淺談HD-SDI傳輸中芯片技術的應用

　　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(shù)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纜同時傳輸...

　　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(實現(xiàn)流程見圖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(shù)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纜同時傳輸。數(shù)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(jiān)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(xiàn)場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家推出了自己的SDI接口高清攝像機，可以實現(xiàn) 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，主要完成光學圖像轉換為電學信號，并輸出電子圖像信號。 CCD與CMOS各有利弊，目前，攝像機市場上二者共存。在傳統(tǒng)觀念中，CCD代表著高解析度、低噪點等優(yōu)點，而CMOS由于噪點問題，較多應用于對畫質要求不高的電子產(chǎn)品。從工作原理來看，CCD在工作時，多達上百萬個像素感光后，會生成上百萬個電荷，這些電荷會全部經(jīng)過一個所謂的“放大器”進行電壓轉變，形成電子信號。因此，這個“放大器”就成為了一個制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，當數(shù)據(jù)量大的時候就會發(fā)生信號“擁堵”，而 HDV格式卻恰恰需要在短時間內處理大量數(shù)據(jù)，因此，在實際應用場合，使用CCD遠遠不能滿足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。而CMOS則不同，它每個像素點都有一個單獨的放大器轉換輸出，因此CMOS沒有CCD的“瓶頸”問題，能夠在短時間內處理大量數(shù)據(jù)，輸出高清影像，也能都滿足高清HDV的需求。因此，對于HD-SDI攝像機，CMOS圖像傳感器相對來說更適合。

　　目前，市場上主流SDI攝像機廠家都提供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芯片上。從目前的市場情形來看，在專業(yè)和家用攝影、攝像器材領域中，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，將CCD圖像信號數(shù)字化，并產(chǎn)生CCD控制時序。而對于CMOS型成像器件，可直接輸出數(shù)字信號，故不需要AFE模擬前端。

　　CPU作為整個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(shù)字信號，經(jīng)HDMI或HD-SDI口輸出?？傮w來說，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(tǒng)控制及計算，充當整個系統(tǒng)的中央處理器。

　　對于DSP/ASIC/ASSP，由于其專用性，存在功能有限和不靈活等缺點，在產(chǎn)品定型后，不允許根據(jù)市場的要求增減新功能，不改變原有硬件基礎，此時，需要對原有硬件電路進行刪減，無形之中增加了研發(fā)成本。而FPGA具有功能廣泛且高度靈活性等特點，一般來說，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、硬件設計可能會隨市場變化經(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(shù)據(jù)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，越來越多的廠家傾向于采用具備高像素密度和高動態(tài)范圍的產(chǎn)品，這就意味著數(shù)據(jù)量會越來越大，需要CPU的處理能力更強，尤其是針對并行數(shù)據(jù)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，恰好能夠為廠商提供各種性能，以滿足市場的需要。

　　針對HD-SDI攝像機，在設計時，除了要考慮視頻數(shù)據(jù)量大以外，還要評估CPU性能，在并行數(shù)據(jù)處理能力方面，F(xiàn)PGA優(yōu)勢突出。隨著攝像機行業(yè)大量采用FPGA以及制造技術的進步，F(xiàn)PGA已由“舊時王謝堂前燕”高價格，到現(xiàn)在與ASIC旗鼓相當“飛入尋常百姓家”的低價格。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)、電纜驅動器CD(Cable Driver)等電路，其中，串行器也稱之為發(fā)送器(Transmitter)，主要實現(xiàn)將CPU輸出的10BIT/20BIT視頻數(shù)據(jù)按SMPTE規(guī)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，通常會帶一個線纜驅動器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，市場上兩者針對SDI接收方案的實現(xiàn)方式基本是一樣的。

　　自適應電纜均衡器EQ(Equalizer)數(shù)據(jù)傳輸率越高，信號完整性便越難以控制，當電纜越長時，這些問題就越嚴重。SDI信號傳輸距離的長短主要依賴于接收端的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論采用那種數(shù)據(jù)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，電纜可長達200米，高清電視的電纜可長達220米，標清電視(SD)的電纜則可長達400米。

　　時鐘恢復器就是從接收到的數(shù)字信號中恢復時鐘信號。當它收到信號之后，先會消除信號中的高頻抖動部分，然后輸出無噪聲的數(shù)據(jù)及時鐘信號，或通過串行方式將信號驅動到同軸電纜的另一端。時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技術制造，由于基底噪聲較高，因此，抖動也比較多。

　　工程師必須加設其他元器件如優(yōu)質的穩(wěn)壓器、時鐘參考電路、隔離式電源供應與地線層以及過熱保護電路等來改善這個情況。但這樣會令線路設計變得更為復雜，設計時間及成本也會增加。針對此現(xiàn)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方案二虛線所示)。

　　方案一(如圖2所示)對于設計人員來說，更關心芯片兼容性的問題。由于部分半導體廠家如NS、GENNUM等，不同廠家的三個不同速率的均衡器 (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，大大降低了研發(fā)成本。針對不同客戶需求，產(chǎn)品種類很容易實現(xiàn)多樣化。

　　方案二低成本FPGA可滿足要求，前端接收器(Receiver)集成電纜均衡器EQ、SERDES等電路，F(xiàn)PGA前端器件成本增加。接收器主要作用是實現(xiàn)將SDI信號轉換成10BIT/20BIT并行數(shù)據(jù)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)品功能容易實現(xiàn)多樣化。方案二，關于SDI轉換與處理基本都是通過硬件芯片實現(xiàn)，開發(fā)周期短，可以快速將產(chǎn)品推向市場。

　　未來市場展望

　　目前，國際上如NS、GENNUM公司針對廣電行業(yè)的SDI芯片種類繁多，但價格普遍比較高，這對于安防行業(yè)來說并不太適合。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(shù)家芯片與系統(tǒng)供貨商提出的針對高清監(jiān)控系統(tǒng)(High Definition Surveillance Systems)應用共同開發(fā)指定的一項新標準。雖然該標準提出至今不過2年時間，但是由于自身標準所具有的優(yōu)勢，加上越來越多的廠商加入，HDcctv 標準在現(xiàn)今的高清監(jiān)控行業(yè)里，可以說已經(jīng)和開放網(wǎng)絡視頻接口論壇(ONVIF)、實體安全互操作性聯(lián)盟(PSIA)形成三足鼎立之勢。

　　HDcctv標準的實質在于， HDcctv系統(tǒng)采用數(shù)字化方法傳輸高清視頻，中間不需要對數(shù)據(jù)進行打包，連續(xù)傳輸、未經(jīng)壓縮、不存在信號損失的碼流，無延時，因此，信號的實時性、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，用戶可根據(jù)監(jiān)控的需求來進行選擇。雖然IP高清占據(jù)了一部分的市場，但 HDcctv還是有很大的發(fā)展空間，短期內是不會被淘汰的。