基于FPGA的無(wú)線視頻技術(shù)應(yīng)用解決方案詳解

數(shù)字視頻技術(shù)是當(dāng)今消費(fèi)市場(chǎng)上最令人激動(dòng)的一個(gè)亮點(diǎn)，而無(wú)線技術(shù)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(shè)備之間傳輸視頻信息的理想媒介。然而這個(gè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)眾多，這就使得提高產(chǎn)品的靈活性并縮短上市時(shí)間成為設(shè)計(jì)工程師面臨的主要挑戰(zhàn)?？?a target="_blank">編程邏輯解決方案內(nèi)部集成了各種標(biāo)準(zhǔn)接口，它在確保數(shù)字視頻處理和無(wú)線連接性能的同時(shí)，還能解決無(wú)線傳輸數(shù)字視頻信息面臨接口轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

數(shù)字視頻技術(shù)的出現(xiàn)成為一大喜事，相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作如同打開(kāi)“潘多拉盒子”一樣神秘。在爭(zhēng)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(yīng)商不斷地發(fā)明該領(lǐng)域的新技術(shù)，因此出現(xiàn)了眾多的標(biāo)準(zhǔn)、格式、規(guī)則、規(guī)范以及相關(guān)的派生物，這就讓設(shè)計(jì)工程師感到無(wú)所適從，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面對(duì)更多的挑戰(zhàn)。面對(duì)數(shù)字視頻中引入的技術(shù)、格式和標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的最重要挑戰(zhàn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。如何根據(jù)地域的差異設(shè)計(jì)產(chǎn)品?如何快速而高效地實(shí)現(xiàn)需要的所有性能?能否有效地支持一系列的配置以滿(mǎn)足不同市場(chǎng)層面的需求?系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的職責(zé)就是確保這一切設(shè)計(jì)目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字顯示技術(shù)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了一些特有的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括達(dá)到目標(biāo)應(yīng)用所需要的性能，面向特定技術(shù)的顯示特征校正，并且產(chǎn)生目標(biāo)顯示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。大量的計(jì)算負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致性能成為數(shù)字顯示應(yīng)用中面臨的最重要挑戰(zhàn)，因?yàn)槭紫纫獙?shí)現(xiàn)與信號(hào)源的高帶寬連接。

信號(hào)傳送到顯示之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列復(fù)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(pixel map)，并且為顯示進(jìn)行象素映射的優(yōu)化。最后數(shù)據(jù)用于生成顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)。更困難的是這些處理過(guò)程都必須實(shí)時(shí)實(shí)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1080i HDTV顯示數(shù)據(jù))。

管線優(yōu)化同樣也是一個(gè)問(wèn)題。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)必須適合特定的目標(biāo)顯示技術(shù)的特征。這都建立在類(lèi)似的色彩學(xué)原理之上，但是都具有自己獨(dú)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(jìn)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(jiǎn)單到就是色彩校正，也可能包括更多的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)縮放、對(duì)比度調(diào)節(jié)、亮度控制、梯度平滑、邊緣增強(qiáng)和影像增強(qiáng)，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(qū)動(dòng)電路要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并且物理地驅(qū)動(dòng)屏幕。這一個(gè)步驟將產(chǎn)生一系列的信號(hào)并且分配去驅(qū)動(dòng)每一個(gè)獨(dú)立的像素。這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)的格式隨不同的技術(shù)而改變，具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，并且其規(guī)范對(duì)于每種型號(hào)的顯示器都是獨(dú)一無(wú)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(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，然后?qū)動(dòng)投影顯示。這通常都是通過(guò)一些模擬(藍(lán))、數(shù)字(黑)和控制(綠)分量來(lái)實(shí)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(shè)計(jì)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(dāng)?shù)牟考栽谠O(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這樣的選擇，并使之滿(mǎn)足性能方面的要求。圖2所示為支持快速802.11 WLAN連接的設(shè)計(jì)實(shí)例。工程師可能要問(wèn)：如何在系統(tǒng)控制器中實(shí)現(xiàn)新的邏輯來(lái)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(hào)標(biāo)準(zhǔn)?需要研發(fā)什么樣的用戶(hù)接口和控制軟件?

由于802.11b、802.11a和HiperLAN2規(guī)范定義了非標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)題的理想解決方案。一般來(lái)說(shuō)，可編程邏輯器件靈活、開(kāi)發(fā)平臺(tái)高效，因而能夠加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度。此外，FPGA性?xún)r(jià)比極高，因而是可行的產(chǎn)品解決方案。

圖3所示為一個(gè)基于FPGA的數(shù)字一體化投影儀方案?？梢钥吹剑贏/D變換器和現(xiàn)有的系統(tǒng)控制器之間加入了一個(gè)FPGA(用栗色示意)以及相關(guān)的邏輯。在這個(gè)設(shè)計(jì)中FPGA起到I/O仲裁的作用，接受來(lái)自所有三種信號(hào)源的輸入。

當(dāng)這樣的連接處于有效狀態(tài)時(shí)，數(shù)字RGB只是簡(jiǎn)單地流過(guò)。然而在USB 2.0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(gè)其它的部件(存儲(chǔ)器和ASSP等)。FPGA也使得與未來(lái)的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)(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(dú)立或適當(dāng)?shù)亟柚粋€(gè)ASIC或ASSP來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼/解碼以及圖像處理(用黑色/栗色模塊來(lái)表示)等功能。FPAG也支持眾多的加密/解密標(biāo)準(zhǔn)如AES、DES、三倍DES和一些特殊的類(lèi)型。目前，在流媒體文件解密方面還沒(méi)有建立牢靠的標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)已存在的標(biāo)準(zhǔn)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(hù)現(xiàn)在以及未來(lái)的需求。

作為顯示驅(qū)動(dòng)電路的核心，可編程邏輯設(shè)計(jì)可以支持兩種或者更多的顯示選項(xiàng)。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(gè)通用內(nèi)核設(shè)計(jì)的產(chǎn)品擴(kuò)大市場(chǎng);可以使用LVDS在電路板上(通常都可能導(dǎo)致穿越大量的電路板區(qū)域)來(lái)對(duì)信號(hào)布線，并且最小化系統(tǒng)級(jí)EMI以及噪聲對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的影響。

FPGA也特別適合設(shè)計(jì)獨(dú)特而有吸引力的用戶(hù)接口，它們是真正意義的GPIO，在今天激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，用戶(hù)接口成為區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品的最有效的方式之一。FPGA為該領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了最大自由。

此外，可編程邏輯對(duì)于無(wú)數(shù)次的設(shè)計(jì)反復(fù)不會(huì)延誤設(shè)計(jì)進(jìn)度。在整合新的和不熟悉的技術(shù)時(shí)，這可能成為它得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)完成之后，產(chǎn)品就能夠迅速發(fā)布并快速投入生產(chǎn)。當(dāng)出現(xiàn)不可避免的設(shè)計(jì)以及不兼容性問(wèn)題時(shí)，可以快速地解決并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配備的系統(tǒng)迅速進(jìn)行升級(jí)，因而極大地降低支持和服務(wù)成本。如果用戶(hù)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(shí)現(xiàn)。如果在生產(chǎn)過(guò)程中面臨一個(gè)系統(tǒng)元器件的供應(yīng)問(wèn)題，F(xiàn)PGA還可以作為備選解決方案確保產(chǎn)品及時(shí)發(fā)貨。

總之，設(shè)備的便攜性、移動(dòng)性以及易用性已經(jīng)成為數(shù)字視頻信息無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。隨著無(wú)線技術(shù)數(shù)據(jù)率和QoS的不斷提高，無(wú)線視頻的夢(mèng)想終將化為現(xiàn)實(shí)。然而，在數(shù)字系統(tǒng)中整合各種無(wú)線接口技術(shù)時(shí)仍然存在一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，可編程邏輯器件通過(guò)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(shí)間和設(shè)計(jì)靈活性等有時(shí)能幫助設(shè)計(jì)工程師解決面臨的問(wèn)題