4K电视发展一点通

By Roger Fawcett, OmniTek

电影与电视工程师协会（SMPTE）的6-Gbps和12-Gbps的SDI标准(支持4K60视频)才刚刚被发布，而支持同样分辩率的 HDMI2.0和DisplayPort也才处于应用的早期阶段。鉴于4K UHD电视的强烈消费需求，许多专案标准已经蜂拥而来，势图填补这一空白。事实上，4K UHD电视的诸多地方还在不断变化，系统需要有足够的灵活性，以适应发展中的标准。为确保灵活性，可以将这些设计中常用的陈旧芯片组和ASSP替换为 All Programmable器件，比如赛灵思FPGA和赛灵思Zynq SoC。这些解决方案除了可以提供所需的灵活性外，同时还带来媲美ASIC的性能表现。赛灵思为4K电视设计师提供了大量的帮助——相比于从头开始设计系 统，使用All Programmable器件的时间成本和金钱成本则要低许多。

新的4K UHD电视意味着4倍于之前抢手的高清标准像素数。也许对用户最重要的是，4K允许他们升级到一个更大的电视，在图像质量没有任何损失的情况下提供一种更 加身临其境的感觉。然而，开发支持4K视频的系统存在许多技术上的固有挑战。其中一个是，以60 Hz帧速率传输3840×2160的帧意味着像素填充率高达600Mhz，实时处理该速率需要一个非常高性能的系统。

再就是4K拥有多种不同的传输配置（所有配置都涉及多个数据流，其中一些在同根电缆上通过多数据流复用进行传输，而另一些则使用不同电缆进行传 输），同时还存在不同的新兴技术来支持不同传输配置：4x3G; 6G-SDI和12G-SDI；HDMI1.4和2.0；DisplayPort1.2;以及V-by-OneHS。

另一个设计者面临的问题是该系统不仅需要处理4K，也要处理许多甚至是全部目前正在使用的视频标准，包括标清。此外，系统必须支持不同标准间的转 换，这些相关问题包括向上转换/向下转换/交叉转换，色域不匹配，色彩校正，隔行和非隔行扫描，以及时序处理。其它可能需要的处理还包括降噪，裁剪和大小 调整，所有这些都需要实时完成。有些系统可能还需要处理高速带宽数字内容备份保护（HDCP）。

设计任何系统的第一步是找到设计中可以使用的现成模块。在FPGA领域，PCB设计中可供各式芯片集成的构建块是IP核。4K系统设计两个特别有用的核心是：Omni-Tek的OSVP V2可扩展视频处理器和多通道流式DMA控制器，两者都适用于赛灵思7系列FPGA和Zynq SOC。

该OSVP V2的特性包括六轴色彩校正; 运动和边缘自适应去隔行（完整带有3：2和2：2电影节奏检测和处理）;重调整大小以及锐化和平滑图像;还有降噪。单个OSVP V2内核可以处理多个视频通道。图1给出了该核心的框图。

然而通过PCI Express采集和播放单通道或多通道4K60视频，需要一个DMA控制器，用于优化处理PCIe接口传输的流式数据。OmniTek的多通道流式 DMA控制器有几个关键的特性在这时会很有用。第一个是基于FIFO的DMA（FDMA），可以在需要时旁路数据进出存储器。第二个是一系列的设计优化， 使得控制器可以高效利用PCIe带宽，这些优化包括分散聚合模式描述符的预取以及背靠背TLP数据包的打包。

OmniTek4K UHD视频开发相关的另外一个IP核可以将双采样交错格式组成的4K视频分解成不同数据流。另外，对基本MIG SDRAM控制器进行了替换，从而进一步提高了UHD电视视频应用的性能。

赛灵思对基于FPGA和SoC的4K视频系统设计人员做了进一步支持。首先，Zynq SoC的存在，为高性能视频或图像处理提供了强大的软硬件组合处理能力。Zynq SoC中丰富的DSP可编程逻辑资源为DSP设计者提供了一个高度灵活的平台，他们可以在该平台上实现复杂的信号处理算法，同时，处理器和可编程逻辑之间 的紧耦合使得在两个结构域中都可以开发编解码器算法。基于Zynq SoC的设计也可以降低功耗和成本，因为您仅需要一个高度集成化的设备，否则实现同样的功能您可能需要多个ASSP。

第二，赛灵思的Kintex-7 FPGA和Zynq SoC可编程逻辑可以提供300-MHz的持续视频处理速度，结合1600Mbps的64位DDR3高性能存储器，这对4k视频处理和4K帧缓冲非常关 键。为支持4K视频系统开发，赛灵思器件还提供了丰富的连接件功能，两者都自带了一系列收发器。比如，Zynq 7045 SoC，可提供高达12.5Gbps的收发器，从而允许其连接到12G-SDI，6-Gbps的HDMI2.0，5.4-Gbps的 DisplayPort1.2以及10Gbps的以太网标准。

第三个赛灵思的重要贡献是，IP集成器（IPI）工具以及相关的Vivado设计套件带来了IP集成的易用性。通过IPI，连接IP模块的任务变得 类似于在印刷电路板上连接芯片。符合AMBA AXI4互连协议(赛灵思已经采用为接口标准）的IP块接口处理将相当简单（如连接OmniTek OSVP和DMA块）。

赛灵思新的UltraScale（16纳米/20纳米）技术的出现带来了更强大的功能，它支持的时钟速度可高达数百千兆比特每秒，已经被认为是“ASIC级别”。该UltraScale架构不仅满足4K级别的视频系统开发，更高级别的8K也已经起步。

注：本博客基于Roger Fawcett的一篇较长文章，题目是“Zynq SOC助力4K电视开发”， 它在第89期的Xcell期刊上刊出（稍后您将在本站看到中文版译文）。OmniTek是所有视频系统设计的一个良好IP核来源。特别是其中的两个核心对 4K系统设计很有用：Omni-Tek的OSVP V2可扩展视频处理器和多通道流式DMA控制器，两者都适用于赛灵思7系列FPGA和Zynq SoC。

原文链接：
http://forums.xilinx.com/t5/Xcell-Daily-Blog/4K-TV-Development-Made-Easy...

© Copyright 2014 Xilinx Inc.
如需转载，请注明出处