浅谈HD-SDI传输中芯片技术的应用

2011-11-04 20:29:48来源: 安防知识网

  摘要:目前HD-SDI在发送端主要应用于摄像机等前端采集设备,摄像机的CCD或CMOS图像传感器采集信号后,未经压缩的高清视频信号传输方式有模拟和数字两种。模拟传输一般采用YPbPr分量传输,一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输...   
 
  HD-SDI的传输发送端

  目前HD-SDI在发送端主要应用于摄像机等前端采集设备(实现流程见图1),摄像机的CCD或CMOS图像传感器采集信号后,未经压缩的高清视频信号传输方式有模拟和数字两种。模拟传输一般采用YPbPr分量传输,一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVI、HDMI 或者HD-SDI传输,其中DVI或HDMI的传输距离只有几米,中间加中继放大器,最远也只有几十米左右,不适合用于监控图像的远程传输,通常被应用在演播控制室内设备间的连接和信号传输。而HD-SDI信号可以传输百米左右,并可采用CVBS同轴电缆传输,接口为常用的BNC,所以通常被应用在现场采集设备与百米内的控制设备间的信号传输连接。从2010年北京安防展可以看到,国内已有不少安防厂家推出了自己的SDI接口高清摄像机,可以实现 1080P25高清显示。

  CCD/CMOS图像传感器:摄像机CCD/CMOS图像传感器,相当于人的眼睛,主要完成光学图像转换为电学信号,并输出电子图像信号。 CCD与CMOS各有利弊,目前,摄像机市场上二者共存。在传统观念中,CCD代表着高解析度、低噪点等优点,而CMOS由于噪点问题,较多应用于对画质要求不高的电子产品。从工作原理来看,CCD在工作时,多达上百万个像素感光后,会生成上百万个电荷,这些电荷会全部经过一个所谓的“放大器”进行电压转变,形成电子信号。因此,这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”,所有电荷由单一通道输出,当数据量大的时候就会发生信号“拥堵”,而 HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据,因此,在实际应用场合,使用CCD远远不能满足高速读取高清数据的需要。而CMOS则不同,它每个像素点都有一个单独的放大器转换输出,因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题,能够在短时间内处理大量数据,输出高清影像,也能都满足高清HDV的需求。因此,对于HD-SDI摄像机,CMOS图像传感器相对来说更适合。

  目前,市场上主流SDI摄像机厂家都提供CCD、CMOS摄像机。CMOS对抗CCD的优势在于成本低、耗电少,可以与视频处理电路同处于一个芯片上。从目前的市场情形来看,在专业和家用摄影、摄像器材领域中,CMOS图像传感器将可能完全替代CCD图像传感器。

  AFE模拟前端,用于CCD成像时,将CCD图像信号数字化,并产生CCD控制时序。而对于CMOS型成像器件,可直接输出数字信号,故不需要AFE模拟前端。

  CPU作为整个高清摄像机核心器件,相当于人的心脏,HD-SDI高清摄像机不经编码压缩,以原始数字信号,经HDMI或HD-SDI口输出。总体来说,CPU不仅具有图像处理和编码功能,还要完成高清摄像机系统控制及计算,充当整个系统的中央处理器。

  对于DSP/ASIC/ASSP,由于其专用性,存在功能有限和不灵活等缺点,在产品定型后,不允许根据市场的要求增减新功能,不改变原有硬件基础,此时,需要对原有硬件电路进行删减,无形之中增加了研发成本。而FPGA具有功能广泛且高度灵活性等特点,一般来说,如果该产品预计有大的出货量、硬件设计方面基本不用做大的修改,设计者更青睐于DSP/ASIC/ASSP方案;而对于那些预期有较小的出货量、硬件设计可能会随市场变化经常需要更新的产品,设计者更青睐于FPGA方案。FPGA主要完成“前端”数据预处理,降低噪声和消除像素缺陷等。

  目前,“高清视频、高清音频”在安防行业的呼声很高,针对前端摄像机,越来越多的厂家倾向于采用具备高像素密度和高动态范围的产品,这就意味着数据量会越来越大,需要CPU的处理能力更强,尤其是针对并行数据处理,采用DSP/ASIC/ASSP的视频摄像机则显得“心有余,而力不足”。而 FPGA产品固有的并行性和可编程性,恰好能够为厂商提供各种性能,以满足市场的需要。

  针对HD-SDI摄像机,在设计时,除了要考虑视频数据量大以外,还要评估CPU性能,在并行数据处理能力方面,FPGA优势突出。随着摄像机行业大量采用FPGA以及制造技术的进步,FPGA已由“旧时王谢堂前燕”高价格,到现在与ASIC旗鼓相当“飞入寻常百姓家”的低价格。目前,在所有的低成本FPGA系列中,Cylone III器件具有最大的存储逻辑比和DSP逻辑比,最适合HD-SDI摄像机等视频处理应用。

  信号输出接口:包括串行器(Seralizer)、电缆驱动器CD(Cable Driver)等电路,其中,串行器也称之为发送器(Transmitter),主要实现将CPU输出的10BIT/20BIT视频数据按SMPTE规定的编码标准调制成标准SDI信号发送出去。为了增加传送距离,通常会带一个线缆驱动器CD(cable driver),也可以不用。

  HD-SDI的传输接收端

  接收端主要应用在高清编码卡、DVR等带SDI接口的产品中,市场上两者针对SDI接收方案的实现方式基本是一样的。

  自适应电缆均衡器EQ(Equalizer)数据传输率越高,信号完整性便越难以控制,当电缆越长时,这些问题就越严重。SDI信号传输距离的长短主要依赖于接收端的EQ均衡器。例如国家半导体公司(NS)提供的LM0394均衡器芯片可以保证无论采用那种数据传输率,都能以最低功率将信号传送至最远的范围。若采用3Gbps(3G)的传输速度,电缆可长达200米,高清电视的电缆可长达220米,标清电视(SD)的电缆则可长达400米。

  时钟恢复器就是从接收到的数字信号中恢复时钟信号。当它收到信号之后,先会消除信号中的高频抖动部分,然后输出无噪声的数据及时钟信号,或通过串行方式将信号驱动到同轴电缆的另一端。时钟恢复器通常用于带两路以上SDI输出的设计中,

  FPGA方案需要包含高成本的SERDES处理模块,成本较高。Altera Cyclone IV GX系列支持3G速率,包含4个SERDES模块。内置SERDES收发器的高端FPGA芯片都采用较精密的CMOS技术制造,由于基底噪声较高,因此,抖动也比较多。

  工程师必须加设其他元器件如优质的稳压器、时钟参考电路、隔离式电源供应与地线层以及过热保护电路等来改善这个情况。但这样会令线路设计变得更为复杂,设计时间及成本也会增加。针对此现象,NS、gennum等半导体公司推出了单独的串行/解串器解决方案,可以搭配低成本的FPGA芯片,所需添加的元器件也极少。(具体如图3方案二虚线所示)。

  方案一(如图2所示)对于设计人员来说,更关心芯片兼容性的问题。由于部分半导体厂家如NS、GENNUM等,不同厂家的三个不同速率的均衡器 (EQ)管脚封装都是一样的,各芯片都是向下兼容的,如支持3G速率、HD-SDI,只需更换相应的均衡器EQ型号,硬件设计与PCB都不需要做改动,大大降低了研发成本。针对不同客户需求,产品种类很容易实现多样化。

  方案二低成本FPGA可满足要求,前端接收器(Receiver)集成电缆均衡器EQ、SERDES等电路,FPGA前端器件成本增加。接收器主要作用是实现将SDI信号转换成10BIT/20BIT并行数据输出。接收端具体采用哪种方案,需要综合考虑,方案一,需要有一定的FPGA开发经验积累,周期难以预料,但易维护,产品功能容易实现多样化。方案二,关于SDI转换与处理基本都是通过硬件芯片实现,开发周期短,可以快速将产品推向市场。

  未来市场展望

  目前,国际上如NS、GENNUM公司针对广电行业的SDI芯片种类繁多,但价格普遍比较高,这对于安防行业来说并不太适合。广电行业与安防行业不同,安防行业出货量大,成本控制比较严格,要想在安防行业大力推广SDI标准,需针对安防行业订制相关标准及解决方案,例如,HDcctv正是因此应运而生的。

  HDcctv是2009年由数家芯片与系统供货商提出的针对高清监控系统(High Definition Surveillance Systems)应用共同开发指定的一项新标准。虽然该标准提出至今不过2年时间,但是由于自身标准所具有的优势,加上越来越多的厂商加入,HDcctv 标准在现今的高清监控行业里,可以说已经和开放网络视频接口论坛(ONVIF)、实体安全互操作性联盟(PSIA)形成三足鼎立之势。

  HDcctv标准的实质在于, HDcctv系统采用数字化方法传输高清视频,中间不需要对数据进行打包,连续传输、未经压缩、不存在信号损失的码流,无延时,因此,信号的实时性、完整性将得到更好的保证。目前在安防行业,HDcctv和IP高清各有其突出的特点,用户可根据监控的需求来进行选择。虽然IP高清占据了一部分的市场,但 HDcctv还是有很大的发展空间,短期内是不会被淘汰的。
 

关键字:芯片技术

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/1104/article_4149.html
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