高清HD-SDI芯片方案选择应用与趋势分析

　　HD-SDI芯片方案及选择

　　HD-SDI的含义

　　SDI(serial digital interface)是"数字分量串行接口"，HD-SDI就是高清数字分量串行接口。HD-SDI 芯片摄像机是实时无压缩的高清广电级摄像机，是安防监控领域的又一科技进步，因为它能为监控中心提供高清晰的图像来源。实际上，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，对安全监控而言是非常严酷的考验。因此，我们说高清的考验是传输，传输越远就越凶险。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。

　　HD-SDI芯片的发送与接收端方案　　

　　SDI的功能由不同单元组成，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)，NationalSemiconductor(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(CableDrivers)，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。

　　目前，HD-SDI在发送端主要应用于摄像机等前端采集设备，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。现在，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。

　　摄像机的图像传感器，相当于人的眼睛，主要完成光学图像转换为电子图像信号。但在实际的应用场合，使用CCD图像传感器远远不能满足高速读取高清数据的需要。而CMOS图像传感器则没有CCD的“瓶颈”问题，它能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像，也能满足高清HDV的需求；并且，CMOS对抗CCD的优势在于成本低、耗电少，可以与视频处理电路同处于一个芯片上；由于CCD成像时，需AFE模拟前端将CCD图像信号数字化，并产生CCD控制时序，而CMOS型成像器件，则可直接输出数字信号，故不需要AFE模拟前端。因此，对于HD-SDI摄像机，CMOS图像传感器更加适合。从目前的市场情形来看，随着光电成像技术的发展，在专业和家用摄影、摄像器材领域中，CMOS图像传感器已可能完全替代CCD图像传感器。

　　CPU作为整个高清摄像机核心器件，相当于人的大脑与心脏，HD-SDI高清摄像机不经编码压缩，以原始数字信号，经HDMI或HD-SDI口输出。总体来说，CPU不仅具有图像处理和编码功能，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。

　　目前，“高清视频、高清音频”在安防行业的呼声很高，针对前端摄像机，越来越多的厂家倾向于采用具备高像素密度和高动态范围的产品，这就意味着数据量会越来越大，需要CPU的处理能力更强，尤其是针对并行数据处理，采用DSP/ASIC/ASSP的视频摄像机则显得“心有余，而力不足”。而 FPGA产品固有的并行性和可编程性，恰好能够为厂商提供各种性能，以满足市场的需要。目前，在所有的低成本FPGA系列中，Cylone III器件具有最大的存储逻辑比和DSP逻辑比，最适合HD-SDI摄像机等视频处理应用。

　　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，通常会带一个电缆驱动器，无需增加传送距离，也可以不用。

　　由于部分半导体厂家如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，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，从而可大大降低研发成本。

　　HD-SDI芯片的类型

　　在安防运用上，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，它主要是靠几个芯片共同组成。以TI(NS)推出的芯片种类表示，包括电缆等化器(Equalizers)、电缆驱动器(CableDrivers)、时脉重整器(Reclocker)、串列器(Serializers)、解串列器(Deserializers)、影像时序控制器(VideoTiming)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，就可粗分为如Semtech(Gennum)的整合型和TI(NS)的离散式等两种典型。其余还有EqcoLogic和Mindspeed等公司推出的分离型元件。

　　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，如Lattice、Altera和Xilinx，大多由FPGA担纲；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。特别值得指出的是，等化器(Equalizers)则不适宜作多路整合，因为它牵涉到过于密集的电路布线与干扰等问题。

　　此外，SDI包括CableDriver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。

　　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。

　　HD-SDI芯片方案及选择

　　HD-SDI芯片更好的画质，更低甚至可以忽略不计的延时，与原有模拟系统良好的兼容性等，引起了多家芯片厂商的注意，安霸、TI、海思等厂家都加入了HD-SDI芯片市场的角逐，Gennum不再是一枝独秀，从而促使HD-SDI芯片方案在结构及成本上出现差异化竞争。

　　ISP方案的推出，也让SDI摄影机厂商在组件上的选择更多，从而更好地体现了差异化。在此强调的是，我们对芯片的观察也不能停留在单一芯片上，而是整体的芯片方案，需要观察组件的搭配，以SDI摄像机来看，芯片、传感器及ISP(DSP)共同影响着其产品形式和成本。目前，市场上主要有以下4种HD-SDI芯片方案。

　　CMOS图像传感器+ISP+Encoder 方案

　　第一种方案采用专用的ISP处理芯片和编码处理，该方案较灵活，采用专用的ISP芯片稳定性好，能够保证图像的质量，但非VLDS真实高清@60fps；

　　CMOS图像传感器+(ISP+CODEC) 方案

　　第二种方案采用集成ISP的编码芯片，该方案灵活性次于第一种方案，且集成的ISP处理芯片稳定性虽高，但图像质量一般、成本较高；

　　CMOS图像传感器+FPGA方案

　　第三种方案采用FPGA等芯片实现信号处理及编码功能，该方案灵活性最强，但是稳定性差、成本最高、图像质量难于保证；

　　CMOS图像传感器+ISP+SDITx方案

　　第四种方案采用专用的ISP处理芯片和SDI发射芯片，该方案较灵活，采用专用的ISP芯片稳定性好，能够保证图像的质量，可提供高清@60fps。

　　由此可见，各种搭配都有优劣，更为优秀的画质是HD-SDI的重要亮点，从其芯片方案上也可以看到，HD-SDI中的ISP多由独立的芯片进行处理，而非集成到编解码器CODEC上。