System-on-Chip-Design

Vereinfachte 4K-TV-Entwicklung mit dem Zynq SoC

| Autor / Redakteur: Roger Fawcett * / Holger Heller

Ultra 4K Tool Box von OmniTek: mit einem Blick auf ihre Komponenten
Ultra 4K Tool Box von OmniTek: mit einem Blick auf ihre Komponenten (Bild: VBM-Archiv)

Die All-Programmable-Technologie von Xilinx mit den FPGAs der Serie 7 und den Zynq SoCs bewährt sich bei der Entwicklung von 4K-Videosystemen. OmniTek bietet dazu ein Referenzdesign.

Mit den passenden Tools, IP und Referenzdesigns von OmniTek, die als Firmware-Blöcke mit 4K-fähigen IP-Kernen verfügbar sind, darunter der OSVP-v2 Videoprozessor und der Multi-Channel Streaming DMA-Controller, verhilft dies Neu-Einsteigern zur zielgerichteten FPGA-Entwicklung in einem schwierigen Umfeld mit zahlreichen unterschiedlichen Standards und großem Kostendruck.

Fernsehen und Video in Ultra-High Definition (UHD), wegen der extrem hohen Bildauflösung verkürzt auch als "4K" bezeichnet, ist bereits verfügbar. Als aktuelles Konzept der digitalen Weiterentwicklung von TV und Video hat sich 4K bei den Konsumenten viel populärer erwiesen als das schon länger propagierte 3D-TV. Doch verbindliche Standards für 4K liegen weit hinter dieser Popularität zurück.

Die SMPTE-Standards (Society of Motion Picture & Television Engine) für SDI (Serial Digital Interface) mit 6 Gb/s und 12 Gb/s zur Unterstützung von 4K60 Video werden gerade erst veröffentlicht, während HDMI 2.0 und DisplayPort mit derselben Auflösung bereits in einer frühen Phase ihrer Einführung sind. Im Zeichen der anziehenden Consumer-Nachfrage nach 4K UHD TV-Geräten wurden zunächst etliche provisorische Standards aufgestellt, um die bestehenden Lücken zu füllen.

Natürlich sind viele Einzelheiten beim Konzept des 4K UHD TV noch stark im Fluss. Deshalb ist es wichtig, die entstehenden 4K Systeme möglichst flexibel zu gestalten, um den evolvierenden Standards schrittweise zu folgen. Der beste Weg zur Flexibilität ist der Ersatz traditionellen Chipsets und ASSPs in diesen Designs durch FPGAs und All Programmable SoCs (system-on-chip) wie dem Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC. Solche Lösungen bieten die benötigte Flexibilität, wobei sie eine den ASICs vergleichbare Performance erzielen.

Andererseits bringen die Dimensionen und Leistungen der neuesten FPGAs und SoCs auch beträchtliche Herausforderungen beim Design, besonders für Entwickler, die noch keine detaillierten Erfahrungen mit dem Entwurf mit FPGAs haben. Doch es gibt viele Gemeinsamkeiten der Hardware-Entwicklung und der FPGA-Implementierung. FPGA-basierte Systeme involvieren allerdings meist den Einsatz von viel mehr Komponenten. Außerdem sorgt die naturgegebene Flexibilität von Firmware-Designs für zusätzliche Komplikationen.

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Umfassende Unterstützung

Als Abhilfe bietet Xilinx den Entwicklern von 4K TV-Systemen umfangreiche Einstiegshilfen - mit geringeren Kosten und reduziertem Zeitaufwand, wie sie bei der Systementwicklung von Grund auf entstehen. Bevor wir uns in die Einzelheiten des Einsatzes der FPGA-Technologie in 4K-Applikationen vertiefen, werfen wir einen Blick auf die Gründe, warum die 4K-Systeme so schnell an Popularität gewinnen konnten, und auf die speziellen Gesichtpunkte, die beim Entwurf von 4K-Systemen zu beachten sind.

Die Vor- und Nachteile von 4K im Fernsehmarkt

Seitdem es Fernsehen gibt, gibt es den ständigen Drang nach der Verbesserung der gezeigten Bilder und deren möglichst guter visueller Annäherung an die Realität. Diese Weiterentwicklungen fokussieren meist auf die Darbietung immer größerer, schönerer und schnellerer Videoszenen – durch höhere Auflösungen und Bildfrequenzen oder eine breiteren Dynamikbereich (und damit der wahrgenommenen Helligkeit und des Farbkontrasts). Hinzu kommen immer neue Anstrengungen, einen lebensechten 3D-Effekt zu erzielen – oder zumindest den Eindruck des gefühlten Eintauchens in die gebotene Bilderwelt zu erreichen.

Die Erhöhung der Auflösung gibt den Bildern mehr Detail und lässt sie auch auf größeren Schirmen lebensecht erscheinen, ohne dass dabei die Effekte der Pixelierung übermäßig in Erscheinung treten. Größere Schirme erzeugen automatisch einen stärkeren Immersionseffekt in das gezeigte Geschehen. Das alles sind Verbesserungen, die den Consumern unmittelbar einsichtig sind und sie dazu bewegen, mehr Geld auszugeben. Die Verbesserungen im Hinblick auf die Bildfrequenz (für glattere Bewegungsabläufe) und den Dynamikbereich (hellere Lichter und tiefere Schatten) haben, obwohl überzeugend, die Wunschvorstellungen der Zuschauer bislang weitaus langsamer angeregt.

Das neue 4K UHD TV-Format realisiert eine Vervierfachung der Pixelzahl gegenüber den vorhergehenden, ebenfalls stark nachgefragten HD-Standards. Vielleicht am wichtigsten für Consumer ist die Tatsache, dass 4K ein einfaches Upgrade auf sehr viel größere Schirme bietet – ohne die Bildqualität in auffälliger Weise zu beeinflussen.

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