基于赛灵思FPGA的端到端广播平台解决方案的实现 - 全文

　　消费者要求以前所未有的速度提供史无前例的海量优质视频，迫使广播公司和设备制造商以更快的速度将低成本先进解决方案投放市场。为满足这一需求，赛灵思正着力推出现场可编程门阵列（FPGA）和端到端广播平台解决方案，帮助设计人员和制造商以更快的速度将采集、提供、分配和消费（ACDC）解决方案集成到自己的设备当中。

　　在今年举办的美国国广播电视设备展上亮相的数项创新中，BBC R&D新开发的Stagebox可以安装到摄像机的背面，将有效传输距离从数百米延长到互联网协议数据包能抵达的几乎任何一个地方。在近期涌现的利用 FPGA与生俱来的可编程功能提供更多功能和适应性，实现协议和标准的对接的开创性设备中，Stagebox是最新一员。

　　采用高度灵活的 FPGA，BBC R&D及其合作伙伴能够实现SDI到六类（Cat6）网线的桥接，通过IP以10Gbps速率传输未压缩视频，用单根1Gbps六类连接传输视频、音频和对讲功能，在高质量采集中应用CoreEL AVC-I压缩，取消使用多条SDI电缆和昂贵的上门服务，降低总成本和总功耗。

　　就在像BBC R&D这样的主导机构为保持竞争领先地位日趋依赖FPGA和捆绑式IP核时，初创企业和企业家们也在充分运用FPGA的灵活性和经济高效的计算能力，以尽快将解决方案投入市场。

　　位于加州圣利安德鲁的PhaseSpace公司正在开发其首款支持240fps高清视频的摄像机，预计售价约为5千美元。

　　PhaseSpace公司的首席执行官Tracy McSheery说：“为开发摄像机，我们结合使用了Spartan-6 FPGA、计算机软件和网络工具，来提供令人叹服的功能。我们的解决方案在实现实时压缩和实时处理的同时，还具备先进传感器所要求的内务处理能力。使用赛灵思Spartan-6 FPGA，我们每秒能够处理超过100亿条指令（图1）。”

　　

　　图 1，赛灵思的端到端平台从专业视频的摄制到交付给最终消费者，贯穿整个开发链条，为广播工程师提供支持

　　“现在大家在观看职业棒球赛或高尔夫球赛时，都会看到一辆携带有全部AV设备的电视转播车。我们现在用售价1万美元的思科交换机加上售价5千美元到1万美元的HP 2800工作站就可以取代售价50万美元的转播车和Avid视频切换机。我们尚未投产的首款摄像机中，正在评估赛灵思7系列FPGA，以便重复利用我们的IP，从而降低售价。”

　　赛灵思 ACDC 广播解决方案：

　　采集：Pro HD摄像机、4K摄像机、采集编码器和IRD都日益依赖40nm和28nm FPGA的可编程功能和处理能力来实现ACDC价值链前端的视频采集功能。提供： 赛灵思能够支持ACDC价值链上“提供部分”的多项功能，包括交换器、路由器、多画面处理器、IP视频传输、视频服务器、后期制作和分配编码器。在2012年美国广播电视设备展上，赛灵思正在展示广播链“提供部分” 的关键元件，即运行在28nm Kintex-7FPGA、40nm Virtex-6和45nm Spartan-6器件上的实时视频引擎（RTVE）。宽泛的器件选项便于 OEM厂商根据应用、目标价格和总体功能在多个价格点和逻辑密度水平上选择器件。RTVE随即馈入赛灵思的 SMPTE 2022 Tx（-5/-6）和Rx（-5/-6）参考设计，使用10G互联网协议网络传输未压缩视频，也可传输至多画面监视器、交换机和媒体服务器。

　　分配：赛灵思FPGA目前已经部署并应用于线缆数据机终端系统（CMTS）、线缆边缘QAM、陆地广播调制器、卫星广播调制器、分配编码器和转码器。赛灵思也正在展示自己的边缘QAM目标设计平台。这种平台可以提高分配头端的密度，在分配节点现有尺寸内显着提升信号密度。比如，使用能够装入壁橱的一台采用Virtex-7FPGA的线缆边缘QAM的视频点播交换机就能够为1，000个酒店房间提供视频点播服务。

　　消费： 赛灵思显示目标设计平台采用赛灵思Kintex-7器件，配备显示参考设计，可让专业演播室显示器、高端消费显示器和新兴OLED显示器的制造商将四路1080p视频流无缝组合为4K显示。另外还提供支持帧速率转换的参考设计（可从60Hz倍频到120Hz）和可将全高清内容放大为4K2K分辨率的缩放器/上变频器参考设计。

　　提升广播工程设计生产力

　　2012 年美国广播电视设备展上展出的两款目标设计平台和一款参考设计体现出赛灵思率先提升广播工程设计生产力。

　　显示目标设计平台（TDP）：该款用于高性能视觉系统开发的本综合性平台，由Kintex-7 FPGA硬件平台、赛灵思联盟计划高级成员东京电子器件有限公司开发的ACDC 1.0基板、赛灵思视频和图像处理包（一种低成本售价3，000美元的SRP，含整套IP核）和三种参考设计构成。该显示TDP能够将4路1080i视频流无缝组合为4K2K图形，与此前的解决方案相比，不但提升了性能，而且还降低了功耗（见图2）。

　　

　　图 2，可将四路高清输入交错为 4K 显示的显示 TDP 缩放器参考设计

　　实时视频引擎（RTVE）：赛灵思的RTVE参考设计可让路由器、交换机和在控制室起核心作用的多画面处理器适应并集成新标准，以便与DisplayPort、HDMI及Thunderbolt等消费者常用的串行视频接口实现互动。在当今瞬息万变的生产环境中，RTVE还可借助IT网络汇聚和传输视频，实现快速提供。设计人员能开箱即用地设置可行的视频系统，故可将更多时间用于开发特色鲜明的视频产品。由于RTVE能够运行在Kintex-7、Spartan-6和Virtex-6器件等多个硬件平台上，并使用赛灵思LogiCORE IP核实现缩放器、解交错器和OSD功能，因此设计人员可将多项功能集成到单个低成本FPGA中。该参考设计可采用双处理流水线，支持10位/4:4：4格式，现在还采用基于Web的GUI，让参考设计的控制更加简便。

　　边缘QAM目标参考设计平台：边缘QAM TDP可加快用于有线电视、酒店视频点播解决方案和CCAP设计的边缘QAM解决方案的开发进程。该TDP硬件平台、IP核包和参考设计支持单端口设计和多端口设计使用的各类线缆（见图3）。

　　

　　图 3，边缘QAM TDP参考设计对每个/多个7系列FPGA使用多个RADX IP核集，以增大通道容量（每个RF端口1个RADX边缘QAM核集）

　　集成Zynq-7000可扩展处理平台（EPP）实现将来的广播功能

　　赛灵思将继续采用基于Zynq-7000 EPP的硬件平台，以采集环节为重点，增强ACDC功能，强化其在业界的领导地位。首款基于Zynq-7045器件的摄像机TDP预计将在2013年初发布。Zynq-7000 EPP是新系列产品，其将业界标准的ARM双核Cortex-A9 MPCore处理系统与赛灵思28nm可编程逻辑完美结合在一起。这种以处理器为中心的架构可提供一种综合而全面的处理平台，可为开发人员提供ASIC级的性能和功耗、FPGA的灵活性以及简单易用的微处理器可编程功能 。