使用Xilinx FPGA適應不斷變化的廣播視頻潮流
摘要： 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Virtex-II Pro MGT即可支持，由此而發現了將多個ASSP芯片集成到單個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視頻流的視頻切換器和主控制器的設計。
Abstract：
Key words :
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，通常稱為SMPTE 259M標準，這是由電影與電視工程師協會(SMPTE)制定的，于1989年開始商業應用。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，足夠滿足標清電視(SDTV)的分辨率。
在2002年，Xilinx對業界宣布即將推出Virtex-II Pro FPGA。這一器件的顯著的特點是包含多個千兆位級收發器(MGT)，這些收發器能夠以高達3.125Gbps的比特率運行。與此同時，電視臺的演播室開始采用新的高清晰度電視(HDTV)標準，此標準能夠滿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Virtex-II Pro MGT即可支持，由此而發現了將多個ASSP芯片集成到單個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源代碼編寫的免費參考設計。使用該代碼和技術文檔，廣播系統工程師可毫不費力地在Virtex-II Pro FPGA中實現功能齊全的SDI和HD-SDI接收器和發射器，以及其他相關的功能，如視頻測試模式生成器。第二年，將多個ASSP芯片集中在一起的Virtex-II ProFPGA，開始出現在全球的廣播設備中。
消費者越來越認同HDTV。這一令人驚嘆的技術使電視觀眾更接近真實世界，因此HD內容總量會越來越多。如今，高清接收器實現了規模市場價格，消費者對HDTV的興趣越來越大。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來說日益重要。
如今，SMPTE組織并未停下腳步。他們不斷發布新標準，以滿足對更高帶寬的視頻格式要求。兩個最新發布的標準為雙連接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應用示例是電影業向數字數據的轉移。與通常HDTV格式使用的每個視頻象素20位數據相比，數字電影標準使用每個視頻象素36位數據。每視頻象素位的增加，再加上更高的屏幕分辨率，導致了市場對以3Gbps運行的數字接口的需求。
即使是在SMPTE制定的單個標準中，FPGA也有諸多機會適應未來的發展變化。3G-SDI確切地說是通過兩個標準來定義的：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標準的發表是近在2006年的事，SMPTE已著手開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過時的風險。
讓我們看一下使用HD-SDI視頻連接的幾個新興應用。
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、可慢動作回放的視頻(即使在低光照的環境下)，對錄制夜間職業棒球比賽之類的活動極其有用。這種攝像機能把快速移動的現象(如球棒擊球瞬間的系列動作)拍攝下來，而普通肉眼則難以企及。以慢動作播放這些事件能大大改善電視觀眾的體驗。
如圖1所示的電荷耦合器件(CCD)攝像機使用FPGA實現信號綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅動器。CCD驅動器反過來驅使CCD、機械快門控制并觸發控制。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標準將其發送到網絡中。從觸發到HD-SDI輸出所需的處理時間為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實現信號綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅動器。
CCD驅動器反過來驅使CCD、機械快門控制并觸發控制。
一些視頻制作中心開始使用以太網(Ethernet)通過網絡傳輸水晶般剔透清晰的HD流。圖像經過預處理和后處理，從而低延遲、實時地提高畫面質量，然后使用各種編碼和解碼標準傳輸到網絡中。由于流量很大且速率也非常快，所以數據必須經過壓縮。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，加上以太網和HD-SDI連接功能，對于創建上述系統來說，無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包，并包含在接收端進行解碼所需的適當頭(header)信息，最后使用MAC發送到以太網鏈路。
HDTV畫面質量監視器
以前，消費者只能通過DVD訪問高質量的視頻和多通道音頻內容。隨著HD廣播變得司空見慣，人們自然會將其與DVD相比。結果，電視觀眾對畫面質量更加在意，尤其是HD。畫面質量可能成為區分服務提供商高下的主要指標。現在人們急需的是能針對畫面質量進行主觀和客觀測試，并可以測量可見誤差的畫面質量監視器。
圖2所示為在Xilinx Virtex-5 FPGA中實現的一個畫面質量監視器。客觀測試使用了SMPTE RP 198中規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行對比。FPGA從不同的源收集數據，進行預處理，然后將其發送到外部處理器進行分析。
該圖為在Xilinx Virtex-5 FPGA中實現的一個畫面質量監視器。FPGA從不同的源收集數據，進行預處理，然后將其發送到外部處理器進行分析。
實時HD AVC
高級視頻編碼(AVC)是一種視頻壓縮技術，此技術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服務商們，其吸引力更為巨大。AVC對運動補償預測處理進行了大幅度的改進，從而使其領先MPEG-2一大截。AVC將運動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預測匹配之用。這樣，實時高清晰度AVC視頻編碼器只需MPEG-2一半的帶寬就能以廣播圖像質量標準進行傳輸。
FPGA執行計算密集的運動估計任務的情況。運動估計通過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。基于CPU的實現常常為從緩存向算術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，能提供類似于ASIC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)、以太網和PCI Express接口、高速DSP模塊、嵌入式處理器、以太網MAC、PCI Express核、多個視頻IP核。
通過使用Xilinx芯片產品和廣播設備進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，同時降低更改標準所帶來的固有風險。
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