用Xilinx FPGA適應不斷變化的廣播視頻潮流

　　電視臺的演播室需要在不替換龐大的以同軸電纜構建的基礎架構的情況下，將模擬音頻和視頻轉換為數字音頻和視頻，這樣就逐漸形成了傳輸非壓縮標清視頻的串行數字接口(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(cháng)的屏幕分辨率和相關(guān)數據速率衍生出了若干新的串行數據通信格式。

　　首先出現的是SDI標準，通常稱(chēng)為SMPTE 259M標準，這是由電影與電視工程師協(xié)會(huì )(SMPTE)制定的，于1989年開(kāi)始商業(yè)應用。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名義上的數據速率是270Mbps，足夠滿(mǎn)足標清電視(SDTV)的分辨率。

　　在2002年，Xilinx對業(yè)界宣布即將推出Virtex-II Pro FPGA。這一器件的顯著(zhù)的特點(diǎn)是包含多個(gè)千兆位級收發(fā)器(MGT)，這些收發(fā)器能夠以高達3.125Gbps的比特率運行。與此同時(shí)，電視臺的演播室開(kāi)始采用新的高清晰度電視(HDTV)標準，此標準能夠滿(mǎn)足更高屏幕分辨率和更快數據速率的要求。SMPTE又制定了通常稱(chēng)為SMPTE 292M的標準，支持非壓縮的HDTV視頻內容的串行傳輸，其名義速率為1.5Gbps，其通常被稱(chēng)作HD-SDI標準。

　　Xilinx高級資深應用工程師John Snow意識到，這兩種數據速率用單個(gè)Virtex-II Pro MGT即可支持，由此而發(fā)現了將多個(gè)ASSP芯片集成到單個(gè)Xilinx FPGA中的良機。該集成將大大降低接口的成本費用，尤其是對于含有多個(gè)視頻流的視頻切換器和主控制器的設計。

　　Snow為使用FPGA的這兩種接口標準制定了第一批應用指南。這些應用指南包括用Verilog和VHDL源代碼編寫(xiě)的免費參考設計。使用該代碼和技術(shù)文檔，廣播系統工程師可毫不費力地在Virtex-II Pro FPGA中實(shí)現功能齊全的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(kāi)始出現在全球的廣播設備中。

　　消費者越來(lái)越認同HDTV。這一令人驚嘆的技術(shù)使電視觀(guān)眾更接近真實(shí)世界，因此HD內容總量會(huì )越來(lái)越多。如今，高清接收器實(shí)現了規模市場(chǎng)價(jià)格，消費者對HDTV的興趣越來(lái)越大。多速率SDI和HD-SDI參考設計對廣播電臺演播室的數字音頻和視頻內容的分發(fā)來(lái)說(shuō)日益重要。

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

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

　　需要更高數據速率的一個(gè)應用示例是電影業(yè)向數字數據的轉移。與通常HDTV格式使用的每個(gè)視頻象素20位數據相比，數字電影標準使用每個(gè)視頻象素36位數據。每視頻象素位的增加，再加上更高的屏幕分辨率，導致了市場(chǎng)對以3Gbps運行的數字接口的需求。

　　即使是在SMPTE制定的單個(gè)標準中，FPGA也有諸多機會(huì )適應未來(lái)的發(fā)展變化。3G-SDI確切地說(shuō)是通過(guò)兩個(gè)標準來(lái)定義的：SMPTE 424M標準和SMPTE 425M標準。SMPTE 424M標準規定了串行接口本身的物理和電特性。而SMPTE 425M規定了如何將各種視頻格式映射到接口中。雖然SMPTE 425M標準的發(fā)表是近在2006年的事，SMPTE已著(zhù)手開(kāi)始修改此標準使其支持其他的視頻格式。

　　SMPTE組織定義了以10Gbps運行的接口，并正在設想運行速度更快的接口。使用Xilinx FPGA設計這些接口消除了由于標準的快速演化，新設計的視頻設備未及面世就會(huì )過(guò)時(shí)的風(fēng)險。

　　讓我們看一下使用HD-SDI視頻連接的幾個(gè)新興應用。