SDI芯片成HD信号传输的关键

2013-01-30 09:25:00 来源:安防知识网
技术/方案频道文章B

[摘要] 视频监控的高清浪潮一波未平、一波再起,产品规划面更需要找到可靠的技术方案支撑。纯IP监控阵营虽然像水中鱼纷纷冒出头,产品具威胁性,分食商机、扩张领域,虽不一定能闪躲,但若因此看得更明白通透,就更有把握来应付挑战。在没有谁可压倒全胜的今日,明白彼此强项弱点,便能更快切入适合生存位置。HD-SDI作为传统CCTV一种转型出路...

  IP摄影的考验往往不在传输,因为IT网通本身即是成熟领域,但画质却最容易让人诟病。至于HD-SDI监控系统的关键不只在图像,反而在于传输。 高阶感光元件与影像处理元件近乎唾手可得,但如何用对元件,维持高画质传递,确保长途不失真,就是一门学问。

  距离一拖长就感到吃力

  画面清晰、没有延迟、方便控制和远端储存管理,说起来都容易,但高清化之后就变成难题。不论高清影像是否经过压缩,非网络化的图像信号能传得多快多即时,能跑到多远距离,对全监控而言是非常严酷的考验。所以我们说高清的考验是传输,传越远就越凶险。正如我们熟悉的SDI,其规格概念不来自影像领域,而是指一种传输方式,是信号发射与接收端(Tx和Rx)的技术。

  与近几年流行的IP监控Datacom概念迥异,不透过IP网络架构,直接传输HD影像的方式,在CCTV领域迅速燃烧。

  从Gennum和Stretch主导的HDcctv联盟于2010年点火开始,HD-SDI成为安防制造重镇的显学。

  一时之间,观念更新、研发的艰辛、杀出红海的期盼,在安防HD化的过程中交织而纠结。对CCTV族群而言,HD究竟是比较容易,或者其实比较难,是不易回答的论题。包括设备相容性、影像信号的纯度、传送的距离、低延迟性要求、后端压缩效率、影像分析的效能、电力供应、控制信号、与IP网络的介接,显示播放的格式,甚至是电子物料成本本身,都已是极大考验。到底目前市面上有几种实现SDI的方案?该具备哪些相关技术?除了SDI还有哪些HD替代架构?即时影像是不是唯一要求?光纤或其他线材有没有机会?种种HD系统开发上的疑惑,我们透过Tx和Rx的探讨来跨越。

  SDI功能由不同单元组成

  现今我们在安防R&D圈中看到的SDI芯片方案,甚至包括FPGA,早在2007年就多已成型。在当时美国的传播媒体展(NAB2007)中,芯片厂针对3G-SDI(第三代序列数位介面)各自推出不少解决方案。这些公司包括Gennum(现已并入Semtech),National Semiconductor(NS,现并入德州仪器)、Altera与Xilinx等。

  其中Gennum日后发展出GV7600/GV7601芯片在安防之所以有名,除了是HDcctv的推动主力,另一方面也是率先将Tx和Rx等离散型的芯片架构整合为一的缘故。例如其发射端(Tx)的芯片就是串列器(Serializers)加上电缆驱动器(Cable Drivers),而接收端(Rx)芯片即为解串列器(Deserializers)加上电缆等化器(Equalizers),可精简摄像机和DVR的设计。

  现任Semtech亚太区业务经理许文隆就表示:“因为我们芯片的成功来自广播电视领域的肯定,因此会有许多客户的研发单位,将我们发表于安防应用的GV7600和GV7601运用在其他相关领域如电视墙、医疗内视镜及Machine Vision等。”

  事实上,例如将HDMI信号延伸至100公尺以上的转接器和Extender设备,确实都可以有不错的发挥。这相当程度注解了Semtech CANada(Gennum)芯片的品质能力。未来Semtech Canada也将陆续发表植基于现有安防应用芯片的附加功能新芯片,如由监控端透过同一条同轴电缆,向摄像机端传输控制信号、声音等资料的解决方案。

  从技术面拆解来看,SDI全名是串列数位介面,是一系列由 SMPTE(The Society of Motion Picture and Television Engineers)电影动画和电视工程师协会所定义的格式。这种SDI标准串列介面都用于传输未压缩且无延时的数码视频信号,同时能嵌入Audio音讯和Data控制码。SDI标准目前有五种,其中SMPTE-292M标准的 HD-SDI,主要用于广播级视频的数位视讯介面,它以1.485Gbit/sec传送720P及1080i的画面格式。

  此外,还有俗称为3G-SDI 采用SMPTE 424M标准规范的高解析晰电视定义格式,可提供2.970 Gbit/s为1080P的高速影像资料传输介面。

  在安防运用上,是采用HD-SDI与3G-SDI居多。而要实现这种传输架构,除了同轴缆线(包括接收端设备内) 和BNC接头, 它主要是靠几个元件共同组成。以TI(NS)推出各别芯片种类表示,包括电缆等化器(Equalizers)、电缆驱动器(Cable Drivers)、时脉重整器(Reclocker)、串列器(Serializers)、解串列器(Deserializers)、影像时序控制器(Video Timing)和其他特殊控制功能的IC等。这就表示在HD安防的SDI芯片阵营中,就粗分为整合型如Semtech(Gennum)和TI(NS)的离散式等两种典型。其余推出分离型元件,还有EqcoLogic和Mindspeed等公司。

  SDI芯片整合程度影响设计

  至于SDI芯片的另一种区分法,尤其在安防中会比较明显的,就是单路和多路的差别,主要是指高速解串列器(Deserializers)方面,是否有4路整合的情况。目前所知能够有4路的方案,大多由FPGA担纲,如Lattice、 Altera和Xilinx;即使有如韩国SiliconGear公司开出整合HD等级MUX与4路解串列器单颗芯片,其实里面仍为FPGA本质。至于何时真正能有ASIC是4路合1,或许等市场更稳定成熟,就会有些安防老牌芯片厂推出产品。特别说明,等化器(Equalizers)则不适宜作多路整合,这牵涉过于密集的电路布线与干扰等问题。

  此外,SDI包括Cable Driver和Equalizer等元件,都含有混合信号技术,在并入德州仪器(TI)以前,NS就是知名的类比芯片供应厂。而众所周知,原本TI在数位方案,包括DSP/SoC等许多方面,对于安防IP摄像机和DVR/NVR设备主控芯片端,就已具备强大的支持力道,在安防业界起指标性作用。合并NS除了让TI的整体类比芯片实力壮大,事实上对HD安防的设计方案更别具意义。

  于今年四月CompoSec(第四届全球安防电子技术论坛),德州仪器负责SDI 产品的讲员,资深应用工程师曾祥华,就已经发表前后端类比和数位芯片的整合设计,TI已能针对无压缩HD摄像机和HD-DVR提出更整体的解决方案,让新架构导入更为顺畅。

  TI(原NS)各类SDI元件配合精简FPGA,与Semtech(原Gennum)的SDI芯片在延长传输距离,简化系统设计方面,于安防应用面正延续2007年以来的竞争。

  光是细究SDI技术领域,各种透过IC半导体来实现HD传输的方式,显然已呈现多元的样貌;当然也有很多人讨论到这样的高画质信号,或许可采用HDMI或是DVI的通道,如单以HD-SDI来定义这种不压缩的高画质方案不恰当。基于信号格式传输及方便施工与替代性,以BNC这样的SDI连接器,对监控应用最有利,相对也就被大量采用,并成为HDcctv联盟极力推动的一种标准格式。

  HDcctv与长距离的考验

  目前,“HDcctv传输距离较短”是许多安防工程商常提出的问题之一,就算用同轴电缆也只能逼近150公尺, 这使得系统设备商仍须提供延长和中继设备(Repeater),其中都必须要内建Tx 和Rx ,也就是SDI芯片,如果再加上电力供应和控制信号,就容易垫高成本。

  许文隆表示:“因应安防行业的需求,特别有针对Rx改版为GV7601A,较先前的版本可多提供增加60公尺传送距离,总共可达200公尺远。”

  针对SDI传输配套方案,有些工程端已灵活运用光纤来转接,延长传输距离。这样的考虑方向,直接形成光纤材料和模组在安防的新机会点,从今年的CompoSec安防电子展上,也能观察风象。目前有些系统制造商已经开始重视这个问题,除了积极开发新的3G-SDI产品,以传输速率来增加SDI的传输距离外,同时也会选择FPGA设计架构去设计HD-SDI 的Tx芯片。[nextpage]

  例如可采用Dirac 影像压缩技术,以达到无压损失(loss less compression)的无中继传输,最远距离能达到300公尺的效能。

  同样能将不压缩原始影像信号传递达150公尺(或说同在150公尺限制内),还包括最近以色列的IC设计公司Valens Semiconductor所推动的HDbaseT方案。

  比较特别之处,是不透过HDMI传输,不像SDI一样走同轴电缆,也不是透过LVDS介面电路,而是经由一般最常见的cat5e/ cat6a网络线(LAN Cable)进行传输,也就是我们很熟悉的RJ45网络接头。目前首波推出一对Tx和Rx芯片,并声明是针对安防应用开发,可传递无压缩和高音质1080P@60fps影像,150公尺最大延迟仅10微秒。

  芯片兼容性设计

  IP高清在传输过程中需要进行压缩编码及解压等工作,数据在传输过程中,会出现丢包,网络拥堵等问题,从而导致视频画面延迟,而且IP高清存在不稳定、易死机等安全隐患,以及各个品牌产品兼容集成复杂等问题,导致市场越来越青睐于稳定性、实时性效果好的HD-SDI高清产品。

  恒业智能安防(深圳)有限公司营销中心的靳雨蓓经理表示,目前,SDI芯片虽然都可以向下兼容(1080P、1080i、720P),但从设计上除了要考虑视频数据量大以外,还要评估CPU性能,以及在并行数据处理能力方面。同时信号输出接口:包括串行器(Seralizer)、电缆驱动器CD(Cable Driver)等电路等也是需要考虑的方面。其中,串行器也称之为发送器(Transmitter),主要实现将CPU输出的10BIT/20BIT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。

  同时,HD-SDI摄像机的数字编码影像信号格式与不同厂牌HD DVR仍然存在兼容性的问题,以及HD-SDI摄像机在采用不同HDMI缆线材质时传输会出现不同程度的干扰。

  其实对于设计人员来说,他们更关心的还是芯片兼容性问题。部分半导体厂家如NS、GENNUM等不同厂家的三个不同速率的均衡器(EQ)管脚封装都是一样的,各芯片都是向下兼容的,如支持3G速率、HD-SDI等,只需更换相应的均衡器EQ型号,硬件设计与PCB都不需要做改动即可大大降低研发成本。同时也针对不同的客户需求,实现产品种类的多样化。

  再者,低成本FPGA也可满足要求,前端接收器(Receiver)集成电缆均衡器EQ、SERDES等电路,导致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。接收端具体采用哪种方案,需要综合考虑:

  1、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。

  2、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。

  HDbaseT将网络线当影音信号线

  用网络线来跑高画质影音信号当然是新鲜的,就像是我们的DVD或BD蓝光机,甚至手持装置的周边接到电视萤幕,都用网络线来当信号线的情况。网通相关技术势力的渗透力自是不容小,但是发挥在这个面向上确实少见。

  HDbaseT联盟早在2010年便已挟著电力、控制信号、网络资讯流、音讯、高画质的五合一功能,向HDMI介面下战帖,所以也可以方便将其看为走网络线的HDMI。除了ValensSemiconductor,包括LG、Samsung和Sony都是核心成员,不难感受其企图心。

  有了SDI方案的前车之鉴,如今HDbaseT对于将方案推广到安防市场更具信心。Valens的亚太区总监林浩原表示:“我们最大的竞争对手就是自己!当其他方案为了HD影像的传递效能,已全力而为之,而VS020刚刚起步,在规格面却已产生先天的优势。”

  回归安防设计的本质

  除了要选择方案,有几种关于安防的备选技术,可优先排除,避免徒增研发和应用障碍。

  首先是摄像机和储存设备间,关于TCP/IP的繁琐设定。高画质一定透过网络设备来实现吗?前端就进行影像压缩工作的影响为何?影像分析于何处用哪一种资料格式进行?

  上述的HD传输芯片供应端,已用无压缩影像的高速连结方案提出示范。然而,如果我们关心安防工程端,势必能察觉上述理想化方案,SDI传输格式列表名称标准位元率影像格式有一道新门槛:即时无压缩(RAWData)传输!要完全落实这项诉求,绝不是只更换优质线材的成本就可轻易实现。HD影像确实是安全监控的产品趋势,而且不可逆转;然而什么是HD影像呢?“不压缩”必定不是在定义内,否则我们看过的DVD、蓝光片,网络影片,甚至HD层次的网络摄像机都没资格说自己是高画质,因为这些讯源,都是经过压缩处理。

  ccHDtv用数位电视技术传安防影像

  松翰科技产品经理涂宗宪就对此表示,他相信一定有个新的设计动能,来自于HD的影像需求,并且兼顾传输和管理方便性,在布线上不用费力更改,就像目前类比摄像机和DVR之间让业界累积的直觉和信赖感;不用耗费额外中继传输的成本,适度的压缩处理也能够容许,并且对于IP网通的架构整合也带有方便性。

  也许,我们可以期待这样的安防摄影解决方案,会是新一波投入安防的IC设计产品发表重点。

  说到台厂的IC,切入HD安防提供Tx和R x最亮眼的代表,从2012年看过来,应该就是ITE联阳半导体,以及他们推动的ccHDtv架构。

  他们不但完全实现上述HD和非IP架构的描述,而且藉用他们在数位电视领域累积的经验,所提出技术本质为DVB-T的方案,即可实现用同轴电缆“串接”和“并接”等方式拉回储存端管理,确实节省了布线成本耗损。透过“多对一”和“一对多”灵活的分流管理,为HD安防领域注入鲜活的研发方向。

  也许有人发现,这样的架构在安防或许是新鲜的,然而在第四台业者、数位电视(尤其是欧洲地区)早已行之多年。而车内收看的电视频道,就是透过DVB-T无线传输。

  这意味HD无线化的可能性,也是HDcctv的架构优势。

  联阳半导体的资深行销经理赖胜中说:“无线化或许在台湾有频道管理上的考量,但若是在闭路系统中,完全就没有这层法规和安全性顾虑。”这说法蛮务实贴近安防的系统工程实况。他补充:“建置在摄像机尾端的Tx芯片,是参考各方看法和需求性,为安防开发的全新IC,盼望使台湾产业拥有坚实而创新的方案。”

  当我们本次聚焦HDcctv的HD-SDI各种芯片架构,包括FPGA、分离型、整合型芯片;参考了走上网络线的HDbaseT,并且有多工能整合优势;再回看台湾推动的ccHDtv架构,藉DVB-T的成熟技术运用于安防;很显然,安防对HD影像的需求是不言可喻,并且一直将非IP化列为其中一种必要的设计考量。

  不论我们是走在哪一种设计路线,盼望都伴随一条能开创应用形态,同时也有源源不绝技术支撑的活水泉。

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[责任编辑:郭小青]

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