Artix7系列FPGA实现SDI视频编解码+UDP以太网传输，基于GTP高速接口，提供工程源码和技术支持_业界新闻

发布时间:2024-07-19 09:18

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1、前言

目前FPGA实现SDI视频编解码有两种方案：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YCrCb422，GS2972发送器直接将并行的YCrCb422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逻辑资源部实现SDI编解码，利用Xilinx系列FPGA的GTP/GTX资源实现解串，利用Xilinx系列FPGA的SMPTE SDI资源实现SDI编解码，优点是合理利用了FPGA资源，GTP/GTX资源不用白不用，缺点是操作难度大一些，对FPGA开发者的技术水平要求较高。有意思的是，这两种方案在本博这里都有对应的解决方案，包括硬件的FPGA开发板、工程源码等等。

工程概述

本设计基于Xilinx的Artix7系列FPGA开发板实现SDI视频编解码+图像缩放+UDP以太网传输，输入源为一个3G-SDI相机或者HDMI转3G-SDI盒子，也可以使用HD-SDI或者SD-SDI相机，因为本设计是三种SDI视频自适应的；同轴的SDI视频通过同轴线连接到FPGA开发板的BNC座子，然后同轴视频经过板载的Gv8601a芯片实现单端转差分和均衡EQ的功能；然后差分SDI视频信号进入FPGA内部的GTP高速资源，实现数据高速串行到并行的转换，本博称之为解串；解串后的并行视频再送入Xilinx系列FPGA特有的SMPTE SD/HD/3G SDI IP核，进行SDI视频解码操作并输出BT1120视频，至此，SDI视频解码操作已经完成，可以进行常规的图像处理操作了；

本设计的目的是做图像缩放后再以UDP以太网输出解码的SDI视频，针对目前市面上的主流项目需求，本博设计了基于传统PHY芯片（B50610）的以太网输出方式；首先对解码BT1120视频进行转RGB和图像缓存操作和图像缩放操作；图像缩放方案采用纯verilog方案将输入的1920x1080视频缩放为1280x720；再使用BT1120转RGB模块实现视频格式转换；再使用本博常用的FDMA图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR3；图像从DDR3读出后，进入UDP视频发送模块，对视频进行自定义协议编码；然后送入UDP协议栈进行UDP以太网帧格式编码；然后输出给MAC层，再输出给物理层，最后通过网线输出给PC上位机；PC端上位机（QT）接收网络视频并显示图像；本博客提供1套工程源码，详情如下：

工程源码1

开发板FPGA型号为Xilinx–>Xilinx-Artix7-100T–xc7a100tfgg484-2；输入视频为3G-SDI相机或者HDMI转3G-SDI盒子，输入分辨率为1920x1080@60Hz，输入视频经过板载的Gv8601a芯片实现单端转差分和均衡EQ后送入FPGA；再经过GTP将SDI视频解串为并行数据；再经过SMPTE SDI IP核将SDI解码BT1120数据；再经过BT1120转RGB模块将BT1120转换为RGB888视频；再经过自研的纯verilog实现的、支持任意比例缩放的图像缩放模块，将输入视频由1920x1080缩放为1280x720；再经过自研的FDMA图像缓存方案将视频写入DDR3做三帧缓存；再经过UDP视频发送模块，对视频进行自定义协议编码；再经过UDP协议栈进行UDP以太网帧格式编码；再经过Xilinx官方的Tri Mode Ethernet MAC实现MAC数据发送，输出RGMII接口数据；再经过板载的B50610芯片后以RJ45网口输出；PC端运行QT上位机实时接收视频数据并显示出来；该工程适用于SDI转网络（PHY芯片方案）输出场景；

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

本博已有的 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；既有HD-SDI、3G-SDI，也有6G-SDI、12G-SDI等；专栏地址链接如下：
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本博已有的以太网方案

目前我这里有大量UDP协议的工程源码，包括UDP数据回环，视频传输，AD采集传输等，也有TCP协议的工程，对网络通信有需求的兄弟可以去看看，以下是专栏地址：
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本博已有的FPGA图像缩放方案

我的主页目前有FPGA图像缩放专栏，改专栏收录了我目前手里已有的FPGA图像缩放方案，从实现方式分类有基于HSL实现的图像缩放、基于纯verilog代码实现的图像缩放；从应用上分为单路视频图像缩放、多路视频图像缩放、多路视频图像缩放拼接；从输入视频分类可分为OV5640摄像头视频缩放、SDI视频缩放、MIPI视频缩放等等；以下是专栏地址：
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本方案的缩放应用

本方案有缩放版本的应用，只做SDI视频编解码，之前专门写过一篇博客，博客地址链接如下：
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本方案在Xilinx–Kintex系列FPGA上的应用

本方案在Xilinx–Kintex系列FPGA上的也有应用，之前专门写过一篇博客，博客地址链接如下：
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本方案在Xilinx–Zynq系列FPGA上的应用

本方案在Xilinx–Zynq系列FPGA上的也有应用，之前专门写过一篇博客，博客地址链接如下：
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3、详细设计方案

设计原理框图

设计原理框图如下：

SDI 输入设备

SDI 输入设备可以是SDI相机，代码兼容HD/SD/3G-SDI三种模式；SDI相机相对比较贵，预算有限的朋友可以考虑用HDMI转SDI盒子模拟SDI相机，这种盒子某宝一百块左右；当使用HDMI转SDI盒子时，输入源可以用笔记本电脑，即用笔记本电脑通过HDMI线连接到HDMI转SDI盒子的HDMI输入接口，再用SDI线连接HDMI转SDI盒子的SDI输出接口到FPGA开发板，如下：

Gv8601a 均衡器

Gv8601a芯片实现单端转差分和均衡EQ的功能，这里选用Gv8601a是因为借鉴了了Xilinx官方的方案，当然也可以用其他型号器件。Gv8601a均衡器原理图如下：

GTP 高速接口–>解串与串化

本设计使用Xilinx特有的GTP高速信号处理资源实现SDI差分视频信号的解串与串化，对于SDI视频接收而言，GTP起到解串的作用，即将输入的高速串行的差分信号解为并行的数字信号；对于SDI视频发送而言，GTP起到串化的作用，即将输入的并行的数字信号串化为高速串行的差分信号；GTP的使用一般需要例化GTP IP核，通过vivado的UI界面进行配置，但本设计需要对SD-SDI、HD-SDI、3G-SDI视频进行自动识别和自适应处理，所以需要使得GTP具有动态改变线速率的功能，该功能可通过DRP接口配置，也可通过GTP的rate接口配置，所以不能使用vivado的UI界面进行配置，而是直接例化GTP的GTPE2_CHANNEL和GTPE2_COMMON源语直接使用GTP资源；此外，为了动态配置GTP线速率，还需要GTP控制模块，该模块参考了Xilinx的官方设计方案，具有动态监测SDI模式，动态配置DRP等功能；该方案参考了Xilinx官方的设计；GTP 解串与串化模块代码架构如下：

SMPTE SD/HD/3G SDI IP核

SMPTE SD/HD/3G SDI IP核是Xilinx系列FPGA特有的用于SDI视频编解码的IP，该IP配置使用非常简单，vivado的UI界面如下：

SMPTE SD/HD/3G SDI IP核必须与GTP配合才能使用，对于SDI视频接收而言，该IP接收来自于GTP的数据，然后将SDI视频解码为BT1120视频输出，对于SDI视频发送而言，该IP接收来自于用户侧的的BT1120视频数据，然后将BT1120视频编码为SDI视频输出；该方案参考了Xilinx官方的设计；SMPTE SD/HD/3G SDI IP核代码架构如下：

BT1120转RGB

BT1120转RGB模块的作用是将SMPTE SD/HD/3G SDI IP核解码输出的BT1120视频转换为RGB888视频，它由BT1120转CEA861模块、YUV422转YUV444模块、YUV444转RGB888三个模块组成，该方案参考了Xilinx官方的设计；BT1120转RGB模块代码架构如下：

纯Verilog图像缩放模块详解

工程源码1、2的图像缩放模块使用纯Verilog方案，功能框图如下，由跨时钟FIFO、插值+RAM阵列构成，跨时钟FIFO的目的是解决跨时钟域的问题，比如从低分辨率视频放大到高分辨率视频时，像素时钟必然需要变大，这是就需要异步FIFO了，插值算法和RAM阵列具体负责图像缩放算法层面的实现；

插值算法和RAM阵列以ram和fifo为核心进行数据缓存和插值实现，设计架构如下：

图像缩放模块代码架构如下：模块的例化请参考工程源码的顶层代码；

图像缩放模块FIFO的选择可以调用工程对应的vivado工具自带的FIFO IP核，也可以使用纯verilog实现的FIFO，可通过接口参数选择，图像缩放模块顶层接口如下：

module helai_video_scale #( 	//---------------------------Parameters---------------------------------------- 	parameter FIFO_TYPE          =	"xilinx",		// "xilinx" for xilinx-fifo ; "verilog" for verilog-fifo 	parameter DATA_WIDTH         =	8       ,		//Width of input/output data 	parameter CHANNELS           =	1       ,		//Number of channels of DATA_WIDTH, for color images 	parameter INPUT_X_RES_WIDTH  =	11      		//Widths of input/output resolution control signals	 )( 	input                            i_reset_n         ,    // 输入--低电平复位信号 	input  [INPUT_X_RES_WIDTH-1:0]   i_src_video_width ,	// 输入视频--即缩放前视频的宽度 	input  [INPUT_X_RES_WIDTH-1:0]   i_src_video_height,	// 输入视频--即缩放前视频的高度 	input  [INPUT_X_RES_WIDTH-1:0]   i_des_video_width ,	// 输出视频--即缩后前视频的宽度 	input  [INPUT_X_RES_WIDTH-1:0]   i_des_video_height,	// 输出视频--即缩后前视频的高度 	input                            i_src_video_pclk  ,	// 输入视频--即缩前视频的像素时钟 	input                            i_src_video_vs    ,	// 输入视频--即缩前视频的场同步信号,必须为高电平有效 	input                            i_src_video_de    ,	// 输入视频--即缩前视频的数据有效信号,必须为高电平有效 	input  [DATA_WIDTH*CHANNELS-1:0] i_src_video_pixel ,	// 输入视频--即缩前视频的像素数据 	input                            i_des_video_pclk  ,	// 输出视频--即缩后视频的像素时钟,一般为写入DDR缓存的时钟 	output                           o_des_video_vs    ,	// 输出视频--即缩后视频的场同步信号,高电平有效 	output                           o_des_video_de    ,	// 输出视频--即缩后视频的数据有效信号,高电平有效 	output [DATA_WIDTH*CHANNELS-1:0] o_des_video_pixel 		// 输出视频--即缩后视频的像素数据 );

FIFO_TYPE选择原则如下：
1：总体原则，选择"xilinx"好处大于选择"verilog"；
2：当你的FPGA逻辑资源不足时，请选"xilinx"；
3：当你图像缩放的视频分辨率较大时，请选"xilinx"；
4：当你的FPGA没有FIFO IP或者FIFO IP快用完了，请选"verilog"；
5：当你向自学一下异步FIFO时，，请选"verilog"；
6：不同FPGA型号对应的工程FIFO_TYPE参数不一样，但选择原则一样，具体参考代码；

2种插值算法的整合与选择
本设计将常用的双线性插值和邻域插值算法融合为一个代码中，通过输入参数选择某一种算法；
具体选择参数如下：

input  wire i_scaler_type //0-->bilinear;1-->neighbor

通过输入i_scaler_type 的值即可选择；

输入0选择双线性插值算法；
输入1选择邻域插值算法；

代码里的配置如下：

纯Verilog图像缩放模块使用

图像缩放模块使用非常简单，顶层代码里设置了四个参数，举例如下：

上图视频通过图像缩放模块但不进行缩放操作，旨在掌握图像缩放模块的用法；如果需要将图像放大到1080P，则修改为如下：

当然，需要修改的不仅仅这一个地方，FDMA的配置也需要相应修改，详情请参考代码，但我想要证明的是，图像缩放模块使用非常简单，你都不需要知道它内部具体怎么实现的，上手就能用；

图像缓存

使用本博常用的的FDMA图像缓存架构；缓存介质为DDR3；FDMA图像缓存架构由FDMA、FDMA控制器、缓存帧选择器构成；图像缓存使用Xilinx vivado的Block Design设计，如下图：

关于FDMA更详细的介绍，请参考我之前的博客，博文链接如下：
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需要注意的是，为了适应UDP视频传输，这里的FDMA已被我修改，和以往版本不同，具体参考代码；

UDP协议栈

本UDP协议栈使用UDP协议栈网表文件，该协议栈目前并不开源，只提供网表文件，虽看不见源码但可正常实现UDP通信，但不影响使用，该协议栈带有用户接口，使得用户无需关心复杂的UDP协议而只需关心简单的用户接口时序即可操作UDP收发，非常简单；协议栈架构如下：

协议栈性能表现如下：
1：支持 UDP 接收校验和检验功能，暂不支持 UDP 发送校验和生成；
2：支持 IP 首部校验和的生成和校验，同时支持 ICMP 协议中的 PING 功能，可接收并响应同一个子网内部设备的 PING 请求；
3：可自动发起或响应同一个子网内设备的 ARP 请求，ARP 收发完全自适应。ARP 表可保存同一个子网内部256 个 IP 和 MAC 地址对；
4：支持 ARP 超时机制，可检测所需发送数据包的目的 IP 地址是否可达；
5：协议栈发送带宽利用率可达 93%，高发送带宽下，内部仲裁机制保证 PING 和 ARP 功能不受任何影响；
6：发送过程不会造成丢包；
7：提供64bit位宽AXI4-Stream形式的MAC接口，可与Xilinx官方的千兆以太网IP核Tri Mode Ethernet MAC，以及万兆以太网 IP 核 10 Gigabit Ethernet Subsystem、10 Gigabit Ethernet MAC 配合使用；
有了此协议栈，我们无需关心复杂的UDP协议的实现了，直接调用接口即可使用。。。
本UDP协议栈用户接口发送时序如下：

本UDP协议栈用户接口接收时序如下：

UDP视频发送

UDP视频发送实现UDP视频数据的组包，UDP数据发送必须与QT上位机的接受程序一致，上位机定义的UDP帧格式包括帧头个UDP数据，帧头定义如下：

FPGA端的UDP数据组包代码必须与上图的数据帧格式对应，否则QT无法解析，代码中定义了数据组包状态机以及数据帧，如下：

另外，由于UDP发送是64位数据位宽，而图像像素数据是24bit位宽，所以必须将UDP数据重新组合，以保证像素数据的对齐，这部分是整个工程的难点，也是所有FPGA做UDP数据传输的难点；

UDP协议栈数据发送

UDP协议栈具有发送和接收功能，但这里仅用到了发送，此部分代码架构如下：

UDP协议栈代码组我已经做好，用户可直接拿去使用；

MAC数据缓冲FIFO组

这里对代码中用到的数据缓冲FIFO组做如下解释：
由于 UDP IP 协议栈的 AXI-Stream 数据接口位宽为 64bit，而 Tri Mode Ethernet MAC 的 AXI-Stream数据接口位宽为 8bit。因此，要将 UDP IP 协议栈与 Tri Mode Ethernet MAC 之间通过 AXI-Stream 接口互联，需要进行时钟域和数据位宽的转换。实现方案如下图所示：

收发路径(本设计只用到了发送)都使用了2个AXI-Stream DATA FIFO，通过其中1个FIFO实现异步时钟域的转换，1个FIFO实
现数据缓冲和同步Packet mode功能；由于千兆速率下Tri Mode Ethernet MAC的AXI-Stream数据接口同步时钟信号为125MHz，此时，UDP协议栈64bit的AXI-Stream数据接口同步时钟信号应该为125MHz/(64/8)=15.625MHz，因此，异步
AXI-Stream DATA FIFO两端的时钟分别为125MHz(8bit)，15.625MHz(64bit)；UDP IP协议栈的AXI-Stream接口经过FIFO时钟域转换后，还需要进行数据数据位宽转换，数据位宽的转换通过AXI4-Stream Data Width Converter完成，在接收路径中，进行 8bit 到 64bit 的转换；在发送路径中，进行 64bit 到 8bit 的转换；

IP地址、端口号的修改

UDP协议栈留出了IP地址、端口号的修改端口供用户自由修改，位置如下：

以太网网口输出方案–>Tri Mode Ethernet MAC

PHY芯片网络输出架构以Tri Mode Ethernet MAC为核心，以PHY芯片为载体，优点是FPGA逻辑设计较为简单，缺点是硬件设计较为复杂，硬件成本会相应提高；本设计采用B50610芯片，工作于延时模式，RGMII接口；关于该方案的以太网输出详细设计文档，请参考我之前的博客，博客链接如下：
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Tri Mode Ethernet MAC主要是为了适配PHY芯片，因为后者的输入接口是GMII，而Tri Mode Ethernet MAC的输入接口是AXIS，输出接口是GMII，Tri Mode Ethernet MAC配置如下：

提供Tri Mode Ethernet MAC使用教程和移植教程，如下：

QT上位机和源码

PC端接收网络视频，并运行QT上位机接收显示视频；我们提供和UDP通信协议相匹配的QT抓图显示上位机及其源代码，目录如下：

我们的QT目前仅支持1280x720分辨率的视频抓图显示，但同时预留了1080P接口，对QT开发感兴趣的朋友可以尝试修改代码以适应1080P，因为QT在这里只是验证工具，不是本工程的重点，所以不再过多赘述；

工程源码架构

本博客提供1套工程源码，vivado Block Design设计如下，其他工程与之类似，Block Design设计为图像缓存架构的部分：

工程源码1工程源码架构如下：

4、工程源码1详解–>PHY芯片以太网输出方案

开发板FPGA型号：Xilinx-Artix7-100T–xc7a100tfgg484-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：RJ45网口，分辨率1280x720@60Hz；
SDI视频解串方案：Xilinx–GTP高速接口解串；
SDI视频解码方案：Xilinx–SMPTE SD/HD/3G SDI解码；
图像缩放方案：自研纯Verilog图像缩放；
图像缩放实例：1920x1080缩放到1280x720；
图像缓存方案：自研FDMA方案；
图像缓存介质：DDR3；
以太网输出方案：PHY芯片以太网输出；
PHY芯片：B50610，延时模式，RGMII接口；
PC端接收方案：QT上位机；
工程作用：此工程目的是让读者掌握Xilinx–Artix7低端系列FPGA实现SDI转网口的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

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；

3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：