支持4k分辨率的多格式视频处理系统设计与实现

摘要

如今，视频技术已经被广泛的应用于智能交通、汽车电子、多媒体通信、实时监控、高清电视等诸多方面,但这些视频图像格式众多，有模拟视频和数字视频，有标清视频和高清视频，并且每种格式的视频信号都有不同的接口技术进行对应，某种特定的视频接口往往都只能接收某几种特定格式的视频信号[1]。因此，本文以专用视频处理芯片GF9452和 FPGA为核心，搭载功能强大的视频编解码芯片构成的多接口兼容和多格式支持的通用化视频处理设备具有广泛的应用前景。
　　本文首先对视频方面的一些基础知识和视频处理方式进行了简单介绍，重点介绍了视频处理过程中的一些方式方法。然后分析了原理图中关键芯片的选型和电路设计思路，重点介绍了电源、时钟、复位、存储和接口电路的设计。接着介绍了 PCB的设计，提出了依据信号完整性和电源完整性要求进行设计，重点介绍了叠层和阻抗设计、时序控制和电源 PDN设计。最后，本文还详细介绍了系统的硬件测试过程，包括功能性测试、性能测试和可靠性测试。
　　经过测试发现本文的设计成果的各项指标符合入网要求。HDMI信号具有充分的“眼图张开程度”，时钟抖动≤0.25Tb it，时钟占空比为48％，上升/下降时间为100ps，过冲/下冲小于15%，差分对之间的偏斜≤0.15*Tb it；C VBS信号和S_Video信号的幅度都在700 mV左右，信噪比都大于56d B，色度/亮度延时小于50 ns；RGB的最大亮度电压为700 mV，各通道之间偏斜≤50%最小像素时钟，噪声反射≤2.5%最大亮度电压；YPbPr信号的Y信号白幅度为710 mV，同步信号幅度为305 mV， PbPr信号电平为350mV，各通道的信噪比都大于56d B。此外，本设备在高温/低温存储，高低温循环和高温高湿条件下都能够正常工作；进行1.5KV接触放电时无击穿、无飞弧现象；进行空气放电8kV，接触放电6k V的静电抗扰度试验、进行3V/m，80～100 MHz辐射抗扰度测试、对电源口注入±1kV、对网口注入±0.5kV的干扰进行电快速瞬变脉冲和抗浪涌能力测试以及在0.15～80MHz范围内对电源口注入的3V干扰发现该成果都符合B级性能等级判定。
　　经过验证，本文的设计成果具有良好的稳定性和多接口兼容性，该成果已经应用于15台支持所有常见格式、常见分辨率，也支持4K分辨率输出的视频处理系统样机中。

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第1章绪 论

1 .1 研究工作的背景与意义

1 .2 研究历史与现状

1 .3 本文的主要贡献与创新

1 .4 本论文的结构安排

第2章视频基础知识及视频处理基础

2 .1 视频相关术语

2 .2 电视制式

2 .3 视频处理技术

2 .4 本章小结

第3章系统硬件需求分析和总体设计

3 .1 系统硬件需求分析

3 .2 总体硬件设计

3 .3 本章小结

第4章系统的关键电路设计与实现

4 .1 设计原则

4 .2 系统的硬件架构

4 .3 系统电源设计

4 .4 系统时钟设计

4 .5 系统复位设计

4 .6 视频处理芯片GF9452及外围电路

4 .7 视频输入部分硬件设计

4 .8 视频输出部分硬件设计

4.9 FPGA部分硬件设计

4.10 ARM控制系统电路设计

4 .11本章小结

第5章PCB设计与实现

5 .1 理论基础

5.2 PCB设计

5 .3 本章小结

第6章系统硬件测试与结果分析

6 .1 系统硬件总体测试方案

6 .2 测试环境

6 .3 测试设备

6 .4 系统功能测试与结果分析

6 .5 系统性能测试与结果分析

6 .6 系统可靠性测试

6 .7 测试总结

6 .8 本章小结

第7章总结与展望

7 .1 全文总结

7 .2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果