使用Xilinx FPGA適應(yīng)不斷變化的廣播視頻潮流

電視臺(tái)的演播室需要在不替換龐大的以同軸電纜構(gòu)建的基礎(chǔ)架構(gòu)的情況下，將模擬音頻和視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻和視頻，這樣就逐漸形成了傳輸非壓縮標(biāo)清視頻的串行數(shù)字接口(SDI)協(xié)議。如今，出于重新利用同軸電纜的同樣目的，日益增長的屏幕分辨率和相關(guān)數(shù)據(jù)速率衍生出了若干新的串行數(shù)據(jù)通信格式。

首先出現(xiàn)的是SDI標(biāo)準(zhǔn)，通常稱為SMPTE 259M標(biāo)準(zhǔn)，這是由電影與電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)制定的，于19*開始商業(yè)應(yīng)用。在最初推出之際，用于接口的主要芯片是由ASSP芯片制造商提供的。SDI名義上的數(shù)據(jù)速率是270Mbps，足夠滿足標(biāo)清電視(SDTV)的分辨率。

在2002年，Xilinx對(duì)業(yè)界宣布即將推出Virtex-II Pro FPGA。這一器件的顯著的特點(diǎn)是包含多個(gè)千兆位級(jí)收發(fā)器(MGT)，這些收發(fā)器能夠以高達(dá)3.125Gbps的比特率運(yùn)行。與此同時(shí)，電視臺(tái)的演播室開始采用新的高清晰度電視(HDTV)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足更高屏幕分辨率和更快數(shù)據(jù)速率的要求。SMPTE又制定了通常稱為SMPTE 292M的標(biāo)準(zhǔn)，支持非壓縮的HDTV視頻內(nèi)容的串行傳輸，其名義速率為1.5Gbps，其通常被稱作HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)。

Xilinx高級(jí)資深應(yīng)用工程師John Snow意識(shí)到，這兩種數(shù)據(jù)速率用單個(gè)Virtex-II Pro MGT即可支持，由此而發(fā)現(xiàn)了將多個(gè)ASSP芯片集成到單個(gè)Xilinx FPGA中的良機(jī)。該集成將大大降低接口的成本費(fèi)用，尤其是對(duì)于含有多個(gè)視頻流的視頻切換器和主控制器的設(shè)計(jì)。

Snow為使用FPGA的這兩種接口標(biāo)準(zhǔn)制定了第一批應(yīng)用指南。這些應(yīng)用指南包括用Verilog和VHDL源代碼編寫的免費(fèi)參考設(shè)計(jì)。使用該代碼和技術(shù)文檔，廣播系統(tǒng)工程師可毫不費(fèi)力地在Virtex-II Pro FPGA中實(shí)現(xiàn)功能齊全的SDI和HD-SDI接收器和發(fā)射器，以及其他相關(guān)的功能，如視頻測試模式生成器。第二年，將多個(gè)ASSP芯片集中在一起的Virtex-II ProFPGA，開始出現(xiàn)在全球的廣播設(shè)備中。

消費(fèi)者越來越認(rèn)同HDTV。這一令人驚嘆的技術(shù)使電視觀眾更接近真實(shí)世界，因此HD內(nèi)容總量會(huì)越來越多。如今，高清接收器實(shí)現(xiàn)了規(guī)模市場價(jià)格，消費(fèi)者對(duì)HDTV的興趣越來越大。多速率SDI和HD-SDI參考設(shè)計(jì)對(duì)廣播電臺(tái)演播室的數(shù)字音頻和視頻內(nèi)容的分發(fā)來說日益重要。

如今，SMPTE組織并未停下腳步。他們不斷發(fā)布新標(biāo)準(zhǔn)，以滿足對(duì)更高帶寬的視頻格式要求。兩個(gè)最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)為雙連接HD-SDI(SMPTE 372M)和3G-SDI(SMPTE 424M和SMPTE 425M)標(biāo)準(zhǔn)，二者都提供3Gbps的總帶寬。

雙連接HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)使用兩個(gè)HD-SDI速率鏈路，二者合力以提供更豐富顏色的傳輸(更多像素的顏色數(shù)據(jù))或者更快的更新率(1080行，幀頻60Hz逐行掃描，而不是幀頻30Hz)。構(gòu)成雙連接HD-SDI接口的兩條同軸電纜，如使用3G-SDI標(biāo)準(zhǔn)，僅用一條同軸電纜就可代替。

需要更高數(shù)據(jù)速率的一個(gè)應(yīng)用示例是電影業(yè)向數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。與通常HDTV格式使用的每個(gè)視頻象素20位數(shù)據(jù)相比，數(shù)字電影標(biāo)準(zhǔn)使用每個(gè)視頻象素36位數(shù)據(jù)。每視頻象素位的增加，再加上更高的屏幕分辨率，導(dǎo)致了市場對(duì)以3Gbps運(yùn)行的數(shù)字接口的需求。

即使是在SMPTE制定的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)PGA也有諸多機(jī)會(huì)適應(yīng)未來的發(fā)展變化。3G-SDI確切地說是通過兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來定義的：SMPTE 424M標(biāo)準(zhǔn)和SMPTE 425M標(biāo)準(zhǔn)。SMPTE 424M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了串行接口本身的物理和電特性。而SMPTE 425M規(guī)定了如何將各種視頻格式映射到接口中。雖然SMPTE 425M標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)表是近在2006年的事，SMPTE已著手開始修改此標(biāo)準(zhǔn)使其支持其他的視頻格式。

SMPTE組織定義了以10Gbps運(yùn)行的接口，并正在設(shè)想運(yùn)行速度更快的接口。使用Xilinx FPGA設(shè)計(jì)這些接口消除了由于標(biāo)準(zhǔn)的快速演化，新設(shè)計(jì)的視頻設(shè)備未及面世就會(huì)過時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

讓我們看一下使用HD-SDI視頻連接的幾個(gè)新興應(yīng)用。

CCD攝像機(jī)與VoIP應(yīng)用

超高速、超高靈敏度廣播攝像機(jī)能夠捕獲清晰、平滑、可慢動(dòng)作回放的視頻(即使在低光照的環(huán)境下)，對(duì)錄制夜間職業(yè)棒球比賽之類的活動(dòng)極其有用。這種攝像機(jī)能把快速移動(dòng)的現(xiàn)象(如球棒擊球瞬間的系列動(dòng)作)拍攝下來，而普通肉眼則難以企及。以慢動(dòng)作播放這些事件能大大改善電視觀眾的體驗(yàn)。

如圖1所示的電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)使用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅(qū)動(dòng)器。CCD驅(qū)動(dòng)器反過來驅(qū)使CCD、機(jī)械快門控制并觸發(fā)控制。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，然后將其存儲(chǔ)到片外存儲(chǔ)器。當(dāng)整幀數(shù)據(jù)的傳輸完成后，F(xiàn)PGA將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)綜合，并使用HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。從觸發(fā)到HD-SDI輸出所需的處理時(shí)間為1秒或更少。FPGA還可控制存儲(chǔ)器和ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。

圖1：電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)使用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅(qū)動(dòng)器。CCD驅(qū)動(dòng)器反過來驅(qū)使CCD、機(jī)械快門控制并觸發(fā)控制。

一些視頻制作中心開始使用以太網(wǎng)(Ethernet)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸水晶般剔透清晰的HD流。圖像經(jīng)過預(yù)處理和后處理，從而低延遲、實(shí)時(shí)地提高畫面質(zhì)量，然后使用各種編碼和解碼標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。由于流量很大且速率也非?？欤詳?shù)據(jù)必須經(jīng)過壓縮。例如，以30fps的速度傳輸1920x1080像素一次，在非壓縮情況下所需數(shù)據(jù)速率達(dá)1.5Gbps。再添上多通道，所需速率就更高了。

針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的FPGA具有嵌入式DSP模塊、片上和片外存儲(chǔ)器、豐富的邏輯應(yīng)用，可構(gòu)筑橋接功能，加上以太網(wǎng)和HD-SDI連接功能，對(duì)于創(chuàng)建上述系統(tǒng)來說，無疑是理想的解決方案。FPGA讀取HD-SDI連接上顯示的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)處理。編解碼器(如H.264)可用于壓縮數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)然后轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)包，并包含在接收端進(jìn)行解碼所需的適當(dāng)頭(header)信息，最后使用MAC發(fā)送到以太網(wǎng)鏈路。

HDTV畫面質(zhì)量監(jiān)視器

以前，消費(fèi)者只能通過DVD訪問高質(zhì)量的視頻和多通道音頻內(nèi)容。隨著HD廣播變得司空見慣，人們自然會(huì)將其與DVD相比。結(jié)果，電視觀眾對(duì)畫面質(zhì)量更加在意，尤其是HD。畫面質(zhì)量可能成為區(qū)分服務(wù)提供商高下的主要指標(biāo)。現(xiàn)在人們急需的是能針對(duì)畫面質(zhì)量進(jìn)行主觀和客觀測試，并可以測量可見誤差的畫面質(zhì)量監(jiān)視器。

圖2所示為在Xilinx Virtex-5 FPGA中實(shí)現(xiàn)的一個(gè)畫面質(zhì)量監(jiān)視器。客觀測試使用了SMPTE RP 198中規(guī)定的常用的測試模式格式，而主觀測試將廣播饋送(broadcast feed)與本地測試視頻源進(jìn)行對(duì)比。FPGA從不同的源收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理，然后將其發(fā)送到外部處理器進(jìn)行分析。

該圖為在Xilinx Virtex-5 FPGA中實(shí)現(xiàn)的一個(gè)畫面質(zhì)量監(jiān)視器。FPGA從不同的源收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理，然后將其發(fā)送到外部處理器進(jìn)行分析。

實(shí)時(shí)HD AVC

高級(jí)視頻編碼(AVC)是一種視頻壓縮技術(shù)，此技術(shù)只需使用所需比特率的一半就可傳輸視頻內(nèi)容。AVC首次亮相是用于標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻，但是對(duì)于HD服務(wù)商們，其吸引力更為巨大。AVC對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測處理進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)，從而使其領(lǐng)先MPEG-2一大截。AVC將運(yùn)動(dòng)預(yù)測精度增加了一倍，使用的模塊尺寸更小(因其能更準(zhǔn)確地跟蹤對(duì)象)，并且擁有更多的參考幀供搜索良好的運(yùn)動(dòng)預(yù)測匹配之用。這樣，實(shí)時(shí)高清晰度AVC視頻編碼器只需MPEG-2一半的帶寬就能以廣播圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸。

FPGA執(zhí)行計(jì)算密集的運(yùn)動(dòng)估計(jì)任務(wù)的情況。運(yùn)動(dòng)估計(jì)通過使用計(jì)算絕對(duì)差而得出的重復(fù)總和而完成。數(shù)據(jù)對(duì)比是高度重復(fù)的，并且許多計(jì)算都重復(fù)使用。基于CPU的實(shí)現(xiàn)常常為從緩存向算術(shù)邏輯單元饋送數(shù)據(jù)而苦苦掙扎，而FPGA設(shè)計(jì)可以定制，從而在自定義寄存器流水線中保留所有值。

如Xilinx Virtex-5 FPGA這樣的最新器件擁有大量的邏輯應(yīng)用，能提供類似于ASIC級(jí)的性能。FPGA囊括了廣播設(shè)備設(shè)計(jì)人員想要的所有功能：嵌入式低功耗3.2Gbps收發(fā)器;支持多種標(biāo)準(zhǔn)(如SDI、HD-SDI、雙連接HD-SDI、3G-SDI、DVB-ASI、AES數(shù)字音頻)、以太網(wǎng)和PCI Express接口、高速DSP模塊、嵌入式處理器、以太網(wǎng)MAC、PCI Express核、多個(gè)視頻IP核。

通過使用Xilinx芯片產(chǎn)品和廣播設(shè)備進(jìn)行視頻連接應(yīng)用設(shè)計(jì)，制造商可減少成本，在競爭中脫穎而出，同時(shí)降低更改標(biāo)準(zhǔn)所帶來的固有風(fēng)險(xiǎn)。