淺談HD-SDI傳輸中芯片技術(shù)的應(yīng)用

　　摘要：目前HD-SDI在發(fā)送端主要應(yīng)用于攝像機(jī)等前端采集設(shè)備，攝像機(jī)的CCD或CMOS圖像傳感器采集信號(hào)后，未經(jīng)壓縮的高清視頻信號(hào)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(hào)需要三根同軸線(xiàn)纜同時(shí)傳輸...

　　HD-SDI的傳輸發(fā)送端

　　目前HD-SDI在發(fā)送端主要應(yīng)用于攝像機(jī)等前端采集設(shè)備(實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖1)，攝像機(jī)的CCD或CMOS圖像傳感器采集信號(hào)后，未經(jīng)壓縮的高清視頻信號(hào)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(hào)需要三根同軸線(xiàn)纜同時(shí)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(yuǎn)也只有幾十米左右，不適合用于監(jiān)控圖像的遠(yuǎn)程傳輸，通常被應(yīng)用在演播控制室內(nèi)設(shè)備間的連接和信號(hào)傳輸。而HD-SDI信號(hào)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(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備與百米內(nèi)的控制設(shè)備間的信號(hào)傳輸連接。從2010年北京安防展可以看到，國(guó)內(nèi)已有不少安防廠(chǎng)家推出了自己的SDI接口高清攝像機(jī)，可以實(shí)現(xiàn) 1080P25高清顯示。

　　CCD/CMOS圖像傳感器：攝像機(jī)CCD/CMOS圖像傳感器，相當(dāng)于人的眼睛，主要完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)，并輸出電子圖像信號(hào)。 CCD與CMOS各有利弊，目前，攝像機(jī)市場(chǎng)上二者共存。在傳統(tǒng)觀念中，CCD代表著高解析度、低噪點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而CMOS由于噪點(diǎn)問(wèn)題，較多應(yīng)用于對(duì)畫(huà)質(zhì)要求不高的電子產(chǎn)品。從工作原理來(lái)看，CCD在工作時(shí)，多達(dá)上百萬(wàn)個(gè)像素感光后，會(huì)生成上百萬(wàn)個(gè)電荷，這些電荷會(huì)全部經(jīng)過(guò)一個(gè)所謂的“放大器”進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變，形成電子信號(hào)。因此，這個(gè)“放大器”就成為了一個(gè)制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候就會(huì)發(fā)生信號(hào)“擁堵”，而 HDV格式卻恰恰需要在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，因此，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，使用CCD遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。而CMOS則不同，它每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)單獨(dú)的放大器轉(zhuǎn)換輸出，因此CMOS沒(méi)有CCD的“瓶頸”問(wèn)題，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，輸出高清影像，也能都滿(mǎn)足高清HDV的需求。因此，對(duì)于HD-SDI攝像機(jī)，CMOS圖像傳感器相對(duì)來(lái)說(shuō)更適合。

　　目前，市場(chǎng)上主流SDI攝像機(jī)廠(chǎng)家都提供CCD、CMOS攝像機(jī)。CMOS對(duì)抗CCD的優(yōu)勢(shì)在于成本低、耗電少，可以與視頻處理電路同處于一個(gè)芯片上。從目前的市場(chǎng)情形來(lái)看，在專(zhuān)業(yè)和家用攝影、攝像器材領(lǐng)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(shí)，將CCD圖像信號(hào)數(shù)字化，并產(chǎn)生CCD控制時(shí)序。而對(duì)于CMOS型成像器件，可直接輸出數(shù)字信號(hào)，故不需要AFE模擬前端。

　　CPU作為整個(gè)高清攝像機(jī)核心器件,相當(dāng)于人的心臟，HD-SDI高清攝像機(jī)不經(jīng)編碼壓縮，以原始數(shù)字信號(hào)，經(jīng)HDMI或HD-SDI口輸出?？傮w來(lái)說(shuō)，CPU不僅具有圖像處理和編碼功能，還要完成高清攝像機(jī)系統(tǒng)控制及計(jì)算，充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的中央處理器。

　　對(duì)于DSP/ASIC/ASSP，由于其專(zhuān)用性，存在功能有限和不靈活等缺點(diǎn)，在產(chǎn)品定型后，不允許根據(jù)市場(chǎng)的要求增減新功能，不改變?cè)杏布A(chǔ)，此時(shí)，需要對(duì)原有硬件電路進(jìn)行刪減，無(wú)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(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，如果該產(chǎn)品預(yù)計(jì)有大的出貨量、硬件設(shè)計(jì)方面基本不用做大的修改，設(shè)計(jì)者更青睞于DSP/ASIC/ASSP方案;而對(duì)于那些預(yù)期有較小的出貨量、硬件設(shè)計(jì)可能會(huì)隨市場(chǎng)變化經(jīng)常需要更新的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者更青睞于FPGA方案。FPGA主要完成“前端”數(shù)據(jù)預(yù)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(duì)前端攝像機(jī)，越來(lái)越多的廠(chǎng)家傾向于采用具備高像素密度和高動(dòng)態(tài)范圍的產(chǎn)品，這就意味著數(shù)據(jù)量會(huì)越來(lái)越大，需要CPU的處理能力更強(qiáng)，尤其是針對(duì)并行數(shù)據(jù)處理，采用DSP/ASIC/ASSP的視頻攝像機(jī)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?yàn)閺S(chǎng)商提供各種性能，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要。

　　針對(duì)HD-SDI攝像機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮視頻數(shù)據(jù)量大以外，還要評(píng)估CPU性能，在并行數(shù)據(jù)處理能力方面，F(xiàn)PGA優(yōu)勢(shì)突出。隨著攝像機(jī)行業(yè)大量采用FPGA以及制造技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA已由“舊時(shí)王謝堂前燕”高價(jià)格，到現(xiàn)在與ASIC旗鼓相當(dāng)“飛入尋常百姓家”的低價(jià)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(chǔ)邏輯比和DSP邏輯比，最適合HD-SDI攝像機(jī)等視頻處理應(yīng)用。

　　信號(hào)輸出接口：包括串行器(Seralizer)、電纜驅(qū)動(dòng)器CD(Cable Driver)等電路，其中，串行器也稱(chēng)之為發(fā)送器(Transmitter)，主要實(shí)現(xiàn)將CPU輸出的10BIT/20BIT視頻數(shù)據(jù)按SMPTE規(guī)定的編碼標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制成標(biāo)準(zhǔn)SDI信號(hào)發(fā)送出去。為了增加傳送距離，通常會(huì)帶一個(gè)線(xiàn)纜驅(qū)動(dòng)器CD(cable driver)，也可以不用。

　　HD-SDI的傳輸接收端

　　接收端主要應(yīng)用在高清編碼卡、DVR等帶SDI接口的產(chǎn)品中，市場(chǎng)上兩者針對(duì)SDI接收方案的實(shí)現(xiàn)方式基本是一樣的。

　　自適應(yīng)電纜均衡器EQ(Equalizer)數(shù)據(jù)傳輸率越高，信號(hào)完整性便越難以控制，當(dāng)電纜越長(zhǎng)時(shí)，這些問(wèn)題就越嚴(yán)重。SDI信號(hào)傳輸距離的長(zhǎng)短主要依賴(lài)于接收端的EQ均衡器。例如國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)提供的LM0394均衡器芯片可以保證無(wú)論采用那種數(shù)據(jù)傳輸率，都能以最低功率將信號(hào)傳送至最遠(yuǎn)的范圍。若采用3Gbps(3G)的傳輸速度，電纜可長(zhǎng)達(dá)200米，高清電視的電纜可長(zhǎng)達(dá)220米，標(biāo)清電視(SD)的電纜則可長(zhǎng)達(dá)400米。

　　時(shí)鐘恢復(fù)器就是從接收到的數(shù)字信號(hào)中恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)它收到信號(hào)之后，先會(huì)消除信號(hào)中的高頻抖動(dòng)部分，然后輸出無(wú)噪聲的數(shù)據(jù)及時(shí)鐘信號(hào)，或通過(guò)串行方式將信號(hào)驅(qū)動(dòng)到同軸電纜的另一端。時(shí)鐘恢復(fù)器通常用于帶兩路以上SDI輸出的設(shè)計(jì)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(gè)SERDES模塊。內(nèi)置SERDES收發(fā)器的高端FPGA芯片都采用較精密的CMOS技術(shù)制造，由于基底噪聲較高，因此，抖動(dòng)也比較多。

　　工程師必須加設(shè)其他元器件如優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)壓器、時(shí)鐘參考電路、隔離式電源供應(yīng)與地線(xiàn)層以及過(guò)熱保護(hù)電路等來(lái)改善這個(gè)情況。但這樣會(huì)令線(xiàn)路設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)間及成本也會(huì)增加。針對(duì)此現(xiàn)象，NS、gennum等半導(dǎo)體公司推出了單獨(dú)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(xiàn)所示)。

　　方案一(如圖2所示)對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，更關(guān)心芯片兼容性的問(wèn)題。由于部分半導(dǎo)體廠(chǎng)家如NS、GENNUM等，不同廠(chǎng)家的三個(gè)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(yīng)的均衡器EQ型號(hào)，硬件設(shè)計(jì)與PCB都不需要做改動(dòng)，大大降低了研發(fā)成本。針對(duì)不同客戶(hù)需求，產(chǎn)品種類(lèi)很容易實(shí)現(xiàn)多樣化。

　　方案二低成本FPGA可滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)將SDI信號(hào)轉(zhuǎn)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(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累，周期難以預(yù)料，但易維護(hù)，產(chǎn)品功能容易實(shí)現(xiàn)多樣化。方案二，關(guān)于SDI轉(zhuǎn)換與處理基本都是通過(guò)硬件芯片實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)周期短，可以快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

　　未來(lái)市場(chǎng)展望

　　目前，國(guó)際上如NS、GENNUM公司針對(duì)廣電行業(yè)的SDI芯片種類(lèi)繁多，但價(jià)格普遍比較高，這對(duì)于安防行業(yè)來(lái)說(shuō)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(yán)格，要想在安防行業(yè)大力推廣SDI標(biāo)準(zhǔn)，需針對(duì)安防行業(yè)訂制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及解決方案，例如，HDcctv正是因此應(yīng)運(yùn)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(duì)高清監(jiān)控系統(tǒng)(High Definition Surveillance Systems)應(yīng)用共同開(kāi)發(fā)指定的一項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)。雖然該標(biāo)準(zhǔn)提出至今不過(guò)2年時(shí)間，但是由于自身標(biāo)準(zhǔn)所具有的優(yōu)勢(shì)，加上越來(lái)越多的廠(chǎng)商加入，HDcctv 標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)今的高清監(jiān)控行業(yè)里，可以說(shuō)已經(jīng)和開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)視頻接口論壇(ONVIF)、實(shí)體安全互操作性聯(lián)盟(PSIA)形成三足鼎立之勢(shì)。

　　HDcctv標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，連續(xù)傳輸、未經(jīng)壓縮、不存在信號(hào)損失的碼流，無(wú)延時(shí)，因此，信號(hào)的實(shí)時(shí)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(diǎn)，用戶(hù)可根據(jù)監(jiān)控的需求來(lái)進(jìn)行選擇。雖然IP高清占據(jù)了一部分的市場(chǎng)，但 HDcctv還是有很大的發(fā)展空間，短期內(nèi)是不會(huì)被淘汰的。