采用FPGA實現廣播視頻基礎系統(tǒng)的設計要點

HDTV視頻內容創(chuàng)作的繁榮以及在帶寬受限的廣播信道環(huán)境中傳送這些視頻內容的方法，不斷催生新的視頻壓縮標準和相關視頻圖像處理設備。以前只有有線電視和衛(wèi)星電視運營商提供視頻傳送業(yè)務，現在電信公司也對這一領域產生了興趣，他們采用最新的視頻編碼/解碼器(CODEC)和視頻處理技術，并通過IPTV將數字視頻發(fā)送給用戶。

整個數字廣播基礎架構開始于電視工作室或攝影制作室的視頻內容創(chuàng)作。創(chuàng)作過程接口使用串行數據接口(SDI)將原始視頻發(fā)送到存儲設備或某些類型的非線性編輯器(NLE)，用于視頻編輯和性能增強。編輯好的視頻在編碼時再用MPEG-2、JPEG2000或H.264進行壓縮，然后通過電纜、衛(wèi)星、地面廣播或最新的IPTV技術網絡發(fā)送給用戶。圖1給出了一個廣播系統(tǒng)基礎架構的組成框圖。

視頻和圖像處理趨勢

許多令人興奮的新技術，如HDTV和數字影院都與視頻和圖像處理技術有關，并且這些技術還在飛速發(fā)展。圖像捕獲和顯示器分辨率的躍升、高級壓縮技術和視頻智能都是這些技術發(fā)展的源動力。

先進的壓縮技術正在全面替代以前的技術，它們有更好的流處理能力，在給定質量下有更高的壓縮率，并且延遲更短。JPEG2000在存儲和數字影院中也獲得了很好的發(fā)展，在這些新的壓縮解決方案得到實際應用之際，標準委員會還在不斷增強H.264和JPEG2000的性能。

在過去十年中，數字電視廣播中的標準清晰度電視(SDTV)一直采用的是MPEG-2標準。H.264-AVC(MPEG-4-Part10)和微軟版的VC1將最終替代MPEG-2而成為SDTV和HDTV的最佳視頻編碼方法。為了滿足目前和未來需要，廣播設備制造商必須支持各種編碼標準。除了各種核心視頻CODEC標準外，還有一些不同類型的視頻預處理和后處理算法可以用來增強整體圖像質量。

隨著分辨率和壓縮率的不斷提高，業(yè)界要求高性能同時保持架構的靈活性以實現快速升級。此外，隨著技術的成熟和用量的上升，要求不斷降低成本。由于可編程邏輯器件(PLD)可以為這些需求提供解決方案，因此可以在新興的數字視頻廣播基礎系統(tǒng)設備中發(fā)揮重要的作用。

圖1：廣播基礎系統(tǒng)架構示意圖

視頻內容的產生

視頻廣播鏈的第一環(huán)是用專業(yè)數字視頻攝像機捕捉音視頻內容。視頻可以是標清或高清。這種數字攝像機一般都有一個攝影與電視工程師協(xié)會(SMPTE)定義的SDI輸出。SDI是一種未經壓縮的視頻流，速度可以是270Mbps(標清)、1.485Gbps(高清)或2.97Gbps(1,080p高清)。Altera公司的Stratix II GX FPGA自帶串行/解串器(SERDES)和時鐘/數據恢復(CDR)電路，可以用來處理攝像機SDI輸出口上的視頻流。

視頻預處理/后處理

PAL標準中每個信道帶寬為8MHz。這種帶寬的限制規(guī)定遠早于數字電視的出現時間，這種模擬帶寬限制也影響到目前數字電視的廣播標準。數字視頻質量要比傳統(tǒng)的模擬視頻好得多，數字分辨率越高，傳送或發(fā)送視頻數據所需的帶寬也越大。發(fā)送高質量視頻需要對視頻源進行預處理。