передатчики (6).

При вводе-выводе LVDS-данных из компьютера организация процесса произвольна и определяется требованиями подключаемого оборудования. Реализация LVDS шины (5) на ПЛИС (2) позволяет использовать разные скорости и числа сериализации.

Во все вышеописанные режимы могут добавляться дополнительные операции: в частности, операции цветопреобразования, цветокоррекции, подготовки данных к сжатию, преобразование форматов.

При работе в качестве отдельного (внешнего) устройства шина PCI-X\PCI-Express не используется и потоки данных распределяются между SDI, DVI\HDMI и LVDS интерфейсами в зависимости от выполняемой задачи. В этом случае устройству требуется внешний блок питания.

Работоспособность заявляемой полезной модели проверена на опытных образцах (см. Фиг.2).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Стешенко В.Б. Программируемые Логические Интегральные Схемы: обзор архитектур и особенности применения // "Схемотехника", №1-2, 2001. с.2-4.

2. Stratix II Device HandBook. - Altera. - 2006.

http://www.altera.com/literature/hb/stx2/stratix2_handbook.pdf

3. PCI-X and PCI Core User's Guide. - PLDA Applications. - 2006.

http://www.plda.com/download/doc/ip/pcix/user_guide.pdf

4. Interfacing DDR SDRAM with Stratix II Devices. Application Note 327. - Altera. - 2006.

http://www.altera.com/literature/an/an327.pdf

5. SDI Megacore Function. - Altera. - 2006.

www.altera.com/literature/ug/ug sdi.pdf

6. Audio/Video Connectivity Solutions for the Broadcast Industry. XApp 514. - Xilinx. - 2005.

http://www.xilinx.com/bvdocs/appnotes/xapp514.pdf

7. Бибило П.Н. Системы высокоуровневого проектирования СБИС на основе языка VHDL. «Солон-Пресс», 2004, 384 с.

Claims (2)

1. Модуль многоканального ввода-вывода и обработки HD\SD SDI видео и DVI\HDMI графики, выполненный в виде PCI-X/PCI-Express платы, содержащий программируемую логическую интегральную схему - ПЛИС и подключенные к ней высокоскоростные приемо-передатчики, ОЗУ DDR DRAM, шины данных и управления, отличающийся тем, что содержит не менее двух HD\SD SDI входов, не менее двух HD\SD SDI выходов, не менее одного DVI\HDMI передатчика, не менее одного DVI\HDMI приемника, содержит GenLock приемник, LVDS-интерфейс, буфер RS422, причем все вышеперечисленные устройства подключены к ПЛИС, на которой реализованы блоки управления и обработки данных; модуль включает в себя подсистемы тактирования, питания и загрузки ПЛИС.

2. Модуль многоканального ввода-вывода и обработки HD\SD SDI видео и DVI графики по п.1, отличающийся тем, что дополнительно используется реализованный на ПЛИС PCI-X/PCI-Express порт для интеграции модуля в компьютерные системы.