高清SDI实现方案解析
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高清SDI实现方案解析
北京汉邦高科数字技术有限公司北京研发中心 钱正伟
本文将主要讨论HD-SDI在安防行业的实现技术。HD-SDI实现传输主要分发送端与接收端两部分：发送端主要针对HD-SDI摄像机，接收端主要针对HD-SDI视频采集卡、DVR等嵌入式设备。
一、 发送端，主要应用于摄像机等前端采集设备，实现流程见图1。
摄像机的CCD或CMOS图像传感器采集信号后，未经压缩的高清视频信号传输方式有模
拟和数字两种。模拟传输一般采用YPbPr分量传输，一路高清视频信号需要三根同轴线缆同时传输。数字传输一般采用DVI、HDMI或者HD-SDI传输，其中DVI或HDMI的传输距离只有几米，中间加中继放大器，最远也只有几十米左右，不适合用于监控图像的远程传输，通常被应用在演播控制室内设备间的连接和信号传输。而HD-SDI信号可以传输百米左右，并可采用CVBS同轴电缆传输，接口为常用的BNC，所以通常被应用在现场采集设备与百米内的控制设备间的信号传输连接。从2010北京安防展，我们可以看到，国内已有不少安防厂家推出了自己的SDI接口高清摄像机，可以实现1080P25高清显示。
图1 SDI发送端实现框图
下面，针对各个模块实现功能，作一简单介绍。
一）、成像器件: 包括CCD/CMOS图像传感器、AFE等器件。
CCD/CMOS图像传感器：摄像机CCD/CMOS图像传感器，相当于人的眼睛，主要完成光
学图像转换为电学信号，并输出电子图像信号。
二）、CPU，可以为FPGA、DSP、ASIC或ASSP，它作为整个高清摄像机核心器件,相当于人的心脏，HD-SDI高清摄像机不经编码压缩即以原始数字信号经HDMI或HD-SDI口输出。总体说，CPU除完成图像处理和编码功能外，还要完成高清摄像机系统控制及计算，充当整个系统的中央处理器。
在HD-SDI设计中，该CPU如何选型？FPGA OR DSP/ASIC/ASSP？哪个更好？
对于DSP/ASIC/ASSP，由于其专用性，存在有限的功能和固有的不灵活性等缺点，不允许在产品定型后，又根据市场的要求增减新功能，而不改变原有硬件基础，此时，需要对原有硬件电路进行删减，无形之中就增加了研发成本。而FPGA却能提供广泛的功能和高度的灵活性。一般来说，如果该产品预计有大的出货量、以后硬件设计基本不做大的修改，设计者更青睐于DSP/ASIC/ASSP方案；而对于那些预期有较小的出货量、硬件设计可能会随市场变化经常需要更新的产品，设计者更青睐于FPGA方案。FPGA主要完成“前端”数据预处理，降低噪声和消除像素缺陷等。Xilinx Spartan6系列,Altera Cyclone4系列,都有低成本集成SDI SerDes,只需配均衡器,线缆驱动即可满足要求。
三）、信号输出接口：包括串行器（Seralizer）、电缆驱动器CD（Cable Driver）等电
路，其中，串行器也称之为发送器（Transmitter），主要实现将CPU输出的10BIT/20BIT成像器件 CPU SDI OUT 串行器 驱动器
信号输出接口 视频数据按SMPTE规定的编码标准调制成标准SDI信号发送出去。为了增加传送距离，通常会带一个线缆驱动器CD（cable driver），也可以不用。
二、 接收端，主要应用在高清编码卡、DVR等带SDI接口的产品中。市面上，两者
针对SDI接收方案的实现方式基本是一样的，本文以HD-SDI编码卡为例介绍。
方案一、实现流程见图2。
图2 方案一
一）、自适应电缆均衡器EQ（Equalizer）
我们知道，数据传输率越高，信号完整性便越难以控制，当电缆越长时，这些问题就
越严重。SDI信号传输距离的长短主要依赖于接收端的EQ均衡器。例如国家半导体公司(NS)提供的LM0394均衡器芯片可以保证无论采用那种数据传输率，都能以最低功率将信号传送至最远的范围。若采用3Gbps（3G）的传输速度，电缆可长达200米，高清电视的电缆可长达220米，标清电视（SD）的电缆则可长达400米。
二）、时钟恢复器
时钟恢复器顾名思义，就是从接收到的数字信号中恢复时钟信号。它收到信号之后，先会消除信号中的高频抖动部分，然后输出无噪声的数据及时钟信号，或通过串行方式将信号驱动到同轴电缆的另一端。
时钟恢复器通常用于带两路以上SDI输出的设计中。
三）、FPGA：此方案FPGA需要包含高成本的SERDES处理模块，成本较高。Altera Cyclone
IV GX系列支持3G速率，包含4个SERDES模块。内置SERDES收发器的高端FPGA芯片都采用较精密的CMOS工艺技术制造，由于基底噪声较高，因此，抖动也比较多。工程师必须加设其他元器件如优质的稳压器、时钟参考电路、隔离式电源供应与地线层，以及过热保护电路以改善这个情况。但这样会令线路设计变得更为复杂，设计时间及成本也会增加。现在，针对此现象，NS、gennum等半导体公司推出了单独的串行/解串器解决方案，可以搭配低成本的FPGA芯片，所需添加的元器件也极少。具体见方案二虚线所示。
方案一对于设计人员来说，更关心的芯片兼容性问题。由于不少半导体厂家如国半NS、GENNUM等，每个厂家三个不同速率的均衡器（EQ）管脚封装是一样的，各芯片是向下兼容的，如支持3G速率的，如果想支持HD-SDI，只需更换相应的均衡器EQ型号，硬件设计与PCB都不需要做改动，有效降低了研发成本。针对不同客户需求，产品种类很容易实现多样化。
方案二、实现流程见图3。
图3 方案二
此方案低成本FPGA即可满足要求。前端接收器（Receiver）集成电缆均衡器EQ、SERDESSDI 信号 FPGA PCIE接口 时钟
恢复器 电缆均衡器(EQ)
FPGA 接收器
EQ SERDES PCIE接口
等电路，FPGA前端器件成本增加。接收器主要作用是实现将SDI信号转换成10BIT/20BIT并行数据输出。
接收端方案具体采用哪种方案，方案一还是方案二？我们真正设计产品的时候，需要综
合考虑，第二种方案，关于SDI转换与处理基本都是通过硬件芯片实现，开发周期短，可以快速将产品推向市场。第一种方案需要有一定的FPGA开发经验积累，周期难以预料，但易维护，产品功能容易实现多样化。
目前，国际上如NS,GENNUM公司针对广电行业的SDI芯片种类繁多，但价格普遍比较高，这对于安防行业来说并不太适合。广电行业与安防行业不同，安防行业出货量大，成本控制比较严格，要想在安防行业大力推广SDI标准，迫切需针对安防行业订制相关标准及解决方案。
