基于AVT技术的数字同轴高清视频传输解决方案

文/天津瑞发科半导体技术有限公司

高清双雄的崛起

说数字高清不能不提HD-SDI，在模拟监控一统江湖的时代，这个从广电领域跨界而来的高端技术可以实时传输最高1080P@60fps的高清视频，而且就画质和实时性而言，SDI设备具有即使是当今大红大紫的IPC和模拟高清也无法撼动的优势。然而高昂的设备和互联成本，严重限制了它的市场规模和普及程度，除了一些特定行业市场，主流市场上仍很少见到。

HD-SDI在安防市场的不温不火，让很多此前看好它的企业纷纷放弃，并转向了IPC。其实SDI刚兴起时，关于IPC和SDI谁更有前景的讨论，就有两种不同的声音。但双方似乎都认为，模拟视频设备在未来很长一段时间内依旧是市场主流。然而2013年以来，IPC迎来了爆炸式的增长，高清晰画质，集成且配套化的系统组成，智能技术的应用，不仅是IPC战胜模拟方案的法宝，也代表了当今安防市场对视频监控基本功能的需求。

与此同时，模拟高清也悄悄登陆市场并开始扩张势力，虽然图像效果和系统管理等方面弱于IPC，但便捷且传统的安装方式，对旧有模拟传输方式的兼容等优势，以及相对低廉的价格，极大地降低了工程成本。2014年，模拟高清相机的出货量从2013年的100万台增至400万台，虽然这个数字，让模拟高清与IPC并称“双雄”还很牵强，但事实上，很多人对模拟高清在2015年的表现还是充满期待的。

数字高清的逆袭

HD-SDI被市场边缘化，并不代表数字高清方案的没落。2014年，笔者公司首创了基于AVT(Advanced Video Transport)技术的数字同轴高清视频传输解决方案，并在2014年底的北京安博会上成功展示，受到各大安防厂商与产业链合作伙伴的极大关注。该方案实现了高清视频远距离实时传输，并全面支持720P和1080P(60fps max)的视频格式。不仅兼容现有的HD-SDI与HDCCTV 1.0行业标准，而且非常易于未来产品的升级换代，包括对4K×2K超高清视频的支持。

AVT技术具有全数字架构和数字信号传输的优点。为了克服由于数字信号在传输线缆上的衰减所带来的传输距离上的限制，AVT技术采用了新一代数字视频压缩算法。这种算法比标准的VC-2 LD压缩算法更为有效。而且，视频延迟极小(小于一帧图像周期)，人眼完全察觉不到，可以认为就是实时的。不仅如此，创新的速率自适应传输技术，根据传输的距离和信号的衰减，传输芯片可以自适应调整数字压缩比例，以达到最佳的视频图像效果。因此，高清视频传输不再受外部环境的影响，而且也利于未来产品的升级换代。

基于AVT技术，设计了发射器芯片NS2520和双路接收器芯片NS2521。 NS2520作为对摄像机ISP输出的并行信号进行串行编码的芯片，视频输入接口兼容10/20bit位宽，且具BT656/1120、CEA-861、CPI、DVP等多种视频格式，最大支持1080P@30fps，同时支持SPDIF/I2S音频嵌入;NS2521作为解码芯片与NS2520配对使用，不仅全面支持上述格式，而且可同时接收两路NS2520。为了满足高端市场的需求，同时设计了发射器芯片NS2530和双路接收器芯片NS2531，最大支持1080P60fps的视频格式。此外，上述方案均可工作于非压缩模式，兼容HD-SDI格式视频输入输出，上述芯片主要技术参数见表1。

表1 各型芯片视频输入输出参数表

NS2520/2530芯片，采用QFN50封装，尺寸为7×5.5mm;NS2521/2531芯片采用QFN68封装，尺寸为8×8mm，芯片面积很小，方便用户布板。视频接口HBM±8KV，不需要外接ESD器件;而且支持1.8/2.7/3.3V等多种接口电压，可与图像信号处理器及视频编解码芯片无缝对接。芯片集成高性能信号发送电路及接收均衡与时钟恢复电路，无需外接视频信号放大器或均衡器。

此外笔者公司还为NS2520/2530方案设计了一款配套的集成电源PMU芯片NS3501，封装是QFN 4×4mm大小，提供了2个DC-DC和3个LDO输出，单芯片解决了高清摄像头的供电问题，并集成了IR-CUT切换控制器。此集成PMU芯片NS3501也可通用于各种标准的高清摄像头，如IPC、WiFi CAM、CVI/TVI/AHD CAM等，是安防摄像头业界推出的第一款集成PMU产品，可帮助客户提高集成度，降低硬件设计复杂度和系统成本，迎合了安防摄像头PCB尺寸从38mm到32mm小型化的趋势要求，尤其适合更追求小型化的车载安防，运动DV, 无人机DV等新兴市场。

综上所述，在芯片设计时，充分考虑客户对功能的要求，在保证性能的前提下，通过减小芯片的面积和提供更多功能模块，给产品设计和生产提供了实实在在的方便。

AVT的优势

AVT技术具有以下显著优势：一传统标清模拟监控工程升级改造项目中，直接更换前后端即可实现数字高清监控，可大大节省改造成本;二相比HD-SDI，采用AVT技术可以使用75-3同轴电缆实现500米以上的远距离、视觉无损的高清视频传输，设备成本也大幅降低;三相比模拟高清技术，AVT技术更加稳定可靠，由于是数字传输，视频信号无失真，不衰减，图像还原性好，而且易于未来产品的升级换代;四相对于网络高清，AVT技术无延迟，传输距离更远，而且系统复杂度低。

此外，AVT还实现了双向音频和双向数据的传输，方便有更多功能需求的客户开发。

简要概括一下HD-SDI、网络高清、模拟高清、AVT四种方案各自的优缺点，参见下表2。

表2 四种方案优缺点对比表

关于传输距离，没有必要跟风炒作，有的模拟摄像机宣传的500m、600m传输距离等数据，并不是工程实践中普遍测试的结果，图像究竟失真多少也不得而知，而且工程实践中，根本不存在用同轴线把视频传500m的情况，因此单纯试图通过传输距离这样的数据比较方案的优劣并不严谨。而AVT方案的实际意义体现在，可以在75-3同轴线缆的有效传输的距离内，保证视频没有失真和传输延迟。而且视频质量不受环境噪声和极端高低温的影响，系统稳定可靠。

通过上文可以看出，AVT技术适用于分布式系统，例如家居套装、办公室、车载、厂房、仓库等场合。在这些场合，相比网络摄像机系统，AVT技术具有更低的功耗和系统复杂度，而比模拟高清，其又具有更好的图像效果，并且易于后期的更新换代，这些都是AVT方案的优势所在。

典型设计方案

基于AVT传输技术的最典型应用就是由DVR和摄像机组成的监控系统。例如图一即是以Hi3520DV200为核心的4路720P@30fps输入DVR;图二以Hi3521为核心，图三以Hi3531为核心，面向高级的应用。

图1 以Hi3520DV200为核心的4路720P@30fps输入DVR

Hi3520DV200有2个8bit-656接口，并可通过字节间插模式，从每个8bit接口输入2路视频，而NS2521支持视频输出通道复用，因此，Hi3520DV200每个8bit-BT656接口可以与一片NS2521对接，每片NS2521接收来自两个不同前端的视频数据，并将其通过1个8bit接口传输给Hi3520DV200;进而实现4路最高720P 30Hz视频输入。这样，DVR的设计上，就可以单片Hi3520DV200实现4路720P视频输入，这就极大程度节省了4路DVR的生产成本。

图2以Hi3521为核心的4路720P@30fps输入DVR

Hi3521有4个8bit-bt656的视频接口，并且时钟频率可以支持到148.5MHz，因而，每个8bit接口外接一片NS2521，既可以通过上面所述的复用方式，实现8路720P@30fps视频输入，也可实现4路更高质量的720P@60fps视频输入，甚至是二者的结合。

图3以Hi3531为核心的4路720P@30fps输入DVR

如果选择接口资源更丰富的Hi3531为核心，Hi3531与NS2521/2531芯片之间的视频通道可以扩展为16bit的宽度，从而在时钟频率一致的情况下，单位时间内可交换的数据量也增加一倍，因而可以实现更高级的应用。首先，可以接NS2531，实现1080P60全高清视频输入。也可通道复用，参与复用的两路视频，同样来自基于NS2520的AVT前端。需要说明的是，前端传过来的视频，可以是同样格式(例如2路输入都是720P@60fps)，也可以是相同带宽(例如1路720P@60fps和1路1080P@30fps)，甚至可以带宽格式均不相同(例如1路720P@60fps和1路720P@30fps)，NS2521都能支持。

上述两种方案应用中，除视频之外，还可以同时支持双向音频和双向数据;其中NS2520/2530支持2路音频输入输出(共4声道);NS2521/2531支持4路音频输入输出(共8声道);双向数据的应用可以实现控制信号的交互，这样就能在不增加其他控制信号线的前提下，实现对摄像机或云台、红外灯等设备的远程控制等功能，非常实用。

总结

基于AVT技术的方案具有成本低、传输距离远、无延迟、视频无损、抗干扰性强等优点。在实际工程应用中，AVT方案与传统的标清模拟监控系统使用相同的传输线，这一点尤其在旧系统升级的时候很有意义，可省去布线工作，简化施工流程，减少辅材成本，而且对施工人员的技术能力要求也降低了。因此，基于AVT技术的数字高清视频传输具有广阔的应用前景。