4K视频采集系统FPGA设计.docx

1绪论

1.1研究背景及意义

1.1.14K视频的发展

随着4K日渐成为影视行业的发展主流，近年来它已成为了一个业界的热门话题。4K视频的每一帧的最大分辨率可以达到4096*2160像素，被分类为超高清分辨率。它的画面对于素材提取、数据总量、运行设备等多方面都有了更高更严格的需求，与此同时，也为影视作品的后期编辑带来了更多的发展和回旋空间。尤其在当今1080P全高清流行阶段，使用4K视频拍摄的数据既顺应了主导风向并且满足了现在实际节目制作中1080P全高清的需求；同时，为

4K视频节目的推广奠定了坚固的视频基础且积累了丰富节目材料。

1.1.2研究意义

1.FPGA研究意义

用户通常使用相机摄影来完成4K视频采集。因为高分辨率图像清晰度很高，并且具有比标准分辨率更大的水平视角，从而导致产生了更小的景深。因此，在高清拍摄中，如果需要获取高分辨率图像，则需要严格控制景深以增加被摄对象前后的清晰范围。

但是，超高清视频（4K）的采集系统采集速度高，专用芯片（ASIC）不仅成本极高而且很稀缺，所以本设计拟议FPGA代替ASIC，完成4K视频的采集、存储及传输。

FPGA，也称为现场可编程门阵列，是目前非常流行的可编程信号处理设备。用户可以根据自己的实际需求，通过修改配置信息的途径来·实现各种功能。与传统的数字电路系统相比，FPGA是可编程的，高度集成的，快速且可靠的，允许用户调制器件的内部逻辑电路以及芯片上原始板的输入/输出端口，从而可以实现板级的设计。不仅可以改善电路性能，而且可以减少设计印刷电路板的工作量同时大幅降低难度，并且可以大大提高设计效率。FPGA与ASIC相比具有明显的优势。它不仅开发时间较短，初期投资风险小，而且相关的产品可以迅速投放市场，对市场适应性强，硬件改进空间大。当产品敲定和决定投入市场后，FPGA中实现的功能设计也可以快速定制为量产芯片。在新的处理周期中，使用FPGA转换以不同的方式来代替完成当前市面上ASIC产品的功能，将对产品的升级和更新有更大程度的助益。

2.PCIE总线研究意义

PCIe总线是一种新的总线规范，与PCI总线是全然不同的两种定义。它不同于共享并行架构的PCI总线。PCIe的连接方式属于点对点串行连接，它分配给每个PCIe设备各自特定的数据连接。当设备同时传输数据时，每个设备都不受其他设备的干扰。

在传输速率方面，由于PCIE总线使用的是串行连接模式因此其支持的传输速率与上一代系统总线相比有了很大程度的提高。PCIE1.0标准X1链路可以支持的单向传输速率可达250MB/s，不仅如此，当用户增加链路数量时，传输速率也将增加。例如，X16链路可以支持单向4GB/s的传输速率。PCIE总线支持的传输速率变高的另一个原因就是PCIE协议的升级。除此之外，PCIE总线支持双向数据传输，同时还支持全双工的操作模式。因此，PCIe总线可以给用户提供更快捷的传输速度和更高的传输质量。

PCIE总线具有强大的多功能性和通用性。它不仅可用于将南桥芯片与其他设备连接，还能够实现芯片组内部甚至图形芯片之间的连接。它很大程度上优化了计算机系统并在此基础上促进了总线标准的统一，从而极大地改善了该系统的便携性。

在实际应用中，深入研究PCIE总线具有极为重要的意义，尤其是对数据可靠性和实时性有较高要求的情况。只有对PCIE总线技术有深刻的了解，我们才能更好地利用该技术来开发具有高可靠性、良好的实时性能和较低功耗的

PCIE新产品，从而为我国电子通信行业的发展做出贡献。

1.2国内外研究现状

1.4K视频研究现状

工业和信息化部、国家广播电视总局、广播电视总台之前联合发布了《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022）》（简称《行动计划》）。清晰表达了会按照“4K先行、兼顾8K”的整体技术路线进行，有力地推动超高清视频产业的发展及其在相关领域的应用。《行动计划》还表明，截至2022年，我国超高清视频产业市场水平总体规模预计高达4万亿元，4K产业的市场将基本建成和初步完善，另外，还将在8K的开发推广和市场化方面获得一些进展。产生关键技术产品的同时，建立在国际上也有一定竞争力的公司产业。

2.PCIe研究现状

在2001年发布PCIEExpresss1.0标准后，PCI协议持续在改进和升级中，1.0a、1.1、2.0和2.1标准已经陆续发布。，PCIE总线支持的最高传输速率随着PCIe标准的不断改进也越来越高。PCI-SIG在2010年发布的PCIExpress3.0标准可以提供更高的带宽，并且X16链接的单向速度也达到了16GB/s的新高度。新一代PCIExpress4.0标准的制定已于201