国产紫光同创FPGA实现SDI视频编解码+图像缩放，基于HSSTHP高速接口，提供2套工程源码和技术支持

1、前言

国产FPGA现状：

“苟利国家生死以，岂因祸福避趋之！”大洋彼岸的我优秀地下档员，敏锐地洞察到祖国的短板在于先进制程半导体的制造领域，于是本着为中华民族伟大复兴的中国梦贡献绵薄之力的初心，懂先生站在高略高度和长远角度谋划，宁愿背当代一世之骂名也要为祖国千秋万世谋，2018年7月，懂先生正式打响毛衣战，随后又使出恰勃纸战术，旨在为祖国先进制程半导体领域做出自主可控的战略推动；2019年初我刚出道时，还是Xilinx遥遥领先的时代(现在貌似也是)，那时的国产FPGA还处于黑铁段位；然而才短短7年，如今的国产FPGA属于百家争鸣、百花齐放、八仙过海、神仙打架、方兴未艾、得陇望蜀、友商都是XX的喜极而泣之局面，此情此景，不得不吟唱老人家的诗句：魏武挥鞭，东临碣石有遗篇，萧瑟秋风今又是，换了人间。。。
目前对于国产FPGA优势有以下几点：
1：性价比高，与同级别国外大厂芯片相比，价格相差几倍甚至十几倍；
2：自主可控，国产FPGA拥有完整自主知识产权的产业链，从芯片到相关EDA工具；
3：响应迅速，FAE技术支持比较到位，及时解决开发过程中遇到的问题，毕竟中文数据手册；
4：采购方便，产业链自主可控，采购便捷；

FPGA实现SDI视频编解码现状：

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，比如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，或者紫光同创系列FPGA的HSSTHP高速接口资源实现解串；优点是合理利用了FPGA资源，高速接口资源不用白不用，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。本设计采用紫光同创Titan2系列FPGA的HSSTHP高速接口资源实现SDI视频解串和解码；

FPGA实现图像缩放现状：

FPGA实现图像缩放大体分两种方案，第一种是使用纯verilog代码实现，其优势是可移植性强，可广泛应用于各种型号FPGA，维护性强，通用性强，缺点是开发难度大，对开发者技术要求很高，功能和性能不够灵活；第二种是使用纯HLS代码实现，比如Xilinx的Video Processing Subsystem，其优势是开发难度小，对开发者技术要求很低，可快速实现部署，特别适用于Xilinx的Zynq系列FPGA，功能和性能很灵活，缺点是可移植性很差，目前仅限于Xilinx系列FPGA，维护性差，通用性差；本设计采用纯verilog代码方案实现双线性插值的图像缩放；

工程概述

本设计基于紫光同创的Titan2系列FPGA开发板实现SDI视频编解码，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HSSTHP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紫光同创Titan2系列FPGA特有的12G–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，本博设计了两种输出方式，一种是HDMI输出，另一种是3G-SDI输出，这两种方式都需要对解码BT1120视频进行转RGB和图像缓存操作；本设计使用BT1120转RGB模块实现视频格式转换；然后对输入视频做图像缩放操作，图像缩放模块可实现任意比例缩放，支持临域插值和双线性插值2种算法，通过模块顶层参数选择，默认使用双线性插值；然后使用纯verilog实现的图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR4；图像从DDR4读出后，进入HDMI发送模块输出HDMI显示器，这是HDMI输出方式；或者经过RGB转BT1120模块实现视频格式转换，然后视频进入紫光同创Titan2系列FPGA特有的12G–SDI IP核，进行SDI视频编码操作并输出SDI视频，再经过FPGA内部的GTP高速资源，实现并行数据到高速串行的转换，本博称之为串化，差分高速信号再进入板载的Gv8500芯片实现差分转单端和驱动增强的功能，SDI视频通过FPGA开发板的BNC座子输出，通过同轴线连接到SDI转HDMI盒子连接到HDMI显示器，这是SDI输出方式；本博客提供2套工程源码，具体如下：

现对上述2套工程源码做如下解释，方便读者理解：

工程源码1

开发板FPGA型号为PG2T390H-6FFBG900；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HSSTHP高速接口将SDI视频解串为并行数据；再经过紫光同创Titan2系列FPGA特有的12G–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；然后对输入视频做图像缩放操作，将原视频从1920x1080缩放到1280x720，您可修改缩放参数轻松缩放到其他分辨率，工程只是举例，修改方法博客有说明；再经过纯verilog实现的图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR4；然后从DDR45中读出视频送入送Silicom9134芯片实现RGB转HDMI输出，输出分辨率为1920x1080@60Hz，为了兼容缩放后的其他分辨率，本设计将背景分辨率设计为1920x1080，缩放后的图像叠加在其上显示即可，这也是本博主的创新点；最后通过HDMI显示器显示图像；该工程需要缓存，适用于紫光同创Titan2系列FPGA实现SDI转HDMI场景；

工程源码2

开发板FPGA型号为PG2T390H-6FFBG900；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HSSTHP高速接口将SDI视频解串为并行数据；再经过紫光同创Titan2系列FPGA特有的12G–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；然后对输入视频做图像缩放操作，将原视频从1920x1080缩放到1280x720，您可修改缩放参数轻松缩放到其他分辨率，工程只是举例，修改方法博客有说明；再经过纯verilog实现的图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR4；然后从DDR4中读出视频送RGB转BT1120模块，将RGB888视频转换为BT1120视频；再经过紫光同创Titan2系列FPGA特有的12G–SDI IP核，将BT1120视频编码为SDI视频；再经过HSSTHP高速接口资源，将SDI并行数据转换为高速串行信号；再经过板载的Gv8500芯片实现差分转单端和驱动增强后输出，输出分辨率为1280x720@60Hz，这是HD-SDI标准；最后使用SDI转HDMI盒子连接到HDMI显示器显示；该工程需要缓存，适用于紫光同创Titan2系列FPGA实现3G-SDI转HD-SDI场景；

本博客详细描述了国产紫光同创FPGA实现SDI视频编解码+图像缩放的设计方案，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

我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目

其实一直有朋友反馈，说我的博客文章太多了，乱花渐欲迷人，自己看得一头雾水，不方便快速定位找到自己想要的项目，所以本博文置顶，列出我目前已有的所有项目，并给出总目录，每个项目的文章链接，当然，本博文实时更新。。。以下是博客地址：
点击直接前往

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：
点击直接前往

本方案在Xilinx–Artix7系列FPGA上的应用

本方案在Xilinx–Artix7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：
点击直接前往

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：
点击直接前往

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：
点击直接前往

本方案在Xilinx–UltraScale系列FPGA上的应用

本方案在Xilinx–UltraScale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：
点击直接前往

3、详细设计方案

设计原理框图

设计原理框图如下：

！！！注意
！！！注意
紫色箭头：3G-SDI解码缩放转HD-SDI路径
绿色箭头：3G-SDI解码缩放转HDMI路径

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：

紫光HSSTHP 高速接口

本设计使用紫光同创Titan2系列FPGA特有的HSSTHP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，HSSTHP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，HSSTHP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；
！！！注意
！！！注意
HSSTHP 高速接口的解串与串化功能集成在了紫光同创官方提供的12G-SDI IP核内部，所以这部分没有独立的代码例化；

紫光12G-SDI IP核

本设计使用紫光同创Titan2系列FPGA特有的12G-SDI IP核实现2G SDI视频编解码，该IP由紫光同创官方提供，集成度很高，具体性能如下：详情可参考《UG052007_Titan2_12GSDI_IP》；
SDI 接收端性能表现如下：
1、支持自动检测接收数据的 SDI 速率模式；
2、支持 SD-SDI、HD-SDI、3G-SDI、6G-SDI 和 12G-SDI 接收模式动态切换；
3、自动检测视频传输格式；
4、检测和捕捉 SMPTE 352 (Payload ID)包；
5、HD-SDI、3G-SDI、6G-SDI 和 12G-SDI 模式下，检查 CRC 错误；
6、SD-SDI 模式下，可选检查 EDH (SMPTE 165)包错误；
7、能够容忍最大±200ppm 频偏。
SDI 发送端性能表现如下：
1、支持 SD-SDI、HD-SDI、3G-SDI、6G-SDI 和 12G-SDI 发送模式动态切换；
2、HD-SDI、3G-SDI、6G-SDI 和 12G-SDI 模式下，支持 1 倍速率或者 1/1.001 倍速率 ，但不支持相互动态切换；
3、支持生成和插入 SMPTE 352 (Payload ID)包；
4、HD-SDI、3G-SDI、6G-SDI 和 12G-SDI 模式下，支持生成和插入 CRC 和 Line Numbers (LN)；
5、SD-SDI 模式下，可选生成和插入 EDH (SMPTE 165)包。

12G-SDI IP安装包以附带资料包中，如下：

12G-SDI IP核使用配置十分简单，PDS的UI界面如下：

基于紫光同创FPGA 12G-SDI IP核的SDI视频编解码代码架构如下：

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：

图像缩放模块详解

图像缩放模块功能框图如下，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：

依据上图，图像缩放模块内部核心是例化了4个双口RAM，作用是缓存4行图像，以得到4个临近的像素，以此为基础做线性插值；如果是做图像放大操作，就以这4个临近的像素为基准，以线性插值为算法，在原图像中插入更多的像素点来扩大分辨率；如果是做图像缩小操作，就以这4个临近的像素为基准，以线性插值为算法，在原图像中删除更多的像素点来缩小分辨率；此外，前面描述的工作是实时的、整幅图像全部扫描式的进行，所以需要对RAM的读写操作进行精准控制；

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：

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：

图像缩放模块使用（重点阅读）

图像缩放模块使用非常简单，顶层代码里设置了四个参数，如下：

上图是将输入视频分辨率从1280x720缩放为1920x1080；
如果你想将输入视频分辨率从1280x720缩放为640x480；
则只需修改为如下：

再比如你想将输入视频分辨率从1280x720缩放为960x540；
则只需修改为如下：


在本博主这里，想要实现图像缩放，操作就是这么无脑简单，就该两个参数就能搞定貌似高大上的双线性插值图像缩放，这种设计、这种操作、这种工程源码，你还喜欢吗？

图像缩放模块仿真

图像缩放模块需要vivado和matlab联合仿真；
需要注意的是，仿真的目的是为了验证，这一步我已经替你们做完了，所以读者不再需要单独仿真，如果读者是在需要自己仿真玩玩儿，需要自己写仿真代码；vivado和matlab联合仿真详细步骤如下：
第一步：网上下载一张1280X720的图片，并用matlab将图片转换为RGB格式的txt文档；
第二步：在vivado下设计tstbench，将RGB格式的txt文档作为视频输入源给到图像缩放模块，并将缩放后的图像数据写入输出txt文档；
第二步：用matlab将输出txt文档转换为图片，并于原图一并输出显示以做比较；
根据以上方法得到以下仿真结果：
双线性插值算法原图1280X720缩小到800x600如下：

邻域插值算法原图1280X720缩小到800x600如下：

双线性插值算法原图1280X720放大到1920x1080如下：

邻域插值算法原图1280X720放大到1920x1080如下：

图像缓存架构

此模块为点对点视频接收端工程所独有；图像缓存架构实现的功能是将输入视频缓存到板载DDR4中再读出送后续模块，目的是实现视频同步输出，实现输入视频到输出视频的跨时钟域问题，更好的呈现显示效果；由于调用了紫光官方的HMIC_S IP核作为DDR4控制器，所以图像缓存架构就是实现用户数据到HMIC_S的桥接作用；架构如下：

图像缓存架构由视频缓存帧更新模块+写视频控制逻辑+读视频控制逻辑+AXI4-FULL-Master总线模块组成；AXI4-FULL-Master总线模块实际上就是一个AXI4-FULL总线主设备，与HMIC_S IP核对接，HMIC_S IP核配置为AXI4-FULL接口；写视频控制逻辑、读视频控制逻辑实际上就是一个视频读写状态机，以写视频为例，假设一帧图像的大小为M×N，其中M代表图像宽度，N代表图像高度；写视频控制逻辑每次写入一次突发传输的视频数据，记作Y，即每次向DDR4中写入Y个像素，写M×N÷Y次即可完成1帧图像的缓存，读视频与之一样；同时调用两个FIFO实现输入输出视频的跨时钟域处理，使得用户可以忽略AXI4内部代码，以简单地像使用FIFO那样操作AXI4总线，从而达到读写DDR的目的，进而实现视频缓存；本设计图像缓存方式为4帧缓存；图像缓存模块代码架构如下：

DDR4控制器IP安装包以附带资料包中，如下：

视频读取控制

图像缓存架构使用VGA时序模块完成视频读取控制，VGA时序模块负责产生VGA时序，他有两个作用，一是控制图像缓存架构从DDR4中读出缓存的视频，二是将同步后的VGA视频送入下一级模块，在HDMI输出方式下VGA时序模块的像素时钟由用户提供；在SDI输出方式下VGA时序模块的像素时钟由紫光同创Titan2系列FPGA特有的12G-SDI IP核的发送用户时钟提供，在不同的SDI模式下像素时钟不同，比如在3G-SDI模式下像素时钟为148.5M，在HD-SDI的720P@60Hz模式下像素时钟为74.25M；HDMI输出方式下的VGA时序模块代码架构如下：

SDI输出方式下的VGA时序模块代码架构如下：

HDMI输出

在HDMI输出方式下，HDMI输出包括Native视频时序和HDMI编码，Native视频时序的作用是产生传统VGA的、RGB的视频流；HDMI编码采用Silicom9134芯片编码方式，FPGA仅需输出RGB视频流即可；HDMI输出代码架构如下：

RGB转BT1120

在SDI输出方式下需要使用该模块；RGB转BT1200模块的作用是将用户侧的RGB视频转换为BT1200视频输出给SMPTE SD/HD/3G SDI IP核；RGB转BT1120模块由RGB888转YUV444模块、YUV444转YUV422模块、SDI视频编码模块、数据嵌入模块组成，该方案参考了Xilinx官方的设计；BT1120转RGB模块代码架构如下：

Gv8500 驱动器

Gv8500芯片实现差分转单端和增强驱动的功能，这里选用Gv8500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。Gv8500驱动器原理图如下：

SDI转HDMI盒子

在SDI输出方式下需要使用到SDI转HDMI盒子，因为我手里的显示器没有SDI接口，只有HDMI接口，为了显示SDI视频，只能这么做，当然，如果你的显示器有SDI接口，则可直接连接显示，我的SDI转HDMI盒子在某宝购买，不到100块；

工程源码架构

以工程源码1的SDI解码缩放转HDMI输出为例，工程源码架构如下，其他工程与之类似：

以工程源码2的3G-SDI解码缩放转HD-SDI输出为例，工程源码架构如下，其他工程与之类似：

4、工程源码1详解–>3G-SDI缩放转HDMI版本

开发板FPGA型号：紫光同创–PG2T390H-6FFBG900；；
开发环境：Pango Design Suite 2021.1
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：HDMI，Silicom9134芯片编码，1920x1080黑色背景下叠加显示缩放后的图像；
SDI视频解串方案：紫光-HSSTHP高速接口解串；
SDI视频解码方案：紫光-12G-SDI解码；
图像缩放方案：纯Verilog图像缩放；
图像缩放实例：1920x1080缩放到1280x720，其他分辨率缩放可自行修改；
图像缓存方案：纯Verilog图像缓存，4帧缓存，DDR4颗粒；
工程说明：全国产FPGA实现SDI解码缓存后转HDMI输出方案；
工程作用：此工程目的是让读者掌握紫光同创FPGA实现SDI视频编解码的设计能力，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：

6、工程源码2详解–>3G-SDI缩放转HD-SDI版本

开发板FPGA型号：紫光同创–PG2T390H-6FFBG900；；
开发环境：Pango Design Suite 2021.1
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：HD-SDI，分辨率1280x720@60Hz；
SDI视频解串方案：紫光-HSSTHP高速接口解串；
SDI视频解码方案：紫光-12G-SDI解码；
图像缩放方案：纯Verilog图像缩放；
图像缩放实例：1920x1080缩放到1280x720，其他分辨率缩放可自行修改；
图像缓存方案：纯Verilog图像缓存，4帧缓存，DDR4颗粒；
工程说明：全国产FPGA实现SDI解码缓存后转SDI输出方案；
工程作用：此工程目的是让读者掌握紫光同创FPGA实现SDI视频编解码的设计能力，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：

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摄像头或HDMI转SDI盒子；
SDI转HDMI盒子；
HDMI显示器；
我的开发板了连接如下：

紫光同创FPGA SDI视频解码输出演示

紫光同创FPGA SDI视频解码输出演示如下：

9、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：

此外，有很多朋友给本博主提了很多意见和建议，希望能丰富服务内容和选项，因为不同朋友的需求不一样，所以本博主还提供以下服务：