基于FPGA的无线视频技术应用解决方案详解

数字视频技术是当今消费市场上最令人激动的一个亮点，而无线技术能够确保数据的加密并逐渐支持更高的数据率，因而成为不同设备之间传输视频信息的理想媒介。然而这个领域标准众多，这就使得提高产品的灵活性并缩短上市时间成为设计工程师面临的主要挑战。可编程逻辑解决方案内部集成了各种标准接口，它在确保数字视频处理和无线连接性能的同时，还能解决无线传输数字视频信息面临接口转换问题。

数字视频技术的出现成为一大喜事，相关技术的开发工作如同打开“潘多拉盒子”一样神秘。在争先恐后的数字化浪潮中，不同地域、不同产业和不同供应商不断地发明该领域的新技术，因此出现了众多的标准、格式、规则、规范以及相关的派生物，这就让设计工程师感到无所适从，系统设计工程师面对更多的挑战。面对数字视频中引入的技术、格式和标准，数字视频系统设计人员面临的最重要挑战是产品设计的风险和设计复杂性。如何根据地域的差异设计产品?如何快速而高效地实现需要的所有性能?能否有效地支持一系列的配置以满足不同市场层面的需求?系统设计人员的职责就是确保这一切设计目标顺利实现。

数字显示技术给系统设计人员提出了一些特有的挑战，这些挑战包括达到目标应用所需要的性能，面向特定技术的显示特征校正，并且产生目标显示的驱动信号。大量的计算负荷会导致性能成为数字显示应用中面临的最重要挑战，因为首先要实现与信号源的高带宽连接。

信号传送到显示之后，需要对数据进行一系列复杂的操作，例如从一种加密传输的格式中解码为像素映射(pixel map)，并且为显示进行象素映射的优化。最后数据用于生成显示驱动信号。更困难的是这些处理过程都必须实时实现，并且信息数据流的传送速度要从大约25Mbps(流式HDTV)到1.5Gbps(原始未压缩的1080i HDTV显示数据)。

管线优化同样也是一个问题。数字图像数据必须适合特定的目标显示技术的特征。这都建立在类似的色彩学原理之上，但是都具有自己独特的、非线性的显示行为特征。因此RGB数据(通常都是面向CRT显示)必须进行处理才能在LCD、PDP或者其它的显示器上显示出可接受的显示效果。这种处理可能简单到就是色彩校正，也可能包括更多的算法来实现缩放、对比度调节、亮度控制、梯度平滑、边缘增强和影像增强，这就需要具有足够的处理能力。

管线的后端面临的挑战在于，显示驱动电路要对图像数据进行处理并且物理地驱动屏幕。这一个步骤将产生一系列的信号并且分配去驱动每一个独立的像素。这些驱动信号的格式随不同的技术而改变，具有严格的时序要求，并且其规范对于每种型号的显示器都是独一无二的。在数字投影仪的例子中，传统的产品接受模拟RGB视频输入，通过对数据进行适当的处理，然后驱动投影显示。这通常都是通过一些模拟(蓝)、数字(黑)和控制(绿)分量来实现，如图1所示。

随着数字一体化的发展，新产品可能要支持某些格式的直接数字输入，而且可能支持接收和显示编码文件格式。在这种情况下，设计人员面临的困难选择是支持何种输入和格式?然后必须选择和整合适当的部件以在设计中实现这样的选择，并使之满足性能方面的要求。图2所示为支持快速802.11 WLAN连接的设计实例。工程师可能要问：如何在系统控制器中实现新的逻辑来处理新的数据??为了整合新的部件，需要什么样的接口和信号标准?需要研发什么样的用户接口和控制软件?

由于802.11b、802.11a和HiperLAN2规范定义了非标准的接口，而且要求可以同数字显示及其它的视频产品之间接口，可编程逻辑自然就成为解决接口问题的理想解决方案。一般来说，可编程逻辑器件灵活、开发平台高效，因而能够加快开发进度。此外，FPGA性价比极高，因而是可行的产品解决方案。

图3所示为一个基于FPGA的数字一体化投影仪方案。可以看到，在A/D变换器和现有的系统控制器之间加入了一个FPGA(用栗色示意)以及相关的逻辑。在这个设计中FPGA起到I/O仲裁的作用，接受来自所有三种信号源的输入。

当这样的连接处于有效状态时，数字RGB只是简单地流过。然而在USB 2.0和802.11b的情况下，FPGA完全管理这些新的接口，并且将输入数据流解码为数字RGB格式。由于FPGA支持一些高速接口，所以可以灵活地选择每一个其它的部件(存储器和ASSP等)。FPGA也使得与未来的无线标准(比如802.11a和HiperLAN2)以及现有的有线接口(比如以太网和IEEE1394)的接口成为可能。

FPGA能够完全独立或适当地借助一个ASIC或ASSP来实现编码/解码以及图像处理(用黑色/栗色模块来表示)等功能。FPAG也支持众多的加密/解密标准如AES、DES、三倍DES和一些特殊的类型。目前，在流媒体文件解密方面还没有建立牢靠的标准，业已存在的标准也因地域的差异和内容提供商的差异而呈现很大的不同。用可编程器件作解密引擎能够支持用户现在以及未来的需求。

作为显示驱动电路的核心，可编程逻辑设计可以支持两种或者更多的显示选项。在以下方面意义重大：控制昂贵的元器件成本;支持一系列基于一个通用内核设计的产品扩大市场;可以使用LVDS在电路板上(通常都可能导致穿越大量的电路板区域)来对信号布线，并且最小化系统级EMI以及噪声对关键信号的影响。

FPGA也特别适合设计独特而有吸引力的用户接口，它们是真正意义的GPIO，在今天激烈的市场竞争中，用户接口成为区别于竞争对手产品的最有效的方式之一。FPGA为该领域的创新提供了最大自由。

此外，可编程逻辑对于无数次的设计反复不会延误设计进度。在整合新的和不熟悉的技术时，这可能成为它得天独厚的优势。设计完成之后，产品就能够迅速发布并快速投入生产。当出现不可避免的设计以及不兼容性问题时，可以快速地解决并且对现场配备的系统迅速进行升级，因而极大地降低支持和服务成本。如果用户需求一种新的特征，一种不太一样的性能，或者一种新的配置，借助于FPGA就可以快速且有效地实现。如果在生产过程中面临一个系统元器件的供应问题，FPGA还可以作为备选解决方案确保产品及时发货。

总之，设备的便携性、移动性以及易用性已经成为数字视频信息无线传输技术发展的动力。随着无线技术数据率和QoS的不断提高，无线视频的梦想终将化为现实。然而，在数字系统中整合各种无线接口技术时仍然存在一些设计挑战，可编程逻辑器件通过提供到其它部件的接口、解码/编码、图像处理和加密/解密功能，以及快速上市时间和设计灵活性等有时能帮助设计工程师解决面临的问题