視頻監控SDI芯片將成HD信號傳輸的關(guān)鍵

視頻監控的高清浪潮一波未平、一波再起，產(chǎn)品規劃面更需要找到可靠的技術(shù)方案支撐。純IP監控陣營(yíng)雖然像水中魚(yú)紛紛冒出頭，產(chǎn)品具威脅性，分食商機、擴張領(lǐng)域，雖不一定能閃躲，但若因此看得更明白通透，就更有把握來(lái)應付挑戰。在沒(méi)有誰(shuí)可壓倒全勝的今日，明白彼此強項弱點(diǎn)，便能更快切入適合生存位置。HD-SDI作為傳統CCTV一種轉型出路..

IP攝影的考驗往往不在傳輸，因為IT網(wǎng)通本身即是成熟領(lǐng)域，但畫(huà)質(zhì)卻最容易讓人詬病。至于HD-SDI監控系統的關(guān)鍵不只在圖像，反而在于傳輸。高階感光元件與影像處理元件近乎唾手可得，但如何用對元件，維持高畫(huà)質(zhì)傳遞，確保長(cháng)途不失真，就是一門(mén)學(xué)問(wèn)。

距離一拖長(cháng)就感到吃力

畫(huà)面清晰、沒(méi)有延遲、方便控制和遠端儲存管理，說(shuō)起來(lái)都容易，但高清化之后就變成難題。不論高清影像是否經(jīng)過(guò)壓縮，非網(wǎng)絡(luò )化的圖像信號能傳得多快多即時(shí)，能跑到多遠距離，對安全監控而言是非常嚴酷的考驗。所以我們說(shuō)高清的考驗是傳輸，傳越遠就越兇險。正如我們熟悉的SDI，其規格概念不來(lái)自影像領(lǐng)域，而是指一種傳輸方式，是信號發(fā)射與接收端(Tx和Rx)的技術(shù)。

與近幾年流行的IP監控Datacom概念迥異，不透過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )架構，直接傳輸HD影像的方式，在CCTV領(lǐng)域迅速燃燒。

從Gennum和Stretch主導的HDcctv聯(lián)盟于2010年點(diǎn)火開(kāi)始，HD-SDI成為安防制造重鎮的顯學(xué)。

一時(shí)之間，觀(guān)念更新、研發(fā)的艱辛、殺出紅海的期盼，在安防HD化的過(guò)程中交織而糾結。對CCTV族群而言，HD究竟是比較容易，或者其實(shí)比較難，是不易回答的論題。包括設備相容性、影像信號的純度、傳送的距離、低延遲性要求、后端壓縮效率、影像分析的效能、電力供應、控制信號、與IP網(wǎng)絡(luò )的介接，顯示播放的格式，甚至是電子物料成本本身，都已是極大考驗。到底目前市面上有幾種實(shí)現SDI的方案?該具備哪些相關(guān)技術(shù)?除了SDI還有哪些HD替代架構?即時(shí)影像是不是唯一要求?光纖或其他線(xiàn)材有沒(méi)有機會(huì )?種種HD系統開(kāi)發(fā)上的疑惑，我們透過(guò)Tx和Rx的探討來(lái)跨越。

SDI功能由不同單元組成

現今我們在安防RD圈中看到的SDI芯片方案，甚至包括FPGA，早在2007年就多已成型。在當時(shí)美國的傳播媒體展(NAB2007)中，芯片廠(chǎng)針對3G-SDI(第三代序列數位介面)各自推出不少解決方案。這些公司包括Gennum(現已并入Semtech)，NationalSemiconductor(NS，現并入德州儀器)、Altera與Xilinx等。

其中Gennum日后發(fā)展出GV7600/GV7601芯片在安防之所以有名，除了是HDcctv的推動(dòng)主力，另一方面也是率先將Tx和Rx等離散型的芯片架構整合為一的緣故。例如其發(fā)射端(Tx)的芯片就是串列器(Serializers)加上電纜驅動(dòng)器(CableDrivers)，而接收端(Rx)芯片即為解串列器(Deserializers)加上電纜等化器(Equalizers)，可精簡(jiǎn)攝像機和DVR的設計。

現任Semtech亞太區業(yè)務(wù)經(jīng)理許文隆就表示：“因為我們芯片的成功來(lái)自廣播電視領(lǐng)域的肯定，因此會(huì )有許多客戶(hù)的研發(fā)單位，將我們發(fā)表于安防應用的GV7600和GV7601運用在其他相關(guān)領(lǐng)域如電視墻、醫療內視鏡及MachineVision等?！?

事實(shí)上，例如將HDMI信號延伸至100公尺以上的轉接器和Extender設備，確實(shí)都可以有不錯的發(fā)揮。這相當程度注解了SemtechCanada(Gennum)芯片的品質(zhì)能力。未來(lái)SemtechCanada也將陸續發(fā)表植基于現有安防應用芯片的附加功能新芯片，如由監控端透過(guò)同一條同軸電纜，向攝像機端傳輸控制信號、聲音等資料的解決方案。

從技術(shù)面拆解來(lái)看，SDI全名是串列數位介面，是一系列由SMPTE(TheSocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers)電影動(dòng)畫(huà)和電視工程師協(xié)會(huì )所定義的格式。這種SDI標準串列介面都用于傳輸未壓縮且無(wú)延時(shí)的數碼視頻信號，同時(shí)能嵌入Audio音訊和Data控制碼。SDI標準目前有五種，其中SMPTE-292M標準的HD-SDI，主要用于廣播級視頻的數位視訊介面，它以1.485Gbit/sec傳送720P及1080i的畫(huà)面格式。

此外，還有俗稱(chēng)為3G-SDI采用SMPTE424M標準規范的高解析晰電視定義格式，可提供2.970Gbit/s為1080P的高速影像資料傳輸介面。

在安防運用上，是采用HD-SDI與3G-SDI居多。而要實(shí)現這種傳輸架構，除了同軸纜線(xiàn)(包括接收端設備內)和BNC接頭，它主要是靠幾個(gè)元件共同組成。以TI(NS)推出各別芯片種類(lèi)表示，包括電纜等化器(Equalizers)、電纜驅動(dòng)器(CableDrivers)、時(shí)脈重整器(Reclocker)、串列器(Serializers)、解串列器(Deserializers)、影像時(shí)序控制器(VideoTiming)和其他特殊控制功能的IC等。這就表示在HD安防的SDI芯片陣營(yíng)中，就粗分為整合型如Semtech(Gennum)和TI(NS)的離散式等兩種典型。其余推出分離型元件，還有EqcoLogic和Mindspeed等公司。

SDI芯片整合程度影響設計

至于SDI芯片的另一種區分法，尤其在安防中會(huì )比較明顯的，就是單路和多路的差別，主要是指高速解串列器(Deserializers)方面，是否有4路整合的情況。目前所知能夠有4路的方案，大多由FPGA擔綱，如Lattice、Altera和Xilinx;即使有如韓國SiliconGear公司開(kāi)出整合HD等級MUX與4路解串列器單顆芯片，其實(shí)里面仍為FPGA本質(zhì)。至于何時(shí)真正能有ASIC是4路合1，或許等市場(chǎng)更穩定成熟，就會(huì )有些安防老牌芯片廠(chǎng)推出產(chǎn)品。特別說(shuō)明，等化器(Equalizers)則不適宜作多路整合，這牽涉過(guò)于密集的電路布線(xiàn)與干擾等問(wèn)題。

此外，SDI包括CableDriver和Equalizer等元件，都含有混合信號技術(shù)，在并入德州儀器(TI)以前，NS就是知名的類(lèi)比芯片供應廠(chǎng)。而眾所周知，原本TI在數位方案，包括DSP/SoC等許多方面，對于安防IP攝像機和DVR/NVR設備主控芯片端，就已具備強大的支持力道，在安防業(yè)界起指標性作用。合并NS除了讓TI的整體類(lèi)比芯片實(shí)力壯大，事實(shí)上對HD安防的設計方案更別具意義。

于今年四月CompoSec(第四屆全球安防電子技術(shù)論壇)，德州儀器負責SDI產(chǎn)品的講員，資深應用工程師曾祥華，就已經(jīng)發(fā)表前后端類(lèi)比和數位芯片的整合設計，TI已能針對無(wú)壓縮HD攝像機和HD-DVR提出更整體的解決方案，讓新架構導入更為順暢。

TI(原NS)各類(lèi)SDI元件配合精簡(jiǎn)FPGA，與Semtech(原Gennum)的SDI芯片在延長(cháng)傳輸距離，簡(jiǎn)化系統設計方面，于安防應用面正延續2007年以來(lái)的競爭。

光是細究SDI技術(shù)領(lǐng)域，各種透過(guò)IC半導體來(lái)實(shí)現HD傳輸的方式，顯然已呈現多元的樣貌;當然也有很多人討論到這樣的高畫(huà)質(zhì)信號，或許可采用HDMI或是DVI的通道，如單以HD-SDI來(lái)定義這種不壓縮的高畫(huà)質(zhì)方案不恰當?；谛盘柛袷絺鬏敿胺奖闶┕づc替代性，以BNC這樣的SDI連接器，對監控應用最有利，相對也就被大量采用，并成為HDcctv聯(lián)盟極力推動(dòng)的一種標準格式。

HDcctv與長(cháng)距離的考驗

目前，“HDcctv傳輸距離較短”是許多安防工程商常提出的問(wèn)題之一，就算用同軸電纜也只能逼近150公尺，這使得系統設備商仍須提供延長(cháng)和中繼設備(Repeater)，其中都必須要內建Tx和Rx，也就是SDI芯片，如果再加上電力供應和控制信號，就容易墊高成本。

許文隆表示：“因應安防行業(yè)的需求，特別有針對Rx改版為GV7601A，較先前的版本可多提供增加60公尺傳送距離，總共可達200公尺遠?！?

針對SDI傳輸配套方案，有些工程端已靈活運用光纖來(lái)轉接，延長(cháng)傳輸距離。這樣的考慮方向，直接形成光纖材料和模組在安防的新機會(huì )點(diǎn)，從今年的CompoSec安防電子展上，也能觀(guān)察風(fēng)象。目前有些系統制造商已經(jīng)開(kāi)始重視這個(gè)問(wèn)題，除了積極開(kāi)發(fā)新的3G-SDI產(chǎn)品，以傳輸速率來(lái)增加SDI的傳輸距離外，同時(shí)也會(huì )選擇FPGA設計架構去設計HD-SDI的Tx芯片。

例如可采用Dirac影像壓縮技術(shù)，以達到無(wú)壓損失(losslesscompression)的無(wú)中繼傳輸，最遠距離能達到300公尺的效能。

同樣能將不壓縮原始影像信號傳遞達150公尺(或說(shuō)同在150公尺限制內)，還包括最近以色列的IC設計公司ValensSemiconductor所推動(dòng)的HDbaseT方案。

比較特別之處，是不透過(guò)HDMI傳輸，不像SDI一樣走同軸電纜，也不是透過(guò)LVDS介面電路，而是經(jīng)由一般最常見(jiàn)的cat5e/cat6a網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)(LANCable)進(jìn)行傳輸，也就是我們很熟悉的RJ45網(wǎng)絡(luò )接頭。目前首波推出一對Tx和Rx芯片，并聲明是針對安防應用開(kāi)發(fā)，可傳遞無(wú)壓縮和高音質(zhì)1080P@60fps影像，150公尺最大延遲僅10微秒。

芯片兼容性設計

IP高清在傳輸過(guò)程中需要進(jìn)行壓縮編碼及解壓等工作，數據在傳輸過(guò)程中，會(huì )出現丟包，網(wǎng)絡(luò )擁堵等問(wèn)題，從而導致視頻畫(huà)面延遲，而且IP高清存在不穩定、易死機等安全隱患，以及各個(gè)品牌產(chǎn)品兼容集成復雜等問(wèn)題，導致市場(chǎng)越來(lái)越青睞于穩定性、實(shí)時(shí)性效果好的HD-SDI高清產(chǎn)品。

恒業(yè)智能安防(深圳)有限公司營(yíng)銷(xiāo)中心的靳雨蓓經(jīng)理表示，目前，SDI芯片雖然都可以向下兼容(1080P、1080i、720P)，但從設計上除了要考慮視頻數據量大以外，還要評估CPU性能，以及在并行數據處理能力方面。同時(shí)信號輸出接口：包括串行器(Seralizer)、電纜驅動(dòng)器CD(CableDriver)等電路等也是需要考慮的方面。其中，串行器也稱(chēng)之為發(fā)送器(Transmitter)，主要實(shí)現將CPU輸出的10BIT/20BIT視頻數據按SMPTE規定的編碼標準調制成標準SDI信號發(fā)送出去。

同時(shí)，HD-SDI攝像機的數字編碼影像信號格式與不同廠(chǎng)牌HDDVR仍然存在兼容性的問(wèn)題，以及HD-SDI攝像機在采用不同HDMI纜線(xiàn)材質(zhì)時(shí)傳輸會(huì )出現不同程度的干擾。

其實(shí)對于設計人員來(lái)說(shuō)，他們更關(guān)心的還是芯片兼容性問(wèn)題。部分半導體廠(chǎng)家如NS、GENNUM等不同廠(chǎng)家的三個(gè)不同速率的均衡器(EQ)管腳封裝都是一樣的，各芯片都是向下兼容的，如支持3G速率、HD-SDI等，只需更換相應的均衡器EQ型號，硬件設計與PCB都不需要做改動(dòng)即可大大降低研發(fā)成本。同時(shí)也針對不同的客戶(hù)需求，實(shí)現產(chǎn)品種類(lèi)的多樣化。

再者，低成本FPGA也可滿(mǎn)足要求，前端接收器(Receiver)集成電纜均衡器EQ、SERDES等電路，導致FPGA前端器件成本增加。接收器主要作用是實(shí)現將SDI信號轉換成10BIT/20BIT并行數據輸出。接收端具體采用哪種方案，需要綜合考慮：

1、需要有一定的FPGA開(kāi)發(fā)經(jīng)驗積累，周期難以預料，但易維護，產(chǎn)品功能容易實(shí)現多樣化。

2、關(guān)于SDI轉換與處理基本都是通過(guò)硬件芯片實(shí)現，開(kāi)發(fā)周期短，可以快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

HDbaseT將網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)當影音信號線(xiàn)

用網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)來(lái)跑高畫(huà)質(zhì)影音信號當然是新鮮的，就像是我們的DVD或BD藍光機，甚至手持裝置的周邊接到電視螢幕，都用網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)來(lái)當信號線(xiàn)的情況。網(wǎng)通相關(guān)技術(shù)勢力的滲透力自是不容小，但是發(fā)揮在這個(gè)面向上確實(shí)少見(jiàn)。

HDbaseT聯(lián)盟早在2010年便已挾著(zhù)電力、控制信號、網(wǎng)絡(luò )資訊流、音訊、高畫(huà)質(zhì)的五合一功能，向HDMI介面下戰帖，所以也可以方便將其看為走網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)的HDMI。除了ValensSemiconductor，包括LG、Samsung和Sony都是核心成員，不難感受其企圖心。

有了SDI方案的前車(chē)之鑒，如今HDbaseT對于將方案推廣到安防市場(chǎng)更具信心。Valens的亞太區總監林浩原表示：“我們最大的競爭對手就是自己!當其他方案為了HD影像的傳遞效能，已全力而為之，而VS020剛剛起步，在規格面卻已產(chǎn)生先天的優(yōu)勢?！?

回歸安防設計的本質(zhì)

除了要選擇方案，有幾種關(guān)于安防的備選技術(shù)，可優(yōu)先排除，避免徒增研發(fā)和應用障礙。

首先是攝像機和儲存設備間，關(guān)于TCP/IP的繁瑣設定。高畫(huà)質(zhì)一定透過(guò)網(wǎng)絡(luò )設備來(lái)實(shí)現嗎?前端就進(jìn)行影像壓縮工作的影響為何?影像分析于何處用哪一種資料格式進(jìn)行?

上述的HD傳輸芯片供應端，已用無(wú)壓縮影像的高速連結方案提出示范。然而，如果我們關(guān)心安防工程端，勢必能察覺(jué)上述理想化方案，SDI傳輸格式列表名稱(chēng)標準位元率影像格式有一道新門(mén)檻：即時(shí)無(wú)壓縮(RAWData)傳輸!要完全落實(shí)這項訴求，絕不是只更換優(yōu)質(zhì)線(xiàn)材的成本就可輕易實(shí)現。HD影像確實(shí)是安全監控的產(chǎn)品趨勢，而且不可逆轉;然而什么是HD影像呢?“不壓縮”必定不是在定義內，否則我們看過(guò)的DVD、藍光片，網(wǎng)絡(luò )影片，甚至HD層次的網(wǎng)絡(luò )攝像機都沒(méi)資格說(shuō)自己是高畫(huà)質(zhì)，因為這些訊源，都是經(jīng)過(guò)壓縮處理。

ccHDtv用數位電視技術(shù)傳安防影像

松翰科技產(chǎn)品經(jīng)理涂宗憲就對此表示，他相信一定有個(gè)新的設計動(dòng)能，來(lái)自于HD的影像需求，并且兼顧傳輸和管理方便性，在布線(xiàn)上不用費力更改，就像目前類(lèi)比攝像機和DVR之間讓業(yè)界累積的直覺(jué)和信賴(lài)感;不用耗費額外中繼傳輸的成本，適度的壓縮處理也能夠容許，并且對于IP網(wǎng)通的架構整合也帶有方便性。

也許，我們可以期待這樣的安防攝影解決方案，會(huì )是新一波投入安防的IC設計產(chǎn)品發(fā)表重點(diǎn)。

說(shuō)到臺廠(chǎng)的IC，切入HD安防提供Tx和Rx最亮眼的代表，從2012年看過(guò)來(lái)，應該就是ITE聯(lián)陽(yáng)半導體，以及他們推動(dòng)的ccHDtv架構。

他們不但完全實(shí)現上述HD和非IP架構的描述，而且藉用他們在數位電視領(lǐng)域累積的經(jīng)驗，所提出技術(shù)本質(zhì)為DVB-T的方案，即可實(shí)現用同軸電纜“串接”和“并接”等方式拉回儲存端管理，確實(shí)節省了布線(xiàn)成本耗損。透過(guò)“多對一”和“一對多”靈活的分流管理，為HD安防領(lǐng)域注入鮮活的研發(fā)方向。

也許有人發(fā)現，這樣的架構在安防或許是新鮮的，然而在第四臺業(yè)者、數位電視(尤其是歐洲地區)早已行之多年。而車(chē)內收看的電視頻道，就是透過(guò)DVB-T無(wú)線(xiàn)傳輸。

這意味HD無(wú)線(xiàn)化的可能性，也是HDcctv的架構優(yōu)勢。

聯(lián)陽(yáng)半導體的資深行銷(xiāo)經(jīng)理賴(lài)勝中說(shuō)：“無(wú)線(xiàn)化或許在臺灣有頻道管理上的考量，但若是在閉路系統中，完全就沒(méi)有這層法規和安全性顧慮?！边@說(shuō)法蠻務(wù)實(shí)貼近安防的系統工程實(shí)況。他補充：“建置在攝像機尾端的Tx芯片，是參考各方看法和需求性，為安防開(kāi)發(fā)的全新IC，盼望使臺灣產(chǎn)業(yè)擁有堅實(shí)而創(chuàng )新的方案?！?

當我們本次聚焦HDcctv的HD-SDI各種芯片架構，包括FPGA、分離型、整合型芯片;參考了走上網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)的HDbaseT，并且有多工能整合優(yōu)勢;再回看臺灣推動(dòng)的ccHDtv架構，藉DVB-T的成熟技術(shù)運用于安防;很顯然，安防對HD影像的需求是不言可喻，并且一直將非IP化列為其中一種必要的設計考量。

不論我們是走在哪一種設計路線(xiàn)，盼望都伴隨一條能開(kāi)創(chuàng )應用形態(tài)，同時(shí)也有源源不絕技術(shù)支撐的活水泉。