《单片机原理及接口技术》期中论文
论文题目 SDI音频解嵌IP模块设计及应用
姓 名
学 号
学 院 电气工程学院
专业班级
1 1 引言 ............................................................................ 3
2 数字音视频标准 ........................................................ 3
2.1 串行数字接口 ..................................................... 3
2.2 IIS总线协议 ........................................................ 4
2.3 数字音频嵌入原理 ............................................. 5
3 音频解嵌 IP 模块设计 ............................................. 8
3.1 IP模块总体架构 ................................................. 8
3.2时序仿真验证 .................................................... 11
4 IP 模块应用举例 ...................................................... 12
5 结语 .......................................................................... 13
参考文献 ...................................................................... 14
2 SDI音频解嵌IP模块设计及应用
【摘 要】针对串行数字接口 (SDI), 提出了一种基于 FPGA 的音频数据 IP 模块解嵌方案。介绍了相关协议标准。重点介绍了音频解嵌
IP 模块的内核架构与设计过程，并给出了一个基于本 IP 模块的
SDI 音频解嵌系统应用实例。实践证明基于本 IP 模块的音频数据解嵌方案能有效地从 SDI 数据流中解嵌出音频数据， 实现音、视频同步；并且本IP 模块具有很强的通用性和可移植性，能提高设计效率，降低产品成本。
关键词：现场可编程门阵列；串行数据接口；SDI IP；模块
【Abstract】Specific to serial digital interface，this paper advanced a
scheme of audio demultiplexing intellectualproperty module based on
FPGA.。After explaining the related standard protocols， the kernel
architecture of audiodemultiplexing IP module and design processing
were introduced in detail. 。Finally，this paper gives an application
ofaudio demultiplexing system based on IP module in serial digital
interface。 It is shown through the experimental resultsthat the scheme of
audio demultiplexing IP module could effectively demultiplex audio data
from SDI data stream andachieve synchronization about audio and video.
The IP module was provided with universality and portability ，whichcould improve design efficiency and cost reduction.。
【Key words】: Field programmable gate Array； Audio demultiplexing；
Serial digital interface ；Intellectual property module； 3 1 引言
串行数字接口（Serial Digital Interface ，SDI ）是目前演播室数字电视节目制作系统中应用最广泛的接口之一，它提供了大量的辅助数据区, 可用来嵌入音频数据以及其他有用信号。 在接收端可从 SDI 流中解嵌出音频数据和其他辅助数据 当前通常采用专用集成电路
（Application Specific IntegratedCircuit ，ASIC） 实现音频数据的解嵌，但 ASIC 设计方案成本较高，灵活性较差。
笔者介绍了一种基于FPGA的SDI 音频数据解嵌IP 模块设计方案，该IP模块可将输入的SDI流中的音频数据分解出，并按照 IIS 总线格式输出音频数据。该方案成本较低，通用性强，只需对代码稍作修改即可满足不同的音频解嵌标准。
2 数字音视频标准
2.1 串行数字接口
串行数字接口（SDI）是按照SMPTE，259M标准制定，SMPTE
259M中规定了 A，B，C，D 这 4 种标准，传输速率分别是 143
Mb/s ，177 Mb/s ，270 Mb/s，360 Mb/s，其中最常见的是标准 C，笔者主要讨论标准 C，它采用单根同轴电缆串行传送 4 ：2 ：2 未经压缩的数字分量信号，传输距离约为 300 m，并可在串行数据流中嵌入 4 至 8 路音频数据[1]。
SDI接口的出现不仅大大简化了不同格式数据之间的转换，而且 4 更加便于数字演播室中各设备之间的连接。同时，由于将音频数据嵌入视频流，并用一根电缆同时传输音视频信号， 这样就很好地解决了音视频信号的时延差，而且简化了周边设备。因此 SDI 接口标准得到了世界上数字视频设备生产厂商的广泛支持大多都将 SDI 作为标准数字视频接口，在其生产的视频设备上均有 SDI 接口。
2.2 IIS总线协议
本 IP 模块采用（IIS Inter-IC ，Sound）总线格式输出音频数据。IIS 总线是飞利浦公司制定的一种用于音频数据传输的总线标准。该总线专用于数字音视频设备之间的音频数据传输，广泛应用在各种多媒体系统中。
IIS 总线拥有 3 条信号线进行数据传输：数据时钟线（SCLK），声道选择线（LRCK）和串行数据线（SDAT）其中，数据时钟即每位音频数据都与1 个 SCLK 脉冲相对应，SCLK 频率=2*采样频率*采样位数；声道选择信号用于切换左右声道，其频率等于采样频率；串行数据[2]。是采用二进制补码表示的音频数据。有时为了使系统间能更好地同步，还需要另外传输一个系统时钟信（MCLK）频率是采样频率的 256 或 384 倍。一个典型的 IIS 信号如图 1 所示。
5 图 1 IIS 总线时序关系
IIS总线标准规定：最先传输高位数据，最高位数据在声道选择信号变化后的第 2 个数据时钟脉冲处开始传输，因此最高位拥有固定的位置而最低位的位置则是依赖于数据的有效位数。声道选择信号表明了正在被传输的声道，“ 0” 表示正在传输的是左声道的数据“ 1” 表示正在传输的是右声道的数据 。
2.3 数字音频嵌入原理
由电视原理可知，在水平和垂直消隐间隔期间扫描束进行回扫。在消隐间隔期间，数字信号并不携带有效视频数据。因此可插入大量辅助数据，辅助数据被分为行辅助数据（HANC） 和垂直辅助数据（VANC）于是可将数字音频数据按照一定格式打包，再将打包后的音频数据填入视频数据的辅助数据区，即实现了音视频数据流复合达到了音视频信号同步传输目的。SMPTE 272M 标准规定 辅助数据区可容纳最多 16 个通道的音频数据，足够满足当前绝大多数数字演播室的实际需要。
通常将音频数据嵌入到行辅助数据区。辅助数据以数据包的形式传输，每个包都带有自身的包头标识。中国采用的 625/50 PAL 制 4： 6 2 ：2 数字分量标准中规定每行数据共有 1 728 个采样点字节，其中有效视频采样点总数为 1 440 Byte，数字消隐间隔中有 288 Byte。视频行格式如图2 所示。行消隐区的开头和结尾各有4 Byte 的时序参考信号（Timing Reference Signal ，TRS）分别为 EAV （End of
Active Video）和 SAV（Start ofActive Video）。嵌入的音频数据放置在每行视频行消隐区的 EAV 和 SAV 之间 并且必须紧接着 EAV
放置。
AES/EBU（Audio Engineering Society/EuropeanBroadcast Union）是一种专业数字音频接口标准，是目前广播领域数字音频的主流标准之一。AES/EBU 采用无压缩的数字音频格式，以单向串行码来传送
2 个声道的高质量数字音频数据（最高 24 bit 量化），还传送相关的控制信息 并有检测误码的能力 。
源音频数据可由 AES/EBU 串行数据流形式提供，然后按照
SMPTE 272M 标准格式将 AES/EBU 音频数据重新打包，再将音频数据包插入到每行视频行消隐区的 EAV 和 SAV 之间，进而完成串行数据流多路复用，具体流程如图 3 所示。
AES/EBU 信号格式中的音频帧结构如图 3 所示。一个
AES/EBU 帧包含 2 个 32 bit 的子帧， 192 个音频帧作为 1 个区 7 块。每个子帧包含 4 bit 前置同步码、4 bit附加数据、有效位（V）、用户位（U）、声道状态位（C）和奇偶校验位（P），每个音频样值既可以是 20 bit，也可以（24 bit 将 4 bit 附加数据也作为样值），其中
4 bit 的同步码用来标识一个新样值的开始。同步码 表示新音Z频块的第 1 帧开始，同步码表示一个块的所有剩余X帧的开始，同步码
表示每个 B 子帧的开始。
SMPTE 272M 标准规定的音频数据流嵌入串行视频流的过程如图 3 所示。音频数据按照 AES/EBU 标准变换成串行数据流，从串行 AES/EBU 数据流中抽取子帧（1 通路 1），放弃子帧 1 中 4
bit 前置同步码 4 bit 、附加数据和 1 bit 奇偶校验位，将 20 bit 音频数据以及 V，U 和 C 位，共 23 bit， 映射成 3 个 10 bit 辅助数据字。同一个 AES/EBU 串行数据流的第 0 帧的子帧 2（ 通路
2）以相同的方式插入，第 2 个 AES/EBU 串行数据流的 0[4]帧接续插入，以完成一个音频组（4 路音频）的插入。
嵌入音频数据的辅助数据包的格式为：3 个 10 bit辅助数据标记
