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。

　　CCD攝像機與VoIP應用

　　超高速、超高靈敏度廣播攝像機能夠捕獲清晰、平滑、可慢動(dòng)作回放的視頻(即使在低光照的環(huán)境下)，對錄制夜間職業(yè)棒球比賽之類(lèi)的活動(dòng)極其有用。這種攝像機能把快速移動(dòng)的現象(如球棒擊球瞬間的系列動(dòng)作)拍攝下來(lái)，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(guān)眾的體驗。

　　如圖1所示的電荷耦合器件(CCD)攝像機使用FPGA實(shí)現信號綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅動(dòng)器。CCD驅動(dòng)器反過(guò)來(lái)驅使CCD、機械快門(mén)控制并觸發(fā)控制。模數轉換器將輸入視頻信號轉換成數字格式，然后將其存儲到片外存儲器。當整幀數據的傳輸完成后，FPGA將存儲器中的數據綜合，并使用HD-SDI標準將其發(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還可控制存儲器和ADC(模數轉換器)。

　　圖1：電荷耦合器件(CCD)攝像機使用FPGA實(shí)現信號綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅動(dòng)器。CCD驅動(dòng)器反過(guò)來(lái)驅使CCD、機械快門(mén)控制并觸發(fā)控制。

　　一些視頻制作中心開(kāi)始使用以太網(wǎng)(Ethernet)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸水晶般剔透清晰的HD流。圖像經(jīng)過(guò)預處理和后處理，從而低延遲、實(shí)時(shí)地提高畫(huà)面質(zhì)量，然后使用各種編碼和解碼標準傳輸到網(wǎng)絡(luò )中。由于流量很大且速率也非?？?，所以數據必須經(jīng)過(guò)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據速率達1.5Gbps。再添上多通道，所需速率就更高了。

　　針對應用優(yōu)化的FPGA具有嵌入式DSP模塊、片上和片外存儲器、豐富的邏輯應用，可構筑橋接功能，加上以太網(wǎng)和HD-SDI連接功能，對于創(chuàng )建上述系統來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是理想的解決方案。FPGA讀取HD-SDI連接上顯示的數據，然后對其進(jìn)處理。編解碼器(如H.264)可用于壓縮數據。數據然后轉換為以太網(wǎng)包，并包含在接收端進(jìn)行解碼所需的適當頭(header)信息，最后使用MAC發(fā)送到以太網(wǎng)鏈路。

　　HDTV畫(huà)面質(zhì)量監視器

　　以前，消費者只能通過(guò)DVD訪(fǎng)問(wèn)高質(zhì)量的視頻和多通道音頻內容。隨著(zhù)HD廣播變得司空見(jiàn)慣，人們自然會(huì )將其與DVD相比。結果，電視觀(guān)眾對畫(huà)面質(zhì)量更加在意，尤其是HD。畫(huà)面質(zhì)量可能成為區分服務(wù)提供商高下的主要指標?，F在人們急需的是能針對畫(huà)面質(zhì)量進(jìn)行主觀(guān)和客觀(guān)測試，并可以測量可見(jiàn)誤差的畫(huà)面質(zhì)量監視器。

　　圖2所示為在Xilinx Virtex-5 FPGA中實(shí)現的一個(gè)畫(huà)面質(zhì)量監視器?？陀^(guān)測試使用了SMPTE RP 198中規定的常用的測試模式格式，而主觀(guān)測試將廣播饋送(broadcast feed)與本地測試視頻源進(jìn)行對比。FPGA從不同的源收集數據，進(jìn)行預處理，然后將其發(fā)送到外部處理器進(jìn)行分析。

　　圖2：該圖為在Xilinx Virtex-5 FPGA中實(shí)現的一個(gè)畫(huà)面質(zhì)量監視器。FPGA從不同的源收集數據，進(jìn)行預處理，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容。AVC首次亮相是用于標準清晰度視頻，但是對于HD服務(wù)商們，其吸引力更為巨大。AVC對運動(dòng)補償預測處理進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)，從而使其領(lǐng)先MPEG-2一大截。AVC將運動(dòng)預測精度增加了一倍，使用的模塊尺寸更小(因其能更準確地跟蹤對象)，并且擁有更多的參考幀供搜索良好的運動(dòng)預測匹配之用。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)量標準進(jìn)行傳輸。

　　FPGA執行計算密集的運動(dòng)估計任務(wù)的情況。運動(dòng)估計通過(guò)使用計算絕對差而得出的重復總和而完成。數據對比是高度重復的，并且許多計算都重復使用?；贑PU的實(shí)現常常為從緩存向算術(shù)邏輯單元饋送數據而苦苦掙扎，而FPGA設計可以定制，從而在自定義寄存器流水線(xiàn)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用，能提供類(lèi)似于A(yíng)SIC級的性能。FPGA囊括了廣播設備設計人員想要的所有功能：嵌入式低功耗3.2Gbps收發(fā)器;支持多種標準(如SDI、HD-SDI、雙連接HD-SDI、3G-SDI、DVB-ASI、AES數字音頻)、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(guò)使用Xilinx芯片產(chǎn)品和廣播設備進(jìn)行視頻連接應用設計，制造商可減少成本，在競爭中脫穎而出，同時(shí)降低更改標準所帶來(lái)的固有風(fēng)險。