【技术大神】TW6874,TW6872 SDI编解码芯片应用之高清画面分割系统成功案例分享
高清画面分割系统可以同时在一台显示屏幕上显示多个视频源的图像。按照通道数量通常有4分割、9分割、16分割几种。其中，4分割是最常用的设备之一，其性能价格比也较好，图像的质量和连续性可以满足大部分要求。其它分割产品价格较贵，而且图像比率、清晰度、连续性并不理想，市场使用率很低。高清画面分割系统除了可以同时显示图像外，也可以显示单幅画面，还具有迭加时间和字符，进行画面变换、动画融合等不同功能。笔者结合北京科思图科技的应用项目来介绍高清画面分割系统的组成和设计。
图一：科思图SDI高清画面分割系统组成和典型应用场景
如图所示为科思图SDI高清画面分割系统典型组成和典型应用场景。通过四个AV/HDMI/VGA-SDI多功能转换器将不同高清视频源输出的视频及音频信号转换成四路带音频嵌入的SDI高清信号，并送入SDI高清画面分割器。高清画面分割器输出一路SDI高清信号送入SDI-HMDI转换器后，接入高清显示屏进行画面分割显示。
下图所示为高清画面分割器硬件组成原理图，主要包括Intersil（Renesas收购）视频解码芯片TW6874、视频编码芯片TW6872、FPGA、控制接口电路、DDR SDRAM高速存储器等几部分。高清画面分割器的基本工作原理为：采用图像压缩和数字化处理的方法，把多个画面按同样的比例压缩在一个显示终端的屏幕上。
图二：四通道SDI高清画面分割器电路原理简图
高清画面分割系统硬件组成中，核心部件为SDI接收器。由于各通道视频数据流数据带宽大，数据通常采用多芯片进行并行处理，这样才能满足分割合并后单路输出的高分辨率显示，使得高速运动画面无撕裂，不丢帧，无图像追赶现象。该设计中选用Intersil（Renesas收购）公司的TW6874芯片，该芯片集成了四路独立的SDI输入通道，每路通道均设计有独立的电缆均衡器、时钟恢复器、音频译码器和VC-2压缩引擎。这意味着只采用单芯片即可实现4画面分割器设计，简化了电路。下图所示为TW6874接收芯片的一个通道内部组成原理图。
图三： TW6874 SDI接收芯片内部原理组成
系统中另一个核心芯片SDI发送器选用Intersil（Renesas收购）公司的TW6872芯片，该芯片只有一路通道，正好符合画面分割系统设计需求。TW6872内部电路包括音频译码器、VC-2编码器、线缆驱动器等。TW6872发送器包含低抖动计时钟功能和带有预加重功能的集成电缆驱动器，能够增强输出信号跃迁，帮助实现优异的传输距离。如下图所示为TW6872发送芯片内部组成原理图。
图四： TW6872 SDI发送芯片内部原理组成
TW6872/4芯片符合SMPTE有关标清SD、HD和3G串行数字传输的各项标准，并提供前所未有的集成度高性能。由于HD-SDI在安防和工业市场上的使用一直受到电缆距离和电缆基础设施的高成本的限制，TW6872三频段HD-SDI视频发射器和TW6874四路HD-SDI视频接收器提供高清质量的所有优点而无需昂贵的电缆升级。TW6872/4器件在实际使用中运行稳定，其采用基于SMPTE VC-2的DIRAC压缩技术，使高清视频能够在SD-SDI电缆上传输300米以上的距离。
由于SDI接收器芯片TW6874前端需要接收达到上GHz的高清视频信号，信号经过电缆传输后会产生不同程度的变形。在电路设计中，必须进行良好的阻抗匹配。如图所示为75Ω阻抗匹配电路。其中，AC耦合电容C62和C63要尽量靠近TW6874芯片的SDIP/N管脚。
图五：SDI接收器前端输入接口电路图
SDI发送芯片TW6872输出端接口电路如下图所示。其中R1和R3两个75Ω终端匹配电阻要尽量靠近TW6872的SDO/SDOb管脚。回波损耗网络和AC耦合电容也要靠近终端匹配电阻放置。
图六：SDI发送器输出端接口电路图
经TW6874解码芯片输出的四路SDI视频数据流以BT.1120高清并行视频数据标准接口送至FPGA进行数字信号处理。FPGA内部需要对各路视频数据流的实时像素按规则进行抽取处理，重新组合，并将数据实时存储在DDR高速存储器中。如下图所示为BT.1120接口FPGA间隔提取像素数据示意图。像素1、2、5、6的亮度信号Y0、Y1、Y4、Y5将被提取；像素1、5的色差信号Cb0和Cr0，Cb4和Cr4将被提取。像素3、4的亮度信号Y2、Y3，以及像素3的色差信号Cb2和Cr2将被抛弃。
图七：FPGA间隔提取像素数据示意图
经FPGA做提取处理和重新组合的新视频流通过BT.1120高清并行视频数据标准接口送至TW6872发送芯片。下图所示为视频数据流输入输出逻辑仿真波形，其中包含4个通道视频输入数据流数据和12段行扫描输出数据。
图八：视频数据流输入输出逻辑仿真波形
结论
采用Intersil（Renesas收购）公司的TW6874/TW6872高集成度SDI接收器/发送器芯片帮助科思图公司完美实现了高质量、画面完美、无延迟和更长传输距离的高清视频分割系统解决方案。由于TW6874视频解码芯片将4通道集成在单芯片内， TW6872视频编码芯片集成模拟与数字音频输入，避免了外置模/数转换器的需要，此外，集成电缆驱动器帮助延长电缆距离和减少对起补偿作用的外部元件的需要。这些优点无疑是我们设计新一代高清画面分割系统的最佳选择。
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