采用以FPGA为基础的创新技术实现从广播飞跃到“超广播”

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  过去10年来,电子产业由于推出一系列令人眼花撩乱的平面电视及相关技术,也逐渐将阴极放射管电视、背投式电视乃至模拟标准信号广播技术统统扫进了积满灰尘的“古董”仓库。如今,各大公司纷纷以前所未有的发展速度不断开发出更新的TV影像技术。但是,要使客户充分获得此一快速发展技术的全部价值,需要能搭配完美合作的设备产业链,以使广播公司和电影制片厂能将采用先进技术所制作的最新节目传送到您家客厅和当地电影院,而且在不远的将来,还能传送到您的手持设备和车用系统上。
  许多在广播和电影院设备市场彼此竞争的公司很早就采用赛灵思(xilinx)FPGA做为其大多数广播设备的主要逻辑IC,从超高阶的摄影机到各种类型的摄影棚剪辑和信号传输设备都可见其身影。如今,该市场领域的设计人员也正在全面开发以FPGA为基础的设备,以使1080p广播成为主流。设计人员甚至已开始不断推出以FPGA为基础的3D电视设备,使广播公司能将具备《阿凡达》画质的电视节目从小型电视屏幕上播放出来。若密切关注该类型市场中最大市场——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运用FPGA,以期将更精彩节目带给消费者。
  
  广播101:从现场到您的屏幕
  
  赛灵思广播业务营销事业群(Broadcast SegmentMarketing 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,但知道中间需要投入多大心血的人却不多。要达到最终结果,需要牵涉到许多大量复杂的技术,屏幕背后还有许多工作要做。
  广播与电影院市场看似表面光鲜,但实际上竞争暗潮汹涌,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送至用户的最新数字电视,或者将影片传输至IMAX电影院或者用户家庭电影院屏幕的每一种设备。Runyan指出,电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,电视台也以前所未有的速度引进新技术。Runyan表示:“如果您有机会参观当地电视摄影棚或者电视网络,您就会为成堆的设备和数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。将节目传送到电视上所需要的心血和技术水准真让人叹为观止。”
  以现场新闻播报为例,播报记者在对准麦克风说话同时,眼睛会看着一台非常先进、价格昂贵的数字摄影机。这台摄影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新闻车,车上载有便携式视讯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实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送至发射塔台,或者通过卫星传送到广播新闻工作站。
  随后,该新闻工作站会使用多台同步合作设备,以便接收从现场发送的广播信号,在存储服务器上录制内容,并将信号发送至正在混合和编辑的设备上,以及控制室中的多屏幕监视器。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摄影棚中用内部摄影机录制的内容(如现场新闻的电视新闻主播报导)串连起来,并添加屏幕文字解说或者“跑马灯字幕”来完成整个事件的报导影片,最后产生主节目内容。
  广播人员随后将主节目内容发送至摄影棚的传输设备,由传输设备将节目压缩成多种编译码器(编码器/译码器)标准格式,每种标准格式都能使用特定的载体进行传输,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)。摄影棚随后通过有线及无线运营商网络广播这些已压缩的带宽,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。在消费性电子产品端,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,尤其是现场实时广播,要求大量的高带宽光纤与卫星资源,以及高效能视讯编辑和巨大的存储数组。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,而且不能丢失任何一个字节的视讯数据。高传输量、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(见图1)。
  Runyan(见图2)表示:“从现场摄影机,到新闻车上的设备、编辑摄影棚的编辑设备(透过交换机、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器,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功能。事实上,FPGA在广播市场早已取代ASIC和ASSP而成为现在位居领导地位的逻辑IC。”他表示,由于这些数量繁多的高度先进设备不仅不能负担开发ASIC的成本,同时ASSP也“不具备进入这个市场的基本硬件效能”。
  随着市场将在今后几年向1080p,3D以及移动式广播发展,电视广播设备的规范将变得更加严格,进而对基本效能,可靠性尤其是灵活性,将提出更高要求。Runyan表示,因此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,赛灵思已推出其特定设计平台(Targeted Design Platform)策略计划,为其最新推出的Virtex-6及Spartan-6系列FPGA提供支持。
  Runyan认为:“运用特定设计平台,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。我们拥有各种专门为客户量身订做的广播专用平台,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,视讯和网络连接能力、实时HD视讯处理、多信道专业编码与译码以及高速数字信号处理等。”
  
  电视广播技术最关键发展趋势:1080p
  
  作为DIS Consulting Corp(Strategy Analytics公司的广播分析合作伙伴)的CEO兼首席分析师,Douglas I.Sheer是一位在广播业界奋斗40年的资深专业人士。他认为,当今广播业界之所以发展如此迅速,原因在于很多人在过去25年里为各种标准打了大大小小、不计其数的“仗”,终于为数字电视时代的到来先铺平道路。Sheer表示:“这使企业能够开发出最新型的广播——音频和视讯,并以各种不断增长的方式将它们提供给我们。最不寻常的是IT和传统广播业界的融合,很多人使用计算机,甚至使用手持装置看节目。这就是全国广播业界协会(National Association of Broadcasters)所谓的“超广播(Broader-cast)”。
  如今,为了支持1080p分辨率、全HD和无线视讯广播,大多数电视广播公司在升级或新建摄影棚时都纷纷采用3Gbps技术。
  大约8年前,在业界中的大部分公司还在为HD发展策略争论不休时,像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,打造全数字化的 720p HDTV摄影棚。但是,也有很多其他电视广播公司抱着老旧设备不放,能拖就拖。
  Runyan表示,北美乃至世界各地的市场纷纷出现向数字化广播升级的趋势,这部分原因在于政府政策。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广播的摄影棚。
  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使用的位传输率和带宽的两倍,因为您需要两倍的数据量。”
  他说,许多人随意使用“HD”二字,并说:“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与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 HD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的消费性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变好后又有所恢复。大多数广播公司认为1080p是消费性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,广播摄影棚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业界可能对编译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,这些公司这样做的原因仅仅在于其陈旧设备已经无人提供支持。”
  例如,摄影棚会聘用几名广播质量专家来监控每道视讯的传送,观察其质量状况。在过去,这些专家一直使用超高阶的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面电视。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,到底那种平面电视——LCD、等离子(plasma)还是OLED,以及哪个牌子的平面电视最适合做摄影棚等级的监视器。”
  Runyan表示,在向1080p过渡的过程中,广播设备主要将使用最新的H.264/MPEG-4 AVC编译码器标准,但仍将支持MEPG-2及其他原有标准。H.264/MPEG-4 AVC编译码器与蓝光和超HD视讯流具有很强相关性。如同大多数新兴的视讯规范,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广播的可扩展视讯编译码器(SVC)和多视角编译码器(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,该项标准将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讯质量,这些编译码器往往处于一边使用、一边发展的状态。部分编译码器可能会有所更改,这也是为什么FPGA一直是且仍将是此一市场最佳首选的原因。采用以FPGA为基础的系统,广播公司可以根据需求的变化、随着标准演进,对应进行新功能的增加。如果某种编译码器发生变化,通常来说需要对应改变的不会只是一台设备,而是大多数。”他表示,“即便客户摄影棚中的设备早已安装到位”,赛灵思及其智财(IP)合作伙伴提供的编译码器IP产品组合也能帮助客户迅速地在其产品中增加新的编译码器功能。
  Sheer表示,1080p仅仅是3Gbps数据速率设备能够实现众多新技术成果的一种。他表示:“所有这一切的时机选择会比较关键。究竟什么时候对1080p的需求会到达巅峰,或何种格式最终会成为应用最广泛的标准,仍是悬而未决。”不过拜3Gbps设备所赐,人们也可以在移动设备和轿车中观看电视播送节目了。
  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广播电视所需设备,广播设备制造商仍不断推出可使广播公司将更精彩3D电视节目送到千万收视户的设备。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HD 3D也已问世,近年来消费者已经能在电影院中亲身体验,并将很快走入一般家庭。在今年拉斯韦加斯国际消费类电子产品展(Consumer Electronlcs Show)上,已经有多家厂商推出3D电视。有些需要观众佩戴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。他们不仅能够提供数字电视,HD电视、3D有线电视或者卫星电视套装节目,而且还可实现节目点播。您既能观赏3D电影,同时还可观看足球以及棒球比赛等现场赛事。”其实目前英国广播公司已经开始测试现场3D播报方式,并计划在2010年世界杯赛程中进行更为广泛的应用。
  Runyan表示,对于那些已经安装配备1080p摄影棚设备的广播公司,转向3D播报是一项花费心血相对较少,但却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编译码器技术和MVC,才能应对3D电视所需的多点摄制带来的带宽增加。这就意味着摄影棚设备必须能支持这一功能性和更庞大的数据传输量。
  Runyan表示:“摄影棚的设备需要更尖端的技术,至少他们需要能够同时处理两信道输入信号:一道以2D播报,以及一道以3D播报。有些情况下,广播公司会采用后置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摄影机摄制节目,这是电影制片厂沿用很多年的方式,也是詹姆士卡麦隆拍摄他旷世巨作《阿凡达》所采用的方式,然后再从影片内容中再产生2D的HD版本。”
  目前大部分这种3D技术尚未接受全面的现场检验。许多人对3D电视如果不戴眼镜,亮度是否足够,以及观众是否有兴趣天天晚上都戴着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:“人人都记得在电影院里戴着纸片形状眼镜看电影的经验,不过这一代的立体3D技术已经好很多。它也得到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。其中最重要的因素可能是它能够赶上HD的潮流。”实际上,“HD足足花了25年时间才走向成熟,不过我们认为3D花的时间要少得多,因为HD在大部分的基础架构上已经打下了基础。”
  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业界立体3D电影的3D蓝光DVD播放器。而在它们之后,就是3D电视走入千万收视户之时。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开始普遍发展,3D技术在电影院中获得广泛应用,并迅速成为主流电视技术,广播技术的发展步伐可能会放缓,因为整个业界都会停下来歇口气。但显然事实并非如此。
  Runyan表示,已经有企业展示“超HD电视”摄影机,能够拍摄令人惊艳的7.680×4.320画素分辨率的影像,这是目前HD电视分辨率的16倍。所需的位传输率如此之高,以至于现在这种摄影机每天只能拍摄20分钟影像。不过,随着电子技术的进步和编译码器的深入发展,在不久的将来,超HD电视等级的视讯质量毫无疑问会成为主流。您觉得呢?
  Runyan表示:“如果业界能够实现超HD电视的位传输率,我们的电视和电影院将会与现今技术大大不同。实际上,这种位汇流已经大到足够支持真实的全像投影。试想一下,您可以从任何角度观看全像投影的现场体育赛事。放大率至少是1080p,与我们今天在最顶尖的商品化电视上所看到的几乎一样。”
  届时,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像投影设备,当然到时候会由赛灵思FPGA来提供所需的强大动力。
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