数字家庭视频路由器设计方案的选择

    　　(华强电子世界网讯)　不久的将来，数字家庭中会有多种数字视频的来源，同时还会有许多视频显示设备。要把不同出处、不同格式的视频传送到正确的目的地，就需要一台数字视频路由器。普通的以太网路由器处理的是数据包，而视频路由器转发的则是视频数据流。
    
    　　视频路由器可以用 PC 机或独立的设备来实现，无论采用哪种方法，这种设计都会面临几个挑战。最主要的挑战是选择一个最佳硬件平台，如选择 ASIC、FPGA 和 ASSP(专用标准处理器)，或者是三者的某种结合。其次是确定需支持的标准与格式，以及是否具备支持以后标准与格式的能力。最后一点与其它产品一样，成本、推出时间、使用便利性、外形尺寸、用户界面以及安全问题都是需要关注的因素。
    
    　　灵活性问题
    
    　　最简单的数字视频交换机只是从多个源头获得视频输入，然后将它们送到指定的目的地。它的工作原理很像以太网交换机，即只负责把数字信息从一个输入端送给另一个输出端。输入源可以是电缆机顶盒、DVD 播放机、游戏机(如 Xbox)或数码相机等。输出则可能是一台电视或 PC 显示器。
    
    　　但是，媒体世界也象网络世界一样复杂，我们必须应付各种不同的数据格式，而且可能需要根据不同的来源与目的加以处理。例如，照相机的数码格式可能与 PC 视频卡不兼容；如果想在硬盘上保存原始视频资料，就需要进行编码以减小文件的尺寸；如果打算将视频文件解压并传送到一张存储卡上，可能需要作进一步的处理。
    
    　　此外，一个简单的交换机不具备用户需要的一些高级功能，例如存储数字视频、画中画、快进或跳过广告等。一台数字视频路由器必须能满足普通用户对大多数性能的要求。
    
    
    
    　　图 1 显示的是一个数字视频路由器的简单功能块图。数字视频的输入源可以是一台 DVD 播放机、一个数字电视机顶盒、一架数码摄像机、一台 PC、一个无线安保摄像头，也可以是一块硬盘。使用的接口可以是 USB 2.0、火线(IEEE 1394)、以太网、数字视频端口，或者是 NTSC、PAL 或 SECAM 制式的模拟视频端口。数码视频格式包括 MPEG、JPEG 和 JPEG-2000 等。显示设备则包括模拟电视、平面显示器、高清晰电视和 PC 等。
    
    　　有多种方法可以实现框图中描述的功能。一种方式是做一块 PC 插卡。这样可以利用 PC 的许多现有资源，包括以太网、USB 和硬盘存储空间等。
    
    　　这种方法是一种很好的低成本实现方案，设备的输入、输出端口不多，容量、性能有限(如任何时间只允许一个活动数据源)。但是，当出现新的标准、新的视频来源以及更多的显示输出方式时，PC 卡就需要升级或者购买一块全新的卡。另外，这种产品也限制了用户采购其它硬件的可选范围。
    
    　　第二种方法是制造专门的视频设备。由于这种路由器与 PC 相独立，因此可能需要重复 PC 中已有的资源，如外设、存储和处理器等。但它会具有某些优势，如功能更多、升级简便、存储容量大，以及更好的视频处理性能等。
    
    　　三种实现方法
    
    　　对实现技术的最佳选择要依赖于多种因素的结合，包括面市时间、系统成本、市场生命周期、主要功能以及外形尺寸等。
    
    　　同许多高端消费电器一样，数字视频路由器的目标成本可能是最重要的因素。由于硅实现的效率较高，采用 ASIC 的方案一般能够提供较低的单位成本。因为晶体管使用效率高，ASIC 的成本通常只有 FPGA 成本的十分之一。即使考虑了其它成本因素，如 IP(智能知识产权)核心成本较高、设计工具比较昂贵、尺寸与设计时间的增加，以及较高的掩模费用和其它 NRE(非重发性工程)费用等，采用 ASIC 实现的路由器仍然具有明显的成本优势。
    
    　　如果所采用 ASSP 正好能满足应用所需的功能或子功能，则这种实现方式也具备成本优势。然而，由于今天的市场变化与需求变化越来越快于 ASSP 的设计周期，因此通常需要用 FPGA 或 ASIC 对 ASSP 进行扩充，以覆盖更多的功能与特性。与单纯采用 ASIC 或 FPGA 的方法相比，如果某个部分采用 ASSP 子系统设计(如工业标准的 USB、火线、PCI 或硬盘接口等)，也可以达到减少设计时间、降低 IP 成本和硅成本的目的。
    
    　　完全采用 FPGA 的实现方法可能在单位价格上是最高的，但它的优势也极具吸引力。例如，当新兴标准推出时，采用 ASIC 或 ASSP 的实现方法很难随之改变。这个问题在数字视频领域尤为突出，因为许多标准都在快速变化，很多标准联盟和技术都尚未完全定型。而采用 FPGA 实现方法时，即使用户已经在家中安装好了设备，也可以通过重新配置来支持更多的标准。甚至可以将系统设计为能够即时重新配置 FPGA，以处理不需要同时使用的各种功能。
    
    　　设计实例假定：产品定位于高端市场，要求有很高的灵活性。功能和标准是“必不可少”的，但可以用升级的方法添加。
    
    　　设计中将包括可支持所有功能的硬件；采用多种升级方式，如通过固件更新标准，或客户选择付费获得附加功能。这样，厂家可以用极具吸引力的价格销售一款入门级的产品，同时拥有了多种获得收入的方式。安装了入门级产品后，客户可以在未来为该设备增添新的功能，如购买了新的相机、平面显示器，或者是家庭安保系统后。
    
    　　如果决定把 FPGA 作为基本的实现技术，下一步就要作设计分割(partition)，即将资源分配给 FPGA 或其它支持性的标准部件。这个过程对整体设计的成功非常关键。分割方法可能对产品设计产生许多影响，如将所需功能加入 FPGA 中的能力、最终设计中布局与布线的难易，以及设计的可测试性等。对视频路由器这种目标应用而言，分割最重要的作用可能是在购买安装了产品以后，客户对产品进行功能完善和即时升级的能力。
    
    　　经验告诉我们，最先着手分割的部分应该是系统接口。一旦确定了必须的输入和输出接口并选定了适当的扩展端口后，FPGA 功能的分割就非常简单了。
    
    
    
    　　图 2 显示了一个初始分割状况，其中包括 FPGA 的主要系统接口以及标准部件功能块。注意，功能图中将已有的工业标准接口(USB、火线和视频)划分为多个标准产品，而将多数的处理与转换功能(色彩空间变换、离散余弦变换，以及反离散余弦变换等)分派给 FPGA。功能框图还确定了附加的输入输出端口，但这些端口通过简单的适配插头连接到 FPGA 上，这样，厂家可以提供新的设备接口升级，作为一种售后选择方案。
    
    　　标准接口与功能的选择决定了 FPGA 所需处理能力与尺寸大小。有一个快速简便的方法可以估算 FPGA 的尺寸要求，即建立一个主要 IP 芯核与设计所需功能表，表中包括各种功能和芯核需要的资源量。
    
    
    
    　　表 1 列出了一些可用的 IP 芯核与功能，并且提供了 FPGA 逻辑单元数量的预估值。在某些情况下，一些功能必须永驻。而另一些情况下，根据系统配置这些功能可以换入或换出。例如，如果目标产品只与用户设备的一个子集打交道，则设计就可能保留一些功能，而不需要另一些功能，如色彩空间变换。
    
    　　通过进一步的分析，可以建立一个更详细的应用功能图像，描述在估算的逻辑之上的硬件需求组合。表 1 中的附加行显示，在各个功能块之间需要附加的“缝合”逻辑，一般要多出 10%。
    
    　　验证问题
    
    　　数字视频应用很难用软件仿真方法实现独立调试，而且在这种应用中也没有实际硬件的替代品。办法是，快速构造设计的原型或快速构造设计的关键子集，从而探索各种实现选择方案，两种方法都可以对关键算法进行验证和调试。
    
    　　FPGA 开发板可以为应用的关键部分提供所需硬件。例如，Avnet 提供的 Virtex-II 开发板(图 3)带一个 6 百万门器件，足以满足许多数字视频算法的验证需求。
    
    
    
    　　另外，开发板可通过工业标准 PCI 总线或它的七个扩展插头接受扩展板。Avnet 和许多厂家还提供公共的功能与外设，如以太网、IrDA(红外线数据连接)、USB 2.0、PC Card、SDRAM、SCSI、video DAC，以及触摸显示屏等。
    
    　　还有两块插卡对设计很有用，一块是音频/视频子卡，一块是通信/内存子卡。这些卡都可以用标准插头接到开发板上，并通过开发板的 FPGA 直接进行访问。它们提供音频/视频处理、视频数模转换、USB 2.0 接口，以及额外的程序内存与图像存储等。完整的开发平台将包括：开发板、几块插卡、一块存储图像的硬盘，以及输入、输入设备样品等。
    
    　　智能路由
    
    　　数字视频路由器对 ASIC、ASSP 或 FPGA 的选择，要综合考虑成本、面市时间以及目标市场功能等多种因素。如果重要的是用现成硬件来建立原型，并且对多种结构和设计选择方案进行评估，则在设计初始阶段采用 FPGA 硬件开发平台可能是最佳方法。无论最终产品是采用 FPGA 还是 ASIC，使用开发平台都将更好地满足目标市场需求。