基于FPGA的無線視頻技術應用解決方案詳解

基于FPGA的無線視頻技術應用解決方案詳解數(shù)字視頻技術是當今消費市場上最令人激動的一個亮點，而無線技術能夠確保數(shù)據(jù)的加密并逐漸支持更高的數(shù)據(jù)率，因而成為不同設備之間傳輸視頻信息的理想媒介。然而這個領域標準眾多，這就使得提高產(chǎn)品的靈活性并縮短上市時間成為設計工程師面臨的主要挑戰(zhàn)。可編程邏輯解決方案內(nèi)部集成了各種標準接口，它在確保數(shù)字視頻處理和無線連接性能的同時，還能解決無線傳輸數(shù)字視頻信息面臨接口轉換問題。數(shù)字視頻技術的出現(xiàn)成為一大喜事，相關技術的開發(fā)工作如同打開“潘多拉盒子”一樣神秘。在爭先恐后的數(shù)字化浪潮中，不同地域、不同產(chǎn)業(yè)和不同供應商不斷地發(fā)明該領域的新技術，因此出現(xiàn)了眾多的標準、格式、規(guī)則、規(guī)范以及相關的派生物，這就讓設計工程師感到無所適從，系統(tǒng)設計工程師面對更多的挑戰(zhàn)。面對數(shù)字視頻中引入的技術、格式和標準，數(shù)字視頻系統(tǒng)設計人員面臨的最重要挑戰(zhàn)是產(chǎn)品設計的風險和設計復雜性。如何根據(jù)地域的差異設計產(chǎn)品?如何快速而高效地實現(xiàn)需要的所有性能?能否有效地支持一系列的配置以滿足不同市場層面的需求?系統(tǒng)設計人員的職責就是確保這一切設計目標順利實現(xiàn)。數(shù)字顯示技術給系統(tǒng)設計人員提出了一些特有的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括達到目標應用所需要的性能，面向特定技術的顯示特征校正，并且產(chǎn)生目標顯示的驅動信號。大量的計算負荷會導致性能成為數(shù)字顯示應用中面臨的最重要挑戰(zhàn)，因為首先要實現(xiàn)與信號源的高帶寬連接。信號傳送到顯示之后，需要對數(shù)據(jù)進行一系列復雜的操作，例如從一種加密傳輸?shù)母袷街薪獯a為像素映射(pixelmap)，并且為顯示進行象素映射的優(yōu)化。最后數(shù)據(jù)用于生成顯示驅動信號。更困難的是這些處理過程都必須實時實現(xiàn)，并且信息數(shù)據(jù)流的傳送速度要從大約25Mbps(流式HDTV)到1.5Gbps(原始未壓縮的1080iHDTV顯示數(shù)據(jù))。管線優(yōu)化同樣也是一個問題。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)必須適合特定的目標顯示技術的特征。這都建立在類似的色彩學原理之上，但是都具有自己獨特的、非線性的顯示行為特征。因此RGB數(shù)據(jù)(通常都是面向CRT顯示)必須進行處理才能在LCD、PDP或者其它的顯示器上顯示出可接受的顯示效果。這種處理可能簡單到就是色彩校正，也可能包括更多的算法來實現(xiàn)縮放、對比度調(diào)節(jié)、亮度控制、梯度平滑、邊緣增強和影像增強，這就需要具有足夠的處理能力。管線的后端面臨的挑戰(zhàn)在于，顯示驅動電路要對圖像數(shù)據(jù)進行處理并且物理地驅動屏幕。這一個步驟將產(chǎn)生一系列的信號并且分配去驅動每一個獨立的像素。這些驅動信號的格式隨不同的技術而改變，具有嚴格的時序要求，并且其規(guī)范對于每種型號的顯示器都是獨一無二的。在數(shù)字投影儀的例子中，傳統(tǒng)的產(chǎn)品接受模擬RGB視頻輸入，通過對數(shù)據(jù)進行適當?shù)奶幚?，然后驅動投影顯示。這通常都是通過一些模擬(藍)、數(shù)字(黑)和控制(綠)分量來實現(xiàn)，如圖1所示。隨著數(shù)字一體化的發(fā)展，新產(chǎn)品可能要支持某些格式的直接數(shù)字輸入，而且可能支持接收和顯示編碼文件格式。在這種情況下，設計人員面臨的困難選擇是支持何種輸入和格式?然后必須選擇和整合適當?shù)牟考栽谠O計中實現(xiàn)這樣的選擇，并使之滿足性能方面的要求。圖2所示為支持快速802.11WLAN連接的設計實例。工程師可能要問：如何在系統(tǒng)控制器中實現(xiàn)新的邏輯來處理新的數(shù)據(jù)??為了整合新的部件，需要什么樣的接口和信號標準?需要研發(fā)什么樣的用戶接口和控制軟件?由于802.11b、802.11a和HiperLAN2規(guī)范定義了非標準的接口，而且要求可以同數(shù)字顯示及其它的視頻產(chǎn)品之間接口，可編程邏輯自然就成為解決接口問題的理想解決方案。一般來說，可編程邏輯器件靈活、開發(fā)平臺高效，因而能夠加快開發(fā)進度。此外，F(xiàn)PGA性價比極高，因而是可行的產(chǎn)品解決方案。圖3所示為一個基于FPGA的數(shù)字一體化投影儀方案。可以看到，在A/D變換器和現(xiàn)有的系統(tǒng)控制器之間加入了一個FPGA(用栗色示意)以及相關的邏輯。在這個設計中FPGA起到I/O仲裁的作用，接受來自所有三種信號源的輸入。當這樣的連接處于有效狀態(tài)時，數(shù)字RGB只是簡單地流過。然而在USB2.0和802.11b的情況下，F(xiàn)PGA完全管理這些新的接口，并且將輸入數(shù)據(jù)流解碼為數(shù)字RGB格式。由于FPGA支持一些高速接口，所以可以靈活地選擇每一個其它的部件(存儲器和ASSP等)。FPGA也使得與未來的無線標準(比如802.11a和HiperLAN2)以及現(xiàn)有的有線接口(比如以太網(wǎng)和IEEE1394)的接口成為可能。FPGA能夠完全獨立或適當?shù)亟柚粋€ASIC或ASSP來實現(xiàn)編碼/解碼以及圖像處理(用黑色/栗色模塊來表示)等功能。FPAG也支持眾多的加密/解密標準如AES、DES、三倍DES和一些特殊的類型。目前，在流媒體文件解密方面還沒有建立牢靠的標準，業(yè)已存在的標準也因地域的差異和內(nèi)容提供商的差異而呈現(xiàn)很大的不同。用可編程器件作解密引擎能夠支持用戶現(xiàn)在以及未來的需求。作為顯示驅動電路的核心，可編程邏輯設計可以支持兩種或者更多的顯示選項。在以下方面意義重大：控制昂貴的元器件成本;支持一系列基于一個通用內(nèi)核設計的產(chǎn)品擴大市場;可以使用LVDS在電路板上(通常都可能導致穿越大量的電路板區(qū)域)來對信號布線，并且最小化系統(tǒng)級EMI以及噪聲對關鍵信號的影響。FPGA也特別適合設計獨特而有吸引力的用戶接口，它們是真正意義的GPIO，在今天激烈的市場競爭中，用戶接口成為區(qū)別于競爭對手產(chǎn)品的最有效的方式之一。FPGA為該領域的創(chuàng)新提供了最大自由。此外，可編程邏輯對于無數(shù)次的設計反復不會延誤設計進度。在整合新的和不熟悉的技術時，這可能成為它得天獨厚的優(yōu)勢。設計完成之后，產(chǎn)品就能夠迅速發(fā)布并快速投入生產(chǎn)。當出現(xiàn)不可避免的設計以及不兼容性問題時，可以快速地解決并且對現(xiàn)場配備的系統(tǒng)迅速進行升級，因而極大地降低支持和服務成本。如果用戶需求一種新的特征，一種不太一樣的性能，或者一種新的配置，借助于FPGA就可以快速且有效地實現(xiàn)。如果在生產(chǎn)過程中面臨一個系統(tǒng)元器件的供應問題，F(xiàn)PGA還可以作為備選解決方案確保產(chǎn)品及時發(fā)貨?？傊O備的便攜性、移動性以及易用性已經(jīng)成為數(shù)字視頻信息無線傳輸技術發(fā)展的動力。隨著