采用FPGA實(shí)現(xiàn)廣播視頻基礎(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

HDTV視頻內(nèi)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(nèi)容的方法，不斷催生新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)視頻圖像處理設(shè)備。以前只有有線電視和衛(wèi)星電視運(yùn)營商提供視頻傳送業(yè)務(wù)，現(xiàn)在電信公司也對(duì)這一領(lǐng)域產(chǎn)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(shù)，并通過IPTV將數(shù)字視頻發(fā)送給用戶。

整個(gè)數(shù)字廣播基礎(chǔ)架構(gòu)開始于電視工作室或攝影制作室的視頻內(nèi)容創(chuàng)作。創(chuàng)作過程接口使用串行數(shù)據(jù)接口(SDI)將原始視頻發(fā)送到存儲(chǔ)設(shè)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(qiáng)。編輯好的視頻在編碼時(shí)再用MPEG-2、JPEG2000或H.264進(jìn)行壓縮，然后通過電纜、衛(wèi)星、地面廣播或最新的IPTV技術(shù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶。圖1給出了一個(gè)廣播系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的組成框圖。

視頻和圖像處理趨勢

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

先進(jìn)的壓縮技術(shù)正在全面替代以前的技術(shù)，它們有更好的流處理能力，在給定質(zhì)量下有更高的壓縮率，并且延遲更短。JPEG2000在存儲(chǔ)和數(shù)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(shí)際應(yīng)用之際，標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)還在不斷增強(qiáng)H.264和JPEG2000的性能。

在過去十年中，數(shù)字電視廣播中的標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV)一直采用的是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)備制造商必須支持各種編碼標(biāo)準(zhǔn)。除了各種核心視頻CODEC標(biāo)準(zhǔn)外，還有一些不同類型的視頻預(yù)處理和后處理算法可以用來增強(qiáng)整體圖像質(zhì)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(shí)保持架構(gòu)的靈活性以實(shí)現(xiàn)快速升級(jí)。此外，隨著技術(shù)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(shù)字視頻廣播基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備中發(fā)揮重要的作用。

圖1：廣播基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

視頻內(nèi)容的產(chǎn)生

視頻廣播鏈的第一環(huán)是用專業(yè)數(shù)字視頻攝像機(jī)捕捉音視頻內(nèi)容。視頻可以是標(biāo)清或高清。這種數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般都有一個(gè)攝影與電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)定義的SDI輸出。SDI是一種未經(jīng)壓縮的視頻流，速度可以是270Mbps(標(biāo)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(shí)鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路，可以用來處理攝像機(jī)SDI輸出口上的視頻流。

視頻預(yù)處理/后處理

PAL標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)信道帶寬為8MHz。這種帶寬的限制規(guī)定遠(yuǎn)早于數(shù)字電視的出現(xiàn)時(shí)間，這種模擬帶寬限制也影響到目前數(shù)字電視的廣播標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字視頻質(zhì)量要比傳統(tǒng)的模擬視頻好得多，數(shù)字分辨率越高，傳送或發(fā)送視頻數(shù)據(jù)所需的帶寬也越大。發(fā)送高質(zhì)量視頻需要對(duì)視頻源進(jìn)行預(yù)處理。