隨著影音播送從類比轉換到數位，在業者不想更換大量的同軸傳輸線纜基礎設施的需求下，傳輸非壓縮標準定解析度視訊的串列數位介面(Serial Digital Interface, SDI)協定出現了。而日益成長的螢幕解析度及相應的資料傳輸率，也促生了新的串列資料通訊格式，這些格式也要重複利用這些同軸線纜。
由電影和電視工程師協會(SMPTE)發佈的第一個SDI標準SMPTE 259M，於1989實現商業化實施。在它出現後，應用特定的標準產品(ASSP)晶片製造商也推出了首個用於此介面的晶片。SDI的資料傳輸速率一般為270Mbps，適合標準解析度電視(SDTV)的解析度。
在2002年，Xilinx推出了Virtex-II Pro FPGA。這種設備含有十億位元收發器(MGT)，可以3.125Gbps的位元率工作。與此同時，數位電視開始採用新的有更高螢幕解析度及速度需求的高清晰電視(HDTV)標準。SMPTE推出一個SMPTE 292M標準，支援未壓縮的HDTV視訊內容以1.5Gbps速率的串列傳輸，也稱HD-SDI。
Xilinx高級應用工程師John Snow認識到單個Virtex-II Pro MGT可支援這兩種資料速率，將多個ASSP晶片整合到單個Xilinx FPGA中，可大大降低這些介面的成本，特別是對於有多個視訊流的視訊訊號轉換開關及主控制器設計。
Snow撰寫了首個這兩種使用FPGA的介面標準應用報告。這些應用報告中包含以Verilog與VHDL源代碼中編寫的自由參考設計。這篇代碼和文件讓廣播系統工程師能輕鬆地在Virtex-II Pro FPGA中實施功能全面的SDI及HD-SDI接收器、發射器及其它相關功能，如視訊測試圖形產生器。
HDTV在大眾用戶中的接受程度正在擴大。這種技術將觀眾看到更真實的圖像，從而使HD節目內容量有所增漲。如今，HD接收器可達到大眾市場的價格水準，消費者開始更多地購買HDTV了。在數位播送時，多速率SDI與HD-SDI參考設計對於分配數位音訊及視訊內容越來越重要。
如今，SMPTE組織也並非無所事事，不斷地發佈新標準來處理需要更高頻寬的視訊格式。其中兩個最新標準為雙鏈路(Dual-link)HD-SDI (SMPTE 372M)與3G-SDI(SMPTE 424M及SMPTE 425M)，這兩種標準均可提供3Gbps的總頻寬。
雙鏈路(Dual-link)HD-SDI標準將兩個HD-SDI速率的鏈結結合到一起來，以傳輸更豐富的色彩(更多的像素色資料)或更快的更新速率，(1,080線在60-Hz逐行掃描幅速率相對於30-Hz幅速率)。兩條同軸線纜構成的一個雙鏈路(Dual-link) HD-SDI介面可以用使用3G-SDI的單同軸線纜替換。
在向數位資料方面遷移的過程中，需要更高資料速率應用的例子是電影院業務的推動。數位影院標準每個視訊取樣使用36位元的資料，而HDTV格式每取樣一般使用20位元。每個視訊取樣使用位元數的增加與更高的螢幕解析度造成了市場對以3Gbps運行的數位介面的需求。
即使是在單SMPTE標準中，也有FPGA適應未來應用的機會。3G-SDI實際上由兩個標準確定：SMPTE 424M與SMPTE 425M。SMPTE 424M定義了串列介面本身的物理與電氣功能。SMPTE 425M定義了如何將各種視訊格式映射到介面中。儘管SMPTE在2006年才發佈，已經修改SMPTE 425M以適應額外的視訊格式了。
使用HD-SDI進行視訊連接的幾種新興應用
CCD攝影機
高敏感的超高速廣播攝影機可採集清晰、流暢、慢動作的視訊，甚至在照明條件不良的條件下也能實現很好的效果。非常適合錄製比賽事件等，如在夜間舉行的專業棒球賽。這些攝影機可採集無法由清晰地用肉眼觀看到快速移動內容，如球衝擊球拍的鏡頭。以慢動作視訊播放這些事件可顯著改善觀眾的體驗。
圖1中的CCD(電荷耦合元件)攝影機用FPGA來執行訊號合成及色彩處理過程，以及與CCD驅動程式的連接。然後CCD 驅動程式再驅動CCD、機械快門控制及觸發控制等。
輸入的視訊訊號由類比數位轉換器轉換為數位格式，然後儲存在片外記憶體中。當對整個幅的資料傳輸完成時，記憶體中的資料由FPGA合成並透過使用HD-SDI的網路進行發送。從觸發器到HD-SDI輸出所需的處理時間為一秒或更短。FPGA還控制記憶體及ADC。
IP網路視訊(Video over IP)
某些視訊製作中心開始使用乙太網路在網路來傳輸清晰的HD流，圖像經過預先或後處理，以即時以較低的延遲增強圖像品質，然後透過網路使用各種編碼與解碼標準(Codec)進行傳輸。由於資料流程的體積與速率非常大，資料必須要經過壓縮處理。
例如，以30fps傳輸1,920x1,080的像素需要1.5Gbps的未壓縮速率。要添加到多通道則所需的速率更高。有嵌入式DSP模組、晶片上與晶片外記憶體的應用最佳化的FPGA、豐富的邏輯構建橋接功能，及以及網與HD-SDI連接是構建這種系統的理想方案。
圖2顯示了IP網路視訊(Video over IP)的方塊圖。FPGA讀取HD-SDI鏈路上的資料，然後對其進行處理。一個codec(如H.264)用於壓縮資料。然後資料轉換成乙太網路資料包，具有適當的包頭資訊用於在接收端解碼，最後在乙太網路上透過MAC發送出去。
HDTV圖像品質監視器
以前，消費者只能用DVD得到高品質的視訊及多通道音訊。隨著HD廣播越來越普及，其圖像效果並不亞於DVD。所以，觀眾更在意圖像品質，特別是HD的圖像效果。
圖像品質將成為服務提供商間的主要的競爭點。如今我們需要能進行客觀與主觀測試圖像品質的圖像品質監視器及可辨別的誤差測量。
圖3顯示了採用Xilinx Virtex-5 FPGA的圖像品質監視器。主觀測試使用常用的由SMPTE RP 198確定的測試圖形格式來進行。主觀測試要比較廣播輸入與本地測試視訊資源。
FPGA擷取不同來源的資料，並對其進行預處理，然後將其發送到外部處理器進行分析。
即時HD AVC
高級視訊編碼(AVC)是一種用於以一半的所需位元率提交視訊的壓縮技術。AVC最初用於標準解析度視訊中，但對於HD 服務提供商更有吸引力。這種編碼方式透過對運動補償預測處理重大的改進可實現比MPEG-2大得多的增益。
AVC將運動估計的精確度提高了一倍，使用較小的模組尺寸來對物體進行更準確地跟蹤，並有許多參考幅可用於搜索良好的運動估計匹配。因此，即時高清晰AVC視訊編碼器能以MPEG-2一半的頻寬實現廣播圖像品質。
FPGA執行計算密集的運動估計任務，如圖4所示。運動估計使用重複的絕對差求和計算來進行。資料比較的重複性較高，許多計算都可重用。基於CPU的實施要從緩存輸入運算邏輯單元，FPGA設計可以客製化來將所有的值來保持在自定義的寄存器流水線中。
FPGA有大量的邏輯單元，可提供類似ASIC級別的性能。設計師所需要的廣播設備功能包括：
•低功耗的嵌入式3.2Gbps 收發器，能支援多種標準如SDI、HD-SDI、雙鏈路(Dual-link) HD-SDI、3G-SDI、DVB-ASI、AES數字音訊、乙太網路及PCI Express。
•高速DSP 模組
•嵌入式處理器
•乙太網路MAC
•PCI Express核心
•多種 video IP核心
透過設計FPGA 產品的視訊連接應用，廣播設備製造商可以降低成本，讓其產品脫穎而出。並可降低改變標準帶來的固有風險。
作者簡介
Tim Hemken 為Xilinx Inc.,的行銷總監 www.xilinx.com。他的電子郵件是：themken@xilinx.com。
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