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HD-SDI芯片方案选择应用与趋势(上)

2014-02-20 10:07:50 来源:CPS中安网 作者:雷玉堂 责任编辑: sudiao 收藏本文
视频监控在经历模拟时代、数字时代、网络时代的发展后,现在已经逐步走入了高清与智能时代。与传统标清视频相比,高清在视频质量上有了质的飞跃,但就目前而言,要实现监控系统高清呈现,也并非一蹴而就之易事。从视频监控系统中模拟到数字的转化中

  HD-SDI芯片方案及选择

  HD-SDI的含义

  SDI(serial digital interface)是"数字分量串行接口",HD-SDI就是高清数字分量串行接口。HD-SDI 芯片摄像机是实时无压缩的高清广电级摄像机,是安防监控领域的又一科技进步,因为它能为监控中心提供高清晰的图像来源。实际上,画面清晰、没有延迟、方便控制和远端储存管理,说起来都容易,但高清化之后就变成难题。不论高清影像是否经过压缩,非网络化的图像信号能传得多快多即时,能跑到多远距离,对安全监控而言是非常严酷的考验。因此,我们说高清的考验是传输,传输越远就越凶险。正如我们熟悉的SDI,其规格概念不来自影像领域,而是指一种传输方式,是信号发射与接收端(Tx和Rx)的技术。

  HD-SDI芯片的发送与接收端方案

  SDI的功能由不同单元组成,在安防R&D圈中看到的SDI芯片方案,甚至包括FPGA,早在2007年就多已成型。在当时美国的传播媒体展(NAB2007)中,芯片厂针对3G-SDI(第三代序列数位介面)各自推出不少解决方案。这些公司包括Gennum(现已并入Semtech),NationalSemiconductor(NS,现并入德州仪器)、Altera与Xilinx等。其中,Gennum日后发展出GV7600/GV7601芯片在安防之所以有名,除了是HDcctv的推动主力,另一方面也是率先将Tx和Rx等离散型的芯片架构整合为一的缘故。例如其发射端(Tx)的芯片就是串列器(Serializers)加上电缆驱动器(CableDrivers),而接收端(Rx)芯片即为解串列器(Deserializers)加上电缆等化器(Equalizers),可精简摄像机和DVR的设计。

  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。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。现在,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。HD-SDI发送端实现框图,如图1所示。

  图中,摄像机的图像传感器,相当于人的眼睛,主要完成光学图像转换为电子图像信号。但在实际的应用场合,使用CCD图像传感器远远不能满足高速读取高清数据的需要。而CMOS图像传感器则没有CCD的“瓶颈”问题,它能够在短时间内处理大量数据,输出高清影像,也能满足高清HDV的需求;并且,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;由于CCD成像时,需AFE模拟前端将CCD图像信号数字化,并产生CCD控制时序,而CMOS型成像器件,则可直接输出数字信号,故不需要AFE模拟前端。因此,对于HD-SDI摄像机,CMOS图像传感器更加适合。从目前的市场情形来看,随着光电成像技术的发展,在专业和家用摄影、摄像器材领域中,CMOS图像传感器已可能完全替代CCD图像传感器。

  CPU作为整个高清摄像机核心器件,相当于人的大脑与心脏,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。

  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。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,通常会带一个电缆驱动器,无需增加传送距离,也可以不用。HD-SDI接收端实现框图,如图2所示。

  HD-SDI接收端实现框图可以有2种方案:方案一如图3所示。

  在图3所示方案一中,集成电缆均衡器EQ、时钟恢复器(FPGA),即为前端接收器(Receiver)。对于设计人员来说,主要是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,从而可大大降低研发成本。方案一针对不同客户需求,产品种类很容易实现多样化。

  HD-SDI接收端实现方案之二,如图4所示。

  在图4所示方案二中,集成电缆均衡器EQ、SERDES等电路,即为前端接收器(Receiver)。它使FPGA前端器件成本增加,但FPGA采用低成本的可满足要求。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。

  由图3与图4可知,两种方案主要是接收器有区别,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。



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