引言

　　DVR（Digital Video Recorder，數(shù)字視頻錄像機）由于采用硬盤進行圖像存儲處理，也被稱為硬盤錄像機。DVR采用的是數(shù)字記錄技術，在圖像處理、圖像儲存、檢索、備份、以及網(wǎng)絡傳遞、遠程控制等方面也遠遠優(yōu)于模擬監(jiān)控設備。在國內(nèi)，DVR經(jīng)過十幾年的應用和快速發(fā)展，逐步呈現(xiàn)出高清化、智能化、個性化趨勢。當然隨之而來的也是DVR價格的白熱化競爭。如何提供高清晰、高穩(wěn)定性、低層本DVR產(chǎn)品成為擺在每個DVR企業(yè)面前的首要課題。萊迪思憑借其多年的視頻領域開發(fā)、應用經(jīng)驗，提出了基于高性能、高穩(wěn)定性、低成本LatticeECP3 FPGA在多通道HD-SDI DVR應用中的低成本解決方案。本文詳細介紹了如何采用特定的FPGA （Field－Programmable Gate Array） 系列- LatticeECP3，實現(xiàn)多通道、低成本HD-SDI（High Definition Serial Digital Interface） DVR系統(tǒng)中的HD-SDI視頻數(shù)據(jù)解析、縮放、疊加、抽幀、視頻切換以及接口轉換。

　　FPGA VS 分立SDI接收芯片

　　DVR系統(tǒng)應用中，由于傳統(tǒng)的DSP （Digital Signal Processor）或者ASSP（Application Specific Standard Parts）并不能直接支持SDI接口，經(jīng)常采用分立EQ+分立SDI接收芯片完成接口轉換，再傳輸至DSP或者ASSP進行后期的視頻處理。面臨的問題就是當支持多通道HD-SDI時，布線變得非常復雜、分立器件占用PCB面積大、BOM（Bill of Material）成本提高，這將直接導致DVR產(chǎn)品成本大幅上升。由于LatticeECP3 FPGA系列具有多達16個通道的高速串行Serdes接口，并且支持擁有自主知識產(chǎn)權的三速率SDI IP（IntelligentProperty）核（標清SD-SDI、高清HD-SDI、3G-SDI）完成SDI數(shù)據(jù)的收發(fā)。對于SDI接收模塊來說，輸出的接口是標準的BT1120格式，不用任何處理即可輸出給下一級DSP芯片處理。因此，采用其中的一個低成本系列ECP3-17EA就可以取代四個分立的SDI接收芯片，完成四路HD-SDI到BT120的接口轉換，其中不需要外掛任何幀數(shù)據(jù)緩存單元。當然，客戶在實現(xiàn)四路數(shù)據(jù)直通的同時也可以選擇萊迪思提供的PCIE IP核、HDMI IP核、DVI IP核以及橋接參考設計實現(xiàn)其他輸出接口。這大大降低了BOM成本以及PCB的尺寸。同時LatticeECP3 FPGA支持128bit的AES加密功能可以更好的保護客戶的自有知識產(chǎn)權。

　　多通道低幀率HD-SDI視頻處理參考設計

　　低成本的LatticeECP3 FPGA除了提供HD-SDI IP核完成數(shù)據(jù)收、發(fā)功能以外，還支持諸如LVDS7-to-1、Sub LVDS、Mini LVDS、HDMI和DVI、MIPI等豐富的視頻處理接口。同時對于視頻處理中不可或缺的幀數(shù)據(jù)存儲提供了線速率高達800Mbps的DDR3（3rd Generation Double Data Rate）SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）接口、IP核。這些特性確保了LatticeECP3 FPGA提供了更多的靈活性，支持更多的特性，定制更多的個性化功能，為客戶需求提供快速反應，縮短開發(fā)周期使得客戶的產(chǎn)品快速走向市場。經(jīng)過大量測試的IP核、成熟的參考設計包括基于多通道的視頻縮放、多通道視頻疊加、OSD（On Screen Display）菜單定制、幀率轉換、幀率抽取以及接口轉換功能等等。簡單、低速的I2C接口完成這些特定功能、模式的配置以及切換。在下面的內(nèi)容中，我們會詳細介紹一個LatticeECP3 FPGA在八通道低幀率的HD-SDI DVR系統(tǒng)中的成功應用。

　　圖示（八通道 HD-SDI DVR架構）是一個八通道的HD-SDI系統(tǒng)，通常需要八顆獨立的SDI接收芯片、兩顆Hi3531完成視頻接收處理。這里采用兩顆LatticeECP3-17EA FPGA 加一顆Hi3531就完成了HD-SDI到BT1120的橋接功能設計。同時為了降低Hi3531的處理任務，LatticeECP3-17EA FPGA對輸入的四路HD-SDI數(shù)據(jù)進行了預處理。圖中BT1120_0、BT1120_2輸出的是四路拼接數(shù)據(jù)或者是四路數(shù)據(jù)中的某一路數(shù)據(jù)，該通道稱之為實時顯示通道，此時輸出幀率與輸入幀率是相同的，為1080p 25幀/秒或者30幀/秒。BT1120_1、BT1120_3用于錄像通道，輸出的是四路數(shù)據(jù)抽取后的數(shù)據(jù)，按照0、1、2、3、0順序排列輸出。需要注意的是輸入的每路數(shù)據(jù)為1080p 25幀/秒或者30幀/秒，四路共計100幀/秒或者120幀/秒，輸出進行了抽幀處理，只有60幀/秒。上述的預處理在不影響視頻質量的情況下，滿足系統(tǒng)需求同時無疑大大降低了Hi3531的處理任務，有效降低了板級功耗以及發(fā)熱量。

八通道HD-SDI DVR 架構

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)6月《智能工業(yè)特刊》Change The World欄目，轉載請注明出處。

　　參考設計模塊功能描述

　　讓我們以其中的一顆FPGA為例，描述參考設計中的系統(tǒng)功能模塊以及處理細節(jié)。由圖示（四通道 HD-SDI DVR 架構）我們可知，系統(tǒng)中在需要進行幀數(shù)據(jù)處理的時候外掛一顆DDR3顆粒。同時其中I2C接口完成模式配置、切換功能。

　　VDIN模塊是HD-SDI視頻輸入處理分析模塊，采用Lattice自主知識產(chǎn)權 三速率SDI IP核接收模塊完成HD-SDI數(shù)據(jù)解析，并輸送給后續(xù)FRM_BUF幀緩存模塊申請視頻幀數(shù)據(jù)緩存。這里要說明的是輸入的每一路視頻數(shù)據(jù)為了便于邏輯處理，在緩存中開辟了兩個空間進行視頻幀數(shù)據(jù)存儲，分別對應于實時輸出通道和錄像通道。即對應于八個FRM_BUF模塊。

　　Arbiter模塊完成八路幀緩存數(shù)據(jù)的寫入、讀取的多端口仲裁。同時與DDR3控制器進行信號握手工作。這里我們采用的是智能控制讀寫策略與DDR3 IP核配合，以達到最高效率，使得DDR3運行于較低主頻同時能夠滿足系統(tǒng)設計需求。

　　DDR3 IPCORE核模塊是采用Lattice自主知識產(chǎn)權DDR3控制器。這是一個全功能的DDR3存儲器控制器IP核，接口至符合行業(yè)標準的DDR3元件和DIMM（DualInlineMemoryModules）。DDR3 IP核支持8bit到72bit DQ數(shù)據(jù)位寬，最大支持到58Gbps帶寬。當然這里我們僅采用了16bit數(shù)據(jù)（DQ）位寬的DDR3顆粒且主頻運行在300Mhz。

　　FRM_GEN模塊是BT1120成幀模塊。該模塊從FRM_BUF中申請讀取視頻幀數(shù)據(jù)，按照BT1120協(xié)議格式構造幀數(shù)據(jù)并發(fā)送給Hi3531。當然為了區(qū)分四路數(shù)據(jù)中的不同通道數(shù)據(jù)，成幀模塊中對輸出數(shù)據(jù)添加了特征字以便Hi3531識別處理。

　　I2C模塊，工作于從模式。用于完成寄存器配置、模式控制。

四通道HD-SDI DVR 架構

　　參考設計要點

　　HD-SDI、DDR3的硬件設計是該系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)。Lattice提供了完備的原理圖以及PCB設計指導。嚴格遵循設計指導會獲得良好的PCB信號質量，順利推進產(chǎn)品開發(fā)進度。客戶可以從Lattice當?shù)丶夹g支持獲取必要的技術協(xié)助。

　　視頻縮放處理。這里的實時處理通道，當需要輸出四拼接畫面時，需要進行縮小處理。這里采用了適當?shù)目s小策略，在不浪費過多邏輯資源的情況下，保持了畫面高清晰度。

　　DDR3的效率是本參考設計的另外一個挑戰(zhàn)。如果在有限的DDR3帶寬資源下，最大限度的滿足設計需求，這是本參考設計所認真考慮的。比方說根據(jù)不同的視頻流提供相應的訪問權重，比方說充分利用DDR3物理特性的智能bank管理以及高效率刷新機制，這些優(yōu)化都大大提高了DDR3的訪問效率。參考設計無論是從系統(tǒng)模塊搭建，仲裁策略設計還是DDR3 IP核智能管理等方面都提供了良好的范例。

　　結論

　　隨著經(jīng)濟迅猛發(fā)展，人民生活水平不斷提高，尋常百姓的安全意識也在不斷增強，安全視頻監(jiān)控逐漸由政府機關、企事業(yè)單位迅速滲透到消費類領域。LatticeECP3 針對安防等視頻處理領域不斷加大投入。為客戶提供更多的低成本、高穩(wěn)定性接口、參考設計、IP核以及設計方案，協(xié)助客戶更快地將產(chǎn)品推向市場。

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