使用Xilinx FPGA適應(yīng)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(gòu)建的基礎(chǔ)架構(gòu)的情況下，將模擬音頻和視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻和視頻，這樣就逐漸形成了傳輸非壓縮標(biāo)清視頻的串行數(shù)字接口(SDI)協(xié)議。如今，出于重新利用同軸電纜的同樣目的，日益增長的屏幕分辨率和相關(guān)數(shù)據(jù)速率衍生出了若干新的串行數(shù)據(jù)通信格式。

　　首先出現(xiàn)的是SDI標(biāo)準(zhǔn)，通常稱為SMPTE 259M標(biāo)準(zhǔn)，這是由電影與電視工程師協(xié)會(SMPTE)制定的，于1989年開始商業(yè)應(yīng)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(shù)據(jù)速率是270Mbps，足夠滿足標(biāo)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。這一器件的顯著的特點是包含多個千兆位級收發(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，電視臺的演播室開始采用新的高清晰度電視(HDTV)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足更高屏幕分辨率和更快數(shù)據(jù)速率的要求。SMPTE又制定了通常稱為SMPTE 292M的標(biāo)準(zhǔn)，支持非壓縮的HDTV視頻內(nèi)容的串行傳輸，其名義速率為1.5Gbps，其通常被稱作HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)。

　　Xilinx高級資深應(yīng)用工程師John Snow意識到，這兩種數(shù)據(jù)速率用單個Virtex-II Pro MGT即可支持，由此而發(fā)現(xiàn)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(shè)計。

　　Snow為使用FPGA的這兩種接口標(biāo)準(zhǔn)制定了第一批應(yīng)用指南。這些應(yīng)用指南包括用Verilog和VHDL源代碼編寫的免費參考設(shè)計。使用該代碼和技術(shù)文檔，廣播系統(tǒng)工程師可毫不費力地在Virtex-II Pro FPGA中實現(xiàn)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ASSP芯片集中在一起的Virtex-II ProFPGA，開始出現(xiàn)在全球的廣播設(shè)備中。

　　消費者越來越認(rèn)同HDTV。這一令人驚嘆的技術(shù)使電視觀眾更接近真實世界，因此HD內(nèi)容總量會越來越多。如今，高清接收器實現(xiàn)了規(guī)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(shè)計對廣播電臺演播室的數(shù)字音頻和視頻內(nèi)容的分發(fā)來說日益重要。

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

　　雙連接HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù))或者更快的更新率(1080行，幀頻60Hz逐行掃描，而不是幀頻30Hz)。構(gòu)成雙連接HD-SDI接口的兩條同軸電纜，如使用3G-SDI標(biāo)準(zhǔn)，僅用一條同軸電纜就可代替。

　　需要更高數(shù)據(jù)速率的一個應(yīng)用示例是電影業(yè)向數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。與通常HDTV格式使用的每個視頻象素20位數(shù)據(jù)相比，數(shù)字電影標(biāo)準(zhǔn)使用每個視頻象素36位數(shù)據(jù)。每視頻象素位的增加，再加上更高的屏幕分辨率，導(dǎo)致了市場對以3Gbps運行的數(shù)字接口的需求。

　　即使是在SMPTE制定的單個標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)PGA也有諸多機會適應(yīng)未來的發(fā)展變化。3G-SDI確切地說是通過兩個標(biāo)準(zhǔn)來定義的：SMPTE 424M標(biāo)準(zhǔn)和SMPTE 425M標(biāo)準(zhǔn)。SMPTE 424M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了串行接口本身的物理和電特性。而SMPTE 425M規(guī)定了如何將各種視頻格式映射到接口中。雖然SMPTE 425M標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)表是近在2006年的事，SMPTE已著手開始修改此標(biāo)準(zhǔn)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(shè)想運行速度更快的接口。使用Xilinx FPGA設(shè)計這些接口消除了由于標(biāo)準(zhǔn)的快速演化，新設(shè)計的視頻設(shè)備未及面世就會過時的風(fēng)險。

　　讓我們看一下使用HD-SDI視頻連接的幾個新興應(yīng)用。

　　CCD攝像機與VoIP應(yīng)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(huán)境下)，對錄制夜間職業(yè)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(xiàn)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(xiàn)信號綜合處理和顏色處理，并連接到CCD驅(qū)動器。CCD驅(qū)動器反過來驅(qū)使CCD、機械快門控制并觸發(fā)控制。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，然后將其存儲到片外存儲器。當(dāng)整幀數(shù)據(jù)的傳輸完成后，F(xiàn)PGA將存儲器中的數(shù)據(jù)綜合，并使用HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。從觸發(fā)到HD-SDI輸出所需的處理時間為1秒或更少。FPGA還可控制存儲器和ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。