FPGA高端项目：12G-SDI 视频编解码，提供工程源码和技术支持

1、前言
- 免责声明
2、相关方案推荐
- [我这里已有的 GT 高速接口解决方案](#我这里已有的 GT 高速接口解决方案)
- 我目前已有的SDI编解码方案
3、详细设计方案
- 设计框图
- [UltraScale GTH 的SDI模式应用](#UltraScale GTH 的SDI模式应用)
- - [UltraScale GTH 基本结构](#UltraScale GTH 基本结构)
  - 参考时钟的选择和分配
  - [UltraScale GTH 发送和接收处理流程](#UltraScale GTH 发送和接收处理流程)
  - [UltraScale GTH 发送接口](#UltraScale GTH 发送接口)
  - [UltraScale GTH 接收接口](#UltraScale GTH 接收接口)
  - [UltraScale GTH IP核调用和使用](#UltraScale GTH IP核调用和使用)
  - [UltraScale GTH 控制说明](#UltraScale GTH 控制说明)
- [SMPTE UHD-SDI详解](#SMPTE UHD-SDI详解)
- - [SMPTE UHD-SDI 接收](#SMPTE UHD-SDI 接收)
  - [SMPTE UHD-SDI 发送](#SMPTE UHD-SDI 发送)
  - [SMPTE UHD-SDI IP核调用和使用](#SMPTE UHD-SDI IP核调用和使用)
- [12G-SDI 接收数据处理](#12G-SDI 接收数据处理)
- 发送数据彩条
- 视频输出
4、vivado工程详解
- [FPGA 逻辑设计](#FPGA 逻辑设计)
- [Vitis SDK 软件设计](#Vitis SDK 软件设计)
5、工程移植说明
6、上板调试验证
- 准备工作
- 输出静态演示
7、福利：工程代码的获取

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；

本文使用Xilinx的7系列Kintex7 UltraScale xcku040-ffva1156-2-e型号的FPGA实现12G-SDI 视频编解码；本设计分为12G-SDI 视频编码和12G-SDI 视频解码两部分，即12G-SDI 视频发送和接收，两个部分功能做在一个工程里；12G-SDI 视频接收过程为：输入摄像头为标准的12G-SDI摄像头，然后接入专用的SDI转接板，接口为FMC，转接板插在FPGA开发板的FMC接口上；然后调用Xilinx官方UltraScale GTH IP进行SDI视频解串，将高速串行的SDI视频解为并行数据，IP配置为GTH-12G_SDI模式，该模式专门用于12G-SDI视频协议的解串与串化；然后调用Xilinx官方的SMPTE UHD-SDI IP核实现SDI视频解码，该IP在Kintex7 UltraScale器件上只支持3G-SDI、6G-SDI和12G-SDI的编解码，本设计配置为12G-SDI-8DS模式；到这里，12G-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；12G-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 UHD-SDI IP核实现SDI视频编码，该IP在Kintex7 UltraScale器件上只支持3G-SDI、6G-SDI和12G-SDI的编解码，本设计配置为12G-SDI-8DS模式，这个过程是接收过程的逆过程；然后调用Xilinx官方UltraScale GTH IP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，IP配置为GTH-12G_SDI模式，该模式专门用于12G-SDI视频协议的解串与串化，这个过程是接收过程的逆过程；然后将视频信号送入SDI转接板发送出去，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 UltraScale xcku040-ffva1156-2-e型号的FPGA实现12G-SDI 视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、详细设计方案

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：

具体到本工程详细设计方案框图如下：

UltraScale GTH 的SDI模式应用

关于UltraScale GTH介绍最详细的肯定是Xilinx官方的《ug576-ultrascale-gth-transceivers》，我们以此来解读：《ug576-ultrascale-gth-transceivers》的PDF文档我已放在了资料包里，文章末尾有获取方式；我用到的开发板FPGA型号为Kintex7 UltraScale xcku040-ffva1156-2-e；UltraScale GTH的收发速度为 500 Mb/s 到 16.375 Gb/s 之间，比GTH高出3G；UltraScale GTH收发器支持不同的串行传输接口或协议，比如 PCIE 1.1/2.0 接口、万兆网 XUAI 接口、OC-48、串行 RapidIO 接口、 SATA(Serial ATA) 接口、数字分量串行接口(SDI)等等；

工程调用UltraScale GTH配置为GTH-12G_SDI模式，该模式专门用于12G-SDI视频协议的解串与串化；代码位置如下：

UltraScale GTH基本配置如下：板载差分晶振148.5M，线速率配置为11.88G，协议类型配置为GTH-12G_SDI ，编解码模式为RAW，内部数据位宽为40bit，如下；

还有其他的配置选项，比如勾选DRP动态配置接口等，具体请参考工程；

UltraScale GTH 基本结构

Xilinx 以 Quad 来对串行高速收发器进行分组，四个串行高速收发器和一个 COMMOM（QPLL）组成一个 Quad，每一个串行高速收发器称为一个 Channel(通道），下图为UltraScale GTH 收发器在Kintex7 UltraScale FPGA 芯片中的示意图：《ug576-ultrascale-gth-transceivers》第19页；

在 Ultrascale/Ultrascale+架构系列的 FPGA 中，GTH 高速收发器通常使用 Quad 来划分，一个 Quad 由四个GTHE3/4_CHANNEL 原语和一个 GTHE3/4_COMMON 原语组成。每个GTHE3/4_COMMON 中包含两个 LC-tank pll(QPLL0 和 QPLL1)。只有在应用程序中使用 QPLL 时，才需要实例化 GTHE3/4_COMMON。每个 GTHE3/4_CHANNEL 由一个 channel PLL（CPLL）、一个 transmitter,和一个 receiver 组成。一个参考时钟可以直接连接到一个 GTHE3/4_CHANNEL 原语，而不需要实例化 GTHE3/4_COMMON；

Ultrascale GTH 收发器的发送端和接收端功能是相互独立，都是由 Physical Media Attachment（物理媒介适配层 PMA）和Physical Coding Sublayer（物理编码子层 PCS）组成。PMA 内部集成了串并转换(PISO)、预加重、接收均衡、时钟发生器和时钟恢复等；PCS 内部集成了GTH-3G-SDI、弹性缓冲区、通道绑定和时钟修正等，每个 GTHE3/4_CHANNEL源语的逻辑电路如下图所示：《ug576-ultrascale-gth-transceivers》第20页；

这里说多了意义不大，因为没有做过几个大的项目是不会理解这里面的东西的，对于初次使用或者想快速使用者而言，更多的精力应该关注IP核的调用和使用，后面我也会重点将到IP核的调用和使用；

参考时钟的选择和分配

UltraScale 器件中的 GTH 收发器提供了不同的参考时钟输入选项。参考时钟选择架构支持 QPLL0、QLPLL1 和CPLL。从架构上讲，每个 Quad 包含四个 GTHE3/4_CHANNEL 原语，一个 GTHE3/4_COMMON 原语，两个专用的外部参考时钟引脚对，以及专用的参考时钟路由。如果使用到了高性能 QPLL，则必须实例化 GTHE3/4_COMMON，如下面 GTHE3/4_COMMON 时钟多路复用器结构的详细视图所示，(《ug576-ultrascale-gth-transceivers》第33页)在一个 Quad 中有 6 个参考时钟引脚对，两个本地参考时钟引脚对：GTREFCLK0或GTREFCLK1，两个参考时钟引脚对来自上面的两个Quads：GTSOUTHREFCLK0或 GTSOUTHREFCLK1，两个参考时钟引脚对来自下面的两个 Quads： GTNORTHREFCLK0 或GTNORTHREFCLK1。

由下图可知，这个 GTHE3/4_COMMON 就是一个基准时钟选择器，用来选择不同来源的时钟作为收发器的基准时钟。GTHE3/4_COMMON 支持 7 种基准时钟源的选择。当然，一般来说，性能最好的基准时钟源就是最近的这个 Quad 自身的 refclk，也就是 GTREFCLK00 和 GTREFCLK10。在高清视频传输中，美国、加拿大等使用 NTSC 标准，基准时钟为 148.35MHZ、74.176MHZ。中国、德国等国家采用的 PAL 标准，基准时钟为 148.5MHZ 和 74.25MHZ。在高清视频领域，这两者的差别只在于基准时钟，而视频时序都是相同的。这也造成了在设备上我们经常看到两种帧率，如 60hz 和 59.94hz。所以本设计GTH的参考时钟为差分148.5M；

UltraScale GTH 发送和接收处理流程

首先用户逻辑数据经过GTH-12G_SDI*模式解串后，进入一个发送缓存区（Phase Adjust FIFO），该缓冲区主要是 PMA 子层和 PCS 子层两个时钟域的时钟隔离，解决两者时钟速率匹配和相位差异的问题，最后经过高速 Serdes 进行并串转换(PISO)，有必要的话，可以进行预加重(TX Pre-emphasis)、后加重。值得一提的是，如果在 PCB 设计时不慎将 TXP 和 TXN 差分引脚交叉连接，则可以通过极性控制(Polarity)来弥补这个设计错误。接收端和发送端过程相反，相似点较多，这里就不赘述了，需要注意的是 RX 接收端的弹性缓冲区，其具有时钟纠正和通道绑定功能。这里的每一个功能点都可以写一篇论文甚至是一本书，所以这里只需要知道个概念即可，在具体的项目中回具体用到，还是那句话：对于初次使用或者想快速使用者而言，更多的精力应该关注IP核的调用和使用。

UltraScale GTH 发送接口

《ug576-ultrascale-gth-transceivers》的第104到179页详细介绍了发送处理流程，其中大部分内容对于用户而言可以不去深究，因为手册讲的基本都是他自己的设计思想，留给用户可操作的接口并不多，基于此思路，我们重点讲讲UltraScale GTH例化时留给用户的发送部分需要用到的接口；

用户只需要关心发送接口的时钟和数据即可，UltraScale GTH例化模块的这部分接口如下：该文件名为例化GTH后官方生成的供例化的文件；

UltraScale GTH 接收接口

《ug576-ultrascale-gth-transceivers》的第181到314页详细介绍了发送处理流程，其中大部分内容对于用户而言可以不去深究，因为手册讲的基本都是他自己的设计思想，留给用户可操作的接口并不多，基于此思路，我们重点讲讲UltraScale GTH 例化时留给用户的发送部分需要用到的接口；

用户只需要关心接收接口的时钟和数据即可，UltraScale GTH例化模块的这部分接口如下：该文件名为例化GTH后官方生成的供例化的文件；

UltraScale GTH IP核调用和使用

UltraScale GTH基本配置如下：板载差分晶振148.5M，线速率配置为11.88G，协议类型配置为GTH-12G_SDI*，编解码模式为RAW，内部数据位宽为40bit，如下；

为了适应多种SD模式，需要对GTH做变速和复位操作，所以需要打开DRP接口，如下：

更多GTH配置细节请参考vivado工程；

UltraScale GTH 控制说明

这是GTH-3G-SDI模式的UltraScale GTH才有的模块文件；为了适应三种SD-SDI、HD-SDI 和 3G-SDI 不同模式，需要对GTH做变速和复位操作，主要通过DRP接口完成，为此，使用了Xilinx官方的参考代码，UltraScale GTH 控制部分代码如下：

UltraScale GTH 控制模块包含以下几种功能：1、用于控制 GTH 收发器的复位逻辑；2、允许 RX 和 TX 串行分频器进行动态切换，以支持多种SDI模式；3、TX 参考时钟的动态切换，用以支持多种SDI的比特率；4、数据恢复单元，用于以 SD-SDI 模式下恢复数据；5、RX 比特率检测，以确定接收器正在接收整数帧速率信号还是分数帧速率信号。

详细请参考代码；

SMPTE UHD-SDI详解

调用Xilinx官方的SMPTE UHD-SDI IP核实现SDI视频解码与编码，该IP支持3G-SDI、6G-SDI、12G-SDI等视频编解码，本设计配置为12G-SDI模式；根据官方手册，SMPTE UHD-SDI数据收发架构如下：

SMPTE UHD-SDI 接收

SMPTE UHD-SDI 接收端的框图如下：

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 UHD-SDI 发送

SMPTE UHD-SDI 发射端的框图如下：

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。

SMPTE UHD-SDI IP核调用和使用

SMPTE UHD-SDI配置界面很简单，本设计配置为3G-SDI模式，如下：

SMPTE UHD-SDI的使用请参考工程代码，因为接口很多，这里写不下；

12G-SDI 接收数据处理

到这里，12G-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；