引言
在廣播和傳輸系統(tǒng)中,采用一種或者兩種串行接口來傳輸數(shù)字視頻:沒有壓縮的數(shù)據(jù)使用視頻串行數(shù)字接口(SDI)。壓縮數(shù)據(jù)使用異步串行接口(ASI),在視頻設備中,主要采用移動圖像和電視工程師聯(lián)盟(SMPTE)定義的SDI來傳送視頻和音頻數(shù)據(jù)。
視頻設備能夠支持標準清晰度(SD)、高清晰度(HD)數(shù)字視頻格式,或者同時支持。SD視頻傳輸?shù)腟DI速率為270Mbps、360Mbps或者540Mbps,而HD視頻傳輸?shù)腟DI速率為1.485 Gbps或者1.485/1.001 Gbps。HD提供高質量的視頻,代表了今后數(shù)字視頻廣播的發(fā)展方向。隨著HD視頻需求的增長,要求硬件能夠處理HD技術所需的大數(shù)據(jù)吞吐量。
在數(shù)字視頻傳送系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)傳送的主要方式是ASI的270Mbps單節(jié)目傳送流(SPTS)或者多節(jié)目傳送流(MPTS),這些方式由數(shù)字視頻廣播(DVB)協(xié)會定義。
廣播設備開發(fā)人員通常使用ASSP來實現(xiàn)SDI和DVB-ASI功能,也可以利用可編程邏輯器件(PLD),使用PLD中的邏輯和其他嵌入式資源構建所需的各種數(shù)字功能,以實現(xiàn)這些接口。通過使用PLD??梢燥@著降低總成本。某些情況下,在每ASI通道或者每SDI端口的基礎上,PLD不到ASSP成本的1/10。
SDI的可編程邏輯解決方案
要達到SDI和DVB-ASI需要的270Mbps數(shù)據(jù)速率,可編程解決方案需要提供以下功能:
LVDS I/O
足夠的邏輯容量
數(shù)據(jù)恢復能力
產(chǎn)生時鐘信號的PLL
對于HD-SDI數(shù)據(jù)速率,需要采用支持嵌入式SERDES技術、時鐘數(shù)據(jù)恢復,并集成了高速收發(fā)器通道的PLD,例如Altera的Stratix GX系列FPGA。
圖1所示為Altera可編程邏輯中實現(xiàn)SD-SDI和HD-SDI功能所需的構成單元。SD-SDI解決方案在邏輯單元(LE)中利用過采樣技術來恢復數(shù)據(jù)。FPGA中的基本構建模塊LE在SERDES模塊中表示為“軟邏輯”。在HD-SDI解決方案中,嵌入式SERDES和CDR電路完成時鐘和數(shù)據(jù)恢復功能。
HD-SDI方案中的其他功能包括發(fā)射機側的線編號插入和循環(huán)冗余校驗(CRC)計算,以及接收機側的線編號提取和循環(huán)冗余校驗。
基于可編程邏輯的DVB-ASI解決方案
可以采用FPGA來實現(xiàn)DVB-ASI所需的數(shù)據(jù)速率,F(xiàn)PGA為ASI接收機和發(fā)射機輸入基準時鐘提供PLL。Altera的Cyclone、Stratix和Stratix GX系列FPGA具備這些功能。圖2所示為在FPGA中實現(xiàn)DVB-ASI所需的構成單元,包括發(fā)射機和接收機耦合的回環(huán)通道,以及用于內(nèi)置測試操作的偽隨機二進制序列(PRBS)校驗器和PRBS產(chǎn)生器。
ASI接收機組成為:
解串器,將到達的串行數(shù)據(jù)轉換為10比特寬的并行數(shù)據(jù)
過采樣接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復和位同步
字對齊
8位/10位編碼器,將10位并行數(shù)據(jù)轉換為8位原始數(shù)據(jù)
同步狀態(tài)機探測字同步或者同步丟失
速率匹配FIFO緩沖匹配到達比特和發(fā)送(或者系統(tǒng))時鐘的速率。
圖3所示為ASI接收機的構成單元,ASI發(fā)射機含有一個8位/10位編碼器和一個串化器,編碼器將8位寬的字轉換為10位,串化器將10位并行字轉換為串行數(shù)據(jù),采用一個10位移位寄存器實現(xiàn)該功能,以字速率從編碼器輸入,以LVDS輸出緩沖比特率輸出。27M赫茲基準時鐘乘以10的PLL提供比特率時鐘,支持抖動受控ASI傳輸串化。ASI發(fā)射機構成單元如圖4所示。
在可編程邏輯中實現(xiàn)SDI和DVB-ASI
一般情況下,采用FPGA實現(xiàn)一個ASI通道需要的LE數(shù)量小于1000,Cyclone Ⅱ FPGA每通道成本低于1美元,比現(xiàn)有ASSP方案低得多。
一個10位SD-SDI全雙工端口在Altera FPGA中只需要400個LE。對于Cyclone Ⅱ FPGA中的10位SD-SDI數(shù)據(jù),其每端口成本也遠遠低于現(xiàn)有的ASSP方案。對于20位HD-SDI數(shù)據(jù),收發(fā)器通道邏輯大約需要1000個LE,在Stratix GX器件中實現(xiàn)這些邏輯時,每端口成本等于甚至低于ASSP的每端口成本。當考慮到可編程邏輯的其他集成性能時,Stratix GX方案的優(yōu)勢更加突出。
可編程邏輯集成功能還具有其他優(yōu)勢
在典型應用中,DVB-ASI和SDI只是廣播設備全部功能的一部分,例如,DVB-ASI通常用于廣播數(shù)據(jù)轉發(fā)系統(tǒng),需要進行視頻復用、壓縮、調制和解調、時隙復用、編解碼等信號處理,這些操作需要前向糾錯(FEC)、濾波、間插、正交振幅調制(QAM)映射、Viterbi和Reed-Solomon解碼等數(shù)字信號處理功能。這些功能可以利用FPGA中的資源來實現(xiàn),包括LE、Cyclone Ⅱ器件中的乘法器,以及Stratix器件中的DSP模塊。
通過將這些功能集成到幾個器件中,基于FPGA的解決方案進一步降低了開發(fā)成本,節(jié)省了電路板空間,降低了系統(tǒng)復雜性,FPGA所具有的靈活性使開發(fā)人員能夠定制實現(xiàn)設計中每一單元之間的接口,在最短的時間內(nèi)加入各種功能,突出設計質量,設計人員還可以得到與單個可編程器件相同的ASI通道或者SDI端口數(shù),而采用ASSP就必須使用多個分立器件。
參考設計加速產(chǎn)品上市
在SDI參考設計中,對三個SMPTE建議抖動參數(shù)進行了評估:
抖動產(chǎn)生器——器件或者系統(tǒng)產(chǎn)生一個串行數(shù)字信號(在這種情況下是HD-SDI),它含有某一振幅和頻率的正弦抖動。產(chǎn)生的抖動也可以是非正弦的。
接收抖動容限——當應用于器件或者系統(tǒng)輸入時,正弦抖動的峰-峰值振幅會導致性能劣化。
抖動傳送——輸入抖動導致的器件或者系統(tǒng)輸出抖動。
DVB-ASI標準并沒有針對抖動容限提供任何規(guī)范,但可以采用下面的抖動參數(shù)評估Altera的DVB-ASI參考設計:
發(fā)射機的抖動產(chǎn)生
接收機的抖動容限
接收機靈敏度
輸出振幅和邊沿速率
Cyclone視頻演示板和Stratix GX串行視頻演示說明板可以演示這些參考設計。
結語
與ASSP相比,Altera的DVB-ASI和SDI可編程邏輯解決方案能夠顯著降低廣播設備的開發(fā)成本,將DVB-ASI和SDI功能集成到少量器件中,進一步降低了成本、節(jié)省了電路板空間、降低了復雜性。