基于FPGA的無線視頻技術應用解決方案詳解

數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據的加密并逐漸支持更高的數據率，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?？?a target="_blank">編程邏輯解決方案內部集成了各種標準接口，它在確保數字視頻處理和無線連接性能的同時，還能解決無線傳輸數字視頻信息面臨接口轉換問題。

數字視頻技術的出現成為一大喜事，相關技術的開發工作如同打開“潘多拉盒子”一樣神秘。在爭先恐后的數字化浪潮中，不同地域、不同產業和不同供應商不斷地發明該領域的新技術，因此出現了眾多的標準、格式、規則、規范以及相關的派生物，這就讓設計工程師感到無所適從，系統設計工程師面對更多的挑戰。面對數字視頻中引入的技術、格式和標準，數字視頻系統設計人員面臨的最重要挑戰是產品設計的風險和設計復雜性。如何根據地域的差異設計產品?如何快速而高效地實現需要的所有性能?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?系統設計人員的職責就是確保這一切設計目標順利實現。

數字顯示技術給系統設計人員提出了一些特有的挑戰，這些挑戰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字顯示應用中面臨的最重要挑戰，因為首先要實現與信號源的高帶寬連接。

信號傳送到顯示之后，需要對數據進行一系列復雜的操作，例如從一種加密傳輸的格式中解碼為像素映射(pixel map)，并且為顯示進行象素映射的優化。最后數據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，并且信息數據流的傳送速度要從大約25Mbps(流式HDTV)到1.5Gbps(原始未壓縮的1080i HDTV顯示數據)。

管線優化同樣也是一個問題。數字圖像數據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數據(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縮放、對比度調節、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在于，顯示驅動電路要對圖像數據進行處理并且物理地驅動屏幕。這一個步驟將產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，并且其規范對于每種型號的顯示器都是獨一無二的。在數字投影儀的例子中，傳統的產品接受模擬RGB視頻輸入，通過對數據進行適當的處理，然后驅動投影顯示。這通常都是通過一些模擬(藍)、數字(黑)和控制(綠)分量來實現，如圖1所示。

隨著數字一體化的發展，新產品可能要支持某些格式的直接數字輸入，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的部件以在設計中實現這樣的選擇，并使之滿足性能方面的要求。圖2所示為支持快速802.11 WLAN連接的設計實例。工程師可能要問：如何在系統控制器中實現新的邏輯來處理新的數據??為了整合新的部件，需要什么樣的接口和信號標準?需要研發什么樣的用戶接口和控制軟件?

由于802.11b、802.11a和HiperLAN2規范定義了非標準的接口，而且要求可以同數字顯示及其它的視頻產品之間接口，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、開發平臺高效，因而能夠加快開發進度。此外，FPGA性價比極高，因而是可行的產品解決方案。

圖3所示為一個基于FPGA的數字一體化投影儀方案?？梢钥吹?，在A/D變換器和現有的系統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時，數字RGB只是簡單地流過。然而在USB 2.0和802.11b的情況下，FPGA完全管理這些新的接口，并且將輸入數據流解碼為數字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)以及現有的有線接口(比如以太網和IEEE1394)的接口成為可能。

FPGA能夠完全獨立或適當地借助一個ASIC或ASSP來實現編碼/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，業已存在的標準也因地域的差異和內容提供商的差異而呈現很大的不同。用可編程器件作解密引擎能夠支持用戶現在以及未來的需求。

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核設計的產品擴大市場;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域)來對信號布線，并且最小化系統級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，用戶接口成為區別于競爭對手產品的最有效的方式之一。FPGA為該領域的創新提供了最大自由。

此外，可編程邏輯對于無數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勢。設計完成之后，產品就能夠迅速發布并快速投入生產。當出現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場配備的系統迅速進行升級，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。如果在生產過程中面臨一個系統元器件的供應問題，FPGA還可以作為備選解決方案確保產品及時發貨。

總之，設備的便攜性、移動性以及易用性已經成為數字視頻信息無線傳輸技術發展的動力。隨著無線技術數據率和QoS的不斷提高，無線視頻的夢想終將化為現實。然而，在數字系統中整合各種無線接口技術時仍然存在一些設計挑戰，可編程邏輯器件通過提供到其它部件的接口、解碼/編碼、圖像處理和加密/解密功能，以及快速上市時間和設計靈活性等有時能幫助設計工程師解決面臨的問題