利用Zynq SoC簡化4K電視開發(fā)

賽靈思All Programmable技術(shù)堪稱4K視頻系統(tǒng)設計人員的福音。相關(guān)工具、IP和參考設計將為FPGA設計新手助一臂之力。

超高清(UHD)電視因其分辨率等級同時也被稱為4K電視。這種電視已經(jīng)廣泛推出，而且事實證明，4K技術(shù)比3D電視更受消費者青睞。但是，相關(guān)標準卻落后于4K電視的增長趨勢。美國電影電視工程師協(xié)會(SMPTE)支持4K60視頻的6 Gbps和12 Gbps SDI標準才剛剛發(fā)布;支持相同分辨率的HDMI™ 2.0和DisplayPort接口尚處于應用的早期階段。由于4K UHD電視的消費需求巨大，許多專案標準已經(jīng)蜂擁而來，勢圖填補這一空白。

事實上，有關(guān)4K UHD電視的很多部分正處于不斷變化的狀態(tài)，因此系統(tǒng)一定要有足夠的靈活性來適應發(fā)展中的標準。確保這種靈活性的方法是將在此類設計中使用已久的傳統(tǒng)芯片組和ASSP替換為FPGA和All Programmable片上系統(tǒng)，例如賽靈思Zynq®-7000 All Programmable SoC。這種解決方案不僅可提供所需的靈活性，同時還能實現(xiàn)與ASIC相媲美的性能水平。

同時，最新FPGA和SoC的尺寸和性能也存在相當大的設計挑戰(zhàn)，尤其對于不是特別擅長FPGA的工程師來說更為如此。硬件設計與FPGA實現(xiàn)方案之間雖有很多相似之處，但是基于FPGA的系統(tǒng)通常要涉及更多的組件。此外，固件設計中固有的靈活性也增加了更多復雜性。

幸運的是，賽靈思為4K電視設計人員提供了很多幫助，與從頭開始設計系統(tǒng)相比能節(jié)省大量時間和金錢成本。不過在具體介紹如何在4K領(lǐng)域應用FPGA技術(shù)之前，我們首先看一看4K系統(tǒng)如何如此快速地變得如此受歡迎，以及任何4K系統(tǒng)都必須要解決的問題。

4K的優(yōu)缺點

自電視問世以來，業(yè)界一直在通過增大分辨率、幀率或圖像動態(tài)范圍(即所能達到的亮度)持續(xù)改進畫質(zhì)，實現(xiàn)更大、更好、更快速的視頻，讓圖像更逼真。當然，還包括實現(xiàn)真正的3D效果，至少更有一種身臨其境的感覺。

增大分辨率可以使圖像更精致，而且在更大屏幕上顯示時不會讓像素紋理變得明顯。更大的屏幕有更強的沉浸式感受。這些改進很容易得到消費者認可，因此也就愿意在這方面花錢。通過增大幀率(更流暢的動作)或動態(tài)范圍(光線更亮，黑色更暗)實現(xiàn)的改善效果雖然很出色，但到目前為止在吸引消費者注意力方面所起到的效果相比之下并不明顯。

最新4K UHD電視像素是此前廣受歡迎的高清標準的四倍。對消費者來說最重要的一點是利用4K技術(shù)升級到更大尺寸電視，可以享受更好的沉浸式效果，而且不會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生任何明顯影響。

然而，在開發(fā)支持4K視頻的系統(tǒng)時面臨著諸多固有技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，高達60Hz幀率下提供的3,840 x 2,160像素的幀尺寸相當于600MHz的像素率。因此，需要使用非常高性能的系統(tǒng)對其進行實時處理。其次，針對4K定義了不同傳輸配置，所有配置都涉及多個數(shù)據(jù)流，有些在相同線纜上以多路復用方式傳輸，有些在不同線纜上傳輸，另外還出現(xiàn)很多不同傳輸技術(shù)，包括：4x3G;6G-SDI和12G-SDI;HDMI 1.4和2.0，DisplayPort 1.2，以及V-by-One HS。

設計人員面臨的另一個問題是任何系統(tǒng)不僅需要處理4K標準，而且還要處理當前使用的很多或全部視頻標準(包括SD)。此外，系統(tǒng)必須支持不同標準之間的轉(zhuǎn)換，會遇到很多相關(guān)問題：上/下/交叉轉(zhuǎn)換、不匹配的色彩空間、顏色校正、隔行掃描與去隔行掃描以及Cadence 處理。另一個復雜問題是在完成上轉(zhuǎn)換后通常需要緊接著使用所謂“超分辨率”增強技術(shù)來抵消不可避免的圖像平滑問題。

其它處理還包括降噪、裁剪和調(diào)整大小，這些都需要實時完成。有些系統(tǒng)可能還需要處理高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護 (HDCP)。

此外，如果想要確定廣播傳輸?shù)馁|(zhì)量還需要生成適當?shù)难蹐D和抖動顯示圖，但相應技術(shù)在高比特率下越來越難以實現(xiàn)。 第一層輔助：4K IP核

設計任何系統(tǒng)時的第一步都是找到可運用到設計中的現(xiàn)成模塊。在FPGA領(lǐng)域，等同于構(gòu)建塊就是可內(nèi)置到PCB設計中的各種芯片，即IP核。因此，第一步要確定您的4K UHD設計中可以使用什么IP核。

OmniTek對于各種類型的視頻系統(tǒng)設計而言都是很好的IP核供貨源。該公司是賽靈思聯(lián)盟計劃的認證成員，起初作為專門從事自主開發(fā)測試測量系統(tǒng)的開發(fā)商，具有豐富的視頻處理經(jīng)驗。這些系統(tǒng)需要專用硬件，因此也就需要開發(fā)專用的固件模塊。固件模塊現(xiàn)在也以IP核的形式提供。OmniTek在推出最新測試測量系統(tǒng)(即新的Ultra 4K Tool Box)之后，就開發(fā)出多種支持4K技術(shù)的IP核，現(xiàn)已向第三方開發(fā)商供貨。

有兩種內(nèi)核對4K系統(tǒng)設計人員來說尤其有用，它們就是OmniTek的OSVP v2可擴展視頻處理器(OSVP v2 Scalable Video Processor)和多通道流媒體DMA控制器(Multi-Channel Streaming DMA Controller)。這兩種內(nèi)核均采用ARM® AMBA® AXI4系統(tǒng)互聯(lián)標準，都可用于賽靈思7系列FPGA和Zynq SoC。

OSVP v2的功能包括：六軸色彩校正;運動及邊緣自適應去隔行(包含3:2和2:2 Film Cadence檢測與處理);可通過圖像銳化和平滑調(diào)整大小和進行裁剪;以及降噪聲等。圖1給出了該內(nèi)核的方框圖。您可以在編譯時間對所包含的處理功能的選項進行配置，同時，由OSVP v2內(nèi)核所執(zhí)行的處理工作的更詳細內(nèi)容可在運行時間內(nèi)或這從軟件中設置。

OSVP v2內(nèi)核是套件中的一部分。該套件還包含用來合并多個視頻流的合并器;用來產(chǎn)生隔行格式輸出的隔行掃描器;專用交叉點;以及用來在4:4:4、4:2:2和4:2:0 YCbCr之間轉(zhuǎn)換的色度重采樣。(單個色度重采樣能夠從4:4:4轉(zhuǎn)換至4:2:2，從4:2:2轉(zhuǎn)換至4:2:0，從4:2:2轉(zhuǎn)換至4:4:4，或從4:2:0轉(zhuǎn)換至4:2:2。)

單個OSVP v2內(nèi)核能處理多個視頻通道。但這會受到實現(xiàn)內(nèi)核所用的FPGA或SoC能提供的資源，以及可用SDRAM帶寬的限制。例如，您可對采用Kintex®-7 XC7K325T FPGA實現(xiàn)的OSVP內(nèi)核進行配置以支持八個輸入，處理采用八種不同HD視頻標準或八種色彩空間的視頻。同時，您可對輸出模塊進行配置以提供16個漸進HD輸出。此外，您還可以讓輸出模塊提供單個4K通道，或者四通道組，以便共同提供Square Division(“quad”) 或雙像素采樣交錯格式組成的4K視頻。

設計復雜4K系統(tǒng)時的另一個挑戰(zhàn)是對處理視頻時所需的眾多高帶寬存儲器訪問進行管理。有時候，所需的視頻操作功能與視頻處理模塊一起提供。例如，OSVP v2內(nèi)核包含一個多端口視頻DMA模塊，

該模塊提供一個用來操作視頻輸入和輸出的高效引擎。

然而通過PCI Express®采集和播放單通道或多通道4K60視頻，需要一個DMA控制器，用于優(yōu)化處理PCIe®接口傳輸?shù)牧魇綌?shù)據(jù)。OmniTek的多通道流式DMA控制器有兩項功能在這里很有用。首先是基于FIFO的DMA (FDMA)，這樣就無需將數(shù)據(jù)從存儲器轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出。第二個是一系列的設計優(yōu)化，使得控制器可以高效利用PCIe帶寬，例如預取分散/聚集模式描述符，以及背靠背TLP數(shù)據(jù)包打包。

OmniTek針對4K UHD視頻處理開發(fā)了另一個IP核，可以將雙采樣交錯格式組成的4K視頻分解成不同數(shù)據(jù)流。另外，對基本MIG SDRAM控制器進行了替換，從而進一步提高了UHD電視視頻應用的性能。

可編程優(yōu)勢

賽靈思對基于FPGA和SoC的4K視頻系統(tǒng)設計人員從三方面做了進一步支持。

第一大優(yōu)勢在于Zynq SoC，其為高性能視頻或圖像處理提供了強大的軟硬件組合處理能力。Zynq SoC在單個器件中集成了功能豐富的雙核ARM Cortex™-A9處理系統(tǒng)以及7系列(28nm) FPGA可編程邏輯。用戶既可在ARM處理器上運行處理算法，也可在需要加速時將處理任務轉(zhuǎn)給FPGA硬件，實現(xiàn)實時運行。

Kintex-7 FPGA和Zynq SoC的可編程邏輯提供的300MHz可持續(xù)視頻處理速度，結(jié)合1,600 Mbps的64位DDR3存儲器性能，對于操作4K視頻處理和4K幀緩沖非常重要。Zynq SoC中具備豐富DSP功能的可編程邏輯架構(gòu)為DSP設計人員提供了一個用以實現(xiàn)信號處理算法的高度靈活的平臺，同時，處理器與可編程邏輯之間的緊密耦合有助于開發(fā)跨越兩個領(lǐng)域的編解碼算法。以Zynq SoC作為設計的基礎(chǔ)可以將組件集成到單個器件中，而無需使用多個ASSP，因此能夠節(jié)省功耗和成本。

賽靈思還為4K視頻系統(tǒng)開發(fā)提供強大的連接支持，包括FPGA和SoC中的多個內(nèi)置收發(fā)器，以及眾多自己開發(fā)的連接IP。例如，Zynq 7045 SoC 提供多達16個12.5Gbps收發(fā)器，并符合12G-SDI、6-GbpsHDMI 2.0、5.4-Gbps DisplayPort 1.2以及10-Gbps以太網(wǎng)標準。

賽靈思所做的第三個重要貢獻是與Vivado®設計套件有關(guān)的IP Integrator (IPI)工具。如圖2所示，有了IPI工具，連接IP模塊的任務就變得類似于在印刷電路板上連接芯片。符合AMBA AXI4互連協(xié)議(賽靈思已經(jīng)采用為接口標準)的IP塊接口處理將相當簡單(如連接OmniTek OSVP和DMA模塊)。

賽靈思最新UltraScale™ (16-nm/20-nm)技術(shù)的推出還將提供更強大的功能。該技術(shù)支持的時鐘速度高達數(shù)百Gb/s，并被稱為“ASIC級”。

(如需了解更多信息，敬請訪問：china.xilinx.com/products/technology/ultrascale. html)。UltraScale架構(gòu)不僅支持4K視頻系統(tǒng)的開發(fā)，還將支持更高的8K系統(tǒng)。

可供修改的現(xiàn)成系統(tǒng)

盡管IP核所提供的構(gòu)建塊在簡化視頻系統(tǒng)設計的創(chuàng)建方面發(fā)揮了很大作用，然而，如果對現(xiàn)成的系統(tǒng)進行修改，則能獲得更高起點。較長時間以來，賽靈思一直提供包含賽靈思視頻與連接IP以及來自OmniTek的IP模塊的實時視頻引擎(RTVE)參考設計。這些參考設計提供針對廣泛視頻應用領(lǐng)域的高清晰度廣播級視頻處理功能。RTVE參考設計不僅展現(xiàn)出這些IP模塊的功能性，還能展示出方便的互操作性，因為這些模塊都根據(jù)AXI4互聯(lián)標準而設計。

RTVE的每個新版本都會加入最新的IP模塊，以擴展參考設計功能。最新版本RTVE 3.1增加了對4K視頻標準的支持，包括SMPTE 425-5:2014、DisplayPort 1.2、6G-SDI和12G-SDI。圖3給出了該設計的方框圖。

RTVE 3.1設計增加了以上介紹的OmniTek內(nèi)核，以及OmniTek隔行掃描器、合并器和專用交叉點，以及賽靈思的一些關(guān)鍵組件。它還提供API和應用，從而可通過從基于網(wǎng)絡的接口驅(qū)動RTVE引擎。RTVE 3.1參考設計固件和應用軟件都以源文件的形式提供給客戶，既可用來演示如何使用這些工具設計系統(tǒng)，也可作為開發(fā)類似系統(tǒng)的起點。

另外，還為客戶提供RTVE 3.1的硬件平臺。該平臺包含OmniTek OZ745開發(fā)套件(基于賽靈思Zynq 7045 SoC)和FMC擴展卡。FMC增加了符合DisplayPort 1.2標準的輸入和輸出端口，以及兩個SD/HD/3G/6G-SDI輸入和輸出。憑借這些I/O端口可將所支持的視頻標準進行擴展，包括6G 4K和12G 4K;3G等級A和3G等級B Square Division/ Quad 4K;以及3G等級A和3G等級B雙采樣交錯4K。

OmniTek的Ultra 4K Tool Box(圖4)能夠證明這些組件緊密結(jié)合加在一起能夠構(gòu)建出可行的商用系統(tǒng)。該4K Tool Box在基本架構(gòu)中包含了Omni- Tek的OZ745開發(fā)套件、FMC卡以及RTVE 3.1的固件及相關(guān)應用軟件。該4K Tool Box不僅提供對所有視頻標準(最高4K60)的上/下和交叉轉(zhuǎn)換以及相關(guān)圖像校正功能，而且提供多種顯示功能，包括為構(gòu)成4K圖像的所有數(shù)據(jù)流生成的眼圖和抖動視圖、色域視圖和像素數(shù)據(jù)顯示。

Ultra 4K Tool Box是市場上的新產(chǎn)品，但已吸引所有4K處理領(lǐng)域中的廣大客戶購買，例如芯片組制造、測試測量以及廣播領(lǐng)域的客戶。這表明整個視頻行業(yè)對最新4K標準的興趣所在。

終極輔助

除了這些工具和IP以外，OmniTek還提供咨詢服務，以幫助客戶建立和運行4K設計。賽靈思的領(lǐng)先芯片技術(shù)和軟件工具，與OmniTek在視頻處理和制造方面的專業(yè)知識的強強結(jié)合意味著視頻系統(tǒng)設計人員可以在完整開發(fā)框架的基礎(chǔ)上著手進行設計，并獲得超過預期的更簡便的集成功能和更強有力的支持。其結(jié)果就是可以將創(chuàng)新的高競爭力產(chǎn)品更加快速地推向市場。