Zynq-UltraScale+-Hardwareplattform für hybride SDI- und SMPTE-ST-2110-Broadcast-Displays
Das Projekt auf einen Blick: Für die SONOVTS Media GmbH, das Unternehmen hinter der professionellen Broadcast-Display-Plattform HDQLINE, entwickelte Promwad die Hardwareplattform für ihr Produkt der nächsten Generation. Die Platine ist darauf ausgelegt, sowohl SDI- als auch SMPTE-ST-2110-IP-Signale in einem einzigen Design zu verarbeiten. Sie basiert auf nur einem AMD-Zynq-UltraScale+-Chip und ersetzt damit die bisherige Zwei-Chip-Architektur. So erhält SONOVTS eine Hardwarebasis, die für den Übergang der Broadcast-Branche zu IP vorbereitet ist.
Kunde & Herausforderung
Die SONOVTS Media GmbH ist ein deutscher Broadcast-Spezialist und steht hinter HDQLINE, einer professionellen UHD-/4K-Broadcast-Display-Plattform, die weltweit in Fernsehstudios, Übertragungswagen und Hauptschalträumen eingesetzt wird.
SONOVTS arbeitet seit Jahren mit IP-basierten Broadcast-Standards, und die aktuelle HDQLINE-Generation unterstützt SMPTE ST 2110 bereits über ein optionales I/O-Erweiterungsmodul. Der Übergang der Broadcast-Branche zu ST 2110 ist inzwischen zur Beschaffungsgrundlage für neue Hauptschalträume und Produktionsstätten geworden. Für die nächste Produktgeneration musste die Unterstützung von ST 2110 daher Bestandteil der zentralen Hardware der Platine sein und durfte nicht länger nur als optionales Zusatzmodul angeboten werden, das die Kosten und den Integrationsaufwand jeder einzelnen Einheit erhöht.
Die bisherige Platine des Kunden basierte auf einem separaten Texas-Instruments-Sitara-Prozessor und einem Kintex-UltraScale+-FPGA und war nicht mehr die geeignete Grundlage für ein Produkt, bei dem sowohl SDI als auch ST 2110 von Grund auf integriert werden sollten. Das Engineering-Team des Kunden konzentrierte sich auf die Firmware und die Display-Engine. Auf Empfehlung aus der Branche wandte sich das Unternehmen an Promwad und suchte einen Hardwarepartner, der die Plattform auf Basis eines modernen SoC neu entwickeln konnte, während die FPGA-Firmware und die Inbetriebnahme der Platine weiterhin intern erfolgen sollten.
Lösung
Wir ersetzten den aus zwei Chips bestehenden Verarbeitungskern durch ein einzelnes AMD Zynq UltraScale+ MPSoC vom Typ XCZU11EG, bei dem sich der Cluster der Anwendungsprozessoren und die FPGA-Logik auf demselben Chip befinden. Hersteller von Broadcast-Geräten setzen diese SoC-Klasse für Produkte ein, die SDI-Erfassung mit SMPTE-ST-2110-IP-Transport kombinieren. Da die Videoverarbeitung und die Steuerungsfunktionen des Geräts auf demselben Chip untergebracht sind, wird das Design vereinfacht und die Anzahl der Komponenten reduziert.
Die Platine vereint sämtliche Ein- und Ausgänge in einem einzigen Design:
- zwei 12G-SDI-Eingänge über Semtech-Equalizer;
- HDMI- und DisplayPort-Eingänge mit Retimern von Parade und Texas Instruments;
- Gigabit Ethernet für die Verwaltung;
- USB;
- LVDS- und Embedded-DisplayPort-Ausgänge zur Ansteuerung des Display-Panels.
Die Hochgeschwindigkeits-Transceiver der FPGA-Logik bilden den Datenpfad für die ST-2110-Transportschicht.
Die Stromversorgungsarchitektur wurde von Grund auf für das neue SoC neu entwickelt und um einen energiesparenden Ruhezustand ergänzt, über den die bisherige Platine nicht verfügte. Die Schnittstelle zum Display-Panel wurde so konzipiert, dass sie auch in nachfolgenden Geräten der HDQLINE-Produktfamilie wiederverwendet werden kann.
Der Leistungsumfang von Promwad in diesem Projekt umfasste das Hardwaredesign. Das Team des Kunden ist für die Fertigung, die Inbetriebnahme der Platine und die auf der Plattform ausgeführte FPGA-Firmware verantwortlich.
Architektur und zentrale Entscheidungen
Der XCZU11EG wurde ausgewählt, weil er über die erforderliche FPGA-Kapazität und die Hochgeschwindigkeitsschnittstellen verfügt, um die Erfassung von 12G-SDI-Signalen und die Paketierung für ST 2110 auf einer einzigen Platine zu verarbeiten. Gleichzeitig bietet er ausreichend Reserven für den vollständigen Satz an Ein- und Ausgängen. Durch die Zusammenführung von zwei Chips in einem einzigen Baustein wurde außerdem der Platz auf der Platine frei, der im bisherigen Design für deren Verbindung benötigt wurde.
Ergebnisse
Promwad lieferte die Hardwareplattform als vollständigen, produktionsreifen Dokumentationssatz. Damit verfügt SONOVTS über die Hardwarebasis für die nächste Generation der HDQLINE-Produkte, bei der die Unterstützung von SDI und ST 2110 direkt in die Platine integriert ist.
Weitere Einsatzmöglichkeiten
Dieselbe Hardwarebasis eignet sich auch für andere Broadcast-Geräte, die Videoerfassung mit Verarbeitung und Display-Ausgabe kombinieren: Multiviewer, Videowände sowie IP-fähige Anzeige- und Verarbeitungsgeräte.
Weitere Leistungen von uns im Bereich Broadcast-Hardware
- ST-2110-Migration und NMOS-Integration: wie Promwad Studios und OEMs beim Übergang von SDI zu SMPTE ST 2110 unterstützt – mit vorhersehbarem Timing, NMOS-Discovery und Interoperabilität zwischen Systemen verschiedener Hersteller.
- Enterprise-Datenspeicher: ein Beispiel für die Entwicklung einer skalierbaren Netzwerkspeicherlösung mit DPDK-/SPDK-Unterstützung zur Steigerung der Datenübertragungsgeschwindigkeit und Netzwerkeffizienz.
FAQ
Wir sind ein Anbieter von Broadcast-Geräten und stellen auf hybride SDI- und ST-2110-Designs um. Kann Promwad uns unterstützen, wenn wir nur die Hardwareebene benötigen?
Ja. Unsere Broadcast-Projekte beginnen häufig mit einem reinen Hardwareumfang: Schaltplan und Leiterplattendesign für das Gerät der nächsten Generation, während das Team des Kunden die FPGA-Firmware, die Inbetriebnahme und die Fertigung intern übernimmt. Wenn Ihr Team klein ist und Sie keine internen Kapazitäten in die Hardwareentwicklung investieren möchten, entspricht dies genau dem flexiblen Engineering-Modell, für das wir aufgestellt sind.
Mit welchen Broadcast-Standards und FPGA-Plattformen arbeiten Sie in Ihren Hardwareprojekten?
Bei unseren Projekten zur Entwicklung von Broadcast-Geräten arbeiten wir mit den SMPTE-ST-2110-Standards für Video, Audio und Zusatzsignale, mit PTP-Synchronisation nach IEEE 1588 und SMPTE ST 2059, mit den AMWA-NMOS-Steuerungsebenen, dem AES67-Standard für Audio sowie IPMX für ProAV. Unsere primären Zielplattformen sind die FPGA- und SoC-Familien von AMD, Altera, Lattice und Microchip. Promwad ist Partner in diesen Ökosystemen.
Wo sollte eine Migration von SDI zu ST 2110 beginnen, und müssen wir NMOS bereits vom ersten Tag an implementieren?
Ein pragmatischer Ausgangspunkt ist ein Interoperabilitätsaudit, das Risiken identifiziert, bevor größere Investitionen getätigt werden. Darauf folgen eine Architekturprüfung für Timing, Netzwerk und Steuerung, die Validierung der Einsatzbereitschaft, ein stufenweiser Einführungsplan sowie ein PoC oder MVP, der die Interoperabilität unter realistischen Lastbedingungen nachweist. NMOS ist nicht vom ersten Tag an erforderlich – viele Einrichtungen führen die Migration schrittweise durch: zunächst den ST-2110-Medientransport und anschließend eine schrittweise Erweiterung der NMOS-Funktionen. Der Ansatz wird an Ihre betrieblichen Gegebenheiten und Ihre Risikobereitschaft angepasst.
Kann Promwad im „Rescue-Modus“ einsteigen, wenn eine Migration bereits in Schwierigkeiten geraten ist, und welche Ergebnisse liefert das Team?
Ja. Das Team kann in jeder Phase einsteigen – zur Rettung, Migration oder Skalierung –, um die Architektur zu stabilisieren, Ursachen zu ermitteln, fehlende Validierungsprozesse aufzubauen und die Umsetzung wieder auf einen planbaren Kurs zu bringen, ohne das Projekt neu starten zu müssen. Wir decken den gesamten Stack ab: FPGA-Logik einschließlich RTL- und IP-Integration, Embedded Software, Treiber, Middleware und Steuerungsoberflächen sowie Verifikationsmittel wie Latenz- und Synchronisationstests, Regressionstest-Hooks und Dokumentation für die Produktionsreife.
Entwickeln Sie kundenspezifische FPGA-IP-Cores oder integrieren Sie kommerzielle Bausteine, und wie werden diese validiert?
Beides. Kundenspezifische FPGA-IP wird für Videoanwendungen entwickelt, darunter Skalierung, Farbraumkonvertierung, HDR-Verarbeitungspfade, Frame- und Zeilenpufferung mit Latenzsteuerung, Mischer, Multiview, Synchronisation und Timing-Ausrichtung. Für Audio entwickeln wir unter anderem Lösungen für SRC und Resampling, Kanalzuordnung, De-Embedding und Embedding, Mischer, Signalaufbereitung und hochdichtes Routing. Kommerzielle IP wird integriert, wenn sie die Markteinführungszeit verkürzt, darunter Codec- und Verarbeitungsblöcke sowie AV-over-IP-Komponenten zur Einhaltung von ST 2110, NMOS, AES67 und IPMX. Die Validierung erfolgt anhand von Interoperabilitätsmatrizen, Regressionstests und Prüfungen auf Systemebene, die Synchronisation, Lippensynchronität und Fehlerszenarien abdecken.
