FPGA高端项目：FPGA基于GS2971的SDI视频接收+GTX 8b/10b编解码SFP光口传输，提供2套工程源码和技术支持

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。

本设计基于Xilinx的Zynq7100-xc7z100ffg900-2中端FPGA开发板使用GS2971实现SDI视频接收转HDMI输出，输入源为一个HD-SDI相机，也可以使用SD-SDI或者3G-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GS2971转接板，GS2971解码芯片将同轴的串行的SDI视频解码为并行的BT1120格式视频，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GTX 8b/10b编解码SFP光口传输，针对目前市面上的主流项目需求，本博设计了HDMI输出方式，需要进行BT1120视频转RGB+数据组包+GTX 8b/10b编解码+数据对齐+数据解包+图像缓存操作；本设计使用BT1120转RGB模块实现视频格式转换；使用纯verilog代码实现视频数据组包，即加上具有链路训练和自定义协议的数据包头和包尾；调用Xilinx官方特有的GTX实现8b/10b编解码，GTX线速率配置为5G；使用板载的SFP光口实现高速串行数据回环；使用纯verilog代码实现GTX解密数据的数据对齐；使用纯verilog代码实现视频数据解包，即解析并丢弃具有链路训练和自定义协议的数据包头和包尾，然后恢复出发送视频的场同步信号、数据有效信号和有效数据；使用本博常用的FDMA架构实现图像三帧缓存，缓存介质包括PL端DDR3和PS端DDR3；图像从DDR3读出后，进入HDMI发送模块输出HDMI显示器；本博客提供2套工程源码，具体如下，请点击图片放大查看：

现对上述1套工程源码做如下解释，方便读者理解：
工程源码21：
输入视频为HD-SDI相机，输入分辨率为1920x1080@30Hz，经过GS2971解码+BT1120视频转RGB+数据组包+GTX 8b/10b编解码（SFP光口回环）+数据对齐+数据解包+FDMA图像缓存+HDMI输出模块后，以HDMI接口方式输出，输出分辨率为1920x1080@60Hz；此工程的FDMA图像缓存架构将视频缓存到PL端DDR3，适应于纯FPGA项目，比如可用于Xilinx的Artix7、Kintex7、Virtex7等FPGA；

工程源码22：
输入视频为HD-SDI相机，输入分辨率为1920x1080@30Hz，经过GS2971解码+BT1120视频转RGB+数据组包+GTX 8b/10b编解码（SFP光口回环）+数据对齐+数据解包+FDMA图像缓存+HDMI输出模块后，以HDMI接口方式输出，输出分辨率为1920x1080@60Hz；此工程的VDMA图像缓存架构将视频缓存到PS端DDR3，即可用于纯FPGA项目，比如可用于Xilinx的Artix7、Kintex7、Virtex7等FPGA，配合MicroBlaze；也可用于Zynq系列FPGA项目，比如可用于Xilinx的Zynq7000系列、Zynq7000、Zynq UltraScale等FPGA；

本文详细描述了Xilinx的Zynq7100-xc7z100ffg900-2中端FPGA开发板使用GS2971实现SDI视频接收+GTX 8b/10b编解码SFP光口传输，工程代码编译通过后上板调试验证，可直接项目移植，适用于在校学生做毕业设计、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字成像和图像传输领域；
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

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：点击直接前往

本方案的SDI接收转HDMI输出应用

本方案采用GS2971接收SDI视频，然后进行图像缓存操作（图像缓存方案包括FDMA方案和VDMA方案，缓存介质包括PL端DDR3、PS端DDR3），最后以HDMI方式输出，提供3套工程源码，3套工程源码详情请参考“1、前言”中的截图，详细设计方案请参考我专门的博客，博客链接如下：
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本方案的SDI接收+图像缩放应用

本方案采用GS2971接收SDI视频，然后进行图像缩放操作（图像缩放方案包括纯verilog图像缩放方案和HLS图像缩放方案），再进行图像缓存操作（图像缓存方案包括FDMA方案和VDMA方案，缓存介质包括PL端DDR3、PS端DDR3），最后以HDMI方式输出，提供3套工程源码，3套工程源码详情请参考“1、前言”中的截图，详细设计方案请参考我专门的博客，博客链接如下：
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本方案的SDI接收+纯verilog图像缩放+纯verilog多路视频拼接应用

本方案采用GS2971接收SDI视频，然后进行图像缩放操作（图像缩放方案为纯verilog图像缩放），再进行多路视频拼接（包括2路、4路、8路、16路视频拼接，拼接方案为纯verilogFDMA方案，视频拼接和图像缓存为一个整体，缓存介质包括PL端DDR3、PS端DDR3），最后以HDMI方式输出，提供8套工程源码，8套工程源码详情请参考“1、前言”中的截图，详细设计方案请参考我专门的博客，博客链接如下：
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本方案的SDI接收+HLS图像缩放+Video Mixer多路视频拼接应用

本方案采用GS2971接收SDI视频，然后进行图像缩放操作（图像缩放方案为HLS图像缩放），再进行多路视频拼接（拼接方案为Xilinx官方的Video Mixer方案，包括2路、4路、8路、16路视频拼接），再进行图像缓存操作（图像缓存方案为VDMA方案，缓存介质包括PS端DDR3），最后以HDMI方式输出，提供4套工程源码，4套工程源码详情请参考“1、前言”中的截图，详细设计方案请参考我专门的博客，博客链接如下：
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本方案的SDI接收+OSD动态字符叠加输出应用

本方案采用GS2971接收SDI视频，然后进行动态字符叠加（方案为HLS动态字符叠加），再进行图像缓存操作（图像缓存方案为VDMA方案，缓存介质包括PS端DDR3），最后以HDMI方式输出，提供1套工程源码，工程源码详情请参考“1、前言”中的截图，详细设计方案请参考我专门的博客，博客链接如下：
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本方案的SDI接收+HLS多路视频融合叠加应用

本方案采用GS2971接收SDI视频，然后进行多路视频融合叠加（方案为HLS多路视频融合叠加），再进行图像缓存操作（图像缓存方案为VDMA方案，缓存介质包括PS端DDR3），最后以HDMI方式输出，提供1套工程源码，工程源码详情请参考“1、前言”中的截图，详细设计方案请参考我专门的博客，博客链接如下：
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FPGA的SDI视频编解码项目培训

基于目前市面上FPGA的SDI视频编解码项目培训较少的特点，本博专门开设了FPGA的SDI视频编解码高级项目培训班，专门培训SDI视频的编解码，具体培训计划细节如下：
1、我发你上述全套工程源码和对应的工程设计文档网盘链接，你保存下载，作为培训的核心资料；
2、你根据自己的实际情况安装好对应的开发环境，然后对着设计文档进行浅层次的学习；
3、遇到不懂的随时问我，包括代码、职业规划、就业咨询、人生规划、战略规划等等；
4、每周末进行一次腾讯会议，我会检查你的学习情况和面对面沟通交流；
5、你可以移植代码到你自己的FPGA开发板上跑，如果你没有板子，你根据你自己的需求修改代码后，编译工程，把bit发我，我帮你下载到我的板子上验证；或者你可以买我的开发板；

3、详细设计方案

设计原理框图

两套工程源码的设计原理框图如下：

SDI 相机

我用到的是SDI相机为HD-SDI相机，输出分辨率为1920x1080@30Hz，本工程对SDI相机的选择要求范围很宽，可以是SD-SDI、HD-SDI、3G-SDI，因为很设计对这三种SDI视频是自动识别并自适应的；如果你的手里没有SDI相机，也可以去某宝买HDMI转SDI盒子，一百多块钱就可以搞定，使用笔记本电脑模拟视频源，用HDMI线连接HDMI转SDI盒子，输出SDI视频做事视频源，可以模拟SDI相机；

GS2971

本设计采用GS2971芯片解码SDI，GS2971不需要软件配置，硬件电阻上下拉即可完成配置，本设计配置为输出BT1120格式视频，当然，你在设计电路时也可以配置为输出CEA861格式视频；GS2971硬件架构如下，提供PDF格式原理图：

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：

视频数据组包

由于视频需要在GTX中通过aurora 8b/10b协议收发，所以数据必须进行组包，以适应aurora 8b/10b协议标准；视频数据组包模块代码位置如下：

首先，我们将16bit的视频存入FIFO中，存满一行时就从FIFO读出送入GTX发送；在此之前，需要对一帧视频进行编号，也叫作指令，GTX组包时根据固定的指令进行数据发送，GTX解包时根据固定的指令恢复视频的场同步信号和视频有效信号；当一帧视频的场同步信号上升沿到来时，发送一帧视频开始指令 0，当一帧视频的场同步信号下降沿到来时，发送一帧视频开始指令 1，视频消隐期间发送无效数据 0 和无效数据 1，当视频有效信号到来时将每一行视频进行编号，先发送一行视频开始指令，在发送当前的视频行号，当一行视频发送完成后再发送一行视频结束指令，一帧视频发送完成后，先发送一帧视频结束指令 0，再发送一帧视频结束指令 1；至此，一帧视频则发送完成，这个模块不太好理解，所以我在代码里进行了详细的中文注释，需要注意的是，为了防止中文注释的乱序显示，请用notepad++编辑器打开代码；指令定义如下：

注意！！！指令可以任意更改，但最低字节必须为bc；

GTX aurora 8b/10b 详解

这个就是调用GTX做aurora 8b/10b协议的数据编解码，代码位置如下：

GTX IP 简介

关于GTX介绍最详细的肯定是Xilinx官方的《ug476_7Series_Transceivers》，我们以此来解读：《ug476_7Series_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Xilinx Zynq7100；带有8路GTX资源，其中2路连接到了2个SFP光口，每通道的收发速度为 500 Mb/s 到 10.3125 Gb/s 之间。GTX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；

GTX 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），下图为四路 GTX 收发器在Kintex7 FPGA 芯片中的示意图：《ug476_7Series_Transceivers》第24页；

GTX 的具体内部逻辑框图如下所示，它由四个收发器通道 GTXE2_CHANNEL原语 和一个GTXE2_COMMON 原语组成。每路GTXE2_CHANNEL包含发送电路 TX 和接收电路 RX，GTXE2_CHANNEL的时钟可以来自于CPLL或者QPLL，可在IP配置界面里配置；《ug476_7Series_Transceivers》第25页；

每个 GTXE2_CHANNEL 的逻辑电路如下图所示：《ug476_7Series_Transceivers》第26页；

GTXE2_CHANNEL 的发送端和接收端功能是独立的，均由 PMA(Physical Media Attachment，物理媒介适配层)和 PCS(Physical Coding Sublayer，物理编码子层)两个子层组成。其中 PMA 子层包含高速串并转换(Serdes)、预/后加重、接收均衡、时钟发生器及时钟恢复等电路。PCS 子层包含8B/10B 编解码、缓冲区、通道绑定和时钟修正等电路。
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；

GTX 发送和接收处理流程

首先用户逻辑数据经过 8B/10B 编码后，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。

GTX 的参考时钟

GTX 模块有两个差分参考时钟输入管脚(MGTREFCLK0P/N 和 MGTREFCLK1P/N），作为 GTX 模块的参考时钟源，用户可以自行选择。一般的A7系列开发板上，都有一路 148.5Mhz 的 GTX 参考时钟连接到 MGTREFCLK0上，作为 GTX 的参考时钟。差分参考时钟通过IBUFDS 模块转换成单端时钟信号进入到 GTXE2_COMMOM 的QPLL或CPLL中，产生 TX 和 RX 电路中所需的时钟频率。TX 和 RX 收发器速度相同的话，TX 电路和 RX 电路可以使用同一个 PLL 产生的时钟，如果 TX 和 RX收发器速度不相同的话，需要使用不同的 PLL 时钟产生的时钟。参考时钟这里Xilinx给出的GT参考例程已经做得很好了，我们调用时其实不用修改；GTX 的参考时钟结构图如下：《ug476_7Series_Transceivers》第31页；

GTX 发送接口

《ug476_7Series_Transceivers》的第107到165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GTX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，GTX例化模块的这部分接口如下：


在代码中我已为你们重新绑定并做到了模块的顶层，代码部分如下：

GTX 接收接口

《ug476_7Series_Transceivers》的第167到295页详细介绍了接收处理流程，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GTX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，GTX例化模块的这部分接口如下：


在代码中我已为你们重新绑定并做到了模块的顶层，代码部分如下：

GTX IP核调用和使用

GTX IP核调用和使用很简单，通过vivado的UI界面即可完成，如下：

有别于网上其他博主的教程，我个人喜欢用如下图的共享逻辑：

这样选择的好处有两个，一是方便DRP变速，二是便于IP核的修改，修改完IP核后直接编译即可，不再需要打开example工程，再复制下面的一堆文件放到自己的工程什么的，玩儿个GTX需要那么复杂么？

这里对上图的标号做解释：
1：线速率，根据自己的项目需求来，GTX 的范围是0.5到10.3125G，由于我的项目是视频传输，所以在GTX 的速率范围内均可，本例程选择了5G；
2：参考时钟，这个得根据你的原理图来，可以是80M、125M、148.5M、156.25M等等，我的开发板是125M；
4：GTX 组的绑定，这个很重要，他的绑定参考依据有两个，已是你的开发板原理图，而是官方的参考资料《ug476_7Series_Transceivers》，官方根据BANK不同将GTX资源分成了多组，由于GT资源是Xilinx系列FPGA的专用资源，占用专用的Bnak，所以引脚也是专用的，那么这些GTX组和引脚是怎么对应的呢？《ug476_7Series_Transceivers》有说明;
我的板子原理图如下：


选择外部数据位宽32bit的8b/10b编解码，如下：

下面这里讲的是K码检测：

这里选择K28.5，也就是所谓的COM码，十六进制为bc，他的作用很多，可以表示空闲乱序符号，也可以表示数据错位标志，这里用来标志数据错位，8b/10b协议对K码的定义如下：

下面讲的是时钟矫正，也就是对应GTX内部接收部分的弹性buffer；

这里有一个时钟频偏的概念，特别是收发双方时钟不同源时，这里设置的频偏为100ppm，规定每隔5000个数据包发送方发送一个4字节的序列，接收方的弹性buffer会根据这4字节的序列，以及数据在buffer中的位置来决定删除或者插入一个4字节的序列中的一个字节，目的是确保数据从发送端到接收端的稳定性，消除时钟频偏的影响；

数据对齐

由于GT资源的aurora 8b/10b数据收发天然有着数据错位的情况，所以需要对接受到的解码数据进行数据对齐处理，数据对齐模块代码位置如下：

我定义的 K 码控制字符格式为：XX_XX_XX_BC，所以用一个rx_ctrl 指示数据是否为 K 码 的 COM 符号；
rx_ctrl = 4’b0000 表示 4 字节的数据没有 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0001 表示 4 字节的数据中[ 7: 0] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0010 表示 4 字节的数据中[15: 8] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0100 表示 4 字节的数据中[23:16] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b1000 表示 4 字节的数据中[31:24] 为 COM 码；
基于此，当接收到有K码时就对数据进行对齐处理，也就是将数据打一拍，和新进来的数据进行错位组合，这是FPGA的基础操作，这里不再赘述；

视频数据解包

数据解包是数据组包的逆过程，代码位置如下：

GTX解包时根据固定的指令恢复视频的场同步信号和视频有效信号；这些信号是作为后面图像缓存的重要信号；
至此，数据进出GTX部分就已经讲完了，整个过程的框图我在代码中描述了，如下：

图像缓存

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；FDMA图像缓存架构由FDMA、FDMA控制器、缓存帧选择器构成、Xilinx MIG IP核（PL端）、Zynq软核（PS端）构成；图像缓存使用Xilinx vivado的Block Design设计，以工程源码21为例如下图：

关于FDMA更详细的介绍，请参考我之前的博客，博文链接如下：
点击直接前往

HDMI输出

HDMI输出架构由VGA时序和HDMI输出模块构成，VGA时序负责产生输出的1920x1080@60Hz的时序，并控制FDMA数据读出，HDMI输出模块负责将VGA的RGB视频转换为差分的TMDS视频，代码架构如下：

HDMI输出模块采用verilog代码手写，可以用于FPGA的HDMI发送应用，关于这个模块，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

工程源码架构

以工程源码21为例，工程Block Design和源码架构如下，Block Design设计为图像缓存架构的部分，缓存PL端DDR3，工程源码22与之类似，但缓存PS端DDR3：

以工程源码21为例，总体源码架构如下，工程源码22与之类似，但Block Design中有Zynq软核：

工程源码22使用了自定义的FDMA方案，虽然不需要SDK配置，但FDMA的AXI4接口时钟由Zynq提供，所以需要运行SDK程序才能启动Zynq，从而为PL端逻辑提供时钟；由于不需要SDK配置，所以SDK软件代码就变得极度简单，只需运行一个“Hello World”即可，如下：

4、工程源码21详解–>SDI接收+GTX 8b/10b编解码 图像缓存至PL端DDR3

开发板FPGA型号：Xilinx–Zynq7100–xc7z100ffg900-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：HD-SDI相机，分辨率1920x1080@30Hz；
输出：HDMI ，分辨率1920x1080@60Hz；
图像处理：GTX 8b/10b编解码，SFP光口回环；
图像缓存方案：FDMA方案；
图像缓存路径：PL端DDR3；
工程作用：此工程目的是让读者掌握FPGA实现SDI+GTX 8b/10b编解码传输的设计能力，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“工程源码架构“小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

5、工程源码22详解–>SDI接收+GTX 8b/10b编解码 图像缓存至PS端DDR3

开发板FPGA型号：Xilinx–Zynq7100–xc7z100ffg900-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：HD-SDI相机，分辨率1920x1080@30Hz；
输出：HDMI ，分辨率1920x1080@60Hz；
图像处理：GTX 8b/10b编解码，SFP光口回环；
图像缓存方案：FDMA方案；
图像缓存路径：PS端DDR3；
工程作用：此工程目的是让读者掌握FPGA实现SDI+GTX 8b/10b编解码传输的设计能力，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“工程源码架构“小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

6、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：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

7、上板调试验证

准备工作

需要准备的器材如下：
FPGA开发板；
SDI摄像头；
SDI转HDMI盒子；
HDMI显示器；
我的开发板了连接如下：

GTX 8b/10b编解码SFP光口传输–>输出视频演示

FPGA基于GS2971的SDI视频接收+GTX 8b/10b编解码SFP光口传输输出效果如下：

8、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：