一種實時高帶寬視頻交換系統及方法技術方案

本發明專利技術公開了一種實時高帶寬視頻交換系統及方法，采用交換理論中最為簡潔有效的共享存儲方法，對16路視頻數據串行統籌處理；結合監控視頻高清晰、低延時、無阻塞路由的要求對系統進行存儲、路由控制、交換輸出工作從而實現系統要求；本交換系統采用全數字解決方案，采用可編程邏輯器件實現數據的交換，保證信號傳輸交換的正確性，數據無損處理，可以提供客戶完全無損傷的系統交換方法；系統總延時約為固定0.167us，滿足低延時處理要求；視頻處理采用共享存儲方案，輸入系統的所有視頻信號全部分區分片存入雙口存儲器RAM中，每個輸出通道單獨緩存、獨立輸出，保證系統數據多端口復制存儲，保證交換的效率和獨立性，形成無阻塞系統。

【技術實現步驟摘要】
一種實時高帶寬視頻交換系統及方法
本專利技術涉及視頻監控領域的非壓縮實時視頻傳輸交換矩陣領域，尤其涉及一種實時高帶寬視頻交換系統及方法。
技術介紹
實時視頻交換是為了滿足監控人員掌控所轄區域監控點的圖像信息，實時發現異常、特殊事件，對事件進行預警、報警，避免國家及個人財產受到損害；或者對監控點緊急事件進行遠程指揮、綜合戰斗，具有高實時性、高清晰度要求；并能任意切換轄區的任意一個監控點，這就需要實時交換方法；為保證得到盡量多的信息，一個監控平臺包含任意多個監控屏，同事可關注多個視頻監控點；綜合以上需求，需要有一套實時高帶寬視頻圖像交換的解決方案，滿足客戶的系統需求；由于實時視頻圖像多采用非壓縮視頻采樣方法，國內通用的視頻制式為PAL格式，其視頻帶寬為8M以內，有效視頻帶寬為5.8M帶寬，無損采樣頻率至少為5.8M*2.5=14.5M，采樣精度為8到10bit，綜合視頻質量及系統容量，本系統采用15M采樣，那么總視頻帶寬為120Mbps數字視頻信號；根據單視頻矩陣256路輸入96路輸出計算，視頻矩陣輸入、輸出數字信號帶寬分別為30.72Gbps、11.52Gbps；交換系統需要實現信號同步接入和輸出，保持幀同步需要做鏈路編碼開銷，則交換系統吞吐量需要達到40Gbps；為和本專利技術的交換方法對比，選取兩種典型視頻交換方法作為參照方法。模擬交換方法由于模擬器件起步較早，主要應用于2000年左右，小系統矩陣實現方案的解決辦法；數字交換方法由于數字信號大批量應用在2010年前后逐漸由模擬轉向數字矩陣交換，是基于數字信號的單芯片解決方案，該方案的主要性能指標在多數場景下都具有顯著的優勢。1、模擬交換芯片實現模擬交換是基于模擬信號并置、多路驅動實現的，由于模擬信號的特殊性，單顆模擬交叉芯片僅能實現8路視頻的交換，如果需要256路輸入、96路輸出則需要200多顆模擬器件搭建全交叉電路，電路較為復雜，穩定性比較差，排查問題比較復雜；另外模擬信號并置和多路驅動信號容易異常或失真，造成圖像異常扭曲；由此可見此方案在實際實施中存在多點隱患、并不利于維護，不可應用于大容量矩陣控制系統；2、數字交換芯片實現數字交換芯片實現視頻信號的串行輸入、輸出，透明化處理，不包含任何解串行和串行化操作，實現方案簡單，單路差分串行信號僅包含一路視頻信號，實現系統256路輸入、96路輸出則需要選擇至少256路的交叉芯片，這種設計簡單、控制方便；但同時存在芯片巨大、高成本、功率高等無法避免的數字切換芯片方案，管腳較多測試和硬件電路設計都比較復雜，測試驗證耗費時間較長；綜合以上交換系統的實現，雖能完成系統需求，但在實現是存在高成本、低穩定性的風險。
技術實現思路
針對上述技術缺陷，本專利技術提出一種實時高帶寬視頻交換系統及方法。為了解決上述技術問題，本專利技術的技術方案如下：一種實時高帶寬視頻交換系統，包括串并轉換模塊、數據同步處理模塊、時鐘數據同步控制模塊、數據交換單元模塊、并串轉換模塊；單通道視頻數據幀格式選用標準串行傳輸編碼方式，并附加特征碼key字節：tx_key=1，tx_data=x“BC”；該數據幀由20個時分復用時隙組成；其中，1-16個時隙為16路模擬視頻采樣數據，R1~R3為視頻數據幀保留字節，用于傳輸視頻數據對應的輔助數據；所述串并轉換模塊負責將視頻數據進行串并轉換；所述數據同步處理模塊通過設置的片內雙口RAM，根據接收來自經過串并轉換后的數據，檢測序列幀同步頭tx_key=1，tx_data=x“BC”，形成幀序列并寫入片內存儲器；并根據時鐘數據同步控制模塊的本地同步時鐘讀出視頻數據符合流，傳送給實時視頻交換模塊；所述時鐘數據同步控制模塊采用同源時鐘處理方式，提供本地同步時鐘獨立運行，產生幀同步時序、讀地址信號分別傳送給交換模塊，實現視頻信號同步；由時鐘數據同步控制模塊產生對16通道接收并行數據進行調度處理，并由路由控制模塊產生數據交換單元模塊所需要的路由表，即目的通道和源通道信息，所述數據交換單元模塊使用雙口RAM實現，寫端口位寬128bit，為16路視頻數據的并置信號，位寬5bit，其中：低四位是視頻序列計數器，最高位為片地址采用兩片地址，寫地址深度32，地址位寬5位；讀端口數據位寬8bit，為交換系統輸出的交換視頻數據，讀地址深度512，地址位寬9位,最高位為片地址，低位為交換輸出視頻的源通道地址；所述數據交換單元模塊中RAM寫端口中幀同步頭對視頻信號計數器進行清零，否則執行遞增計數，片地址加1，根據視頻同步信號并置以及片地址對幀序列的1至16個時隙的數據順序寫入片內存儲RAM，其他字段R1、R2、R3、key字節通過使能控制不寫入，單位位寬128位，其中低位為第一鏈路的視頻數據，高位為第十六鏈路的視頻數據，從而實現寫操作；所述數據交換單元模塊中RAM讀端口中根據路由控制模塊分離出的源通道信息和目的通道信息，根據寫入地址空間和片地址進行視頻數據讀出；并在輸出端對信號進行幀同步處理，增加幀頭字節，從而實現讀操作；所述數據交換單元模塊完成的單通道16路視頻的交換輸出功能，通過并串轉換模塊進行并串轉換從而完成單通道的交換輸出功能。一種實時高帶寬視頻交換方法，包括21)首先對視頻數據幀采用標準串行傳輸編碼方式，并附加特征碼key字節：tx_key=1，tx_data=x“BC”；所述數據幀由20個時分復用時隙組成，其中，1~16個時隙為16路模擬視頻采樣數據，R1~R3為視頻數據幀保留字節，用于傳輸視頻數據對應的輔助數據；22）將上述模擬視頻數據幀通過串并轉換模塊進行轉換；23）數據同步處理模塊采用片內雙口RAM，根據接收數據，檢測序列幀同步頭tx_key=1，tx_data=x“BC”，形成幀序列并寫入片內存儲器；并根據時鐘數據同步控制模塊模塊本地同步時鐘讀出視頻數據符合流，傳送給實時視頻交換模塊；24）時鐘數據同步控制模塊采用同源時鐘處理方式，提供本地同源時鐘獨立運行，產生幀同步時序、讀地址信號分別傳送給預處理模塊和交換模塊，實現視頻數據信號同步；25）由時鐘數據同步控制模塊產生對16通道接收并行數據進行調度處理，并由路由控制模塊產生數據交換單元模塊所需要的路由表，即目的通道和源通道信息，26）數據交換單元模塊使用雙口RAM實現，其中寫端口位寬128bit，為16路視頻數據的并置信號，位寬5bit，其中：低四位是視頻序列計數器，最高位為片地址采用兩片地址，寫地址深度32，地址位寬5位；讀端口數據位寬8bit，為交換系統輸出的交換視頻數據，讀地址深度512，地址位寬9位,最高位為片地址，低位為交換輸出視頻的源通道地址；所述數據交換單元模塊交換存儲RAM端口寫操作步驟為：幀同步頭對視頻數據信號計數器進行清零，否則執行遞增計數，片地址加1，根據視頻同步信號并置以及片地址對幀序列的1至16個時隙的數據順序寫入交換存儲RAM，其他字段R1、R2、R3、key字節通過使能控制不寫入，單位位寬128位，其中低位為第一鏈路視頻數據，高位為第十六鏈路視頻數據；所述數據交換單元模塊交換存儲RAM端口讀操作：根據路由控制模塊分離出的源通道信息和目的通道信息，根據寫入地址空間和片地址進行視頻數據讀出；并在輸出端對信號進行幀同步處理，增加幀頭字節；完成單通本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種實時高帶寬視頻交換系統，其特征在于，包括串并轉換模塊、數據同步處理模塊、時鐘數據同步控制模塊、數據交換單元模塊、并串轉換模塊；單通道視頻數據幀格式選用標準串行傳輸編碼方式，并附加特征碼key字節：tx_key=1，tx_data?=?x“BC”；該數據幀由20個時分復用時隙組成；其中，1?16個時隙為16路模擬視頻采樣數據，R1~R3為視頻數據幀保留字節，用于傳輸視頻數據對應的輔助數據；所述串并轉換模塊負責將視頻數據進行串并轉換；所述數據同步處理模塊通過設置的片內雙口RAM，根據接收來自經過串并轉換后的數據，檢測序列幀同步頭tx_key=1，tx_data?=?x“BC”，形成幀序列并寫入片內存儲器；并根據時鐘數據同步控制模塊的本地同步時鐘讀出視頻數據符合流，傳送給實時視頻交換模塊；所述時鐘數據同步控制模塊采用同源時鐘處理方式，提供本地同步時鐘獨立運行，產生幀同步時序、讀地址信號分別傳送給交換模塊，實現視頻信號同步；由時鐘數據同步控制模塊產生對16通道接收并行數據進行調度處理，并由路由控制模塊產生數據交換單元模塊所需要的路由表，即目的通道和源通道信息，所述數據交換單元模塊使用雙口RAM實現，寫端口位寬128bit，為16路視頻數據的并置信號，位寬5bit，其中：低四位是視頻序列計數器，最高位為片地址采用兩片地址，寫地址深度32，地址位寬5位；讀端口數據位寬8bit，為交換系統輸出的交換視頻數據，讀地址深度512，地址位寬9位,最高位為片地址，低位為交換輸出視頻的源通道地址；所述數據交換單元模塊中RAM寫端口中幀同步頭對視頻信號計數器進行清零，否則執行遞增計數，片地址加1，根據視頻同步信號并置以及片地址對幀序列的1至16個時隙的數據順序寫入片內存儲RAM，其他字段R1、R2、R3、key字節通過使能控制不寫入，單位位寬128位，其中低位為第一鏈路的視頻數據，高位為第十六鏈路的視頻數據，從而實現寫操作；所述數據交換單元模塊中RAM讀端口中根據路由控制模塊分離出的源通道信息和目的通道信息，根據寫入地址空間和片地址進行視頻數據讀出；并在輸出端對信號進行幀同步處理，增加幀頭字節，從而實現讀操作；所述數據交換單元模塊完成的單通道16路視頻的交換輸出功能，通過并串轉換模塊進行并串轉換從而完成單通道的交換輸出功能。...

【技術特征摘要】
1.一種實時高帶寬視頻交換系統，其特征在于，包括串并轉換模塊、數據同步處理模塊、時鐘數據同步控制模塊、數據交換單元模塊、并串轉換模塊；單通道視頻數據幀格式選用標準串行傳輸編碼方式，并附加特征碼key字節：tx_key＝1，tx_data＝x“BC”；該視頻數據幀由20個時分復用時隙組成；其中，1-16個時隙為16路模擬視頻采樣數據，R1～R3為視頻數據幀保留字節，用于傳輸視頻數據對應的輔助數據；所述串并轉換模塊負責將視頻數據進行串并轉換；所述數據同步處理模塊通過設置的片內雙口RAM，根據接收來自經過串并轉換后的數據，檢測序列幀同步頭tx_key＝1，tx_data＝x“BC”，形成幀序列并寫入片內存儲器；并根據時鐘數據同步控制模塊的本地同步時鐘讀出視頻數據符合流，傳送給實時視頻交換模塊；所述時鐘數據同步控制模塊采用同源時鐘處理方式，提供本地同步時鐘獨立運行，產生幀同步時序、讀地址信號分別傳送給交換模塊，實現視頻信號同步；由時鐘數據同步控制模塊產生對16通道接收并行數據進行調度處理，并由路由控制模塊產生數據交換單元模塊所需要的路由表，即目的通道和源通道信息，所述數據交換單元模塊使用雙口RAM實現，寫端口位寬128bit，為16路視頻數據的并置信號，每路位寬5bit，其中：低四位是視頻序列計數器，最高位為片地址采用兩片地址，寫地址深度32，地址位寬5位；讀端口數據位寬8bit，為交換系統輸出的交換視頻數據，讀地址深度512，地址位寬9位,最高位為片地址，低位為交換輸出視頻的源通道地址；所述數據交換單元模塊中RAM寫端口中幀同步頭對視頻信號計數器進行清零，否則執行遞增計數，片地址加1，根據視頻同步信號并置以及片地址對幀序列的1至16個時隙的數據順序寫入片內存儲RAM，其他字段R1、R2、R3、key字節通過使能控制不寫入，單位位寬128位，其中低位為第一鏈路的視頻數據，高位為第十六鏈路的視頻數據，從而實現寫操作；所述數據交換單元模塊中RAM讀端口中根據路由控制模塊分離出的源通道信息和目的通道信息，根據寫入地址空間和片地址進行視頻數據讀出；并在輸出端對信號進行幀同步處理，增加幀頭字節，從而實現讀操作；所述數據交換單元模塊完成的單通道16路視頻的交換輸出功能...

【專利技術屬性】
技術研發人員：石旭剛，史故臣，
申請(專利權)人：杭州中威電子股份有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江;33