淺談HD-SDI傳輸中芯片技術(shù)的應用

　　摘要：目前HD-SDI在發(fā)送端主要應用于攝像機等前端采集設備，攝像機的CCD或CMOS圖像傳感器采集信號后，未經(jīng)壓縮的高清視頻信號傳輸方式有模擬和數字兩種。模擬傳輸一般采用YPbPr分量傳輸，一路高清視頻信號需要三根同軸線(xiàn)纜同時(shí)傳輸...

　　HD-SDI的傳輸發(fā)送端

　　目前HD-SDI在發(fā)送端主要應用于攝像機等前端采集設備(實(shí)現流程見(jiàn)圖1)，攝像機的CCD或CMOS圖像傳感器采集信號后，未經(jīng)壓縮的高清視頻信號傳輸方式有模擬和數字兩種。模擬傳輸一般采用YPbPr分量傳輸，一路高清視頻信號需要三根同軸線(xiàn)纜同時(shí)傳輸。數字傳輸一般采用DVI、HDMI 或者HD-SDI傳輸，其中DVI或HDMI的傳輸距離只有幾米，中間加中繼放大器，最遠也只有幾十米左右，不適合用于監控圖像的遠程傳輸，通常被應用在演播控制室內設備間的連接和信號傳輸。而HD-SDI信號可以傳輸百米左右，并可采用CVBS同軸電纜傳輸，接口為常用的BNC，所以通常被應用在現場(chǎng)采集設備與百米內的控制設備間的信號傳輸連接。從2010年北京安防展可以看到，國內已有不少安防廠(chǎng)家推出了自己的SDI接口高清攝像機，可以實(shí)現 1080P25高清顯示。

　　CCD/CMOS圖像傳感器：攝像機CCD/CMOS圖像傳感器，相當于人的眼睛，主要完成光學(xué)圖像轉換為電學(xué)信號，并輸出電子圖像信號。 CCD與CMOS各有利弊，目前，攝像機市場(chǎng)上二者共存。在傳統觀(guān)念中，CCD代表著(zhù)高解析度、低噪點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而CMOS由于噪點(diǎn)問(wèn)題，較多應用于對畫(huà)質(zhì)要求不高的電子產(chǎn)品。從工作原理來(lái)看，CCD在工作時(shí)，多達上百萬(wàn)個(gè)像素感光后，會(huì )生成上百萬(wàn)個(gè)電荷，這些電荷會(huì )全部經(jīng)過(guò)一個(gè)所謂的“放大器”進(jìn)行電壓轉變，形成電子信號。因此，這個(gè)“放大器”就成為了一個(gè)制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，當數據量大的時(shí)候就會(huì )發(fā)生信號“擁堵”，而 HDV格式卻恰恰需要在短時(shí)間內處理大量數據，因此，在實(shí)際應用場(chǎng)合，使用CCD遠遠不能滿(mǎn)足高速讀取高清數據的需要。而CMOS則不同，它每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)單獨的放大器轉換輸出，因此CMOS沒(méi)有CCD的“瓶頸”問(wèn)題，能夠在短時(shí)間內處理大量數據，輸出高清影像，也能都滿(mǎn)足高清HDV的需求。因此，對于HD-SDI攝像機，CMOS圖像傳感器相對來(lái)說(shuō)更適合。

　　目前，市場(chǎng)上主流SDI攝像機廠(chǎng)家都提供CCD、CMOS攝像機。CMOS對抗CCD的優(yōu)勢在于成本低、耗電少，可以與視頻處理電路同處于一個(gè)芯片上。從目前的市場(chǎng)情形來(lái)看，在專(zhuān)業(yè)和家用攝影、攝像器材領(lǐng)域中，CMOS圖像傳感器將可能完全替代CCD圖像傳感器。

　　AFE模擬前端，用于CCD成像時(shí)，將CCD圖像信號數字化，并產(chǎn)生CCD控制時(shí)序。而對于CMOS型成像器件，可直接輸出數字信號，故不需要AFE模擬前端。

　　CPU作為整個(gè)高清攝像機核心器件,相當于人的心臟，HD-SDI高清攝像機不經(jīng)編碼壓縮，以原始數字信號，經(jīng)HDMI或HD-SDI口輸出?？傮w來(lái)說(shuō)，CPU不僅具有圖像處理和編碼功能，還要完成高清攝像機系統控制及計算，充當整個(gè)系統的中央處理器。

　　對于DSP/ASIC/ASSP，由于其專(zhuān)用性，存在功能有限和不靈活等缺點(diǎn)，在產(chǎn)品定型后，不允許根據市場(chǎng)的要求增減新功能，不改變原有硬件基礎，此時(shí)，需要對原有硬件電路進(jìn)行刪減，無(wú)形之中增加了研發(fā)成本。而FPGA具有功能廣泛且高度靈活性等特點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，如果該產(chǎn)品預計有大的出貨量、硬件設計方面基本不用做大的修改，設計者更青睞于DSP/ASIC/ASSP方案;而對于那些預期有較小的出貨量、硬件設計可能會(huì )隨市場(chǎng)變化經(jīng)常需要更新的產(chǎn)品，設計者更青睞于FPGA方案。FPGA主要完成“前端”數據預處理，降低噪聲和消除像素缺陷等。

　　目前，“高清視頻、高清音頻”在安防行業(yè)的呼聲很高，針對前端攝像機，越來(lái)越多的廠(chǎng)家傾向于采用具備高像素密度和高動(dòng)態(tài)范圍的產(chǎn)品，這就意味著(zhù)數據量會(huì )越來(lái)越大，需要CPU的處理能力更強，尤其是針對并行數據處理，采用DSP/ASIC/ASSP的視頻攝像機則顯得“心有余，而力不足”。而 FPGA產(chǎn)品固有的并行性和可編程性，恰好能夠為廠(chǎng)商提供各種性能，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要。

　　針對HD-SDI攝像機，在設計時(shí)，除了要考慮視頻數據量大以外，還要評估CPU性能，在并行數據處理能力方面，FPGA優(yōu)勢突出。隨著(zhù)攝像機行業(yè)大量采用FPGA以及制造技術(shù)的進(jìn)步，FPGA已由“舊時(shí)王謝堂前燕”高價(jià)格，到現在與ASIC旗鼓相當“飛入尋常百姓家”的低價(jià)格。目前，在所有的低成本FPGA系列中，Cylone III器件具有最大的存儲邏輯比和DSP邏輯比，最適合HD-SDI攝像機等視頻處理應用。

　　信號輸出接口：包括串行器(Seralizer)、電纜驅動(dòng)器CD(Cable Driver)等電路，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。為了增加傳送距離，通常會(huì )帶一個(gè)線(xiàn)纜驅動(dòng)器CD(cable driver)，也可以不用。

　　HD-SDI的傳輸接收端

　　接收端主要應用在高清編碼卡、DVR等帶SDI接口的產(chǎn)品中，市場(chǎng)上兩者針對SDI接收方案的實(shí)現方式基本是一樣的。

　　自適應電纜均衡器EQ(Equalizer)數據傳輸率越高，信號完整性便越難以控制，當電纜越長(cháng)時(shí)，這些問(wèn)題就越嚴重。SDI信號傳輸距離的長(cháng)短主要依賴(lài)于接收端的EQ均衡器。例如國家半導體公司(NS)提供的LM0394均衡器芯片可以保證無(wú)論采用那種數據傳輸率，都能以最低功率將信號傳送至最遠的范圍。若采用3Gbps(3G)的傳輸速度，電纜可長(cháng)達200米，高清電視的電纜可長(cháng)達220米，標清電視(SD)的電纜則可長(cháng)達400米。

　　時(shí)鐘恢復器就是從接收到的數字信號中恢復時(shí)鐘信號。當它收到信號之后，先會(huì )消除信號中的高頻抖動(dòng)部分，然后輸出無(wú)噪聲的數據及時(shí)鐘信號，或通過(guò)串行方式將信號驅動(dòng)到同軸電纜的另一端。時(shí)鐘恢復器通常用于帶兩路以上SDI輸出的設計中，

　　FPGA方案需要包含高成本的SERDES處理模塊，成本較高。Altera Cyclone IV GX系列支持3G速率，包含4個(gè)SERDES模塊。內置SERDES收發(fā)器的高端FPGA芯片都采用較精密的CMOS技術(shù)制造，由于基底噪聲較高，因此，抖動(dòng)也比較多。

　　工程師必須加設其他元器件如優(yōu)質(zhì)的穩壓器、時(shí)鐘參考電路、隔離式電源供應與地線(xiàn)層以及過(guò)熱保護電路等來(lái)改善這個(gè)情況。但這樣會(huì )令線(xiàn)路設計變得更為復雜，設計時(shí)間及成本也會(huì )增加。針對此現象，NS、gennum等半導體公司推出了單獨的串行/解串器解決方案，可以搭配低成本的FPGA芯片，所需添加的元器件也極少。(具體如圖3方案二虛線(xiàn)所示)。

　　方案一(如圖2所示)對于設計人員來(lái)說(shuō)，更關(guān)心芯片兼容性的問(wèn)題。由于部分半導體廠(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，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)，大大降低了研發(fā)成本。針對不同客戶(hù)需求，產(chǎn)品種類(lèi)很容易實(shí)現多樣化。

　　方案二低成本FPGA可滿(mǎn)足要求，前端接收器(Receiver)集成電纜均衡器EQ、SERDES等電路，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，方案一，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。方案二，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)。

　　未來(lái)市場(chǎng)展望

　　目前，國際上如NS、GENNUM公司針對廣電行業(yè)的SDI芯片種類(lèi)繁多，但價(jià)格普遍比較高，這對于安防行業(yè)來(lái)說(shuō)并不太適合。廣電行業(yè)與安防行業(yè)不同，安防行業(yè)出貨量大，成本控制比較嚴格，要想在安防行業(yè)大力推廣SDI標準，需針對安防行業(yè)訂制相關(guān)標準及解決方案，例如，HDcctv正是因此應運而生的。

　　HDcctv是2009年由數家芯片與系統供貨商提出的針對高清監控系統(High Definition Surveillance Systems)應用共同開(kāi)發(fā)指定的一項新標準。雖然該標準提出至今不過(guò)2年時(shí)間，但是由于自身標準所具有的優(yōu)勢，加上越來(lái)越多的廠(chǎng)商加入，HDcctv 標準在現今的高清監控行業(yè)里，可以說(shuō)已經(jīng)和開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )視頻接口論壇(ONVIF)、實(shí)體安全互操作性聯(lián)盟(PSIA)形成三足鼎立之勢。

　　HDcctv標準的實(shí)質(zhì)在于， HDcctv系統采用數字化方法傳輸高清視頻，中間不需要對數據進(jìn)行打包，連續傳輸、未經(jīng)壓縮、不存在信號損失的碼流，無(wú)延時(shí)，因此，信號的實(shí)時(shí)性、完整性將得到更好的保證。目前在安防行業(yè)，HDcctv和IP高清各有其突出的特點(diǎn)，用戶(hù)可根據監控的需求來(lái)進(jìn)行選擇。雖然IP高清占據了一部分的市場(chǎng)，但 HDcctv還是有很大的發(fā)展空間，短期內是不會(huì )被淘汰的。