基于賽靈思FPGA的端到端廣播平臺解決方案的實現(xiàn) - 全文

　　消費者要求以前所未有的速度提供史無前例的海量優(yōu)質(zhì)視頻，迫使廣播公司和設(shè)備制造商以更快的速度將低成本先進(jìn)解決方案投放市場。為滿足這一需求，賽靈思正著力推出現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和端到端廣播平臺解決方案，幫助設(shè)計人員和制造商以更快的速度將采集、提供、分配和消費（ACDC）解決方案集成到自己的設(shè)備當(dāng)中。

　　在今年舉辦的美國國廣播電視設(shè)備展上亮相的數(shù)項創(chuàng)新中，BBC R&D新開發(fā)的Stagebox可以安裝到攝像機(jī)的背面，將有效傳輸距離從數(shù)百米延長到互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)包能抵達(dá)的幾乎任何一個地方。在近期涌現(xiàn)的利用 FPGA與生俱來的可編程功能提供更多功能和適應(yīng)性，實現(xiàn)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的對接的開創(chuàng)性設(shè)備中，Stagebox是最新一員。

　　采用高度靈活的 FPGA，BBC R&D及其合作伙伴能夠?qū)崿F(xiàn)SDI到六類（Cat6）網(wǎng)線的橋接，通過IP以10Gbps速率傳輸未壓縮視頻，用單根1Gbps六類連接傳輸視頻、音頻和對講功能，在高質(zhì)量采集中應(yīng)用CoreEL AVC-I壓縮，取消使用多條SDI電纜和昂貴的上門服務(wù)，降低總成本和總功耗。

　　就在像BBC R&D這樣的主導(dǎo)機(jī)構(gòu)為保持競爭領(lǐng)先地位日趨依賴FPGA和捆綁式IP核時，初創(chuàng)企業(yè)和企業(yè)家們也在充分運用FPGA的靈活性和經(jīng)濟(jì)高效的計算能力，以盡快將解決方案投入市場。

　　位于加州圣利安德魯?shù)腜haseSpace公司正在開發(fā)其首款支持240fps高清視頻的攝像機(jī)，預(yù)計售價約為5千美元。

　　PhaseSpace公司的首席執(zhí)行官Tracy McSheery說：“為開發(fā)攝像機(jī)，我們結(jié)合使用了Spartan-6 FPGA、計算機(jī)軟件和網(wǎng)絡(luò)工具，來提供令人嘆服的功能。我們的解決方案在實現(xiàn)實時壓縮和實時處理的同時，還具備先進(jìn)傳感器所要求的內(nèi)務(wù)處理能力。使用賽靈思Spartan-6 FPGA，我們每秒能夠處理超過100億條指令（圖1）?！?/p>

　　圖 1，賽靈思的端到端平臺從專業(yè)視頻的攝制到交付給最終消費者，貫穿整個開發(fā)鏈條，為廣播工程師提供支持

　　“現(xiàn)在大家在觀看職業(yè)棒球賽或高爾夫球賽時，都會看到一輛攜帶有全部AV設(shè)備的電視轉(zhuǎn)播車。我們現(xiàn)在用售價1萬美元的思科交換機(jī)加上售價5千美元到1萬美元的HP 2800工作站就可以取代售價50萬美元的轉(zhuǎn)播車和Avid視頻切換機(jī)。我們尚未投產(chǎn)的首款攝像機(jī)中，正在評估賽靈思7系列FPGA，以便重復(fù)利用我們的IP，從而降低售價。”

　　賽靈思 ACDC 廣播解決方案：

　　采集：Pro HD攝像機(jī)、4K攝像機(jī)、采集編碼器和IRD都日益依賴40nm和28nm FPGA的可編程功能和處理能力來實現(xiàn)ACDC價值鏈前端的視頻采集功能。提供： 賽靈思能夠支持ACDC價值鏈上“提供部分”的多項功能，包括交換器、路由器、多畫面處理器、IP視頻傳輸、視頻服務(wù)器、后期制作和分配編碼器。在2012年美國廣播電視設(shè)備展上，賽靈思正在展示廣播鏈“提供部分” 的關(guān)鍵元件，即運行在28nm Kintex-7FPGA、40nm Virtex-6和45nm Spartan-6器件上的實時視頻引擎（RTVE）。寬泛的器件選項便于 OEM廠商根據(jù)應(yīng)用、目標(biāo)價格和總體功能在多個價格點和邏輯密度水平上選擇器件。RTVE隨即饋入賽靈思的 SMPTE 2022 Tx（-5/-6）和Rx（-5/-6）參考設(shè)計，使用10G互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸未壓縮視頻，也可傳輸至多畫面監(jiān)視器、交換機(jī)和媒體服務(wù)器。

　　分配：賽靈思FPGA目前已經(jīng)部署并應(yīng)用于線纜數(shù)據(jù)機(jī)終端系統(tǒng)（CMTS）、線纜邊緣QAM、陸地廣播調(diào)制器、衛(wèi)星廣播調(diào)制器、分配編碼器和轉(zhuǎn)碼器。賽靈思也正在展示自己的邊緣QAM目標(biāo)設(shè)計平臺。這種平臺可以提高分配頭端的密度，在分配節(jié)點現(xiàn)有尺寸內(nèi)顯著提升信號密度。比如，使用能夠裝入壁櫥的一臺采用Virtex-7FPGA的線纜邊緣QAM的視頻點播交換機(jī)就能夠為1，000個酒店房間提供視頻點播服務(wù)。

　　消費： 賽靈思顯示目標(biāo)設(shè)計平臺采用賽靈思Kintex-7器件，配備顯示參考設(shè)計，可讓專業(yè)演播室顯示器、高端消費顯示器和新興OLED顯示器的制造商將四路1080p視頻流無縫組合為4K顯示。另外還提供支持幀速率轉(zhuǎn)換的參考設(shè)計（可從60Hz倍頻到120Hz）和可將全高清內(nèi)容放大為4K2K分辨率的縮放器/上變頻器參考設(shè)計。

　　提升廣播工程設(shè)計生產(chǎn)力

　　2012 年美國廣播電視設(shè)備展上展出的兩款目標(biāo)設(shè)計平臺和一款參考設(shè)計體現(xiàn)出賽靈思率先提升廣播工程設(shè)計生產(chǎn)力。

　　顯示目標(biāo)設(shè)計平臺（TDP）：該款用于高性能視覺系統(tǒng)開發(fā)的本綜合性平臺，由Kintex-7 FPGA硬件平臺、賽靈思聯(lián)盟計劃高級成員東京電子器件有限公司開發(fā)的ACDC 1.0基板、賽靈思視頻和圖像處理包（一種低成本售價3，000美元的SRP，含整套IP核）和三種參考設(shè)計構(gòu)成。該顯示TDP能夠?qū)?路1080i視頻流無縫組合為4K2K圖形，與此前的解決方案相比，不但提升了性能，而且還降低了功耗（見圖2）。

　　圖 2，可將四路高清輸入交錯為 4K 顯示的顯示 TDP 縮放器參考設(shè)計

　　實時視頻引擎（RTVE）：賽靈思的RTVE參考設(shè)計可讓路由器、交換機(jī)和在控制室起核心作用的多畫面處理器適應(yīng)并集成新標(biāo)準(zhǔn)，以便與DisplayPort、HDMI及Thunderbolt等消費者常用的串行視頻接口實現(xiàn)互動。在當(dāng)今瞬息萬變的生產(chǎn)環(huán)境中，RTVE還可借助IT網(wǎng)絡(luò)匯聚和傳輸視頻，實現(xiàn)快速提供。設(shè)計人員能開箱即用地設(shè)置可行的視頻系統(tǒng)，故可將更多時間用于開發(fā)特色鮮明的視頻產(chǎn)品。由于RTVE能夠運行在Kintex-7、Spartan-6和Virtex-6器件等多個硬件平臺上，并使用賽靈思LogiCORE IP核實現(xiàn)縮放器、解交錯器和OSD功能，因此設(shè)計人員可將多項功能集成到單個低成本FPGA中。該參考設(shè)計可采用雙處理流水線，支持10位/4:4：4格式，現(xiàn)在還采用基于Web的GUI，讓參考設(shè)計的控制更加簡便。

　　邊緣QAM目標(biāo)參考設(shè)計平臺：邊緣QAM TDP可加快用于有線電視、酒店視頻點播解決方案和CCAP設(shè)計的邊緣QAM解決方案的開發(fā)進(jìn)程。該TDP硬件平臺、IP核包和參考設(shè)計支持單端口設(shè)計和多端口設(shè)計使用的各類線纜（見圖3）。

　　圖 3，邊緣QAM TDP參考設(shè)計對每個/多個7系列FPGA使用多個RADX IP核集，以增大通道容量（每個RF端口1個RADX邊緣QAM核集）

　　集成Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺（EPP）實現(xiàn)將來的廣播功能

　　賽靈思將繼續(xù)采用基于Zynq-7000 EPP的硬件平臺，以采集環(huán)節(jié)為重點，增強(qiáng)ACDC功能，強(qiáng)化其在業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)地位。首款基于Zynq-7045器件的攝像機(jī)TDP預(yù)計將在2013年初發(fā)布。Zynq-7000 EPP是新系列產(chǎn)品，其將業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的ARM雙核Cortex-A9 MPCore處理系統(tǒng)與賽靈思28nm可編程邏輯完美結(jié)合在一起。這種以處理器為中心的架構(gòu)可提供一種綜合而全面的處理平臺，可為開發(fā)人員提供ASIC級的性能和功耗、FPGA的靈活性以及簡單易用的微處理器可編程功能 。