Altera系列FPGA实现HDMI2.0，基于Transceiver Native PHY高速收发器，支持4K60帧分辨率，提供2套工程源码和技术支持

1、前言

创作背景

FPGA实现4K视频收发现状：

目前Xilinx系列FPGA提供了多种4K视频收发方案；
对于纯FPGA而言，需要用到GT高速接口资源实现编解码，但要求K7及其以上系列FPGA，以HDMI2.0为例，Xilinx官方提供了基于Video PHY Controller为核心的一整套HDMI2.0收发方案，此外，还可以直接使用GT高速接口IP核配置为GT-HDMI编解码模式，或者配置为DP编解码模式；对于Zynq系列FPGA而言，既可以使用PL端的GT高速接资源做4K视频收发，也可以使用PS端的DP外设做4K视频收发，这种方案功能完善，包含了HDMI2.0接收和发送的完整开发案例，但设计难度较大，需要软件区配置一大堆IP，且官方给的DEMO流程及其繁琐，移植修改难度都不小；第二种方案是直接使用GTY之类的高速接口走HDMI协议，这种方案功能不太完善，目前只有HDMI发送有成熟案例，但有点是并不需要软件配置，只需要用户逻辑即可完成后设计，多余不擅长软件和异构FPGA的开发者来说较为友好；本博主擅长Xilinx系列FPGA实现HDMI2.0视频收发方案设计。

目前Altera系列FPGA实现提供了多种4K视频收发方案；
目前Altera系列FPGA实现4K视频收发方案较为单一，主要还是依靠Transceiver Native PHY高速收发器，且只在Altera高端系列FPGA可用。

本设计基于Altera高端系列FPGA的Transceiver Native PHY高速收发器方案，最高支持3840x2160@60Hz；

工程概述

本设计基于Altera高端系列FPGA的Transceiver Native PHY高速收发器方案，最高支持3840x2160@60Hz；
视频输入源为纯verilog代码实现的彩条视频，该彩条视频支持1920x1080、2560x1440、3840x2160三种分辨率，可分别做1080P、2K、4K的HDMI2.0测试，通过顶层的parameter参数配置选择；彩条视频经过通道分配、加扰等处理后送入Altera官方提供的Transceiver Native PHY高速收发器IP核，配置为单工发送模式，主要完成HDMI2.0视频发送的物理层功能，即PCS+PMA，并以高速低压差分信号输出；然后HDMI2.0差分信号进去NB7NQ621M驱动芯片实现均衡处理和驱动增强；然后HDMI2.0差分信号直连HDMI2.0座子，或者通过板子的QSFP转HDMIHDMI2.0转换器输出；最后连上支持HDMI2.0的显示器显示即可；针对目前市面上主流的项目需求，本博客共设计了2套工程源码，详情如下：

现对上述2套工程源码做如下解释，方便读者理解：

工程源码1

开发板FPGA型号为Altera–>Arria 10–10AXF40AA；
视频输入源为纯verilog代码实现的彩条视频，该彩条视频支持1920x1080、2560x1440、3840x2160三种分辨率，可分别做1080P、2K、4K的HDMI2.0测试，通过顶层的parameter参数配置选择，默认选择3840x2160@60Hz的分辨率；彩条视频经过通道分配、加扰等处理后送入Altera官方提供的Transceiver Native PHY高速收发器IP核，配置为单工发送模式，主要完成HDMI2.0视频发送的物理层功能，即PCS+PMA，并以高速低压差分信号输出；然后HDMI2.0差分信号进去NB7NQ621M驱动芯片实现均衡处理和驱动增强；NB7NQ621M输出差分信号与板载的QSFP接口相连，所以板子无需HDMI2.0接口；然后使用本博主特有的QSFP转HDMIHDMI2.0转换器输出，输出分辨率默认为3840x2160@60Hz；最后连上支持HDMI2.0的显示器显示即可；本设计共使用1个QSFP光口，也就是只设计了1个HDMI2.0出书接口；当然，你也可以在板子上直接把NB7NQ621M芯片与HDMI2.0座子连接，这样就不需要QSFP光口转接了；
本设计使用Transceiver Native PHY高速收发器，适用于Altera高端系列FPGA实现HDMI2.0视频发送应用；

工程源码2

开发板FPGA型号为Altera–>Stratix V-- 5SGSMD5K2F40I3L；
视频输入源为纯verilog代码实现的彩条视频，该彩条视频支持1920x1080、2560x1440、3840x2160三种分辨率，可分别做1080P、2K、4K的HDMI2.0测试，通过顶层的parameter参数配置选择，默认选择3840x2160@60Hz的分辨率；彩条视频经过通道分配、加扰等处理后送入Altera官方提供的Transceiver Native PHY高速收发器IP核，配置为单工发送模式，主要完成HDMI2.0视频发送的物理层功能，即PCS+PMA，并以高速低压差分信号输出；然后HDMI2.0差分信号进去NB7NQ621M驱动芯片实现均衡处理和驱动增强；NB7NQ621M输出差分信号与板载的QSFP接口相连，所以板子无需HDMI2.0接口；然后使用本博主特有的QSFP转HDMIHDMI2.0转换器输出，输出分辨率默认为3840x2160@60Hz；最后连上支持HDMI2.0的显示器显示即可；本设计共使用1个QSFP光口，也就是只设计了1个HDMI2.0出书接口；当然，你也可以在板子上直接把NB7NQ621M芯片与HDMI2.0座子连接，这样就不需要QSFP光口转接了；
本设计使用Transceiver Native PHY高速收发器，适用于Altera高端系列FPGA实现HDMI2.0视频发送应用；

本博客详细描述了Altera系列FPGA基于Transceiver Native PHY高速收发器实现HDMI2.0视频收发的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网以及其他开源免费获取渠道等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；部分模块源码转载自上述网络，版权归原作者所有，如有侵权请联系我们删除；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目

其实一直有朋友反馈，说我的博客文章太多了，乱花渐欲迷人，自己看得一头雾水，不方便快速定位找到自己想要的项目，所以本博文置顶，列出我目前已有的所有项目，并给出总目录，每个项目的文章链接，当然，本博文实时更新。。。以下是博客地址：
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本方案在Xilinx系列FPGA上的应用

本方案在Xilinx系列FPGA上的也有应用，之前专门写过一篇博客，博客地址链接如下：
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3、详细设计方案

设计框图

本设计使用的是Altera官方推荐的方案，方案大致如下：

FPGA内部彩条

视频输入源为纯verilog代码实现的彩条视频，该彩条视频支持1920x1080、2560x1440、3840x2160三种分辨率，可分别做1080P、2K、4K的HDMI2.0测试，通过顶层的parameter参数配置选择，默认选择3840x2160@60Hz的分辨率；FPGA内部彩条顶层接口如下：

FPGA内部彩条代码架构如下：

Transceiver Native PHY高速收发器

彩条视频经过通道分配、加扰等处理后送入Altera官方的Transceiver Native PHY高速收发器IP核，配置为单工发送模式，主要完成HDMI2.0视频发送的物理层功能，即PCS+PMA，并以高速低压差分信号输出；Transceiver Native PHY配置如下：

NB7NQ621M驱动器

然后HDMI2.0差分信号进去NB7NQ621M Retimer芯片实现均衡处理和驱动增强；当然，硬件设计师也可以选择其他型号的驱动器；NB7NQ621M原理图如下：

NB7NQ621M Retimer需要配置才能使用，工程里用纯verilog代码实现的i2c模块实现配置，配置代码如下：

HDMI2.0输出

NB7NQ621M驱动后的HDMI2.0差分信号直连HDMI2.0座子，或者通过板子的QSFP转HDMIHDMI2.0转换器输出；最后连上支持HDMI2.0的显示器显示即可；也就是说，本设计有两种HDMI2.0输出方式，如果你的FPGA开发板没有HDMI2.0输出接口，则可以将GTY的差分数据对约束到板载的QSFP引脚，然后使用本博主提供的QSFP转HDMI2.0硬件模块实现HDMI2.0输出；如果你准备在你的FPGA开发板上设计HDMI2.0座子，则需要根据NB7NQ621M原理图，将NB7NQ621M输出端连接到HDMI2.0座子；

工程源码架构

本博客提供2套工程源码，以工程源码1为例，该工程只有1路HDMI2.0输出，工程源码架构如下：

4、工程源码1详解–>Arria-10，单路HDMI2.0输出版本

开发板FPGA型号：Altera–>Arria 10–10AXF40AA；
FPGA开发环境：Quartus 18.1；
输入：FPGA内部彩条视频，分辨率3840x2160@60Hz；
输出：HDMI2.0，分辨率3840x2160@60Hz；
HDMI2.0物理层方案：Altera–Transceiver Native PHY高速收发器；
HDMI2.0 Retimer方案：NB7NQ621M驱动器；
HDMI2.0输出数量：设计1路HDMI2.0输出；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：是让读者掌握Altera系列FPGA纯逻辑实现HDMI2.0的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

5、工程源码2详解–>Stratix-V，双路HDMI2.0输出版本

开发板FPGA型号：Altera–>Stratix V-- 5SGSMD5K2F40I3L；
FPGA开发环境：Quartus 18.1；
输入：FPGA内部彩条视频，分辨率3840x2160@60Hz；
输出：HDMI2.0，分辨率3840x2160@60Hz；
HDMI2.0物理层方案：Altera–Transceiver Native PHY高速收发器；
HDMI2.0 Retimer方案：NB7NQ621M驱动器；
HDMI2.0输出数量：设计2路HDMI2.0输出；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：是让读者掌握Altera系列FPGA纯逻辑实现HDMI2.0的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

6、上板调试验证并演示

准备工作

FPGA开发板，推荐使用本博的开发板；
QSFP转HDMI2.0模块；
4K HDMI显示器或者电视；
HDMI线；
以工程源码1为例，开发板连接如下：

HDMI2.0视频发送演示

HDMI2.0视频发送演示如下：

7、工程源码获取

代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：

此外，有很多朋友给本博主提了很多意见和建议，希望能丰富服务内容和选项，因为不同朋友的需求不一样，所以本博主还提供以下服务：