FPGA创新技术实现广播到3D的技术进步以及下个发展趋势 - 全文

过去10年来，电子行业推出了一系列令人眼花缭乱的平板电视及相关技术，将阴极射线管电视、背投电视乃至模拟标清信号广播技术统统扫进了积满灰尘的“古董”库房。如今，众企业纷纷以前所未有的发展速度不断推出最新的电视技术。但是，要使客户充分获得这一快速发展技术的全部价值，要求配备协作良好的设备链，以使广播公司和电影制片厂能将采用高级技术制作的最新节目传输到起居室和本地影院，而且在不远的将来，还能传输到您的手持设备和汽车系统上。

在广播和影院设备领域相互竞争的企业很早就将赛灵思 FPGA 用作其大多数广播设备的主要逻辑 IC，从超高端的摄像机到各种类型的演播室编辑和信号传输设备都有它的身影。如今，该市场领域的设计人员也在全面开发基于FPGA 的设备，以使 1080p 广播成为主流。设计人员甚至已开始不断推出基于FPGA 的 3D 电视设备，使广播公司能将《阿凡达》画质的电视节目在小型电视屏幕上播放出来。若密切关注该类型市场中最大的板块——电视广播市场，您就不难发现设计人员将在整个广播设备链上充分利用 FPGA，以将更精彩的节目带给消费者。

广播101：从现场到您的屏幕

赛灵思广播业务营销部 (Broadcast Segment Marketing Group) 的市场营销经理 Ben Ruyan 认为广播市场的大致特点是：每个人都可以看见最终结果，但知道中间的投入有多大的人却不多。要实现最终的结果，需要涉及大量复杂的技术，荧屏背后有大量的工作要做。

在表面的光艳之下， 广播与影院市场实际上涌动着非常激烈的竞争暗潮，属于单位成本高而销售量又相对小的市场。参与这一市场竞争的企业需要生产可将电视信号传输至用户最新数字电视，或者将影片传输至 IMAX 影院或者用户家庭影院屏幕的每一种设备。Runyan 指出，影院市场往往充当最新广播技术的早期采用者，但是，由于对高质量广播的需求不断增长，电视台也在以前所未有的步伐引入新技术。Runyan 表示：“如果您有机会参观当地电视演播室或者电视网络，您就会为成堆的设备和成英里长的线缆惊叹不已。它们占据了天花板和墙壁之间的每一寸空间。将节目传输到电视上需要的工作量和技术水平让人叹为观止。”

以现场新闻报道为例，播音员在对准话筒说话的同时，眼睛看着一台非常先进、价格昂贵的数字摄像机。这台摄像机以有线或者无线的方式将未经压缩的语音原始信号发送至现场的新闻车，车上载有便携式视频监控和编辑设备以及无线电设备。该车上的各种设备都能够即时执行非常简单的信号压缩，然后将现场信号或者相关的磁带内容直接传输至差转台，或者通过卫星传输到广播演播室。

随后， 该演播室使用多台协作设备，以便接收从现场发回的广播信号，在存储服务器上录制内容，并将信号发送至混合和编辑设备以及控制室中的多屏幕监控器。然后，节目技术人员、编导人员和制作人员再将节目内容与其他来自外部的内容和在演播室中用内部摄像机录制的内容（如现场新闻的电视新闻主播报道）混合起来，并添加屏幕文字解说或者“跑马屏”画面来协调事件的顺序，最终生成主节目内容。

广播人员随后将主节目内容发送至演播室的传输设备，由传输设备将节目压缩成多种编解码器（编码器/解码器）标准格式，每种标准格式都能使用特定的介质进行传输，比如有线电视、卫星、地面以及有线广播（针对 IP 网络电视）或者无线广播（针对手机）。演播室随后通过有线及无线运营商网络广播这些已压缩的频带，送达您的有线电视或者卫星机顶盒、数字电视、PC 或者手持设备。在消费类电子产品端，上述系统将对信号解压缩，并进行节目播放的工作。

Runyan 表示，整个广播链，尤其是现场即时广播，要求大量的高带宽光纤与卫星资源，以及高性能视频编辑和巨大的存储阵列。设备必须具备相当高的可靠性，因为它必须 24X7 全天候不间断地工作，而且不能丢失视频数据的哪怕一个字节。高吞吐量、高灵活性以及高可靠性等所有这些要求都使 FPGA成为广播设备制造商的理想选择（图 1）。

 

 

图1 此广播链图中的每项技术都采用赛灵思 FPGA 技术

Runyan表示：“从现场的摄像机，到新闻车上的设备、编辑演播室的编辑设备（通过交换机、路由器和多屏幕监控器），以及后期编辑设备和大型视频服务器存储场，再到压缩和传输设备，赛灵思 FPGA 在整个广播链的每个环节上都发挥着非常重要的作用。事实上，FPGA在广播市场早已取代 ASIC 和 ASSP 而成为现在占统治地位的逻辑 IC。”他表示，由于这些数量繁多的高度先进的设备，不仅不能覆盖开发 ASIC 的成本，同时 ASSP 也“不具备进入这个市场的基本硬件性能”（图2）。

 

 

图2 赛灵思通过目标设计平台不断向广播技术创新者提供支持技术

随着市场将在今后几年向 1080p、3D以及移动广播发展，电视广播设备的规范将变得更加严格，从而对基本性能、可靠性尤其是灵活性，将提出更高的要求。Runyan 表示，由此 FPGA的使用也更广泛。为了有助于进一步加速创新、提高生产率，赛灵思已推出其目标设计平台 (Targeted Design Platform)战略，为其最新推出的 Virtex-6 及Spartan-6 系列 FPGA 提供支持。

具体来说，即将发布的 Virtex-6FPGA 广播连接套件将有助于设备制造商在市场上占据明显优势。

Runyan 认为：“借助目标设计平台，客户就能将更多精力集中在产品的差异化开发上，而不必完全从头开始进行系统开发。我们拥有各种专门定制的广播专用平台，能帮助企业开发具有众多优异特性的传输与调制设备，如先进的音频、视频和网络连接能力、实时高清视频处理、多通道专业编码与解码以及高速数字信号处理等。”

电视广播技术最显著的发展趋势：1080p

作为DIS Consulting Corp（Strategy Analytics公司的广播分析合作伙伴）的首席执行官兼首席分析师，Douglas I.Sheer 是一位在广播行业打拼了 40 年的资深人士。他认为，当今广播行业之所以发展如此迅速，原因在于很多人在过去 25 年里为标准打了大大小小、不计其数的“仗”，终于为数字电视时代的到来铺平了道路。Sheer 表示：“这使企业能够开发出最新型的广播 ——音频和视频，并将它们以不断增多的各种方式交付给我们。最不寻常的是IT和传统广播行业的融合，很多人使用计算机，更有甚者，使用手持终端看节目。这就是全国广播行业协会 (National Association of Broadcasters) 所谓的‘超广播(Broader-cast)’”。

如今，为了支持 1080p 分辨率、全高清和无线视频广播，大多数电视广播公司在升级或新建演播室时都纷纷采用3Gbps 技术。

大约 8 年前，就在行业中的大部分企业还在为高清发展策略争论不休的时候，诸如 ESPN 等电视广播公司，就大胆地投入数百万美元购置传输设备，建造全数字化的 720p HDTV 演播室。但是，也有很多其他电视广播公司抱着老旧设备不放，能拖多久拖多久。

Runyan 表示，北美乃至世界各地的市场纷纷出现了向数字化广播升级的趋势，这部分原因在于政府的政策。在美国，许多曾经拒绝采用 720p 技术的公司干脆跳过 720p 技术，直接构建或升级能够支持 1080p HD 广播的演播室。

Runyan 说：“这个动作可不是什么小事，就算对最早采用 720p 技术的公司来说也是如此。720p 逐行扫描格式所使用 HD 串行数字接口的数据速率约为 1.5Gps，而每秒 60 帧的1080p 图像要求的数据速率为大约 3Gbps。这是720p 使用的比特率和带宽的两倍，因为您需要两倍的数据量。”

他说，许多人随意使用“HD”二字，称：“在家电商店里，他们可能看不出电视分辨率有什么变化。不过从广播设备的先进程度来说，720p同1080p之间的差异就不可同日而语了。”

分析师 Sheer 表示，在过去 10 年中，大多数广播公司被迫朝着 HD 方向首次迈出了一大步，投入大量资金购买和安装数字传输设备，而现在，由于大多数消费者将其电视升级为价格更为合理的 1080p 高清电视，它们又得紧跟着开始购置 3Gbps 设备来支持 1080p。Sheer 表示：“这背后就像是场拔河比赛。1080p 的消费类电视市场兴起于这次衰退前，并在这次衰退中走向疲软，然后在经济形势回暖向好后又有所恢复。大多数广播公司认为1080p 是消费类电子产品市场的发展方向，所以它们现在又开始为此采购设备。”

Runyan 指出，根据 1080p 需要的数据速率，广播演播室和整个电视链的每台设备都需要更高的带宽和某种程度上的硬件编程能力，才能满足新功能所需和应对行业可能对编解码器标准进行的任何更改。

Runyan 表示：“对于大多数广播公司来说，转向 1080p 意味着巨额的资本投入。部分广播公司已经使用相同的设备长达 20 年之久，现在他们不得不转向新的设备。在某些情况下，企业这样做的原因仅仅在于其陈旧的设备已经无人提供支持。”

例如，演播室会聘用几名广播质量专家来监控每路视频的馈送，观察其质量状况。在过去，这些专家一直使用超高端的 CRT 电视机，但如今已没有人生产它们了。所以广播公司不得不转向新的平板电视。Runyan 说：“这些专家的眼睛能够分辨每个物体、每种颜色和每处阴影。他们一直争论不休的是，到底那种平板电视——LCD、等离子还是OLED，以及哪个牌子的平板电视最适合做演播室级别的监控器。”

Runyan 表示，在向 1080p 过渡的过程中，广播设备将主要使用最新的H.264/MPEG-4 AVC编解码器标准，但仍将支持 MEPG-2 及其他原有标准。H.264/MPEG-4 AVC 编解码器与蓝光和超高清视频流具有很强相关性。如同大多数新兴的视频规范，H.264/AVC 也是一种多方参与的标准。现在其基本特性已经得到全面的定义，不过这项标准还在不断演进发展出新的衍生版本，例如针对 3D 广播的可扩展视频编解码器(SVC) 和多视角编解码器 (MVC)。随着广播公司更为广泛地使用 MPEG-4，并发掘出更多能快速可靠地实现 HD 和3D 广播所需的功能性，该项标准还会获得更加稳固的发展。

Runyan 表示：“由于设备厂商会一直努力改善视频质量，这些编解码器往往处于一边使用、一边发展的状态。部分编解码器可能会有所更改，这也是为什么 FPGA 一直是且仍将是这一市场最佳之选的原因。采用基于 FPGA 的系统，广播公司可以根据需求的变化、随同标准的演进，相应进行新功能的添加。如果某种编解码器发生变化，通常来说需要相应改变的不会只是一台设备，而是大多数。”他表示，“即便客户演播室中的设备早已安装到位”，赛灵思及其知识产权(IP) 合作伙伴提供的编解码器 IP 产品组合也能帮助客户迅速地在其产品中添加新的编解码器功能。

Sheer 表示，1080p 仅仅是 3Gbps数据速率设备能够实现的众多新技术成果的一种。他表示：“所有这一切的时机选择比较关键。究竟什么时候对 1080p 的需求会到达顶峰，抑或何种格式会最终成为应用最广泛的标准，还是悬而未决的事情。”拜 3Gbps 设备所赐，人们可以在移动设备和轿车中观看广播节目了。

Sheer 表示：“今天的移动广播还不够理想，不过数据速率提高以后则可能会达到理想的水平。”看上去，随着手持设备的计算功能和连接能力不断增强，再加上消费者对在膝上型电脑和笔记本电脑上观看广播节目的需求，无线广播技术将不断发展。

下一个大市场：3D

电视除了生产 1080p 广播电视所需的设备，广播设备制造商还在不断推出可使广播公司将更精彩的 3D 电视节目带到千家万户的设备。Sheer 与 Runyan 都提到，广播公司具备 3D 节目的广播能力已有数十年之久，但画质却差强人意。现在，新一代的高清 3D 也已问世，近年来消费者已经在影院中有所体验，并将很快走入寻常巷陌。在今年的拉斯维加斯国际消费类电子产品展 (Consumer Electronics Show)上，已经有多家厂商推出了 3D 电视。有些要求观众佩戴 3D 眼镜，有些则不需要。

Runyan 表示，走向“3D 电视将使节目制作人员能够为观众提供前所未有的优质服务。他们将不仅能够提供数字电视、高清电视或 3D 有线电视或者卫星电视打包节目，而且还可实现节目点播。您既能观看 3D 电影，同时还可观看足球以及棒球比赛等的现场赛事。”实际上，英国的广播公司（访问 ）已经开始测试现场 3D 播报，并计划在 2010年世界杯赛过程中进行更为广泛的应用。

Runyan 表示，对于那些已经安装有1080p 演播室设备的广播公司，转向 3D播报是一项工作量相对较轻，但极其重要的升级工作。要进行 3D 电视信号的播报工作，业界需要采用新的 H.264 编解码器技术和 MVC，才能应对 3D 电视所需的多点摄制带来的带宽增加。这就意味着演播室设备必须支持这一功能性和更庞大的数据吞吐量。

Runyan 表示：“演播室的设备还需要更尖端的技术，至少他们需要能够同时处理两路输入信号：一条 2D 播报以及一条 3D 播报。有些情况下，广播公司会采用后期编辑设备来将常规的 2D 节目转换为 3D 节目。更为先进的方式是用 3D 摄像机摄制节目，这也是电影制片厂沿用了很多年的方式，即詹姆士卡梅隆拍摄他的旷世大片《阿凡达》采用的方式，然后从内容中生成 2D 的高清版本。”

大部分这种 3D 技术尚未接受全面的现场检验。许多人对 3D 电视如果不使用眼镜，亮度是否足够，以及观众是否有胃口天天晚上戴 3D 眼镜心存疑虑。

Sheer 认为，一旦市场决定那些行得通，那些行不通，3D 电视就会很快进行调整。他说：“人人都记得在影院里戴着卡片形状的眼镜看电影的经历，不过这一代 3D 技术，即立体的 3D 要好很多。它得到了好莱坞众多人士的支持，而且已经用在体育赛事的现场播报中了。其中最重要的因素可能是它能够赶上高清的潮流。”实际上，“高清足足花了 25 年的时间才走向成熟，我们认为 3D 花的时间要少得多，因为 HD 在很大程序上已在基础架构方面为此奠定了基础。”

就 Sheer 的观点而言，能够引领3D电视市场的将是能够播放源源不断来自电影行业的立体 3D 电影的 3D 蓝光 DVD 播放机。在它们之后，即是 3D 电视走入千家万户之时。Sheer 表示：“以 3D 方式观看现场体育赛事的诱惑实在是挡也挡不住。”

超越 1080p与3D电视

人们可能会觉得，随着 1080p 电视广播在世界各地得到普及，3D 技术在影院中获得广泛应用，并迅速成为主流的电视技术，广播技术的发展步伐可能会放缓，因为整个行业都会停下来歇口气。显然情况并非这样。

Runyan 表示，已经有企业在展示“超高清电视”摄像机，能够拍摄令人惊艳的 7,680 x 4,320 像素分辨率的影像，这也是当今高清电视分辨率的 16 倍。所需的比特率如此之高，以至于现在这种摄像机每天只能拍摄 20 分钟的影像。不过，随着电子技术的进步和编解码器的深入发展，在不久的将来，超高清电视级别的视频质量毫无疑问会成为主流。难道不会吗？

Runyan 表示：“如果行业能够实现超高清电视的比特率，我们的电视和影院将与今天大为不同。实际上，这种比特流已经大到足够支持真实的全息投影。试想一下，全息投影的现场体育赛事，您可以从任何角度观看。放大率至少是 1080p，与我们今天在最高级的商品化电视上看到的基本一样。”

到那时，我们可能也不会在电视上观看节目，而是使用一种全新的全息投影设备，当然赛灵思 FPGA 将为之提供强大动力。