采用FPGA实现广播视频基础系统设计

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)。

1. 在FPGA/结构化ASIC上实现类似ASSP的功能

随着解决方案数量的增加，Altera和合作伙伴已经可以在FPGA或结构化ASIC上提供ASSP功能。ATEME的H.264主类标准清晰度编码器产品就是一个很好的例子。通过这种产品用户可以像使用ASSP那样使用FPGA。与传统ASSP方法相比，FPGA解决方案可以快速更新，不存在过时的风险。

2. DSP设计流程

Altera公司针对定制开发提供了一个最优化的DSP设计流程，该流程允许用多种不同的方式表达设计，包括VHDL/Verilog、模型化设计和基于C语言的设计。Altera公司的视频与图像处理功能套件可以与这些设计流程选项中的任一种结合起来使用。

Altera和MathWorks合作创建了一个全面的DSP开发流程，能让设计师充分发挥MathWork公司模型化设计工具 Simulink的作用。Altera的DSP Builder是一款DSP开发工具，用于连接Simulink和Altera公司先进的Quartus II开发软件。DSP Builder提供了一个无缝的设计流程，设计师可以在MATLAB软件中做算法开发，同时在Simulink软件中做系统级设计，然后将设计输出为硬件描述语言(HDL)文件供Quartus II软件使用。DSP Builder工具与SOPC Builder工具紧密集成在一起，可以帮助用户建立集Simulink设计、Altera的嵌入式处理器和知识产权内核于一身的系统。对在使用可编程逻辑设计软件方面没有很多经验的设计人员来说这种开发流程很直观，并且容易上手。

3. 视频和图像处理套件

视频和图像处理套件由参数可以静态改变，某些情况下甚至可以动态改变的九大功能组成。采用视频与图像处理套件的一个典型视频系统如图2所示。

图2：采用视频与图像处理套件的一个典型视频系统框图

4. 视频开发套件

Altera公司有两个新的视频开发套件：一个是音视频开发套件Stratix II GX Edition，提供2个通道的复合视频输出、VGA输出口、96kHz的音频I/O、256MB的DDRII DRAM和Cyclone II器件；另外一个是视频开发套件Stratix II GX Edition，支持4通道的高清SDI、ASI、DVI、HDMI、USB、千兆以太网、1394和DDRII SDRAM。开发套件中还包含采用视频与图像处理套件、DSP Builder和SOPC Builder开发工具做的一个视频参考设计。除了这些套件外，还有多个用于视频解决方案的Altera第三方开发套件。