Composición de cuatro canales 1080p a salida 4K: un balance de ancho de banda
Componer cuatro señales de cámara 1080p en una sola salida 4K parece «juntar cuatro imágenes», pero detrás hay un balance de ancho de banda: ancho de banda de entrada, ancho de banda del buffer de fotogramas DDR, ancho de banda del escalador y ancho de banda de salida, cuatro capas apiladas unas sobre otras. Si los cálculos salen mal, aparecen tartamudeos, tearing o sobrecarga de la DDR. Este artículo recorre cada capa desde el reloj de píxel hacia arriba.
1. Ancho de banda de entrada: ¿cuántos datos suponen cuatro señales 1080p60?
Cuatro cámaras 1080p60, cada una en RGB de 8 bits:
| Ítem | Fórmula | Resultado |
|---|---|---|
| Píxeles por canal | 1920 × 1080 | 2 073 600 píxeles/fotograma |
| Velocidad de cuadro | 60 fps | — |
| Velocidad de datos por canal (RGB 8 bits) | 1920 × 1080 × 3 × 8 × 60 | ≈ 2,99 Gb/s ≈ 374 MB/s |
| Entrada total de cuatro canales | 2,99 Gb/s × 4 | ≈ 11,96 Gb/s ≈ 1,5 GB/s |
Si se usa YCbCr 4:2:2 (común en cámaras industriales), 16 bits por píxel:
1920 × 1080 × 16 bit × 60 fps ≈ 1,99 Gb/s ≈ 249 MB/s; cuatro canales ≈ 7,97 Gb/s ≈ 996 MB/s.
Esta cifra de entrada determina cuántos transceptores GTP/GTX y chips decodificadores HDMI necesita el receptor del FPGA.
2. Buffer de fotogramas DDR: lectura + escritura = el doble de ancho de banda
Cuatro señales de vídeo deben almacenarse en la DDR antes de la composición. Las cuatro entradas son asíncronas, y la salida 4K60 funciona con un reloj unificado; la DDR es el buffer de cruce entre dominios de reloj.
Cuánta DDR ocupan los buffers de fotogramas
Cuatro canales 1080p, con buffer doble (2 fotogramas cada uno para evitar tearing):
| Ítem | Cálculo | Resultado |
|---|---|---|
| Tamaño de un fotograma (1080p60 RGB 8 bits) | 1920 × 1080 × 3 bytes | ≈ 6,2 MB |
| Cuatro canales × buffer doble | 6,2 MB × 4 × 2 | ≈ 49,6 MB |
| Buffer de fotograma de salida 4K (3840×2160) | 3840 × 2160 × 3 bytes | ≈ 24,9 MB |
| Huella total en DDR | — | ≈ 75 MB |
Presupuesto de ancho de banda DDR: la lectura + escritura lo duplica
El flujo de datos: cuatro entradas → escritura DDR (almacenar fotogramas) → el escalador lee → lectura DDR (recuperar fotogramas) → composición → salida.
Por segundo, la DDR debe manejar:
| Dirección | Datos/seg | Notas |
|---|---|---|
| Escritura DDR (cuatro entradas) | ≈ 1,5 GB/s | Se escriben cuatro fotogramas 1080p |
| Lectura DDR (recuperación para escalado) | ≈ 1,5 GB/s | Se leen cuatro fotogramas para el escalado |
| Escritura DDR (4K compuesto) | ≈ 1,5 GB/s | Se escribe el fotograma 4K60 en el buffer de salida |
| Lectura DDR (salida 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Se lee el fotograma 4K60 para HDMI |
| Ancho de banda DDR total necesario | ≈ 6 GB/s | Lectura+escritura combinadas |
3. Ancho de banda de salida: ¿cuánto ocupa el 4K60?
La salida compuesta es 3840×2160@60 Hz, RGB de 8 bits:
| Ítem | Fórmula | Resultado |
|---|---|---|
| Velocidad de datos 4K60 | 3840 × 2160 × 3 × 8 × 60 | ≈ 11,94 Gb/s ≈ 1,49 GB/s |
| Ancho de banda HDMI 2.0 | — | 18 Gb/s (suficiente) |
| Ancho de banda DP 1.2 | — | ≈ 17,3 Gb/s (justo) |
La salida 4K60 en sí son 12 Gb/s; tanto HDMI 2.0 como DP 1.2 pueden transportarla. Pero ojo: el reloj de salida y el reloj de lectura DDR son asíncronos; se necesita una FIFO para el cruce de dominio de reloj.
4. El balance de ancho de banda de toda la cadena
| Etapa | Ancho de banda | Dispositivo |
|---|---|---|
| Entrada de cuatro señales 1080p | ≈ 1,5 GB/s | Decodificador HDMI + E/S paralela FMC |
| Escritura DDR (buffer de entrada) | ≈ 1,5 GB/s | Controlador DDR |
| Lectura DDR (recuperación para escalado) | ≈ 1,5 GB/s | Controlador DDR |
| Motor de escalado | ≈ 1,5 GB/s | DSP / lógica |
| Escritura DDR (buffer de fotograma 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Controlador DDR |
| Lectura DDR (salida 4K) | ≈ 1,5 GB/s | Controlador DDR |
| Salida HDMI 4K60 | ≈ 1,5 GB/s | HDMI 2.0 TX |
| Pico total DDR | ≈ 6 GB/s | — |
Por qué la DDR es el cuello de botella
Ancho de banda DDR de las placas habituales de Duyuan:
- DUK7410T (4 GB DDR3 64 bits 1866 Mbps): ≈ 14,9 GB/s — de sobra para 6 GB/s
- DUF7690T (4 GB DDR3 64 bits 1866 Mbps): ≈ 14,9 GB/s — igual
- XCKU15P (8 GB DDR4 ECC 64 bits 2400 Mbps): ≈ 19,2 GB/s — más margen para 4K multicanal
La composición de cuatro canales 1080p a 4K funciona sobre DDR3. Pero para ocho canales 1080p o dos entradas 4K, se requiere DDR4.
5. Qué placa elegir
DUK7410T (9 999 ¥): composición de cuatro canales de nivel inicial
FMSH JFM7K410T. Los recursos lógicos son suficientes; el ancho de banda de la DDR3 de 14,9 GB/s da margen amplio para la composición de cuatro canales. Combínela con una tarjeta FMC HPC para cuatro entradas HDMI, y use la salida HDMI de la placa para la visualización 4K. Ideal para pequeños videowalls 2×2 y monitorización industrial.
DUF7690T (24 999 ¥): bestia de carga para composición multicanal
FMSH JFM7VX690T. Varias veces más lógica y DSP, manejando filtros de escalado más complejos y corrección de color. El QSFP 40G de a bordo puede transmitir el flujo 4K compuesto por fibra a una pantalla remota. Adecuada para composición multipantalla + backhaul por fibra.
XCKU15P (15 999 ¥): superposición 4K de alto ancho de banda
AMD Kintex UltraScale+ XCKU15P. Ancho de banda DDR4 ECC de 19,2 GB/s, emparejado con transceptores UltraScale+. Adecuada para composición de ocho canales 1080p o superposición de dos entradas 4K. Elija esta si planea escalar a 8 canales o a múltiples entradas 4K60.
La composición de cuatro canales no es difícil; lo difícil es acertar con el ancho de banda de cada canal. La DDR es el cuello de botella más subestimado en los sistemas de composición: 1,5 GB/s de entrada parecen poco, pero duplicados en lectura+escritura se convierten en 6 GB/s. Haga los cálculos antes de elegir placa.
>
— Equipo de ingeniería de Duyuan
