基于FPGA的8K分屏器設計

目前主流的LED 主控最大只能支持4k、60 Hz 信號輸入，但是目前8k LED 大屏技術已經成熟，且已經慢慢進入商用。如圖1 所示，8k LED 大屏的主控一般由4臺4k主控拼接而成，但是前端8K 信號源目前已普遍采用HDMI2.1接口單線傳輸8K 信號，為了滿足8kLED大屏顯示系統需要，8K 分屏器應運而生。8k 分屏器可以將8k信號按“田”字型分割成4 路4k 信號輸出，正好可以分別對接4臺4k主控，從而實現8k LED 大屏顯示。此分屏器可廣泛應用于各種8k 大屏顯示系統。

本文設計的8k 分屏器采用FPGA 純硬件邏輯實現，用戶操作十分簡單，接上電源和5根HDMI 線之后上電即可使用，無需遙控或按鍵操作。

圖1 8K LED大屏系統框圖

1 硬件設計

8k分屏器主芯片為FPGA芯片，芯片自帶速率高達12.5 Gbit/s 的通用高速收發器，擁有DDR4 PHY 和DDR4硬核控制器，DDR4最大傳輸速率2 400 Mbit/s。硬件層面，如圖2 所示，HDMI2.1 輸入接口的高速信號接到FPGA高速收發器的接收通道，4 路HDMI2.0 輸出接口的高速信號接到FPGA 高速收發器的發送通道，HDMI2.1 TX 和HDMI2.0 RX 的接口協議由FPGA 內部可編程邏輯實現。電路板上有64 bit DDR4 芯片（速率2 400 Mbit/s），用于緩存和切割接收的8K 視頻信號。板上還提供用于HDMI接口IP 的100 MHz和148.5 MHz固定晶振，以及一個JTAG 接口用于FPGA 配置文件下載和調試。

圖2 電路硬件框圖

2 FPGA邏輯設計

FPGA 設計框圖如圖3 所示，HDMI2.1、8k 視頻信號進入FPGA 芯片之后，首先經過高速收發器的接收通道將高速串行信號轉換成低速并行信號，然后經過HDMI2.1 RX IP 處理后輸出接收的視頻信號，視頻信號隨后進入8k 視頻切片處理模塊，經過此模塊處理后輸出4 路4k 信號，輸出的4 路4k 信號分別進入4 個HDMI2.0 TX IP，TX IP 將數據按HDMI2.0 標準打包后輸出到高速收發器的發送通道，此發送通道將低速并行信號轉換成高速串行信號輸出，輸出的信號直接接到HDMI2.0 輸出接口。

圖3 FPGA邏輯設計框圖

3 結束語

本文本文設計了一款8k 分屏器，支持一路HDMI2.1、8k、60 Hz 信號輸入，四路HDMI2.0、 4k、60 Hz信號輸出，此分屏器使用簡單，工作穩定，可用于各種8k 大屏顯示系統。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年7月期）