當廣播電視台希望將類比影音內容轉換成數位音樂與影片，但又不想更換現有規模龐大的同軸傳輸纜線基礎建設之際，用來傳送未壓縮標準解析度影片的數位序列介面(SDI)協定則須隨之演進。因應現今持續攀升的螢幕解析度和相關資料率，已催生出各種新型的序列數據通訊格式。
由電影和電視工程師協會(SMPTE)規範的第一個SDI標準，稱為SMPTE 259M，該標準於1989年邁入商業化階段。甫推出時，介面使用的晶片，大多是專用標準產品(ASSP)晶片製造商提供的元件。SDI的額定資料傳輸率為270Mbit/s，足以用來傳送標準畫質電視(SDTV)解析度的內容。
在2002年，開始出現可編程邏輯閘陣列(FPGA)供應商以FPGA元件來提供此一功能。這款元件的特色包括多重Gigabit收發器(MGT)，能達到3.125Gbit/s的位元傳輸率。大約在同一時期，許多廣播製片室開始採納新的高畫質電視(HDTV)標準，同時面臨更高的螢幕解析度與更高的資料傳輸率要求。SMPTE研擬出一個名為SMPTE 292M的標準，能以序列模式傳送未壓縮的HDTV影片內容，其額定的傳輸率為1.5Gbit/s，也就是業界所稱的HD-SDI標準。
此時，FPGA業者則開始利用一顆FPGA來同時支援兩種資料傳輸率，並將多個ASSP晶片整合至FPGA中，以大幅降低這些介面的成本，特別是在視訊切換器與主控制器的設計上，這類型的元件必須同時處理多個視訊資料流。隨後，FPGA開始廣泛用於廣播設備中。
隨著HDTV產品數量持續攀升，消費者已可享受更逼真的畫面，並促使高畫質內容大量成長。現今各種高畫質接收器已達到量產化的價位，選購高畫質電視的消費者人數也持續攀高中。而廣播電視台用來傳送數位影音內容的多重速率SDI與HD-SDI參考設計方案，已日趨重要。
SMPTE組織目前也朝更高階的技術邁進，持續發布新標準，來支援需要更高頻寬的視訊格式。其中兩項最新的標準名為雙鏈路HD-SDI(SMPTE 372M)與3G-SDI(SMPTE 424M與SMPTE 425M)，兩者的總頻寬都達到3Gbit/s。
雙鏈路HD-SDI標準將兩種HD-SDI速率鏈路合併在一起，來傳送更豐富的畫素色彩資料或提供更快的更新率，通常在60Hz的漸進式掃描訊框中，能處理1,080條掃描線，超越以往30Hz的畫面更新率。一條3G-SDI標準的同軸纜線可代替兩條同軸電纜組成一個雙鏈路HD-SDI介面。
其中一種須要提高資料傳輸率的應用，就是轉移至數位資料格式的電影產業。在數位電影標準下，每個影片畫素樣本使用36位元格式的資料，而高畫質電視格式通常使用20位元的採樣資料格式。每個視訊樣本位元數的增加，伴隨著更高的螢幕解析度，促使市場提高對支援3Gbit/s速度數位介面的需求。
FPGA有助新標準功能驗證
即使是一個SMPTE標準，也能替FPGA元件的「未來標準驗證」功能創造出許多機會。3G-SDI實際上是由兩個標準來規範：SMPTE 424M與SMPTE 425M。SMPTE 424M規範了序列介面本身的實體與電氣特性；SMPTE 425M則定義如何把各種視訊格式對應到介面上，雖然它在2006年才被發表，SMPTE已著手修改SMPTE 425M來容納更多的視訊格式。
SMPTE機構已規範出10Gbit/s的新介面，並能支援更高的傳輸速度。運用FPGA元件來設計這些介面的最大優點，即是排除因標準的快速演變，造成新開發的視訊設備在尚未問世就遭受淘汰的命運。以下是幾個使用HD-SDI視訊連結標準的新應用。
使用FPGA進行CCD攝影機訊號處理
即使在光線不足的環境下，超高速、高靈敏度的廣播攝影機也能拍攝出清晰、流暢與慢動作格式的影片，因此電荷耦合元件(CCD)攝影機非常適合用來拍攝像夜間職業棒球賽等活動。這些攝影機能拍攝到肉眼難以捕捉的快速影像，要是將這些活動以慢動作鏡頭呈現在螢幕上，必能大幅增進觀眾的視覺享受。
圖1所示的CCD攝影機，使用一個FPGA元件來執行訊號同步處理、色彩處理、以及連結至CCD驅動器。CCD驅動器用來驅動CCD、機械快門控制、以及觸發器控制。類比數位資料轉換器(ADC)將輸入的視訊訊號轉換成數位格式，然後儲存在晶片外部的記憶體。當完成整個訊框的資料傳輸後，FPGA元件就會把記憶體內的資料進行同步化，再透過網路運用HD-SDI來傳輸資料。而觸發器到HD-SDI輸出端所需要的處理時間，幾乎不到1秒。FPGA元件也控制記憶體與ADC轉換器。
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| 圖1 CCD攝影機系統架構 |
透過IP網路傳送視訊
某些影片製作中心開始利用乙太網路來傳送清晰銳利的高畫質視訊資料。影像經過前置與後置處理後，以即時的速度強化影像品質，達到極低的延遲效果，之後再利用各種編碼與解碼標準(編解碼器)，透過網路進行資料傳輸。由於串流傳輸單元的大小與速度都相當高，因此資料必須進行壓縮處理。例如傳送1,920×1,080解析度、每秒三十訊框的未壓縮影片，就需要1.5Gbit/s的資料傳輸率。增加的多聲道聲音資料，讓系統需要更高的資料傳輸率。
應用最佳化的FPGA系列元件搭配嵌入式DSP模塊、晶片內部與外部的記憶體、充裕的邏輯資源，建構各種橋接功能、乙太網路、以及HD-SDI連結介面，成為開發這類系統的理想解決方案。圖2顯示，IP網路傳送視訊系統的模塊圖。FPGA元件透過HD-SDI鏈路來讀取資料，然後進行處理。像H.264編解碼器，用來執行資料壓縮作業。之後資料轉換成乙太網路封包，加入適當的表頭資訊，以利接收端進行解碼，最終利用媒體存取控制(MAC)透過乙太網路連結來傳送資料。
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| 圖2 IP網路傳送視訊系統架構 |
提升HDTV畫質監視器效能
以往，消費者僅能透過DVD光碟取得高畫質影片與多聲道音樂的資訊。隨著高畫質廣播節目逐漸普及，消費者自然開始和DVD提供的服務內容進行比較。因此觀眾會比往常更加注重影像畫質，特別在高畫質部分，勢必成為服務供應商之間一項重要的差異。畫質監視器要能以客觀與主觀模式來測試畫質，並運用各種可預測錯誤的量測方法已是現今產品必備的功能。
圖3顯示一個建置在FPGA元件中的畫質監視器。這款元件透過以SMPTE RP 198定義的各種常用測試格式來進行客觀的測試，而主觀的測試則是比較廣播訊號與當地端測試視訊的來源。FPGA元件能有效率的從不同來源處收集資料，進行前置處理後，再傳送到外部處理器進行分析作業。
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| 圖3 HDTV畫質品質監視器架構 |
實現即時HD AVC
先進影片編碼(AVC)是一種影片壓縮技巧，能以一半的位元率來傳送影片資料。AVC首先被運用在支援標準解析度的影片中，但它對高畫質服務供應商卻有更大的吸引力。AVC因為大幅改善動態補償預測流程，而替MPEG-2格式帶來極大效益。AVC讓動態預測的準確度增加了一倍，運用較小的模塊就能更精準地追蹤物體的動向，並用更多的參考訊框進行搜尋，達到理想的動態預測精準度。因此，即時的高解析度AVC視訊編碼器，僅使用MPEG-2一半的頻寬，卻能達到廣播級的影像畫質效果。
如圖4所示，FPGA系列元件執行許多密集運算的動態預測作業。這些動態預測的運算，是重複加總絕對值的差數。資料比較屬於需要重複性極高的運算與許多需要被重複使用的運算法；以處理器(CPU)為主的方案，必須把資料從快取記憶體傳送到算術邏輯單元中；採用FPGA元件的方案則能進行客製化，把所有數值儲存到暫存器的管線內。
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| 圖4 動態HD AVC處理架構 |
現今最新的高階FPGA元件，大多已擁有為數可觀的邏輯資源，並能提供媲美特定應用積體電路(ASIC)的效能。其中，有些FPGA元件更結合了所有廣播設備研發業者需要的功能，包括嵌入低功耗的3.2Gbit/s收發器，能支援SDI、HD-SDI、雙鏈路HD-SDI、3G-SDI、DVB-ASI、AES數位音樂、乙太網路以及PCI Express等各種標準；高速數位訊號處理(DSP)模塊；嵌入式處理器；乙太網路媒體存取控制；PCI Express核心；甚至影像IP核心等。
(本文作者為賽靈思行銷經理)
