采用FPGA实现广播视频基础系统的设计要点

G)和ISO/IEC运动图像专家组(MPEG)开始力推MPEG4-Part 10(也称为H.264)标准。H.264可以比先前标准低得多的比特速率提供高品质的图像质量，在复杂性方面也不会有太大的提高。另外一个目标是让标准具有足够的灵活性，以适应各种应用场合(包括低比特率和高比特率以及低分辨率和高分辨率视频)，并能在各种网络和系统上良好地工作。还有另外一些压缩标准(如JPEG2000)，它们采用基于小波算法的状态技术。

视频发送

压缩后的视频可以在广播室内用ASI标准进行短距离的传送。业界的趋势是使用IP视频技术长距离发送视频数据。Altera公司提供的IP视频参考设计具有在IP网络上发送MPEG-2传输流(TS)的功能。该参考设计将一个或一个以上的压缩视频流桥接到100Mbps或1Gbps以太网上的IP包。同时，Altera还提供了ASI编码和译码参考设计。数字视频广播异步串口(DVB-ASI)是一种串行数据传输协议，用于在铜缆或光纤网络上传送MPEG-2数据包。

视频缩放和去隔行

创作室和前端设备通常需要为标清与高清之间相互转换等应用执行视频缩放和去隔行。其它应用还包括用于边缘检测处理的滤波器、垂直运动滤波器和场间运动滤波器等。

对许多专业影视室来说，最常见的要求之一是使用单个或多个显示器设备显示各种标准的SDTV或HDTV信号。利用遥控功能方便地在这些不同的视频源之间切换对创建专业、易用的系统来说至关重要，因此视频缩放和去隔行对视频切换设备/路由器(swticher/router)来说是很重要的，它能让切换设备/路由器处理不同类型的视频分辨率，方便进行视频切换、路由和本地显示。

色度空间转换和视频格式

由于广播商必须根据最终用户所处的不同地理位置提供不同的视频格式，因此广播创作室必须能够完成不同的色度空间和视频格式之间的转换。颜色一般用不同的色度空间域(color space domain)表示，每个空间域根据系统要求关联到不同的应用。颜色信息由两个独立的色度信号Cb和Cr决定，这两个信号还是第三个信号-亮度或照度信号Y的函数。RGB色度空间则由三个颜色分量-红、绿和蓝决定。当在使用不同色度空间模型的器件之间传送数据时，就需要进行色度空间转换。例如，将电视图像传送给计算机显示器，就需要将图像从YCbCr色度空间模型转换到RGB色度空间。相反，将图像从计算机显示器传送到电视机时就要求从RGB色度空间转换成YCbCr色度空间。Altera公司的色度空间转换器MegaCore功能就可以用来在各种应用场合下实现这些颜色转换。

视频和图像处理系统架构

系统架构可以选择标准单元ASIC、ASSP和可编程解决方案，如DSP或媒体处理器和FPGA。每种方法各有优缺点，最终取决于最终设备要求和解决方案的可用性。从上面讨论的趋势来看，理想架构需要具有以下一些特征：高性能、灵活性、易升级、低开发成本，以及随着应用的成熟和用量的增加，成本逐渐降低。

1. 高性能

性能不仅涉及压缩，而且与预处理和后处理功能有关。在许多实际应用中这些功能都比压缩算法本身占用更多的资源。这些功能包括缩放、去隔行、滤波和色度空间转换。广播市场对高性能的需求排除了只有处理器的架构方案，因为它们无法依靠单个器件满足性能要求。工作频率达1GHz的最先进DSP也无法完成H.264高清图像解码，而H.264高清编码的复杂度比解码要高出约10倍。FPGA是唯一可以解决这个问题的可编程解决方案。在某些情况下，最佳解决方案是FPGA和外部DSP处理器的组合。

2. 灵活性可以加快上市时间，方便升级

在技术飞速发展的同时，架构必须具有相当大的灵活性和易升级能力。由于标准单元ASIC和ASSP都没有这方面的特性，因此不能满足这种用途。通常针对批量非常大的消费类市场设计的ASSP很快会过时，因此对大多数应用来说使用ASSP的风险太大。

3. 低开发成本

算上掩模和晶圆、软件、设计验证和版图的成本，一个典型的90nm标准单元ASIC的开发成本将达到3,000万美元。只有最大批量的消费市场才能消化如此高的开发成本。在设计小批量设备时最好考虑FPGA，因为它不像ASSP那样需要固定确切的功能，即使最好的现成解决方案也存在很快过时的高风险。

Altera视频和图像处理解决方案

基于以上原因，FPGA特别适合许多视频和图像处理设备使用。Altera公司FPGA具有的以下一些特点：高性能、灵活性、低开发成本、防止过时、向低成本发展的结构化ASIC转变路径，以及Altera的视频和图像处理解决方案(包括DSP设计流程、Altera的视频和图像处理套件、接口和第三方视频压缩知识产权，以及视频参考设计)。

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