視頻監(jiān)控SDI芯片將成HD信號傳輸?shù)年P(guān)鍵

視頻監(jiān)控的高清浪潮一波未平、一波再起，產(chǎn)品規(guī)劃面更需要找到可靠的技術(shù)方案支撐。純IP監(jiān)控陣營雖然像水中魚紛紛冒出頭，產(chǎn)品具威脅性，分食商機、擴張領(lǐng)域，雖不一定能閃躲，但若因此看得更明白通透，就更有把握來應(yīng)付挑戰(zhàn)。在沒有誰可壓倒全勝的今日，明白彼此強項弱點，便能更快切入適合生存位置。HD-SDI作為傳統(tǒng)CCTV一種轉(zhuǎn)型出路..

IP攝影的考驗往往不在傳輸，因為IT網(wǎng)通本身即是成熟領(lǐng)域，但畫質(zhì)卻最容易讓人詬病。至于HD-SDI監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵不只在圖像，反而在于傳輸。高階感光元件與影像處理元件近乎唾手可得，但如何用對元件，維持高畫質(zhì)傳遞，確保長途不失真，就是一門學(xué)問。

距離一拖長就感到吃力

畫面清晰、沒有延遲、方便控制和遠端儲存管理，說起來都容易，但高清化之后就變成難題。不論高清影像是否經(jīng)過壓縮，非網(wǎng)絡(luò)化的圖像信號能傳得多快多即時，能跑到多遠距離，對安全監(jiān)控而言是非常嚴酷的考驗。所以我們說高清的考驗是傳輸，傳越遠就越兇險。正如我們熟悉的SDI，其規(guī)格概念不來自影像領(lǐng)域，而是指一種傳輸方式，是信號發(fā)射與接收端(Tx和Rx)的技術(shù)。

與近幾年流行的IP監(jiān)控Datacom概念迥異，不透過IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，直接傳輸HD影像的方式，在CCTV領(lǐng)域迅速燃燒。

從Gennum和Stretch主導(dǎo)的HDcctv聯(lián)盟于2010年點火開始，HD-SDI成為安防制造重鎮(zhèn)的顯學(xué)。

一時之間，觀念更新、研發(fā)的艱辛、殺出紅海的期盼，在安防HD化的過程中交織而糾結(jié)。對CCTV族群而言，HD究竟是比較容易，或者其實比較難，是不易回答的論題。包括設(shè)備相容性、影像信號的純度、傳送的距離、低延遲性要求、后端壓縮效率、影像分析的效能、電力供應(yīng)、控制信號、與IP網(wǎng)絡(luò)的介接，顯示播放的格式，甚至是電子物料成本本身，都已是極大考驗。到底目前市面上有幾種實現(xiàn)SDI的方案?該具備哪些相關(guān)技術(shù)?除了SDI還有哪些HD替代架構(gòu)?即時影像是不是唯一要求?光纖或其他線材有沒有機會?種種HD系統(tǒng)開發(fā)上的疑惑，我們透過Tx和Rx的探討來跨越。

SDI功能由不同單元組成

現(xiàn)今我們在安防RD圈中看到的SDI芯片方案，甚至包括FPGA，早在2007年就多已成型。在當(dāng)時美國的傳播媒體展(NAB2007)中，芯片廠針對3G-SDI(第三代序列數(shù)位介面)各自推出不少解決方案。這些公司包括Gennum(現(xiàn)已并入Semtech)，NationalSemiconductor(NS，現(xiàn)并入德州儀器)、Altera與Xilinx等。

其中Gennum日后發(fā)展出GV7600/GV7601芯片在安防之所以有名，除了是HDcctv的推動主力，另一方面也是率先將Tx和Rx等離散型的芯片架構(gòu)整合為一的緣故。例如其發(fā)射端(Tx)的芯片就是串列器(Serializers)加上電纜驅(qū)動器(CableDrivers)，而接收端(Rx)芯片即為解串列器(Deserializers)加上電纜等化器(Equalizers)，可精簡攝像機和DVR的設(shè)計。

現(xiàn)任Semtech亞太區(qū)業(yè)務(wù)經(jīng)理許文隆就表示：“因為我們芯片的成功來自廣播電視領(lǐng)域的肯定，因此會有許多客戶的研發(fā)單位，將我們發(fā)表于安防應(yīng)用的GV7600和GV7601運用在其他相關(guān)領(lǐng)域如電視墻、醫(yī)療內(nèi)視鏡及MachineVision等?！?

事實上，例如將HDMI信號延伸至100公尺以上的轉(zhuǎn)接器和Extender設(shè)備，確實都可以有不錯的發(fā)揮。這相當(dāng)程度注解了SemtechCanada(Gennum)芯片的品質(zhì)能力。未來SemtechCanada也將陸續(xù)發(fā)表植基于現(xiàn)有安防應(yīng)用芯片的附加功能新芯片，如由監(jiān)控端透過同一條同軸電纜，向攝像機端傳輸控制信號、聲音等資料的解決方案。

從技術(shù)面拆解來看，SDI全名是串列數(shù)位介面，是一系列由SMPTE(TheSocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers)電影動畫和電視工程師協(xié)會所定義的格式。這種SDI標準串列介面都用于傳輸未壓縮且無延時的數(shù)碼視頻信號，同時能嵌入Audio音訊和Data控制碼。SDI標準目前有五種，其中SMPTE-292M標準的HD-SDI，主要用于廣播級視頻的數(shù)位視訊介面，它以1.485Gbit/sec傳送720P及1080i的畫面格式。

此外，還有俗稱為3G-SDI采用SMPTE424M標準規(guī)范的高解析晰電視定義格式，可提供2.970Gbit/s為1080P的高速影像資料傳輸介面。

在安防運用上，是采用HD-SDI與3G-SDI居多。而要實現(xiàn)這種傳輸架構(gòu)，除了同軸纜線(包括接收端設(shè)備內(nèi))和BNC接頭，它主要是靠幾個元件共同組成。以TI(NS)推出各別芯片種類表示，包括電纜等化器(Equalizers)、電纜驅(qū)動器(CableDrivers)、時脈重整器(Reclocker)、串列器(Serializers)、解串列器(Deserializers)、影像時序控制器(VideoTiming)和其他特殊控制功能的IC等。這就表示在HD安防的SDI芯片陣營中，就粗分為整合型如Semtech(Gennum)和TI(NS)的離散式等兩種典型。其余推出分離型元件，還有EqcoLogic和Mindspeed等公司。

SDI芯片整合程度影響設(shè)計

至于SDI芯片的另一種區(qū)分法，尤其在安防中會比較明顯的，就是單路和多路的差別，主要是指高速解串列器(Deserializers)方面，是否有4路整合的情況。目前所知能夠有4路的方案，大多由FPGA擔(dān)綱，如Lattice、Altera和Xilinx;即使有如韓國SiliconGear公司開出整合HD等級MUX與4路解串列器單顆芯片，其實里面仍為FPGA本質(zhì)。至于何時真正能有ASIC是4路合1，或許等市場更穩(wěn)定成熟，就會有些安防老牌芯片廠推出產(chǎn)品。特別說明，等化器(Equalizers)則不適宜作多路整合，這牽涉過于密集的電路布線與干擾等問題。

此外，SDI包括CableDriver和Equalizer等元件，都含有混合信號技術(shù)，在并入德州儀器(TI)以前，NS就是知名的類比芯片供應(yīng)廠。而眾所周知，原本TI在數(shù)位方案，包括DSP/SoC等許多方面，對于安防IP攝像機和DVR/NVR設(shè)備主控芯片端，就已具備強大的支持力道，在安防業(yè)界起指標性作用。合并NS除了讓TI的整體類比芯片實力壯大，事實上對HD安防的設(shè)計方案更別具意義。

于今年四月CompoSec(第四屆全球安防電子技術(shù)論壇)，德州儀器負責(zé)SDI產(chǎn)品的講員，資深應(yīng)用工程師曾祥華，就已經(jīng)發(fā)表前后端類比和數(shù)位芯片的整合設(shè)計，TI已能針對無壓縮HD攝像機和HD-DVR提出更整體的解決方案，讓新架構(gòu)導(dǎo)入更為順暢。

TI(原NS)各類SDI元件配合精簡FPGA，與Semtech(原Gennum)的SDI芯片在延長傳輸距離，簡化系統(tǒng)設(shè)計方面，于安防應(yīng)用面正延續(xù)2007年以來的競爭。

光是細究SDI技術(shù)領(lǐng)域，各種透過IC半導(dǎo)體來實現(xiàn)HD傳輸?shù)姆绞?，顯然已呈現(xiàn)多元的樣貌;當(dāng)然也有很多人討論到這樣的高畫質(zhì)信號，或許可采用HDMI或是DVI的通道，如單以HD-SDI來定義這種不壓縮的高畫質(zhì)方案不恰當(dāng)。基于信號格式傳輸及方便施工與替代性，以BNC這樣的SDI連接器，對監(jiān)控應(yīng)用最有利，相對也就被大量采用，并成為HDcctv聯(lián)盟極力推動的一種標準格式。

HDcctv與長距離的考驗

目前，“HDcctv傳輸距離較短”是許多安防工程商常提出的問題之一，就算用同軸電纜也只能逼近150公尺，這使得系統(tǒng)設(shè)備商仍須提供延長和中繼設(shè)備(Repeater)，其中都必須要內(nèi)建Tx和Rx，也就是SDI芯片，如果再加上電力供應(yīng)和控制信號，就容易墊高成本。

許文隆表示：“因應(yīng)安防行業(yè)的需求，特別有針對Rx改版為GV7601A，較先前的版本可多提供增加60公尺傳送距離，總共可達200公尺遠?！?

針對SDI傳輸配套方案，有些工程端已靈活運用光纖來轉(zhuǎn)接，延長傳輸距離。這樣的考慮方向，直接形成光纖材料和模組在安防的新機會點，從今年的CompoSec安防電子展上，也能觀察風(fēng)象。目前有些系統(tǒng)制造商已經(jīng)開始重視這個問題，除了積極開發(fā)新的3G-SDI產(chǎn)品，以傳輸速率來增加SDI的傳輸距離外，同時也會選擇FPGA設(shè)計架構(gòu)去設(shè)計HD-SDI的Tx芯片。

例如可采用Dirac影像壓縮技術(shù)，以達到無壓損失(losslesscompression)的無中繼傳輸，最遠距離能達到300公尺的效能。

同樣能將不壓縮原始影像信號傳遞達150公尺(或說同在150公尺限制內(nèi))，還包括最近以色列的IC設(shè)計公司ValensSemiconductor所推動的HDbaseT方案。

比較特別之處，是不透過HDMI傳輸，不像SDI一樣走同軸電纜，也不是透過LVDS介面電路，而是經(jīng)由一般最常見的cat5e/cat6a網(wǎng)絡(luò)線(LANCable)進行傳輸，也就是我們很熟悉的RJ45網(wǎng)絡(luò)接頭。目前首波推出一對Tx和Rx芯片，并聲明是針對安防應(yīng)用開發(fā)，可傳遞無壓縮和高音質(zhì)1080P@60fps影像，150公尺最大延遲僅10微秒。

芯片兼容性設(shè)計

IP高清在傳輸過程中需要進行壓縮編碼及解壓等工作，數(shù)據(jù)在傳輸過程中，會出現(xiàn)丟包，網(wǎng)絡(luò)擁堵等問題，從而導(dǎo)致視頻畫面延遲，而且IP高清存在不穩(wěn)定、易死機等安全隱患，以及各個品牌產(chǎn)品兼容集成復(fù)雜等問題，導(dǎo)致市場越來越青睞于穩(wěn)定性、實時性效果好的HD-SDI高清產(chǎn)品。

恒業(yè)智能安防(深圳)有限公司營銷中心的靳雨蓓經(jīng)理表示，目前，SDI芯片雖然都可以向下兼容(1080P、1080i、720P)，但從設(shè)計上除了要考慮視頻數(shù)據(jù)量大以外，還要評估CPU性能，以及在并行數(shù)據(jù)處理能力方面。同時信號輸出接口：包括串行器(Seralizer)、電纜驅(qū)動器CD(CableDriver)等電路等也是需要考慮的方面。其中，串行器也稱之為發(fā)送器(Transmitter)，主要實現(xiàn)將CPU輸出的10BIT/20BIT視頻數(shù)據(jù)按SMPTE規(guī)定的編碼標準調(diào)制成標準SDI信號發(fā)送出去。

同時，HD-SDI攝像機的數(shù)字編碼影像信號格式與不同廠牌HDDVR仍然存在兼容性的問題，以及HD-SDI攝像機在采用不同HDMI纜線材質(zhì)時傳輸會出現(xiàn)不同程度的干擾。

其實對于設(shè)計人員來說，他們更關(guān)心的還是芯片兼容性問題。部分半導(dǎo)體廠家如NS、GENNUM等不同廠家的三個不同速率的均衡器(EQ)管腳封裝都是一樣的，各芯片都是向下兼容的，如支持3G速率、HD-SDI等，只需更換相應(yīng)的均衡器EQ型號，硬件設(shè)計與PCB都不需要做改動即可大大降低研發(fā)成本。同時也針對不同的客戶需求，實現(xiàn)產(chǎn)品種類的多樣化。

再者，低成本FPGA也可滿足要求，前端接收器(Receiver)集成電纜均衡器EQ、SERDES等電路，導(dǎo)致FPGA前端器件成本增加。接收器主要作用是實現(xiàn)將SDI信號轉(zhuǎn)換成10BIT/20BIT并行數(shù)據(jù)輸出。接收端具體采用哪種方案，需要綜合考慮：

1、需要有一定的FPGA開發(fā)經(jīng)驗積累，周期難以預(yù)料，但易維護，產(chǎn)品功能容易實現(xiàn)多樣化。

2、關(guān)于SDI轉(zhuǎn)換與處理基本都是通過硬件芯片實現(xiàn)，開發(fā)周期短，可以快速將產(chǎn)品推向市場。

HDbaseT將網(wǎng)絡(luò)線當(dāng)影音信號線

用網(wǎng)絡(luò)線來跑高畫質(zhì)影音信號當(dāng)然是新鮮的，就像是我們的DVD或BD藍光機，甚至手持裝置的周邊接到電視螢?zāi)?，都用網(wǎng)絡(luò)線來當(dāng)信號線的情況。網(wǎng)通相關(guān)技術(shù)勢力的滲透力自是不容小，但是發(fā)揮在這個面向上確實少見。

HDbaseT聯(lián)盟早在2010年便已挾著電力、控制信號、網(wǎng)絡(luò)資訊流、音訊、高畫質(zhì)的五合一功能，向HDMI介面下戰(zhàn)帖，所以也可以方便將其看為走網(wǎng)絡(luò)線的HDMI。除了ValensSemiconductor，包括LG、Samsung和Sony都是核心成員，不難感受其企圖心。

有了SDI方案的前車之鑒，如今HDbaseT對于將方案推廣到安防市場更具信心。Valens的亞太區(qū)總監(jiān)林浩原表示：“我們最大的競爭對手就是自己!當(dāng)其他方案為了HD影像的傳遞效能，已全力而為之，而VS020剛剛起步，在規(guī)格面卻已產(chǎn)生先天的優(yōu)勢?！?

回歸安防設(shè)計的本質(zhì)

除了要選擇方案，有幾種關(guān)于安防的備選技術(shù)，可優(yōu)先排除，避免徒增研發(fā)和應(yīng)用障礙。

首先是攝像機和儲存設(shè)備間，關(guān)于TCP/IP的繁瑣設(shè)定。高畫質(zhì)一定透過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來實現(xiàn)嗎?前端就進行影像壓縮工作的影響為何?影像分析于何處用哪一種資料格式進行?

上述的HD傳輸芯片供應(yīng)端，已用無壓縮影像的高速連結(jié)方案提出示范。然而，如果我們關(guān)心安防工程端，勢必能察覺上述理想化方案，SDI傳輸格式列表名稱標準位元率影像格式有一道新門檻：即時無壓縮(RAWData)傳輸!要完全落實這項訴求，絕不是只更換優(yōu)質(zhì)線材的成本就可輕易實現(xiàn)。HD影像確實是安全監(jiān)控的產(chǎn)品趨勢，而且不可逆轉(zhuǎn);然而什么是HD影像呢?“不壓縮”必定不是在定義內(nèi)，否則我們看過的DVD、藍光片，網(wǎng)絡(luò)影片，甚至HD層次的網(wǎng)絡(luò)攝像機都沒資格說自己是高畫質(zhì)，因為這些訊源，都是經(jīng)過壓縮處理。

ccHDtv用數(shù)位電視技術(shù)傳安防影像

松翰科技產(chǎn)品經(jīng)理涂宗憲就對此表示，他相信一定有個新的設(shè)計動能，來自于HD的影像需求，并且兼顧傳輸和管理方便性，在布線上不用費力更改，就像目前類比攝像機和DVR之間讓業(yè)界累積的直覺和信賴感;不用耗費額外中繼傳輸?shù)某杀?，適度的壓縮處理也能夠容許，并且對于IP網(wǎng)通的架構(gòu)整合也帶有方便性。

也許，我們可以期待這樣的安防攝影解決方案，會是新一波投入安防的IC設(shè)計產(chǎn)品發(fā)表重點。

說到臺廠的IC，切入HD安防提供Tx和Rx最亮眼的代表，從2012年看過來，應(yīng)該就是ITE聯(lián)陽半導(dǎo)體，以及他們推動的ccHDtv架構(gòu)。

他們不但完全實現(xiàn)上述HD和非IP架構(gòu)的描述，而且藉用他們在數(shù)位電視領(lǐng)域累積的經(jīng)驗，所提出技術(shù)本質(zhì)為DVB-T的方案，即可實現(xiàn)用同軸電纜“串接”和“并接”等方式拉回儲存端管理，確實節(jié)省了布線成本耗損。透過“多對一”和“一對多”靈活的分流管理，為HD安防領(lǐng)域注入鮮活的研發(fā)方向。

也許有人發(fā)現(xiàn)，這樣的架構(gòu)在安防或許是新鮮的，然而在第四臺業(yè)者、數(shù)位電視(尤其是歐洲地區(qū))早已行之多年。而車內(nèi)收看的電視頻道，就是透過DVB-T無線傳輸。

這意味HD無線化的可能性，也是HDcctv的架構(gòu)優(yōu)勢。

聯(lián)陽半導(dǎo)體的資深行銷經(jīng)理賴勝中說：“無線化或許在臺灣有頻道管理上的考量，但若是在閉路系統(tǒng)中，完全就沒有這層法規(guī)和安全性顧慮?！边@說法蠻務(wù)實貼近安防的系統(tǒng)工程實況。他補充：“建置在攝像機尾端的Tx芯片，是參考各方看法和需求性，為安防開發(fā)的全新IC，盼望使臺灣產(chǎn)業(yè)擁有堅實而創(chuàng)新的方案?！?

當(dāng)我們本次聚焦HDcctv的HD-SDI各種芯片架構(gòu)，包括FPGA、分離型、整合型芯片;參考了走上網(wǎng)絡(luò)線的HDbaseT，并且有多工能整合優(yōu)勢;再回看臺灣推動的ccHDtv架構(gòu)，藉DVB-T的成熟技術(shù)運用于安防;很顯然，安防對HD影像的需求是不言可喻，并且一直將非IP化列為其中一種必要的設(shè)計考量。

不論我們是走在哪一種設(shè)計路線，盼望都伴隨一條能開創(chuàng)應(yīng)用形態(tài)，同時也有源源不絕技術(shù)支撐的活水泉。